TW201734339A - 主動慣性阻尼器系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於結構中減振的主動慣性阻尼器系統及方法。一慣性質量其係經由彈簧裝置藉由該支撐構架所支撐，用以形成具有一共振頻率的一質量-彈簧系統。一控制器其係經組配以控制該力致動器順應該驅動力隨著該等測量的振動而變化。該控制器包含一濾波器確定該驅動力之大小隨著用於該結構中該等經測量之頻率變化。該濾波器係進一步經組配以在該質量-彈簧系統之該共振頻率下於該驅動力大小中提供一抗共振凹陷用於抑制該質量-彈簧系統本身的共振表現。

Description

主動慣性阻尼器系統及方法
發明領域 本揭示內容係有關於用於結構中減振的主動慣性阻尼器系統及方法。
發明背景 例如，美國專利第5,884,736號說明一種用於抑制結構中，諸如建築物，振動的主動振動抑制器。該熟知的裝置具有一附裝至該結構的致動器以及一致動器之一可延伸桿，該桿附裝至一感振質量其因而係藉由該致動器移動。根據該參考資料，當該致動器經供給動力時該感振質量並未移動並係僅經由該致動器附裝至地板。然而，如此可能對於所需的構架結構及致動器力量提出了高的要求。
例如，美國專利第5,884,736號說明一種主動吸振器其包括一與待控制的一結構連接的構架以及至少二在操作上與該構架連接的反應質量元件。每一反應質量元件相對於該構架係可獨立地移動。該吸收器包括一力產生構件用於控制該結構之減振所用的該等反應質量元件之間的相對移動。該雙反應性質量吸收器與傳統式低單一反應性元件吸收器比較需要較少的控制力以產生相同的振動衰減。然而，該裝置係為複雜並且可能難以順應於不同的情況。
提供一種慣性阻尼器其易於建構尚可順應於不同的情況係為所期望的。
發明概要 本揭示內容之一第一觀點提供一種用於結構中減振的主動慣性阻尼器系統。支撐構架係經組配用於附裝至待減振之該結構。一慣性質量係經由彈簧裝置藉由該支撐構架所支撐，用以形成具有一特定共振頻率的一質量-彈簧系統。一力致動器係經組配以在該慣性質量與該支撐構架之間施以一可變驅動力。一振動感應器係經組配以測量該待減振結構中的振動。一控制器係經組配以控制該力致動器順應該驅動力隨著該等測量的振動而變化。該控制器包含一濾波器確定該驅動力之大小及/或相位隨著用於抑制該結構中該經測量之頻率變化。
藉由組配該濾波器以在該質量-彈簧系統之該共振頻率下提供該驅動力大小的一抗共振凹陷而能夠抑制該質量-彈簧系統在共振頻率下所不欲見到的共振表現。如此可能防止，例如，在該質量-彈簧系統之該共振頻率下不想要的放大，可能未具體旨在任一頻率之振動干擾。例如，該抗共振凹陷可根據該慣性質量之一質量以及該彈簧裝置的一彈簧常數模塑以提供該質量-彈簧系統在該共振頻率下的一反向共振。例如，該驅動力可經順應以保持由該慣性質量常數所施加的力量，至少位於大約為該質量-彈簧系統的該共振頻率的一頻率範圍內。
藉由組配該濾波器以在一或更多的預定減振頻率下提供該驅動力的大小下一或更多的共振尖峰，能夠更為有效地減小該等頻率下的振動，在該質量-彈簧系統之特定共振頻率上具極少或無依存性。藉由提供高於該質量-彈簧系統之該共振頻率的控制器減振頻率，該阻尼器能夠較假如該共振衰減係低於該質量-彈簧系統之該共振頻率的狀況更有效率地作業。因此，該系統可更能夠順應於不同的情況。再者，該濾波器可提供多個(分開的)共振尖峰以在分開的頻率下從不同的來源對準特定的干擾振動。此係與一傳統式質量-阻尼器成對比，該傳統式質量-阻尼器係經調諧僅在或是接近該共振頻率下有效地減振而在更多遠離的頻率下較不有效率。
藉由讓該質量-彈簧系統配置具有一相對低的共振頻率，該裝置可減振的該頻率之範圍能夠增加，特別是該範圍之下限能夠降低。如此對於低頻率模式，例如，地板振動，可能特別地需要。例如，該質量-彈簧系統之該共振頻率係經組配以低於25赫茲(Hertz)，優選地低於15赫茲，例如，介於1與10赫茲之間。為讓該質量-彈簧系統配置具有一相對低的共振頻率，該慣性質量能夠相對為高及/或該彈簧常數能夠相對為低。然而，假若一相對弱彈簧係結合一相對高質量使用，重力可能致使太大的應力在該彈簧上，例如，處於一平衡位置，可能導致該彈簧負荷過度。於一些例子中，如此可能對於構造的堅固性有負面的影響。
