物理性污染控制-第三章-振动污染及其控制

典型的振源：压缩机、破碎机、自动织布机、各
种风钻、振动输送机等。
a
41
（二）共振引起的扩大
共振现象的主要形式有4种
（1）包括基础在内的机器质量和支承基础的支承 弹簧引发的力的传递即为共振。
（2）波动传递过程中，可能发生因地质构造引起 地基共振的现象。
3）从受振（即受损方）还须考虑与振源同样的机 械或建筑及其支承引起的共振。
图3-4 正弦波的合成 a （基波和3次谐波的相位影响） 29
（三）冲击波振动
冲击性振动：冲压、锤锻之类的物体碰撞、 下落运动产生的振动。
往往为公害振动！
冲击：指给予系统的激励。
与该系统的固有振动周期相比，这种激励能在很 短时间内终结；
实际发生的冲击波振动时间往往并不很短，而是
经过数个周期的衰减振动形式的过渡激励。
示例
1
稳态振动 观的测环时境间振内动振级变化不大往 油 机复 机 、运 等 发动 ； 动机 旋 机械转通，机风如械机空类等压，机如、发柴电
2
冲击振动
具有突发性振级变化的环建筑施工机械，如打桩机等；
境振动
锻压机械，如冲床，纺锤等
3
无规则 未来任何时刻不能预先确道路交通振动、居民生活振动。
振动 定振级的环境振动
a
7
振动污染的特点
1. 主观性：是一种危害人体健康的感觉公害。
2. 局部性：仅涉及振动源邻近的地区。
3. 瞬时性：是瞬时性能量污染，在环境中无
残余污染物，不积累。振源停止，污染即 消失。
a
8
● 二、振动污染源
振动 污染源
自然振源 人为振源
地震、火山爆发等自然现象。 自然振动带来的灾害难以避免， 只能加强预报减少损失。
（4）当机械或建筑的部分或部件的固有频率与传
递来的激振力频率一致时，a 就会强烈共振。
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（三）振动波的种类与形态
图3-14 振动波的种类与形态
纵波（压缩波或疏密波）:传播速度快，
在振源观测时总是先到达观测点，故也称
为一次波（Primary Wave，略作P波）
纵波传播以媒介体体积伸长或压缩的形式 变化，质点沿波的行进方向作前后运动。
若以距离x为横坐标,则瞬间振动振幅 可表示为
Asin(tkx)
（3-5）
图3-3 正弦波
a
28
（二）复合正弦波振动
定义：两个以上正弦波 叠加后形成的新波称为 复合正弦波。
振动频率相同的正弦波合 成后仍是以相同频率振动 的简谐振动。
在基波上含有3次谐波(基波的3 倍频波)的波形。 相对于基波分别相差90º相位。 随着波形移动，其峰值(复合波的振幅)也 随之变化。 这种复合波仍是周期波形。
（二）受迫振动：在外力反复作用下的振动
1. 无阻尼受迫振动
2. 有阻尼受迫振动
图3-11 受迫振a 动
34
（三）振动体与共振
1. 固有频率
2. 共振发生的频率
3. 共振烈度的表示
4. 振动体与共振频率
a
35
1. 固有频率（也称共振频率）
单自由度振动系的固有频率与质量、劲度常数及衰 减系数相关。
a
32
（一）自由振动：无外力作用的振动
3-8
1. 无阻尼自由振动
2. 有阻尼自由振动
图
弹 簧 自 由 振 动 示 意 图
在弹性系数为k的弹簧上
加一质量m，使其产生位
移后轻轻放开，则弹簧
作无阻尼自由振动。
a
实际振动系统有弹簧内摩 擦、滑动摩擦、空气或水 的阻力等各种阻尼作用， 是有阻尼自由振动。 33
a
18
振动对睡眠的影响试验 图3-1 由锻锤振动负荷引起的觉醒率
睡眠深度1度（浅睡眠）：振动级60dB无影响，69dB以上则全部觉醒； 深度2度（中度睡眠）：60～65dB无影响，79dB全部觉醒；因2度睡眠占8小时
睡眠时间的一半以上，故影响这种睡眠的振动级最令人厌烦； 睡眠深度3度（深睡眠）:74dB以上方会觉醒，觉醒几率很低； 睡眠深度REM(异相睡眠，指睡眠多梦期a ):振动影响介于深度2度和3度之间。 19
横波（剪切波）:又称二次波（Seco ndary Wave，略作S波）
横波中质点运动与波的传播方向垂直，媒 介体体积不发生变化 。
瑞利波（Rayleigh Wave）：最具代
表性的表面波，在公害振动中起重要贡献。 质点运动与波的传播方向垂直
