阻尼材料減振性能試驗研究

汪 浩 肖邵予

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064

阻尼材料減振性能試驗研究

汪 浩 肖邵予

中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064

介紹基于薄板阻尼復(fù)合試樣的阻尼損耗因子和減振效果測量方法，開展三型阻尼材料復(fù)合試樣的試驗研究。分析阻尼損耗因子與減振效果測量結(jié)果之間的聯(lián)系，比較不同厚度比條件下試樣的減振效果，提出阻尼測量及數(shù)據(jù)處理的改進措施。

阻尼材料；阻尼；損耗因子；振動控制

1 引言

阻尼材料是利用高分子材料的粘彈性將振動機械能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，從而達(dá)到減振降噪的目的。各種型式的阻尼材料目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、建筑等諸多領(lǐng)域［1］。目前，在水面艦艇和潛艇中，艦船主要振源的所在船體、基座、艙壁、甲板以及對居住性要求較高的艙室內(nèi)，都大量采用阻尼材料抑制振動。同時，在浮筏或者艙筏隔振裝置上也大量采用阻尼材料抑制共振，降低筏架結(jié)構(gòu)局部振動響應(yīng)，提高浮筏裝置的隔振效果。

目前，國內(nèi)有多家單位生產(chǎn)多達(dá)30余型的阻尼材料，而在實船上應(yīng)用的阻尼材料型號也多達(dá)十幾種。采用阻尼材料是抑制共振響應(yīng)的最便利的手段，因此從振動控制的觀點來看，準(zhǔn)確的阻尼測量對于在設(shè)計階段，通過性能對比試驗確定減振效果最優(yōu)的阻尼材料選型方案是一項非常重要的工作，對于提高阻尼減振措施的效費比具有重要意義，而試驗結(jié)果的可信度很大程度上取決于試驗方法的科學(xué)性。

現(xiàn)行的聲學(xué)阻尼材料測試的國家標(biāo)準(zhǔn)［2］規(guī)定了采用阻尼樣條或者復(fù)合試樣樣條的阻尼損耗因子的懸臂梁和自由梁測量方法。美國材料與測試學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)［3］則采用了懸臂梁方法對均勻阻尼樣條或者復(fù)合試樣樣條的阻尼損耗因子測量方法。對于復(fù)合試樣樣條，阻尼材料自身的損耗因數(shù)還需要通過振動梁法或者相位法等方法［4，5］求得。

試樣阻尼損耗因子的測量除了傳統(tǒng)的頻域模態(tài)分析和時域自由衰減方法外，還存在以功率輸入方法為代表的基于能量或波傳播方法［6，7］。雖然阻尼損耗因子在頻域上描述了阻尼材料的性能，但由于阻尼損耗因子各種測量方法都存在一定的局限性，且工程中實際最關(guān)心的是“采用了阻尼措施后，能夠降低多少振動響應(yīng)”。因此，阻尼材料應(yīng)用效果的最終評價一般采取類似隔振裝置插入損失的評定方法，即比較阻尼處理應(yīng)用前后的振動加速度級或者聲壓級。用分貝表示阻尼處理的減振效果，可以近似表示為［8］：

式中，η0、ηD為阻尼處理前、后結(jié)構(gòu)的復(fù)合損耗因數(shù)；M0、MD為阻尼處理前、后結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；K0、KD為阻尼處理前、后結(jié)構(gòu)的剛度；A、B、C為取決于結(jié)構(gòu)的形式及其固定條件的系數(shù)。

由式（1）可知，不同阻尼的實際應(yīng)用效果不單單取決于阻尼損耗因子，而且與復(fù)合結(jié)構(gòu)形式和邊界條件、阻尼處理前后的質(zhì)量、剛度變化都有較大的關(guān)系。

2 薄板復(fù)合試樣阻尼性能測試方法

板件阻尼測試方法沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，目前在實際工程中進行阻尼材料性能對比測試時，采用的是一種在薄板上復(fù)合各種阻尼型式，在一邊緊固條件下進行的測試方法，圖1為這種方法的示意圖。還有一種方法是將受試板四周固定在支架上，支架四角通過桿件匯聚到下端一點，在匯聚點上安裝激勵器，這種方法汽車工業(yè)上應(yīng)用較多［9］。