藉由以副彈簧支撐該質量，該等副彈簧係在未裝載一或更多主彈簧處的該慣性質量之一位置處預裝載，該等主彈簧上重力的影響能夠受到限制並且該慣性質量之位置至少部分地能夠回復。例如，該慣性質量可經由一或更多的彈簧片從該支撐構架懸掛而下，而進一步地藉由在未裝載一或更多彈簧片處的該慣性質量之一位置處預裝載的一或更多壓力彈簧支撐。應察知的是當該等支撐彈簧係預裝載時，其可能至少部分地與該慣性質量上的重力抵消以減輕一或更多彈簧片上的張力，容許使用具有相對低彈簧常數的相對弱彈簧片同時防止該等彈簧片上由於重力造成的過度偏移及/或應力。該系統的彈簧常數越低，該質量將表現得越自由地浮動，但不需複雜的構造。
因為該濾波器可以不同的頻率程式化，所以其能夠容易地經順應以減緩不同的頻率。如此可有利地容許一系統其中使用多個阻尼器裝置以控制結構中的振動。例如，每一阻尼器裝置包含一個別的支撐構架、慣性質量、彈簧裝置以及力致動器。感應器可安置於接近該等個別阻尼器裝置處並且可將該等阻尼器裝置之控制集中。因此，本發明之阻尼器裝置能夠更模組化，例如，讓每一裝置具有相同的構造，僅有一(可程式化)濾波器及/或控制裝置不同。
藉由將一或更多的阻尼器裝置直接地連接至一建築物地板，能夠減緩整個房間中的振動。如此與讓每一桌子利用一單一阻尼器裝置的減振方式比較可更為有益的。可交替地，或是除此之外，可將一或更多的阻尼器裝置連接至一機器支撐構架。該機器支撐構架可支撐一振動敏感機器。例如，該主動慣性阻尼器系統係為了有益於該振動敏感機器所用，例如，防止或減輕干擾振動否則會影響該振動敏感機器。該振動敏感機器可安置位在該機器支撐構架上。該振動敏感機器可藉由配置在該振動敏感機器與該機器支撐構架之間的支腳支撐。藉由將該主動慣性阻尼器系統之該等振動感應器安置位在或是接近該等機器支腳的該等位置處，該機器可感受最小的振動。藉由將一或更多的阻尼器裝置附裝在該振動敏感機器下方的一機器支撐構架的一底部處，在極為接近該等支腳的位置能夠發生減振作用。
藉由提供一高勁度機器支撐構架或是剛性支座，亦即，以至少同該建築物地板一般高的一勁度連接至該地板，在該支座之頂部上由該機器所導致的振動影響與和地板於振動方面隔離的桌子相較能夠較小。同時，本發明主動慣性阻尼器系統可有效地將地板及/或桌子中剩餘的振動抵消。典型地使用該構態可針對需要極為穩定底座(例如，具有快速移動平台的機器)以及其中該等振動問題係僅在一特定頻率區域(例如，30-50 Hz)的機器。
藉由本揭示內容有關於結構中減振之方法的觀點可獲得進一步的益處。例如，將一減振裝置附裝至欲減振的該結構以及一慣性質量係經由彈簧裝置藉由該支撐構架支撐以形成具有一共振頻率的一質量-彈簧系統。一力致動器在該慣性質量與該支撐構架之間施以一可變驅動力。該方法包含測量欲減振之該結構中的振動以及控制該減振裝置，使用一濾波器確定該驅動力之大小與相位隨著針對該結構中該等測量的振動的頻率變化，以使該驅動力順應隨著該測量的振動變化。優選地，該濾波器在該質量-彈簧系統之該共振頻率下於該驅動力的大小下提供一抗共振凹陷以抑制該質量-彈簧系統本身的共振表現。優選地，在一或更多高於該質量-彈簧系統之該共振頻率的預定減振頻率下該濾波器於該驅動力的大小下提供一或更多的共振尖峰，用於在預定的頻率下減少該結構中的振動，對該質量-彈簧系統之共振表現影響最小。
較佳實施例之詳細說明 於一些例子中，可省略廣為熟知裝置及方法之詳細說明俾以不致使本系統及方法難解。說明特別具體實施例所使用的專有名詞並不意欲其限定本發明。如於此所使用，該等單數形式“一(“a”、“an”及“the”)”係亦意欲包括複數的形式，除非內文有以其他方式清楚地指示。該用語“及/或”包括一或更多之相關條列項目的任何以及所有結合。應瞭解的是該等用語“包含(comprises)”及/或“包含(comprising)”具體說明存在所述特性但未排除存在或是附加一或更多的其他特性。應進一步瞭解的是除非另有說明，否則當一方法的一特別步驟係視為接續另一步驟時，其能夠直接地依循該其他的步驟或是在完成該特別步驟之前完成一或更多的居間步驟。同樣地，應瞭解的是除非另有說明，否則當說明介於結構或組件之間的一連接時，此連接可直接地或是經由居間結構或組件建立。
