「振動吸收器」(absorber)之工作原理
有參觀過台北101大樓觀景台的風阻尼球(wind
damper)嗎？(http://www.taipei-101.com.tw/observatory-damper.aspx)
本文將介紹「振動吸收器」(absorber)的工作原理，也是台北101風阻尼球的工作原理。
來自材料的「阻尼」是本身之能量消耗機制外，其實，也可以是外加於整體結構系統之型式，以達到「阻尼」的效果。「振動吸收器」就是外加於結構系統而能夠抑制振動的一種裝置。
台北101大樓在87樓到92樓之間，安裝了單擺型的振動吸收器，學術上稱為Tuned Mass Damper，簡稱TMD，中文翻譯為：調諧質量阻尼器。(http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/103/323/a-4.pdf)
先來看一下振動吸收器的工作原理，如影片中說明，假設原始的機器結構系統為單自由度系統，如果，機器在運轉中呈現高振動現象，機器的轉速頻率也就是外力激振頻率，很可能就是落在結構的自然頻率附近，因而造成了共振(resonance)的效應。
如圖示曲線圖，藍色曲線為單自由度系統的頻率響應函數(frequency response function, FRF)，高峰值之對應頻率就是結構的自然頻率。也就是外力激振頻率接近於自然頻率時，FRF將呈現高峰值，而結構有振動大的現象
如果，無法變更該機器結構的隔振設計，一個方式就是加上振動吸收器，如圖示，為水藍色的小質塊及彈簧，此時，含振動吸收器的結構，則成為兩個(雙)自由度系統，其數學模式如圖示。
吸收器的質量(ma)、彈簧常數(ka)、及阻尼係數(ca)，需要適當設計，使得吸收器的自然頻率與原始結構系統的自然頻率相等，此時，含有吸收器的機器結構就變為雙自由度系統。此說自由度系統的頻率響應函數(FRF)如圖示綠色曲線，呈現兩個峰值，對應的就是結構的兩個自然頻率。
此振動吸收器的有效工作頻率範圍，就是綠色曲線(雙自由度系統 FRF)低於藍色曲線(單自由度系統FRF)的頻率區間。在原始結構自然頻率的轉速頻率下，有最佳的振動抑制效果，如圖示動畫，藍色的機器結構幾乎不動，而紅色的吸收器有大的振動，所以稱之為「振動吸收器」(absorber)。
了解了以上機器系統上的振動吸收器之工作原理，我們再類比台北101大樓：
1.
一般結構的第一個振動模態主導了結構的主要振動響應，所以，台北101大樓可以以圖示的單自由度機器結構系統類比之。
2.
台北101的風阻尼球，相當於圖示中機器結構上方的吸收器，只是台北101的風阻尼球，是採用單擺型的設計，也相當於吸振器的單自由度系統假設。
3.
動畫中的藍色質塊，就相當於台北101大樓，而紅色質塊就相當於風阻尼球。
本文有關「振動吸收器」(absorber)的工作原理介紹，希望對您有幫助。
以上個人看法，請多指教！
王栢村
2017.06.14