圖1 薄板阻尼性能測試裝置

圖1中，薄板結(jié)構(gòu)及其阻尼處理后的復(fù)合結(jié)構(gòu)的一邊通過夾具固定在剛性平臺上，通過激振并拾取薄板或復(fù)合結(jié)構(gòu)的響應(yīng)獲得其減振性能參數(shù)。薄板結(jié)構(gòu)左上腳的圓點表示激振點，采用電磁式激振機通過激振桿激勵試驗，其余圓點上布置加速度計拾取薄板結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，測量阻尼處理前以及阻尼處理后薄板結(jié)構(gòu)的阻尼損耗因子、減振效果（即振動響應(yīng)插入損失）。

a）阻尼損耗因子：

式中，Δfi為結(jié)構(gòu)的第i階共振峰的半功率寬度；fi為結(jié)構(gòu)的第i階共振頻率。b）減振效果

式中，L為減振效果；L基為基板平均振動加速度級；阻為阻尼復(fù)合薄板平均振動加速度級。

平均振動加速度級L表示為：

式中，n為薄板上響應(yīng)測點數(shù)；Li為第i點振動加速級，dB。

這種測量方法也可視作GB／T 16406－96中懸臂梁方法的演繹。本方法主要優(yōu)點是能夠進一步明確結(jié)構(gòu)的不同板厚以及阻尼－基板不同厚度比情況下，阻尼處理的實際效果以及能夠在較高的動態(tài)應(yīng)變水平下描述復(fù)合結(jié)構(gòu)的阻尼特性。

3 自由阻尼板材聲學(xué)試驗研究

采用薄板復(fù)合試樣阻尼性能測試方法對國內(nèi)3家阻尼材料生產(chǎn)商提供的3型自由型阻尼板材進行聲學(xué)試驗，金屬基板尺寸為320×470×10（mm），阻尼材料厚度為20 mm，厚度比為2.0。分別測量以下參數(shù)：

1）金屬基板、Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型阻尼材料復(fù)合試樣的頻率響應(yīng)曲線，根據(jù)每個共振頻率值及半功率帶寬計算阻尼損耗因子；

2）金屬基板、Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型阻尼材料復(fù)合試樣在2～2 000 Hz范圍內(nèi)寬帶噪聲激勵下（激勵力RMS值約為3.5 N）平均振動加速度級，并計算阻尼減振效果。

3.1 復(fù)合試樣阻尼損耗因子測量結(jié)果分析

金屬基板、阻尼復(fù)合試樣加速度頻響函數(shù)曲線測量結(jié)果見圖2。

圖2 金屬基板、阻尼復(fù)合試樣加速度頻響函數(shù)曲線

金屬基板、復(fù)合阻尼試樣前四階阻尼損耗因子測量結(jié)果見表1。

表1 金屬基板、復(fù)合阻尼試樣測量結(jié)果

從圖2的頻響函數(shù)測量曲線可以看出，阻尼復(fù)合試樣的前四階固有頻率很明顯的顯現(xiàn)出來，測試質(zhì)量較好，阻尼損耗因子測試值較可信。

從表1的測量結(jié)果可知，3種型號的阻尼復(fù)合試樣，其低頻段（20～300 Hz）阻尼損耗因子的大小依次順序可基本歸納為：

Ⅰ型試樣＞Ⅱ型試樣＞Ⅲ型試樣

理論上認(rèn)為：復(fù)合試樣阻尼損耗因子較大的阻尼材料其減振效果也較高，因此可以估計三型復(fù)合試樣在低頻段（20～300 Hz）的減振效果同樣有上述規(guī)律。

3.2 復(fù)合試樣減振效果測量結(jié)果分析

通過控制功率放大器的輸出，監(jiān)測激振器通過激振桿作用在試件上的動態(tài)力，使得每型復(fù)合試樣及金屬基板減振效果測量時，輸入到試件上的動態(tài)力為3.5 N（RMS值，頻率2～2 000 Hz），檢驗在相同寬帶噪聲激勵下試件的加速度響應(yīng)，進而得到不同復(fù)合試樣相對于金屬基板的阻尼減振效果。

表2為試件振動加速度級及復(fù)合試樣阻尼減振效果測量結(jié)果。測量結(jié)果表明，在有效值相等的寬帶（2～2 000 Hz）噪聲激勵力的作用下，阻尼復(fù)合試樣的減振效果呈現(xiàn)與復(fù)合試樣阻尼損耗因子不同的規(guī)律，其減振效果大小順序為：

Ⅲ型試樣＞Ⅰ型試樣＞Ⅱ型試樣

表2 金屬基板、復(fù)合阻尼試樣減振效果測量結(jié)果

進一步對測試過程數(shù)據(jù)的分析可知，盡管寬帶激勵力的總有效值基本相等，均為3.5 N，然而由于試件的固定條件，激振機的安裝條件等影響因素的作用，每次激振機通過激振桿輸入到試件上的力譜并不一致，4次測量中，通過對力信號的記錄和處理，可以得到如圖3所示的力譜。