本發明之後將參考該等伴隨圖式，其中顯示本發明之具體實施例，更為詳細地說明。然而，本發明可以複數不同的形式具體化並且不應視為限制在於此提出的該等具體實施例。該等示範性具體實施例之說明係意欲與該等伴隨圖式共同地閱讀，該等圖式被認為是整個書面說明的一部分。於該等圖式中，為了清晰目的可能誇大地顯示系統、組件、層及區域的絕對與相對尺寸。具體實施例可參考本發明之可能理想化的具體實施例及居間結構的概略及/或橫截面圖解加以說明。於該說明與該等圖式中，遍及所有相同的代表符號指的是相同的元件。相對性用語以及其之衍生詞應理解為將該定向視為與討論中的該等圖式中所說明及顯示者。該等相對性用語係為了方便說明，除另有其他說明外，並不需在一特別的定向上建構或是操作該系統。
圖1概略地圖示用於一結構11中減振V1、V2的一活性慣性阻尼器系統100之一具體實施例。
於一具體實施例中，該系統100包含一支撐構架1其經組配用於附裝至該待減振結構11。例如，該構架1係藉由附裝裝置1a，諸如螺釘，附裝至該待減振結構11。亦能夠使用其他的附裝裝置，例如，膠或樹脂。同時，該阻尼器裝置10可未經附裝，例如，利用諸如橡膠支腳的定義接觸點與該待減振結構11接觸。
於一具體實施例中，該系統100包含經由彈簧裝置3支撐的一慣性質量2以形成具有一共振頻率“fn”的一質量-彈簧系統2、3。優選地，該慣性質量2係藉由該支撐構架1支撐。原則上，該彈簧裝置可包含任一型式彈簧元件或是彈簧元件的結合，例如，彈簧片、壓力彈簧等等。
於一具體實施例中，該系統100包含一力致動器4其經組配以在該慣性質量2與該支撐構架1之間施加一可變驅動力Fd。該力致動器4可為能夠在該慣性質量2與該支撐構架1之間導致一可變且可控制之驅動力Fd的任一裝置。
於一具體實施例中，該系統100包含經組配一振動感應器5，其經組配以測量待該減振結構11中的振動V1、V2。該振動感應器5可為能夠測量振動V1、V2的任一裝置。例如，可使用一速度感應器及/或加速度感應器。
於一具體實施例中，該系統100包含一控制器6係經組配以控制該力致動器4將該驅動力Fd順應於隨著該等測量的振動V1、V2變化。例如，該控制器6係經組配以送出一控制信號C至該力致動器4，其可確定該驅動力Fd之大小或是增益。典型地，該控制器6係經組配以順應於該驅動力Fd之振幅、頻率及/或相位，將該結構11，例如，建築物地板或是建築物支撐構架之該等測量的振動Vx(例如，V1或V2)的一振幅降至最低。例如，該控制器6係經組配以順應該驅動力Fd之一頻率以讓該慣性質量2在該地板振動Vx的一主要頻率下振盪。例如，該控制器6係經組配以順應該驅動力Fd之該相位以讓該慣性質量2與該地板振動Vx異相下振盪而抵消該等地板振動。例如，該控制器6包含一濾波器H確定該驅動力Fd之該大小M及/或相位Φ隨著針對該結構11中該等測量的振動V1、V2之頻率f變化。
於一具體實施例中，該支撐構架1、慣性質量2、彈簧裝置3及力致動器4係包含在一個於此視為該阻尼器裝置10的單一單元中。於該顯示的具體實施例中，該振動感應器5係為經由該控制器6耦合至該力致動器4的一個別裝置。可交替地，該振動感應器5及/或控制器6亦可與該阻尼器裝置10一體成型。維持該振動感應器5作為一個別裝置可提供的優點在於在一處所處測量的振動可於另一處所進行減振。然而，通常該振動感應器5係安置在緊鄰該阻尼器裝置10處。維持該控制器6作為一個別裝置可具有的優點在於可藉由一中央控制器控制多個阻尼器裝置10(於此未顯示)。使用一中央控制器可使能夠使用複數個減振裝置及/或感應器，並可能導致整個地板領域或是其他結構中更多的有效振動抵消。