乐甫波(Love wave)：在不同固体表面
层内发生的表面波。
如玻璃窗、门产生的人耳难以听见 的低频空气振动。
这种振动多发生在工厂。
a
14
振动污染源 按形式分为
固定式单个振动源 如，一台冲床或一台 水泵等
集合振动源
如，厂界环境振动， 建筑施工场界环境振 动
a
15
按振动源的动态特征又可分成表3-1所示的四类。
表3-1 环境振动污染源动态特征
No 动态特征
定义
（一）工厂振动源 （二）工程振动源 （三）道路交通振动源 （四）低频空气振动源
a
9
自然振动
火山爆发
察隅地震，整个村庄被抛起
a
10
（一）工厂振动源
工业振动源：旋转机械、往复机械、传动轴系、 管道振动等，如锻压、铸造、切削、风动、破碎、 球磨以及动力等机械和各种输气、液、粉的管道。
特征参数：常见工厂振源附近
3. 共振烈度的表示
共振烈度：振动产生的最大位移振幅。
通常的振动多是 ＜＜1，则最大振幅倍率近似为
x0 x st
max
1
2
共振烈度的强度 Q ：
（3-35）
Q 1 f0
2 f2 f1
（3-36）
意义：表示共振点处振幅扩大为静态位移的倍数
例，若Q为10，则共振点处的振幅扩大为静态位移的10倍。
质点运动与波传播方向垂直且水平移动。
a
实体波
（Body Wave）
表面波
（Surface Wave）
43
（三）振动波的种类与形态
在流体场中必须考虑媒介体的体积弹性，因此
空气中只发生纵波。 液体表面发生以重力和表面张力为恢复力的横波。
固体中，体积变化的阻尼产生纵波；形变阻尼导 致横波产生。
在无限大的媒介体中传播的仅为纵波和横波
a
30
冲击波示例
图(a)是典型的单一矩形冲击 波振幅A、持续时间T，显示 从低频到高频具有均一频谱
的冲击力。
图(b) 的正弦波半周期激励是 近似实际的冲击波谱图。是物 体具有弹性所致结果。
图3-6 冲击波及其a频谱示意图
31
● 三、简谐振动系统 （一）自由振动
（二）受迫振动 （三）振动体与共振
面上加速度级：80～140dB； 振级：60～100dB； 峰值频率：10～125Hz。
a
11
（二）工程振动源
工程振动源：工程施工现场的振动源主要 是打桩机、打夯机、水泥搅拌机、辗压设备、 爆破作业以及各种大型运输机车等。 特征参数：常见工程振源附近
振级：60～100dB。
a
12
（三）道路交通振动源
a
26
图3-2 位移、速度、加速度的相位关系
● 二、振动的性质
（一）正弦波振动
（二）复合正弦波振动
（三）冲击波振动
a
27
（一）正弦波振动
如图，正弦波最大振幅为A，周期为T，频率为f，角 速度ω=2πf＝2π/T，以时间t为横坐标,则瞬间振动 振幅 a 可表示为
Asin(tkx)
（3-4）
由于共振的放大作用，其放大倍数可由数倍
至数十倍，因此带来了更严重的振动破坏和
危害。
a
22
第二节 振动基础
● 一、振动的基本物理量 ● 二、振动的性质 ● 三、简谐振动系统 ● 四、波动的产生与传播
a
23
● 一、振动的基本物理量
频率
周期
位移 基本物理量
速度
加速度
a
24
简谐振动是最简单的周期振动。
振动引起人体的生理和心理变化，导致工 作效率降低。
振动可使视力减退，用眼工作时所花费的 时间加长。
振动使人反应滞后，妨碍肌肉运动，影响 语言交谈，复杂工作的错误率上升等。
a
21
（四） 振动对构筑物的影响
振动通过地基传递到构筑物，导致构筑物破 坏。如，基础和墙壁龟裂、墙皮剥落，地基 变形、下沉，门窗翘曲变形，构筑物坍塌， 影响程度取决于振动的频率和强度。
a
4
（一） 振动
❖定义： ❖（1）当一个物体处于周期性往复运动 的状态，即可说物体在振动。 ❖（2）任何一个可以用时间的周期函数 来描述的物理量，都称之为振动。
a
5
❖ 振动现象
❖ 物理现象：声、光、热等物理现象都包含振动；
❖ 生命和生活：心脏搏动、耳膜和声带的振动是人体
的基本功能。
❖ 工程技术领域：
定义：某个运动量（位移、速度或加速度）
按时间的正弦或余弦规律变化的振动。
若正弦振动，则
位移
x x0 sint
速度
dx dt
x0
cost
加速度
d2x dt2
2x0
sint
（ x0为振幅、ω为角频率）