圖3中，4次測量的力譜形狀基本相似，但在部分頻段，其絕對值普遍相差3～5 dB，各次測量激勵力的力譜均不一致，雖然激勵力總級基本一致，但各型復(fù)合試樣加速度響應(yīng)并不完全建立在相同的基準(zhǔn)之上，事實上不同的阻尼材料在不同頻段上的阻尼效果也是不同的。因此，僅僅保證激勵力的總有效值恒定，而不考慮各次測量激勵力在頻譜上的分布所進行的減振效果的測量也是不完善的。

圖3 金屬基板、阻尼復(fù)合試樣激振力三分之一倍頻程譜

解決的方法是將各次復(fù)合試樣激勵力－響應(yīng)歸一化為在基板激勵力譜作用下的復(fù)合試樣的加速度響應(yīng)。通過建立復(fù)合試樣加速度響應(yīng)譜－激勵力譜三分之一倍頻程傳遞函數(shù)，并與基板測量時的激勵力譜相乘，得到以基板測量時激勵力為基準(zhǔn)的歸一化加速度響應(yīng)。

式中，Ai為復(fù)合試樣三分之一頻程第i個中心頻率處加速度響應(yīng)；Fi為復(fù)合試樣三分之一頻程第i個中心頻率處激勵力；F0i為基板三分之一頻程第i個中心頻率處激勵力；A0i為復(fù)合試樣三分之一頻程第i個中心頻率處歸一化加速度響應(yīng)。

歸一化后的減振效果測量結(jié)果見表3。

表3 金屬基板、復(fù)合阻尼試樣歸一化減振效果

歸一化后各型阻尼復(fù)合試樣減振效果大小排列順序未變。由于基板測試時的力譜在頻率上并不恒定，在本次試驗中1～2 kHz中的能量占據(jù)了主導(dǎo)地位，全頻帶減振效果受到局部優(yōu)勢頻段減振效果影響非常大。因此，如果要更加全面地評價阻尼材料寬帶阻尼性能，應(yīng)當(dāng)借助振動反饋控制系統(tǒng)保持激勵力在全頻帶上平坦或者分頻段評價減振效果。

3.3 復(fù)合試樣阻尼損耗因子與減振效果對比分析

在復(fù)合試樣阻尼損耗因子測量中，3型復(fù)合試樣前4階阻尼損耗因子的大小排列順序為：

Ⅰ型試樣＞Ⅱ型試樣＞Ⅲ型試樣

而在減振效果測試中無論是否采用歸一化方法，各型試樣的減振效果大小排列順序為：

Ⅲ型試樣＞Ⅰ型試樣＞Ⅱ型試樣Ⅲ

型阻尼復(fù)合試樣在寬帶范圍具有最佳的減振效果。

由于3型復(fù)合試樣損耗因數(shù)測量頻率范圍不大于300 Hz，因此考慮將減振效果的歸一化振動加速度級測量結(jié)果按頻段劃分為低頻 （三分之一倍頻程中心頻率10～315 Hz）和中高頻（三分之一倍頻程中心頻率400 Hz～2 kHz），考察3型復(fù)合試樣在不同頻段內(nèi)加速度響應(yīng)，測量結(jié)果見表4。

表4 不同頻段阻尼復(fù)合試樣歸一化加速度響應(yīng)及減振效果

測量結(jié)果表明，在低頻10～315 Hz的頻段內(nèi)，3型阻尼復(fù)合試樣的減振效果排序為：

Ⅰ型試樣＞Ⅱ型試樣＞Ⅲ型試樣此結(jié)果與300 Hz以下3型復(fù)合試樣阻尼損耗因子的測量結(jié)果良好吻合，符合損耗因數(shù)大、阻尼材料減振效果好的一般認(rèn)識。而Ⅲ型復(fù)合試樣則表現(xiàn)極端。在低頻，不但不能提供良好的阻尼減振效果，反而進一步放大了振動響應(yīng)。而在400 Hz以上的頻段內(nèi)，其減振效果表現(xiàn)優(yōu)異。Ⅱ型復(fù)合試樣無論是損耗因數(shù)還是減振效果均不及Ⅰ型復(fù)合試樣。