於一具體實施例中，該濾波器H包含一估測濾波器Hinv其經組配以提供在該質量-彈簧系統2、3之該共振頻率“fn”下該驅動力Fd的大小M中提供一抗共振凹陷用於抑制該質量-彈簧系統的共振表現。於另一或是進一步的具體實施例中，該濾波器H包含一減振濾波器Hs其經組配以在一或更多預定的減振頻率f1、f2下，其優選地係位在該質量-彈簧系統2、3之該共振頻率“fn”上方，於該驅動力Fd之大小M中提供一或更多的共振尖峰用於在該等預定的減振頻率f1、f2下利用該質量-彈簧系統之共振表現的最小影響對該結構11減振。
於一具體實施例中，該濾波器H係經組配以提供增加大小M之該驅動力Fd涵蓋預定減振頻率的一延伸範圍，例如，該力大小係超過五、十、二十或甚至三十分貝涵蓋高於十、二十、五十、百或甚至千赫茲的一範圍。視欲抑制的該等振動而定，一濾波器可包含多個相對窄的尖峰以涵蓋個別確定的振動，或是一寬峰/連續頻帶以覆蓋涵蓋一頻率範圍的振動。
於另一或進一步具體實施例中，該濾波器H係經組配以確定該驅動力Fd之一相位Φ隨著針對該結構11中該等測量的振動V1、V2之頻率f變化。該等濾波器可與更多的組件一體成型或是分開。優選地，該等濾波器可針對減振頻率f1、f2之更多的靈活性程式化。可交替地，或除此之外，濾波器功能性可部分地或是完全地藉由硬體組件提供。
圖2顯示一結合濾波器Hs*Hinv的一具體實施例之一波德圖，例如，如參考圖1說明。
例如，該濾波器係經組配以確定該驅動力Fd之一大小M及相位Φ俾以抵消主要在頻率f1及f2之測量的振動。於一具體實施例中，該濾波器係經組配以在二者皆高於該質量-彈簧系統之該共振頻率“fn”的個別預定減振頻率f1、f2下該驅動力Fd之大小M中提供至少二個別的共振尖峰。例如，該質量-彈簧系統2、3之該共振頻率“fn”係低於25赫茲，優選地低於15赫茲，例如，10赫茲。
於一具體實施例中，該濾波器之該等減振頻率f1、f2係至少高於該質量-彈簧系統之該共振頻率“fn” 10%，優選地至少高於25%，更為優選地至少高於50%。例如，該濾波器Hs之該等共振尖峰係位在該質量-彈簧系統之該共振頻率“fn”的二倍與一百倍之間。於一具體實施例中，該等預定減振頻率f1、f2係至少分開10赫茲、至少20赫茲、至少30赫茲或是更高。
亦可使用其他的濾波器。例如，該濾波器H可包含一高通濾波器用於減弱位在低頻率，例如，低於10赫茲的驅動力Fd。例如，該過濾器H可包含一低通濾波器以減弱位在高頻率，例如，高於100赫茲或更高，例如，高於300赫茲，的噪聲放大。例如，該濾波器H可包含一帶阻濾波器以增加位在一特定干擾頻率的減振作業。例如，該濾波器H可包含一相位延遲或相位超前濾波器以改良控制器堅固性及穩定度。例如，一或更多的濾波器可如下般參數化。
圖3A顯示例如於圖1中所顯示該質量-彈簧系統的頻率fn下一模塑共振尖峰的一波德圖。圖3B顯示補償圖3A之該共振的一濾波器之一相對應共振凹陷的一波德圖。
於一具體實施例中，如於此說明的該濾波器包含根據該慣性質量之一質量模塑的一抗共振凹陷以及該彈簧裝置的一彈簧常數以提供位在該共振頻率“Fn”的該質量-彈簧系統的一反向共振。例如，該濾波器包含一帶阻濾波器以減小在該質量-彈簧系統的共振頻率“Fn”下的大小。
可注意的是位在低於該共振頻率的頻率下，由於彈簧勁度，較小的致動器力可於欲減振的該結構，例如，地板中結束。不受理論的約束，此能夠由以下該等方程式而瞭解。 Ÿ該慣性質量之運動方程式︰其中“m”係為該慣性質量，xm 係為該質量(雙點意指加速度)的位置，xf 係為(欲減振的其他結構的)該地板的位置，“k”係為該(結合彈簧)常數，以及F係為該施加的(致動器)力。 Ÿ地板上力量(Ffloor )係等於︰Ÿ根據m之運動方程式︰Ÿ一起地，此導致︰Ÿ在低於該共振的頻率下，需大部分的致動器力以克服彈力kΔx︰Ÿ另一方面，在高於共振的高頻率下，該彈力kΔx係可忽略並且大部分的致動器力係有效地導致質量“m”之加速度︰
圖4A概略地圖示一阻尼器裝置10的一具體實施例。圖4B概略地圖示與圖4A相似的一具體實施例，但其包括預裝載的支撐彈簧3c、3d。
於一具體實施例中，該力致動器4包含藉由一電源(未顯示)提供電力的一線圈4b以及一磁鐵4c其在該線圈4b之繞組內側為可移動的。例如，該磁鐵4c係連接至該慣性質量2及該線圈4b係經由一致動器構架4a連接至該支撐構架1，或反之亦然。
