彈性泡沫復合結構吸振性能研究

孟凡明 祝文娜 歐陽肖

（1. 海裝沈陽局，遼寧 沈陽 110034；2. 哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

共振是振動特有的一個現象，當結構系統受到某些特定頻率的外激勵力作用時，系統振動幅度顯著增大[1]。物體發生共振現象時，外界激勵頻率與系統的固有振動頻率相同或者非常相近，共振現象容易導致結構損傷甚至破壞。振動的來源多種多樣且有各自的特點，經過長期的經驗總結，研究人員將對振動的控制分為三個方面包括對振動源的控制、對傳播途徑的控制以及對受控對象的控制[2]。從不同的控制方向出發對振動的控制措施基本可以分為控制振動源振動[3]、振動隔離[4]、動力吸振[5]和阻尼減振[6]等幾個方面。

動力吸振器能很好的對振動進行控制，但動力吸振器依然存在著許多缺陷。在實際應用中存在著動力吸振器對受控系統減振頻帶的不確定性、減振頻帶的局限性等問題。

本文以吸振的實際應用為出發點，以廉價易得的彈性泡沫吸振材料為基礎，研究吸振系統結構的變化對吸振頻率以及吸振量的影響。選擇三種不同結構、不同模量的彈性泡沫進行復合結構設計，并對不同結構及厚度的吸振復合結構進行測試，找到材料微觀結構、力學性能及復合結構對吸振性能的影響。

1 實驗

1.1 材料與儀器

A型泡沫材料，工業級，河北格瑞吸聲材料制品有限公司；B型泡沫材料，工業級，林之森包裝制品有限公司；C型泡沫材料，工業級，青島海洋新材料科技有限公司冷軋鋼塊，Q235，青島凱遠復合材料有限公司；無水乙醇，EG，國藥集團化學試劑有限公司；502膠水，SH-1，禹城市三星科技有限 公司。

BSA224S-CW型分析天平，3365型萬能拉力試驗機，MNT-200型電子數顯外徑千分尺，QUANTA-200型掃描電子顯微鏡，3H-2000 TDI型全自動真密度分析儀，3560B型振動數據采集器， GCPQ-100型海綿泡沫切割機，YE5871A型功率放大器，YE5857A-05型電荷轉換器。

1.2 固支梁振動測試系統

如圖1所示，電腦端向功率放大器發出指令，功率放大器接受指令后將指令作用到激振器上，激振器產生激勵力使鋼條開始振動。接著加速度傳感器將振動信號輸出到數據采集器上，數據采集器將信號傳遞到由PC電腦端，電腦將信號進行采集與處理。通過對比附加復合吸振試樣前后鋼條的振動響應差值獲取吸振試樣的吸振性能。

試樣的振動響應由振動加速度與振動加速度級表示，振動加速度可由振動測試系統中的數據采集器進行信號采集，將信號傳遞到電腦而獲得。振動加速度級則需要由與振動加速度有關的公式計算所得，如公式（1）所示。

圖1 固支梁振動測試系統示意圖

式中：a為振動加速度，m/s2；a0

為基準加速度，10-6m/s2；

L為振動加速度級，dB。

試樣的吸振效果用吸振量來表征，以鋼條谷值處的固有頻率的值定義為A點，將該頻率處空白鋼條的振動加速度級與附加復合試樣后鋼條谷值的振動加速度級的差值定義為吸振量公式（2）。即：

式中：ΔL為吸振量，dB；

LA1為空白鋼條A點處振動加速度級，dB；

LA為附加試樣后鋼條谷值，dB。

2 結果與討論

2.1 彈性泡沫材料微觀結構表征

對彈性泡沫材料進行掃描電鏡（SEM）分析，研究材料內部的泡孔結構、孔徑寸等微觀結構。三種彈性泡沫材料的掃描電鏡圖片如圖2所示。A型彈性泡沫材料（圖2a）內部為三維網狀結構，由緊密且不規則的以多邊環連接，形成完全開放的空間體系。材料內部的泡孔孔徑在100 μm左右，泡孔骨架寬度為5～10μm。B型彈性泡沫材料（圖2b）孔徑尺寸相對較小，泡孔骨架較寬，仍為通透的開孔結構。C性彈性泡沫材料（圖2c）泡孔骨架較薄，孔壁為薄片狀。

圖2 彈性泡沫材料掃描電鏡圖片

2.2 彈性泡沫材料真密度及孔隙率測試

利用全自動真密度分析儀對彈性泡沫材料進行真密度測試。將彈性泡沫材料放于真密度測試儀內，以氦氣為介質，將測量室的氣壓逐漸加到規定值后，氦氣膨脹進入膨脹室內,根據質量守恒定律，將樣品放入測試腔會引起測試腔氣體容量的減少，因此通過測試減少的氣體來測量樣品的真實體積計算出真密度進而計算出該材料的孔隙度。根據測試結果可知，A型彈性泡沫材料孔隙度較低，為96.12%；B型和C型彈性泡沫材料的孔隙度均較高，達到99%以上。

