淺談超低頻隔振

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為什麼要超低頻隔振？

對於許多精密儀器和科學研究實驗而言，特別是一些涉及高精度位置探測、微小力檢測等儀器，地球脈動噪聲和環境噪聲一直以來都是影響其性能和結果的一大因素，因此隔振系統在其中發揮著重要的作用。

例如，精密扭秤系統常用於驗證等效性原理或測量萬有引力常數，地面振動噪聲會對其測量結果造成極大的影響；評估加速度計本底噪聲時也需要將地面的振動噪聲隔離；引力波探測器由一個臂長約4km的邁克耳孫幹涉儀構成，對環境噪聲敏感，需要性能非常好的隔振系統提供一個較為理想的慣性參考點；在絕對重力測量中，無論是經典的自由落體重力儀還是原子幹涉重力儀，都需要隔振系統。

地面振動噪聲的來源和強度與時間、地基、周圍環境息息相關，頻率在0.5Hz以上的噪聲來源主要是周圍環境的噪聲，比如建築、樹木的晃動和人類活動。頻率在0.05~0.5Hz的噪聲一般被稱為地球脈動噪聲，主要來源是海浪撞擊海岸時在地殼中產生的表面波和體波，其中0.06~0.09Hz的噪聲是撞擊產生的基頻，0.12~0.16Hz為其二次諧波，二次諧波的噪聲幅值往往比基頻的幅值更大。因此，為了有效地隔絕地球脈動噪聲和周圍環境振動噪聲，隔振系統的本徵頻率須至少低於0.05Hz，一般浮動光學平臺或傳統隔振平臺難以滿足需求。

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目前超低頻隔振的方法

實現超低頻隔振的方法主要有兩種，一是用低頻加速度計等傳感器進行反饋控制實現超低本徵頻率，稱為主動隔振；二是不採用反饋控制，通過結構實現超低本徵頻率，稱為被動隔振。二者均可等效為「彈簧振子」系統，由於超低頻水平隔振的「彈簧」不需要平衡「振子」的重力，可以使用剛度很小的「彈簧」，因此水平隔振系統相對於垂直隔振系統更容易實現。

低頻隔振一直是眾多科研機構研究的熱點。VIRGO小組建成的七級氣體彈簧隔振系統，LIGO小組研製的多級隔振堆，西澳大學研製的四級懸臂彈簧隔振系統在10Hz以上，都具有較好的隔振性能。

LIGO多級隔振系統

超低頻水平隔振系統的研究也取得了很大的進展。摺疊擺、X擺和錐擺等水平方向的隔振系統被相繼提出，人們可以實現十秒到幾十秒的共振周期。如摺疊擺的共振周期值已經做到66s。採用撞擊中心連接方式的摺疊擺在7Hz處，對外界振動能夠提供90dB的衰減。

然而，超低頻被動垂直隔振系統的研究遲遲未取得突破性進展，其原因在於在垂直隔振中必須利用材料的彈性力來抵消引力作用。欲使系統的共振頻率降得很低，原則上就需要負載彈簧有很大的垂向伸長。此時，彈簧的滯彈性效應將會明顯地表現出來，它不僅限制了材料的選擇範圍，而且也對彈簧的加工提出了更高的要求。

超低頻垂直隔振最具代表性的是美國Micro-g公司生產的Super Spring隔振系統。該系統應用於FG-5絕對重力儀，固有周期可達40~60s。其基本原理是，豎直懸掛一個彈簧振子，閉環控制彈簧上懸掛點跟蹤振子在豎直方向的運動，以構造一個近似無限長的彈簧，理論上該系統可以實現無限長的固有周期。但是為了消除不同自由度之間的交叉耦合，Super Spring需要對隔振框架進行嚴格的運動限位，因此系統的機械結構十分複雜。

Wintertlood和Blair提出一種長周期被動垂直隔振系統模型。它的基本思想是，利用兩個對稱的扭杆彈簧系統所產生的幾何非線性效應來實現長的共振周期。華中理工大學在此基礎上對他們的模型進行改進，提高了系統的共振周期和隔振性能，系統的共振周期達21.3s（頻率約0.05Hz）。2016年，清華大學提出了基於兩級擺杆結構的超低頻垂直隔振系統，通過精細地調節彈簧懸掛點的位置，合理地設置控制參數，可以實現一個本徵頻率低至0.01 Hz 的系統。

隨著精密測量、微弱信號檢測的發展需求，對超低頻隔振的要求也在不斷提高。要實現更高要求的超低頻隔振，或許還需要新的思路和設計。

主要參考文獻：

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[4] 王觀, 胡華, 伍康, et al. 基於兩級擺杆結構的超低頻垂直隔振系統[J]. 物理學報, 2016, 65(20).