於一具體實施例中，該慣性質量2係經由一或更多個主彈簧3a、3b以及一或更多個支撐彈簧3c、3d藉由該支撐構架1所支撐，該等支撐彈簧係預先裝載在未裝載一或更多主彈簧3a、3b之該慣性質量2的一質量位置處。例如，該慣性質量2係經由一或更多彈簧片3a、3b自該支撐構架1懸垂，以及其中該慣性質量2係進一步地藉由一或更多壓力彈簧3c、3d所支撐，該等壓力彈簧係預先裝載在未裝載一或更多彈簧片3a、3b之該慣性質量2的一質量位置處。
於另一或進一步具體實施例中，其中預先裝載該等支撐彈簧3c、3d以至少部分地抵消該慣性質量2上的一重力，減輕一或更多彈簧片3a、3b上的張力而容許使用具有相對低彈簧常數之相對弱的彈簧片，同時防止該等彈簧片上由於重力所造成的過度偏差及/或應力。於另一或進一步具體實施例中，該一或更多的主彈簧3a、3b具有一結合的第一彈簧常數K1以及該等預先裝載的支撐彈簧3c、3d具有一第一彈簧常數K2，其中該第二彈簧常數K2係較該第一彈簧常數K1的一半為小，優選地小於1/10。於另一或進一步具體實施例中，在該慣性質量的一靜止位置處，該一或更多的預先裝載支撐彈簧3c、3d較一或更多的彈簧片3a、3b距其之平衡位置至少遠兩倍。
圖5A概略地圖示一阻尼器裝置10的一具體實施例之一透視圖。圖5B概略地圖示包括一分開的振動感應器5之一阻尼器裝置10的一具體實施例之一相片。
於一具體實施例中，該支撐構架1包含可連接至一欲減振結構的一底板1c。於另一或進一步具體實施例中，該支撐構架1包含位在該底板之頂部上的一支撐塊件1a，於其間具有支撐支腳1b，其中該支撐塊件1a係經組配以經由該彈簧裝置3承載該慣性質量2，其中該支撐構架1係經組配以容許該慣性質量2之振盪。當然，亦能夠預見其他的構態。
於一具體實施例中，該系統包含一加速度感應器7其經組配以測量該慣性質量2之加速度。於另一或進一步具體實施例中，該控制器(未顯示)係經組配以順應基於該測量的加速度的該驅動力。例如，該控制器6係經組配以計算基於該測量的加速度藉由該慣性質量2所施加的一力量，例如，使用該相關力=質量*加速度。於另一或進一步具體實施例中，該控制器係經組配以順應於該驅動力以在至少大約為該質量-彈簧系統2、3之該共振頻率“fn”的一頻率範圍中維持由該慣性質量施加的該力量不變。於一具體實施例中，可使用該加速度感應器7以替代如於圖1中所說明的該濾波器Hinv。然而，該濾波器Hinv可為優選地因為其不需該加速度感應器7之附加的硬體。再者，並未由加速度迴路過衝而延遲及性能衰退可使能夠更快速控制。
於一具體實施例中，該支撐構架1形成一散熱器從該力致動器(於此無法看見)汲取熱量。於另一或進一步具體實施例中，該支撐構架1包含一主動式冷卻器8，例如，風扇，以從該支撐構架1汲取熱量。因此，在更大溫度變化的環境下可使用一更為有力的力驅動器或是該減振裝置。
圖6A概略地圖示一系統的一具體實施例，該系統包含多個附裝至一建築物地板11的阻尼器裝置10a、10b。例如，每一阻尼器裝置10包含一個別的支撐構架1、慣性質量2、彈簧裝置3、以及力致動器4。
圖6B概略地圖示一系統100的一具體實施例，該系統包含多個附裝至一機器支撐構架12的阻尼器裝置10a、10b。於另一或進一步具體實施例中，該多個阻尼器裝置(10a、10b)係藉由一中央控制器6，例如整合於一單一裝置中，所控制。於另一或進一步具體實施例中，該系統100包含多個振動感應器5a、5b。於另一或進一步具體實施例中，多個振動感應器5a、5b亦係連接至該中央控制器6。例如，該主動慣性阻尼器系統之一或更多的支撐構架係連接至一機器支撐構架12用於支撐一振動敏感性機器13。例如，該主動慣性阻尼器系統100係用以減小本來會對機器13造成影響的振動。於一具體實施例中，該振動敏感性機器13係藉由機器支腳13a、13b支撐立於該機器支撐構架12上。於另一或進一步具體實施例中，該主動慣性阻尼器系統100之振動感應器5a、5b係定位在機器支腳13a、13b之該等位置處供於該等機器支腳13a、13b處減振作業所用。例如，一振動感應器係定位在距一個別機器支腳10公分的範圍內，或更接近，例如，位在5公分的範圍內或甚至位在1公分的範圍內。於一具體實施例中，多個阻尼器裝置10a、10b係附裝在該振動敏感性機器13下方的一機器支撐構架12的一底部處。於一具體實施例中，該機器支撐構架12係立於建築物地板11上，其中該機器支撐構架12具有較該建築物地板為高的勁度。
