前几天我们讲述了振动控制的原理，今天将继续分享振动控制技术。
在光学实验中，我们常说的“噪声”指的是三种类型的振动：地面振动，声学振动和台面应力。地面振动来自平台下方的地面，可能是由脚和车辆交通、风和建筑物的振动造成的。声学噪声来源于通过空气和墙壁传播的声波。台面应力是由工作表面上的振动引起的，例如移动的运动位移台或者真空系统管。
光学平台系统这个术语通常指的是振动隔离系统，即台面加上支撑系统（见图1）。这类平台通常有几个等级，由其减振水平决定。
鉴于振动干扰源是无法完全消除的，因此我们的目标是通过刚性尽可能强的结构将不同部件连接起来，以减少部件之间的相对运动。在仅存于理论的完全刚体中，任意两点之间的距离保持不变，不随时间变化。换句话说，当受到来自振动、静态力或者温度变化的力时，主体的尺寸和形状不会改变。如果所有元件安装在一起形成一个理想刚体，那么不同的元件之间不会发生相对移动，系统性能不会受到影响。然而完全刚性结构是不可能的，因此有效的隔振系统必须考虑动态力（振动）、静态力和温度影响。动态力引起随驱动力频率变化的结构变形。
结构共振能够放大光学组件之间的相对运动。有两种主要方法可以减轻影响：将所有关键元件连接在一个动态刚性结构中，此动态刚性结构中旨在消除（阻尼）结构共振，以及通过机械滤波器或者主动消除技术将系统与振动隔离开来。
静态力导致的变形不随时间发生变化。但是，系统中设备的增加或者移动将改变静态力并导致系统元件的位置出现偏差。为了避免这种情况，有必要建立一个在外力作用下变形尽可能小的静态刚性结构。不均匀的温度变化会使结构缓慢弯曲，时间常数为1 h或者更长。降低热效应的关键技术是控制环境以减小温度变化，并设计对温度尽可能不敏感的结构。
光学平台为高精度光学实验和系统提供了刚性平台。平台设计旨在消除光束路径中光学元件之间的相对运动引起的误差。刚性是光学平台设计的首要考虑因素。平台硬度可以根据静态或者动态刚性来量化。
静态刚性表征的是静态或者准静态负载分布改变时光学平台抵抗挠曲的能力。定义了运动位移平台滑过平台表面，或者仪器设备被移动位置、添加或移除时的平台性能。
动态刚性则描述了光学平台抵抗机械激励所产生平台挠曲的能力，描述了平台对地面振动、声学噪声和平台台面机械源的响应性能。蜂窝状设计通常用于生产重量非常轻，高度刚性的结构。减轻的重量通过将结构共振模式移动到更高、更少有害的频率，极大地提高了结构的动态刚度。
结构共振模式下使平台扭曲的频率，会在光学元件安装表面上引起相对运动。对于给定的输入振动力，挠度将随着模态频率的增加而减小。这是在大多数高端光学应用中使用钢制蜂窝结构（参见图2）取代花岗岩的主要原因。由于花岗岩相对较重，谐振模式发生在较低频率，因此产生的表面偏转幅度较大。
还有其他改进方法可以提高蜂窝设计的效能。桁架式核心设计使用额外的钢构件来桥接蜂窝单元的中心。额外的机械部件使单元明显变硬，而重量几乎没有增加，从而使静态和动态刚性提高。沿蜂窝芯高度进行垂直黏合，可以使平台的刚性-重量比达到最大。桁架式核心设计在每个蜂窝单元处都有三芯接口。将三个板黏合在整个平台高度上，可以使刚性更大。
由光学组件之间的相对运动引起的干扰通常发生在结构主导型弯曲或扭转模式下。除了将这些固有模式推向更高、伤害更小的频率之外，蜂窝状结构相对于花岗岩的一个主要优点是蜂窝结构中存在高水平的阻尼特性。阻尼衰减了固有模式下的振幅并减少台面上的相对运动。
通常，用于光学平台有两种类型的被动阻尼，窄带调谐阻尼和宽带阻尼。调谐阻尼技术使用单个模式选择的减振器来消除特定的“窄”模式和整个频带上的模式谐波。另一方面，宽带阻尼技术则会不加选择地吸收宽带上的适度振动。比较图3中各自的顺应性曲线可知，窄带调谐阻尼是消除结构共振最有效的方法。窄带阻尼器选择性地消减振动模式，使动态挠度系数最小化，并使平台的表现更像一个理想的刚性结构。