a
（3-1） （3-2） （3-3）
25
简谐振动（正弦）的相位关系
位移、速度和加速度 的相位关系如图所示， 相位差为π/2，则位 移和加速度相位相反。
a
38
4. 振动体与共振频率
桥梁、天线、各类机械及构件等大多为棒状振动体。
设棒状体(圆形、方形、矩形板条)材料密度为ρ，
弹性模量为E，长度为l，振动体的共振频率为基频的
整倍数n＝1，2，3……，则
纵向共振频率
n f0 2l
E百度文库
横向共振频率
fo
k l2
E
（3-37） （3-38）
式中，k ——与棒横截面半径或厚a 度成正比的量。
❖ 桥梁和建筑物在阵风或地震激励下的振动
❖ 飞机和船舶在航行中的振动，
❖ 机床和刀具在加工时的振动，
❖ 各种动力机械的振动，
❖ 控制系统中的自激振动等。 a
6
（二） 振动污染
❖振动污染：
振动超过一定的界限,从而对人体的 健康和设施产生损害,对人的生活和工作 环境形成干扰,或使机器、设备和仪表不 能正常工作。
（二） 振动对心理的影响
人们在感受到振动时，心理上会产生不愉快、烦躁、 不可忍受等各种反应。
除振动感受器官感受到振动外，有时也会看到电灯 摇动或水面晃动，听到门、窗发出的声响，从而判断 房屋在振动。
人对振动的感受很复杂，往往是包括若干其他感受 在内的综合性感受。
a
20
（三） 振动对工作效率的影响
如房屋施工，室内运动等
4 铁路振动 列30车m行外驶的带环来境的振轨动道两侧铁路机车的运行
a
16
● 三、振动的影响
（一） 振动对生理的影响 （二） 振动对心理的影响
（三） 振动对工作效率的影响
（四） 振动对构筑物的影响
a
17
（一） 振动对生理的影响
振动的生理影响主要是损伤人的机体， 引起循环系统、呼吸系统、消化系统、神 经系统、代谢系统、感官的各种病症，损 伤脑、肺、心、消化器官、肝、肾、脊髓、 关节等
39
● 四、波动的产生与传播
（一）波动的产生 （二）共振引起的扩大
（三）振动波的种类与形态
（四）波动沿地面的传递特性
a
40
（一）波动的产生
波动产生的机理：激振力的作用。
由往复、旋转之类周期性运动产生的激振力直 接作用于媒介物，就会发生振动。
振动往往以波动的的形式迁移，或将周期性作 用力施加到其它部件或基座上，形成振源。
激振力的频率与机械或构筑物的固有频率一致时， 就会发生共振。
公害振动发生的主频率范围大约为1～100Hz。
长跨度桥、天线、电缆、建筑物等的固有频率在此范围。
设备安装在房屋地板（楼板）上时，为了防止建筑物产生 共振响应，需要对建筑物各构件各自的固有频率进行估算。
a
36
2. 共振发生的频率
无阻尼
在性质完全不同的固体界面或固体与真空、固体 与气体的界面产生表面波。
a
44
（四）波动沿地面的传递特性
1. 波动传递的顺序 2. 波动的空间分布特征
3. 波动随距离的衰减
4. 波动的反射、折射和衍射
a
45
1. 波动传递的顺序
图3-15 振动波传递顺序示意图
即阻尼比 = 0，频率比 / 0 = 1 时，呈共振状态
理论上振幅为无穷大。
有阻尼 阻尼比 ＞0时，随 增大，最大位移振幅逐渐减小。
最大振幅产生的频率比为 最大振幅产生的频率为
0
f f0
12（23-31）
f f0
122 1 2
m k12ccc 2
1
2
a
k m
1 2
c m
2
（3-3337 ）
铁路振源：
频率：一般在20～80Hz范围内； 离铁轨30m处的振动加速度级范围 85～100dB，振动级范围75～90dB内。
公路振源：
频率：一般在2～160Hz范围内，其中 以5～63Hz的频率成分较为集中；
振级：多在65～90dB范围内。
a
13
（四）低频空气振动源
低频空气振动是指人耳可听见的 100Hz左右的低频
第三章 振动污染及其控制
a
1
第三章 振动污染及其控制
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
概述 振动基础 振动的评价与标准 振动控制技术 减振材料与装置及其应用
a
2
第一节 概述
● 一、振动与振动污染 ● 二、振动污染源 ● 三、振动的影响
a
3
● 一、振动与振动污染
（一） 振动 （二） 振动污染