圖7A概略地圖示一建築物地板中無減振作用的振動之模擬，例如，該圖顯示在該建築物地板之不同位置處振動之強度。圖7B概略地圖示一進一步模擬，但其中該地板係藉由如由白點所指示般安置的三具阻尼器裝置減振，該等白點分別為7N(牛頓)、7N及9N。
本揭示內容之一觀點提供於一結構中減振的方法。於一具體實施例中，該方法包含提供一減振裝置，該裝置包含附裝至該欲減振之該結構的一支撐構架、一經由彈簧裝置藉由該支撐構架所支撐的慣性質量以形成具有一共振頻率的一質量-彈簧系統；以及一力致動器其經組配以在該慣性質量與該支撐構架之間施加一可變的驅動力。於另一或進一步具體實施例中，該方法包含測量欲減振的結構中之振動以及控制該減振裝置以使用如於此說明的一濾波器順應該驅動力隨著該等測量的振動變化，確定該驅動力之大小隨著供該結構中該等測量的振動所用頻率而變化。例如，該減振裝置之該支撐構架係直接地附裝至一建築物地板用於抵消該建築物地板中的振動。例如，多個減振裝置係附裝在該欲減振結構上不同的位置處。
根據一具體實施例，用以確定何處放置減振裝置的一程序可包括以下一或更多的步驟。 1)在關注的整個地板領域上測量地板振動以及與規格比較。 2)確定需要降低的支配性振動頻率 3)將一減振裝置放置在地板領域之中間處並測量阻尼器裝置力對地板速度轉移函數由一力對該領域上的數個位置，典型地，分開1至1.5公尺。可交替地，或是除此之外，此亦能夠藉由模態衝擊鎚(modal hammer)及地板感應器完成 a)有接近該等支配性振動頻率的顯著共振？典型地，對於較高的頻率由於較高的模態密度所以需要更多的致動器 b)確定所需要用以降低該等地板振動對具有一動態模型之規格的減振裝置之數目以及其之位置︰ i)根據由一力對一速度的數據離線地調諧一控制器 ii)使用順序迴路整形(sequential loop-shaping)以確定在其他頻道上的作用，在所有領域點上干擾對速度的影響導致‘規格範圍內(within-spec)’數值？ iii)如有需要調諧第二迴路及第三迴路等。 c)確定每具減振裝置之該力量 4)設計及安置 a)如有需要縮放減振裝置力 b)提供減振裝置之數目及一控制器(例如，箱) 5)將減振裝置放置在該等設計位置上並重複步驟1。
圖8A-8D圖示針對在示範性振動位準上控制濾波器以及其之相對應影響的該等具體實施例之不同的波德圖。每一圖式之左上側顯示該驅動力之大小隨著頻率變化。左下側顯示該對應的相位。右上側顯示一振動位準實例，具有濾波器開與關之抵消。右下側顯示該補償的大小。
根據該等顯示的具體實施例的該等濾波器具有在該質量彈簧系統之該共振頻率下的一抗共振凹陷並顯著地增加高於此頻率的減振大小。於圖8A的該具體實施例中，該濾波器具有二共振尖峰。於圖8B的該具體實施例中，該濾波器具有四共振尖峰。於圖8B的該具體實施例中，該濾波器具有數個共振尖峰涵蓋頻率R的一範圍。於圖8B的該具體實施例中，濾波器具有一極寬廣的共振尖峰形成一頻帶，減緩高於該質量彈簧系統之該共振頻率的該範圍R中的任何頻率。
儘管該等圖式可顯示一阻尼器裝置其經組配以控制一垂直方向上的振動，該阻尼器裝置亦可經組配以控制一水平方向上的振動，或是結合水平與垂直方向上的振動。例如，該慣性質量及彈簧裝置可經組配以部分地或是整個地在一水平方向上振動。可交替地，或除此之外，該阻尼器裝置之該支撐構架可在一角度下連接至該預減振結構的一水平表面，例如，連接至該機器支撐構架的一側邊。可交替地，或除此之外，該阻尼器裝置可包含經組配以在不同的方向上振動的多個慣性質量。同時地，能夠使用多個(分開的或一體成型的)感應器以探測不同的方向上的振動。