图 3 宽带阻尼技术和相应的顺应性曲线，说明在很宽的频率范围内阻尼为中等水平（左）。
调谐阻尼技术和相关顺应性曲线，显示了在主要共振模式频率下的集中阻尼（右）。
虽然一些窄带阻尼器设计使用油，但是大部分窄带阻尼器使用质量-弹簧机制，这可以提高性能并可以将频率调谐到阻尼共振所需的准确频率。虽然宽带阻尼不如窄带技术有效，但是仍然能够提高平台性能。
用于宽带阻尼的一种方法是使用约束层结构，该结构通常由两个或者更多个由柔性材料隔开的金属片组成。例如，桁架蜂窝芯中的三个金属片各自被黏合剂隔开。尽管黏合剂是刚性的，但是其阻尼系数远高于钢的阻尼系数，在芯中引入了显著的阻尼。其他宽带阻尼技术包括引入用于密封蜂窝芯并隔离工作表面的聚合物材料。聚合物经受与不锈钢表面相同的弯曲和剪切应力，但是聚合物材料的阻尼系数远高于钢的阻尼系数，因此工作表面中引入了相当大的阻尼。阻尼平台侧面也可以提高振动灵敏度。在这种情况下，平台的侧面由高阻尼的环氧树脂密封木质复合材料制成。与金属侧面相比，复合木材侧面为结构提供了显著的阻尼并且消除了另一个共振源。
调谐窄带阻尼器能有效抑制平台的挠曲共振。然而，这些阻尼器通常被调整到平台的特定共振频率，无法根据平台负载的显著变化（这也会改变共振）进行调整。主动振动控制方法可以在不受被动方法限制的情况下提供高效率。主动振动控制涉及监测结构的振动以及利用振动信号产生具有适当相位和幅度的力以减弱振动。
主动振动控制的另一个优点是可独立用于监测振动环境的振动信号的能力。两个传感器-促动器组件通常整合在光学平台结构中。该设计确保传感器和促动器的刚性耦合，包括将阻尼器连接到顶部和底部面板的刚性管状结构。阻尼性能与高质量被动调谐吸收器相当。但是，如果平台的加载重量与平台本身重量相当，那么被动振动吸收器会变得“失调”，而主动阻尼器在重新调谐后将正常工作。
气动隔离器在机械噪声到达光学试验台工作表面之前振动过滤。改进的振动隔离减少了光路中光学元件之间的相对运动引起的误差。气动隔离器与光学平台和有效负载相结合，形成一个质量/弹簧/阻尼系统。为了能够提供自动调平并可将不同质量对隔离的影响最小化，使用气动系统代替机械弹簧。传统的隔离器使用柔性腔室作为空气弹簧和减振室来提高系统稳定性（见图4）。柔性腔室用柔韧隔膜密封从而形成活塞结构，支撑位于压缩空气上的光学平台。如果将活塞进一步推进到柔性腔室内，那么气压增加并提供一个恢复力——有点像软弹簧。隔离性能主要与柔性腔室的体积有关。
在柔性腔室之后，通过限流器（通常是细管或孔）将空气泵送到减振室中。限流器消散空气中的能量，实质上为系统提供阻尼。必须优化两个腔室和限流器的设计，以使固有频率/阻尼平衡最小化。隔振器的性能主要由其固有频率和阻尼特性决定，如图 4 中传递性曲线所述。
图 4 带阻尼的气动隔离器（左）和显示阻尼效应的典型传递性曲线（右）。
气动隔离器本质上是一个简谐振荡器，它使用较高频率的“快速滚降”作为低通机械滤波器。频率低于谐振器的固有频率时，隔离器基本上是刚性的，振动直接传递到平台。在固有频率处，振动实际上被放大。因此，首要目标是降低固有频率，因为这可以改善低频隔离和整体隔离带宽。另一个主要目标是在谐振时阻尼谐振子振幅，可降低低频振动的放大率，提高系统稳定性。不足的是，在固有频率和阻尼之间存在平衡。随着阻尼增加，隔离器的固有频率稍稍向高频移动，较高的频率处隔离度降低。
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