對于中低頻振動的控制，Ⅰ型試樣綜合表現(xiàn)優(yōu)于其他兩型，而對于中高頻振動占主導(dǎo)的環(huán)境，選用Ⅲ型試樣無疑具有最優(yōu)的效果。因此，對于具有不同振動頻率特征的環(huán)境，有針對性地選用特定的阻尼材料，能夠更加有效地抑制振動，提高阻尼材料應(yīng)用的效費比。

另外，以上的分析表明，采用類似于隔振裝置插入損失評價方式的阻尼處理前、后的減振效果試驗方法，與損耗因數(shù)的試驗結(jié)果具有一致性，可以作為阻尼材料復(fù)合試樣損耗因數(shù)試驗方法的一個補充，以更全面和更直觀地考察阻尼材料減振性能。

3.4 不同厚度比阻尼材料減振效果分析

不同厚度的阻尼材料對于結(jié)構(gòu)整體的減振效果影響也是不言而喻的。針對阻尼損耗因子和減振效果綜合性能最好的Ⅰ型阻尼材料，對其分別進行厚度比為1.5、2.0和2.5以下復(fù)合試驗的阻尼減振效果試驗（頻率范圍10 Hz～2 kHz），試驗結(jié)果見表5。

表5 不同厚度比的阻尼復(fù)合試樣減振效果（基板厚度10 mm）

由試驗結(jié)果可知，對于Ⅰ型阻尼材料，應(yīng)用在10 mm左右厚的結(jié)構(gòu)鋼板上時，其優(yōu)化的阻尼敷設(shè)厚度比為2.0。繼續(xù)提高阻尼材料的厚度至25 mm，其應(yīng)用效果基本沒有任何提高。

4結(jié)論

應(yīng)用實際工程中采用的阻尼損耗因子和減振效果測量方法，本文對國內(nèi)3家不同單位生產(chǎn)的自由型阻尼材料進行了測試研究，獲取了3型阻尼材料復(fù)合試樣的阻尼損耗因子、減振效果參數(shù)，探討了2個測量參數(shù)的一致性、分析了不同頻段阻尼減振效果的差異，比較了不同厚度比條件下的阻尼處理效果，得到了如下結(jié)論：

1）采用剛性固定薄板阻尼復(fù)合試樣一邊進行阻尼損耗因子試驗對試樣的固定，激勵系統(tǒng)的安裝要求比較高。試驗過程中，應(yīng)當(dāng)注意排除試件安裝，激振機連接對固有頻率、損耗因數(shù)帶來的影響，提高測試質(zhì)量。

2）國家標(biāo)準(zhǔn)中僅規(guī)定了阻尼損耗因子的測量方法，工程中采用的類似于插入損失的阻尼減振效果測量方法與阻尼損耗因子測試方法在測量結(jié)果上具有一致性。對于中高頻阻尼損耗因子難以準(zhǔn)確測量，阻尼減振效果測量方法可作為阻尼損耗因子測量方法的補充和完善。

3）在阻尼復(fù)合試樣減振效果測量過程中，應(yīng)當(dāng)注意各次測量時，不同激勵力的力譜對測量結(jié)果可能產(chǎn)生的影響，通過相對于基板測量時激勵力力譜的歸一化，減小減振效果測量誤差。同時，分頻帶考察減振效果，以及采取力反饋輸出控制得到更平坦的力譜能夠更全面地考察阻尼材料在全頻帶的性能。

4）生產(chǎn)配方不同的阻尼材料在不同的頻率范圍上阻尼減振的效果存在一定的差異，對于中高頻具有良好阻尼減振效果的阻尼材料，其在中低頻效果可能并不好，必須通過試驗測量確定阻尼材料在不同頻段上的阻尼處理效果。

5）阻尼材料阻尼減振效果存在一個優(yōu)化的厚度比，通過測量不同厚度比條件下復(fù)合試樣的減振效果確定優(yōu)化的厚度比值，對于阻尼材料選型和規(guī)格的選定是一個必不可少的環(huán)節(jié)。

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Experimental Study on Damping Properties of Acoustical Materials

Wang Hao Xiao Shao-yu
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The measurement techniques of damping loss factor and viration－reduction effects based on the thin composite plate are introduced.Experimental study on composite samples of three different types of damping material was developed.The relationship between results of damping loss factor and virationreduction effects was analyzed.Also，viration－reduction effects of composite sample of different thickness ratio was investigated.The improvements of damping measurements and data analysis were put forward.

damping material；damping；loss factor；vibration control

TB535+.1

：A

：1673－3185（2009）01－38－05

2008－08－12

汪 浩（1979－），男，工程師，碩士。研究方向：振動噪聲控制。E-mail：wanghao＿1999＠163.com