為了清晰性及簡潔的說明，此處將特性描述為相同或獨立的具體實施例的一部分，然而，應察知的是本發明之範疇可包括具有全部或部分所述特性的具體實施例的具體實施例。例如，儘管具體實施例係針對一主動慣性阻尼器系統之特定構態，但同時地熟知此技藝之人士可預見用於獲得相似功能及結果的本揭示內容之優點的可交替方式。例如，機械及/或電氣組件可結合或分開成一或更多的可交替組件。如所論及及顯示的該等具體實施例之不同元件提供特定優點，諸如減小結構中非所欲的振動。當然，應察知的是任一以上具體實施例或處理可與一或更多的其他具體實施例或處理結合以提供甚至在發現與設計配合的改良及優點。應察知的是此揭示內容對於針對敏感性機器之益處的減振作業提出特別的優點，並且一般地能夠施用於其中該振動控制係為需要的任一應用。
最後，以上討論係意欲僅為本系統及/或方法之說明性並不應理解為將附加的申請專利範圍限制在任一特定的具體實施例或是具體實施例之群組。該說明書及圖式因此係視為說明性方式並不意欲限制該等附加的申請專利範圍之範疇。就解釋該等附加的申請專利範圍而言，應瞭解的是該用字“包含”並未排除於一已知請求項中所列舉之外的其他元件或是動作的存在；在元件前的該用字“一(a或an)”並未排除複數之該等元件的存在；於該等請求項中任一參考符號並未限制其之範疇；數個“裝置”可以由相同或是不同項目或實現結構或功能表示；除非另有明確地陳述，否則該等揭示裝置或其之部分的任一者可結合在一起或是分開成另外的部分。在相互不同的請求項中記載某些措施的事實不表示這些措施的組合不能得到優點。特別地，該等請求項之所有作業組合被認為內在地揭示。
1‧‧‧支撐構架
1a‧‧‧附裝裝置/支撐塊件
1b‧‧‧支撐支腳
1c‧‧‧底板
2‧‧‧慣性質量/質量-彈簧系統
3‧‧‧彈簧裝置/質量-彈簧系統
3a,3b‧‧‧主彈簧/彈簧片
3c,3d‧‧‧支撐彈簧/壓力彈簧
4‧‧‧力致動器
4a‧‧‧致動器構架
4b‧‧‧線圈
4c‧‧‧磁鐵
5,5a,5b‧‧‧振動感應器
6‧‧‧控制器
7‧‧‧加速度感應器
8‧‧‧主動式冷卻器
10,10a,10b‧‧‧阻尼器裝置
11‧‧‧結構/建築物地板
12‧‧‧機器支撐構架
13‧‧‧振動敏感性機器
13a,13b‧‧‧機器支腳
100‧‧‧活性慣性阻尼器系統
C‧‧‧控制信號
M‧‧‧驅動力大小
Φ‧‧‧相位
f‧‧‧頻率
f1,f2‧‧‧減振頻率
fn‧‧‧共振頻率
Fd‧‧‧可變驅動力
H‧‧‧濾波器
Hinv‧‧‧估測濾波器
Hs‧‧‧減振濾波器
V1,V2‧‧‧減振
Vx‧‧‧振動
本揭示內容之設備、系統及方法的該等與其他特性、觀點與優點由以下的說明、附加的申請專利範圍以及伴隨的圖式將有更佳的瞭解，其中︰ 圖1係概略地圖示一主動慣性阻尼器系統的一具體實施例； 圖2顯示一控制濾波器的一具體實施例之一波德圖； 圖3A顯示一質量-彈簧系統的一模塑共振尖峰的一波德圖； 圖3B顯示補償圖3A之該共振的一濾波器之一相對應共振凹陷的一波德圖； 圖4A概略地圖示一阻尼器裝置的一具體實施例； 圖4B概略地圖示與圖4A相似的一具體實施例，但其包括預先裝載的支撐彈簧； 圖5A概略地圖示一阻尼器裝置的一具體實施例之一透視圖； 圖5B概略地圖示一阻尼器裝置的一具體實施例之一相片； 圖6A概略地圖示一系統的一具體實施例，該系統包含多個附裝至一建築物地板的阻尼器裝置； 圖6B概略地圖示一系統的一具體實施例，該系統包含多個附裝至一機器支撐構架的阻尼器裝置； 圖7A概略地圖示一建築物中無減振的振動之模擬； 圖7B概略地圖示一建築物中藉由三具阻尼器裝置減振的振動之模擬； 圖8A-8D圖示針對在示範性振動位準上控制濾波器以及其之相對應影響的該等具體實施例之不同的波德圖。
1‧‧‧支撐構架
1a‧‧‧附裝裝置/支撐塊件
2‧‧‧慣性質量/質量-彈簧系統
3‧‧‧彈簧裝置/質量-彈簧系統
4‧‧‧力致動器
5‧‧‧振動感應器
6‧‧‧控制器
10‧‧‧阻尼器裝置
11‧‧‧結構/建築物地板
100‧‧‧活性慣性阻尼器系統
H‧‧‧濾波器
Hinv‧‧‧估測濾波器
Hs‧‧‧減振濾波器
C‧‧‧控制信號