2.3 彈性泡沫材料彈性模量測試

通過萬能試驗機對三種彈性泡沫材料的彈性模量進行測試，測試標準為以GB/T 8813-2008。彈性泡沫材料的應力-應變的關系曲線如圖3所示。泡沫材料本身的泡孔孔徑和骨架結構等都會影響到壓縮模量的大小，泡沫材料的剛度是影響吸振結構吸振性能的一個因素。三種彈性泡沫材料的壓縮強度和壓縮模量如表2所示。其中A型彈性泡沫材料具有最高的壓縮強度和壓縮模量，分別為0.013MPa和0.28MPa；B型和C型彈性泡沫材料雖然微觀結構不同，但壓縮強度和壓縮模量比較接近。

表1 彈性泡沫材料真密度及孔隙率

圖3 彈性泡沫材料的壓縮應力-應變曲線

表2 彈性泡沫材料壓縮模量

2.4 彈性泡沫材料對復合吸振試樣振動響應的影響

分別裁切不同厚度（3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、18mm、21mm、24mm、27mm、30mm）的三種類型彈性泡沫材料與質量層進行復合，并對復合結構進行振動測試。

圖4（a）為在未加入任何吸振結構時空白鋼條試樣的振動加速度-頻率曲線，從測試數據中可以看到頻率為208.13Hz時出現了共振峰，即空白鋼條樣品的固有共振峰，振動加速度為3.54m/s2。如圖4（b）所示，給鋼條一個固定激勵，在A型彈性泡沫復合結構試樣上出現兩個響應峰。由圖4（a）可知，這個頻率上的峰是鋼條的固有共振峰。因此可以判斷，對不同復合結構試樣進行測試時，在200～250Hz出現的響應峰均是由于試樣受到空白鋼條固有共振峰的影響。另一個峰出現在70～117Hz處，也就是試樣上的一階振動峰。該一階振動峰是單層復合試樣的共振峰，隨著彈性泡沫材料厚度的增加，一階峰的固有頻率逐漸減小，振動加速度也逐漸降低。

圖4 不同厚度A型彈性泡沫材料復合吸振試樣的振動響應對比圖

對不同厚度的B型彈性泡沫復合吸振試樣進行了振動測試，如圖5（a）所示。測試曲線同樣出現兩個響應峰，在200～250Hz出現的二階峰，仍然是受空白鋼條的影響而出現的響應峰；在50～67Hz出現的一階共振峰，為不同厚度的B型彈性泡沫復合試樣的共振峰。通過分析固有頻率、振動響應與彈性泡沫厚度關系可以看出，吸振試樣上一階峰的固有頻率及振動響應都隨著彈性層厚度的增加而減小，彈性層厚度為3mm時，固有頻率為95.2Hz，振動加速度為0.14m/s2，彈性層厚度為30mm時，固有頻率為50.2Hz，振動加速度為0.05m/s2。

圖6為不同厚度C型彈性泡沫材料復合吸振試樣的振動響應圖，在200～250Hz范圍出現的二階峰是受到鋼條共振峰的影響而出現的響應峰；在42～109Hz范圍出現的一階峰為不同厚度的C型彈性泡沫復合試樣的共振峰。對固有頻率、振動響應與彈性泡沫厚度關系進行分析可以看出，與其他兩種彈性泡沫材料作用相同，隨著C型彈性泡沫材料厚度的增加，樣品的一階峰的固有頻率及振動響應都逐漸減小。C型彈性泡沫厚度為3mm時，固有頻率為109.4Hz，振動加速度為0.21m/s2。彈性層厚度為24mm時，固有頻率為42.5Hz，振動加速度為 0.08m/s2。

圖5 不同厚度B型彈性泡沫材料復合吸振試樣的振動響應圖

為了系統的比較A型、B型與C型彈性泡沫復合結構吸振性能，對三種類型吸振試樣的吸振量進行了統計，如圖7所示。從當彈性泡沫材料厚度增加時，復合試樣的吸振量也逐漸增加，A型彈性泡沫復合試樣的吸振量大于B型與C型復合試樣。這與彈性泡沫材料的微觀結構及力學性能有關，A型彈性泡沫材料自身孔隙度低，壓縮強度及壓縮模量高，從而具有較大的剛度；B型彈性泡沫材料與C型彈性泡沫材料具有更高的孔隙度且壓縮強度及模量基本一致。綜合實驗結果，可知具有最優吸振效果的樣品為彈性泡沫材料厚度15mm的A型彈性泡沫復合吸振試樣，吸振量為5.3dB。

圖6 不同厚度C型彈性泡沫材料復合吸振試樣的振動響應圖

圖7 三種彈性泡沫材料復合吸振試樣吸振量比較

3 結論

通過對比三種彈性泡沫復合結構的吸振性能，研究彈性泡沫材料強度、彈性泡沫材料厚度等對彈性泡沫呵呵結構吸振性能影響，得出的主要結論 如下：

（1）隨著彈性泡沫材料厚度的增加，吸振試樣上一階峰的固有頻率及振動響應逐漸減小；

（2）彈性泡沫材料的模量越高，彈性泡沫復合吸振試樣的吸振性能越好；

（3）彈性泡沫材料厚度為15mm的A型彈性泡沫復合吸振試樣具有最優吸振效果，吸振量為5.3dB。