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实验中环境噪音的控制方案

内容节点
概述
实验/设备条件
样品提取
实验/操作方法
实验结果/结论
仪器/耗材清单

【概述】


30多年来,TMC一直致力于为精密测量实验室和工业提供精密工作台面和隔振系统。为了提供更好的性能,精密“台面”及其配套隔离器的设计必须解决核心问题:环境噪音的控制。


【实验/设备条件】

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有三个主要的振动源(噪音):地面振动,声学噪音,和“直接力”干扰。地面振动或地震振动存在于世界上所有的环境中。这种噪音有各种各样的来源,从海浪冲击海岸线,大地板块的持续磨擦,风吹动树木和建筑物,到人为的来源,如机器,暖通空调系统,街道交通,甚至是行走的人。TMC隔振系统旨在将这些振源的影响降到低。

 

        噪音来自许多相同的来源,但通过空气压力波传输到有效载荷。这些直接在有效载荷上产生影响。即使是亚音速声波也可以通过在气动减振器的膜片上产生气压差来干扰有效载荷。附近的暖通空调通风口产生的气流也会产生“声学”噪音。TMC为OEM应用生产隔音罩,通过在整个有效载荷上提供一个几乎密封、重量足够、吸收能量的隔音罩,从而保护有效载荷免受这种类型的干扰。

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声学噪音可以测量,但它对有效载荷的影响取决于许多难以估计的因素(如有效载荷的声学横截面)。对这类噪音源的分析超出了本讨论的范围。*一般而言,50Hz以上的振动主要为声学噪音。

 

        第三个振动源是直接施加在载荷上的力。这些可以是直接机械耦合的形式,如振动通过软管传输到有效载荷,或激光水冷却线。它们也可以来自有效载荷本身。以半导体检测设备为例,移动载物台是用来定位硅片。用于使载台加速的力也以反作用力的形式作用于有效载荷的“静态”部分。移动载物台也改变了有效载荷的整体质量ZX(COM)。通过TMC的MaxDamp®系列隔振器,可以被动地减少这些振动源,也可以主动地使用反馈或前馈技术。有效载荷产生的噪音源通常是众所周知的性质,不需要任何测量来描述。


通过有效载荷设计,可以ZD限度地减小振动对载荷的影响。TMC提供了多种蜂窝状光学平台,面包板和平台。这些可适用于标准和定制的形状与尺寸。通过具有高共振频率和特殊的阻尼特性,来降低环境噪音的影响(有关气动减振器的更多信息)。

1.1 测试噪音

        地震(地面)噪音通常不能事先知道,必须进行测量。地震噪音源有两种:周期性或相干噪音,及随机或非相干噪音。一种方法需要使用振幅谱,而第二种方法使用振幅谱密度进行分析。为了确定有效载荷的预期振动水平,这些必须与支撑它的隔离系统的振动传递函数相结合。

1.1.1 周期性噪音

     周期性噪音通常来自旋转机械。到目前为止,最常见的例子是暖通空调系统中使用的大风扇。这些风扇以恒定的速率旋转,可以产生连续的单频振动(有时也会产生几个谐波频率)。另一个常见的来源是空气压缩机。压缩器应该被认为是周期性的、相干的噪音源,尽管它们是非平稳的,这意味着测量结果会根据噪音源是否是有源的而变化。所有周期噪音源,不论其是否平稳,均应采用振幅谱测量法进行测量。

     振幅谱测量是从传感器测量噪音中,由采取傅里叶变换的数据收集。最常见的传感器是加速度计,它将产生一个以加速度为单位的频率函数的频谱。加速度计很受欢迎,因为它们有一个“平”频响,而随机的地面噪音在加速度上通常是相当“平”的(见下文第1.2.2节)。振幅频谱也可以表示为速度或位置振幅作为频率的函数。大多数频谱分析仪使用快速傅里叶变换,或FFT。FFT分析仪在输入数据中找出每个频率的振幅并绘制它。这包括任何周期性噪音源的振幅和频率。使用振幅谱测量周期性噪音源的振幅与数据记录的长度无关。

1.1.2 随机噪音

     随机或非相干噪音,是使用振幅谱密度来测量的。区别在于,在分析仪显示之前,振幅谱(上图)乘以数据记录长度的平方根。结果是一条曲线,它以[单位]/√Hz为单位测量随机噪音,其中[单位]可以是加速度、速度或位置。这种对测量带宽的归一化确保了测量的噪音电平独立于数据记录的长度。**例如,如果不进行这种校正,如果数据记录的长度增加了100倍,随机噪音的水平就会减少10倍。请注意,当使用谱密度时,周期性噪音源的振幅会随着数据记录变长而增大。随机的地面噪音水平变化很大,但一个“平均”地点的噪音可能在0.5μg/√Hz 之间,在1到几百Hz之间。随机噪音也可以是非平稳的。例如,暴风雨天气会显著增加随机地震噪音的水平。图1显示楼宇常见的噪音声级。

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1.1.3 测量有效值

    由于大多数地点既有随机的噪音源又有周期性的噪音源,因此通常需要提出一个单一的数字来描述噪音水平。这通常是通过在指定的频率范围内引用一个RMS(均方根)噪音水平来实现的。幸运的是,通过在特定的频率范围内对功率谱密度或PSD进行积分,这是很容易做到的。PSD是振幅谱密度的平方。这给出了如下表达式:频率f1和f2之间的均方根运动

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该公式在考虑了周期性噪音源和随机噪音源的情况下,正确地计算了测量值的均方根值。大多数频谱分析仪能够执行这种集成作为一个内置的功能。任何单一周期源对这个均方根值的贡献都可以用振幅谱(而不是振幅密度)和峰值除以/ √2来测量。几个峰的贡献可以通过正交相加来合并。均方根值有时也表示为“1/3倍频程图”,其中1/3倍频程频率箱计算的均方根值的直方图显示为频率的函数。八音度是频率的两倍。

 

1.1.4 描述光电隔离器

    载荷上的噪音水平可以通过测量上面所述的地面噪音来预测,然后将这些频谱乘以隔离系统的传递函数。传递函数是一个无量纲乘法器,指定为频率的函数,通常被称为隔离器的传递率。它通常被绘制成桌面运动与地面运动的比率作为频率的函数。通常用分贝(dB)来表示传输率:

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在实践中,对隔离系统传递函数的测量可能会被作用在有效载荷上的其他噪音源所干扰(如声学噪音)。这是许多测量传递函数有噪音的主要原因。为了提高传递率测量的质量,可以使用“振动台”。然而,这是危险的,因为它可能会在低振动水平上影响系统的性能。气动隔离器的传递函数将在2.0节中讨论。

 

*参见Cyril M. Harris, Ed,冲击和振动手册,Third Ed(McGraw-Hill公司,1987)

**其他正常化经常适用,如修正“数据窗口”,这超出了本文的范围。参见“信号分析的基本原理”,应用说明编号243。惠普公司。

***经Colin Gordon协会许可转载。VCA-VCE指振动敏感工具和仪器的公认标准。显示的电平是1/3倍频带ZX频率测量的均方根值。

 

关于TMC

      TMC为纳米技术设计和制造先进的建筑地面隔振系统。TMC隔离器支持超精密测量、仪器和制造。我们继续领先于行业先进的主动、惯性振动消除系统,具有压电驱动器和数字控制器。我们的无源产品范围从简单的、桌面隔离显微镜底座,到几乎任何尺寸的光学表系统。
      TMC产品让光子学、半导体制造、生命科学、药物发现和纳米技术等领域的超精密研究、测量和制造成为可能。

 

森泉光电为TMC中区总代理。

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