M‧‧‧驅動力大小
Φ‧‧‧相位
f‧‧‧頻率
f1,f2‧‧‧減振頻率
fn‧‧‧共振頻率
V1,V2‧‧‧減振

Claims (15)

  1. 一種用於結構中減振的主動慣性阻尼器系統，該系統包含： 一支撐構架，其係經組配用於附裝至該待減振之結構； 一慣性質量，其係經由彈簧裝置藉由該支撐構架所支撐，用以形成具有一共振頻率的一質量-彈簧系統； 一力致動器，其係經組配以在該慣性質量與該支撐構架之間施以一可變驅動力； 一振動感應器，其係經組配以測量該待減振結構中的振動；以及 一控制器，其係經組配來控制該力致動器為可以該等測量的振動之一函數來調適該驅動力，其中該控制器包含一濾波器，該濾波器決定一作為頻率函數的該驅動力之大小，用於抑制該結構中該經測量之振動，其中該濾波器係進一步經組配以在該質量-彈簧系統之該共振頻率下於該驅動力大小中提供一抗共振凹陷，用於抑制該質量-彈簧系統本身的共振表現。
  2. 如請求項1之系統，其中該濾波器係經組配以在高於該質量-彈簧系統之該共振頻率的一或更多的預定減振頻率下提供該驅動力的大小下一或更多的共振尖峰。
  3. 如請求項1或2之系統，其中該濾波器係經組配以在高於該質量-彈簧系統之該共振頻率的預定減振頻率之一範圍內提供該增加的驅動力大小。
  4. 如請求項1至3中任一項之系統，其中該抗共振凹陷係根據該慣性質量之一質量以及該彈簧裝置的一彈簧常數模塑以提供該質量-彈簧系統在該共振頻率下的一反向共振。
  5. 如請求項1至4中任一項之系統，其中該濾波器係經組配以在高於該質量-彈簧系統之該共振頻率的二個別預定減振頻率下提供該驅動力之大小中至少二分開的共振尖峰。
  6. 如請求項1至5中任一項之系統，其中該質量-彈簧系統之該共振頻率係低於25赫茲。
  7. 如請求項1至6中任一項之系統，其中該濾波器之該等減振頻率係至少高於該質量-彈簧系統之該共振頻率25%。
  8. 如請求項2之系統，其中該等預定減振頻率係分開至少分開10赫茲。
  9. 如請求項1至8中任一項之系統，其中該慣性質量係經由一或更多的主彈簧以及在未裝載一或更多主彈簧處的該慣性質量之一位置處預先裝載的一或更多支撐彈簧藉由該支撐構架支撐，其中該等支撐彈簧係預先裝載以至少部分地抵消該慣性質量上的重力以減輕一或更多彈簧片上的張力。
  10. 如請求項1至9中任一項之系統，其中該系統包含多個阻尼器裝置，每一阻尼器裝置包含一個別的支撐構架、慣性質量、彈簧裝置以及力致動器，其中該多個阻尼器裝置係藉由一中央控制器控制。
  11. 如請求項1至10中任一項之系統，其中該支撐構架係連接至一建築物地板。
  12. 如請求項1至11中任一項之系統，其中該主動慣性阻尼器系統之該支撐構架係連接至一機器支撐構架用於支撐一振動敏感性機器，其中該振動敏感性機器係藉由機器支腳支撐立於該機器支撐構架上；其中該主動慣性阻尼器系統之振動感應器係定位在該等機器支腳之位置處供於該等機器支腳處減振作業所用。
  13. 如請求項1至12中任一項之系統，其中該一或更多的阻尼器裝置係附裝在該振動敏感性機器下方的一機器支撐構架的一底部處。
  14. 如請求項1至13中任一項之系統，其中該機器支撐構架係立於一建築物地板上，其中該機器支撐構架具有較該建築物地板為高的勁度。
  15. 一種於一結構中減振的方法，該方法包含︰ 提供一減振裝置，該裝置包含附裝至該欲減振之該結構的一支撐構架、一經由彈簧裝置藉由該支撐構架所支撐的慣性質量以形成具有一共振頻率的一質量-彈簧系統；以及一力致動器，其經組配以在該慣性質量與該支撐構架之間施加一可變的驅動力； 測量欲減振的結構中之振動；以及 控制該減振裝置以使用一濾波器來調適作為該等測量的振動之一函數的該驅動力，該該濾波器決定一作為頻率函數的該驅動力之大小，用於抑制該結構中該等測量的振動，其中該濾波器進一步在該質量-彈簧系統之該共振頻率下於該驅動力大小中提供一抗共振凹陷用於抑制該質量-彈簧系統本身的共振表現。
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