噪声振动控制技术 - 阻尼测试与应用

weixin

在噪声和振动控制中，阻尼测试与应用有着重要的工程和学术意义。阻尼技术是控制结构共振和噪声的最有效方法，是解决减振、降噪问题的最重要手段。本文就针对阻尼的定义、阻尼测试标准、阻尼测试设备和阻尼应用等多方面进行简单介绍。

阻尼的定义

阻尼 (Damping) 是指任何振动系统在振动中，由于外界作用（如流体阻力、摩擦力等）和或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。

在实际振动中，由于摩擦力总是存在的，所以振动系统最初所获得的能量，在振动过程中因阻力不断对系统做负功，使得系统的能量不断减少，振动的强度逐渐减弱，振幅也就越来越小，以至于最后停止振动，像这样的因系统，力学能由于摩擦及转化成内能逐渐减少，振幅随时间而减弱振动，称为阻尼振动。

  · 当阻尼较强时，阻尼振子几乎没有振动，振幅逐渐减小，达到稳定平衡，称为过阻尼。

  · 当阻尼较弱时，阻尼振子必须缓慢的经由多次振动逐渐把振幅减小，最后回到平衡位置，因此达成稳定平衡的时间较久，称为欠阻尼。

  · 另一种情形是阻尼振子以最平稳的速度，最短的时间达到稳定平衡，称为临界阻尼。

通俗地讲，就是阻止物体继续运动。当物体受到外力作用而振动时，会产生一种使外力衰减的反力，称为阻尼力（或减振力），它和作用力的比被称为阻尼系数。

通常阻尼力的方向总是和运动速度方向相反。因此，材料的阻尼系数越大，意味着其减振效果或阻尼效果越好。但是并不是阻尼越大越好，阻尼大到一定程度时两个物体之间变成了刚性连接，阻尼一般和弹簧一起使用，阻尼过大，将起不到缓冲的效果。

阻尼的作用与基本方法

1. 阻尼的具体作用

  · 阻尼有助于减小机械结构的共振振幅，从而避免结构因动应力达到极限造成结构破坏。

  · 阻尼有助于机械系统受到瞬时冲击后，很快恢复到稳定状态。

  · 阻尼有助于减少因机械振动产生的声辐射，降低机械性噪声。

  · 可以提高各类机床、仪器等的加工精度、测量精度和工作精度。

  · 阻尼有助于降低结构传递振动的能力。

2. 阻尼的基本方法

  · 系统阻尼：在系统中设置专用阻尼减振器，如减振弹簧、冲击阻尼器等。

  · 结构阻尼：在系统的某一振动结构上附加材料或形成附加结构，增加系统自身的阻尼能力，这类方法包括接合面、 库伦摩擦阻尼、 泵动阻尼和复合结构阻尼。

  · 材料阻尼：依靠材料本身所具有的高阻尼特性达到减振降噪的目的。它包括粘弹性材料阻尼、阻尼合金和复合材料阻尼。

阻尼测试相关标准

评价阻尼材料阻尼性能好坏的最常用的参数是复合损耗因子，各行业一般用悬臂梁弯曲共振法。

  · ISO - 6721 塑料 动态机械性能的测定

  · ASTM - E756 测量材料减振动特性的标准试验方法

  · SAE - J1637 支撑钢棒上材料的组合振动阻尼特性的实验室测量

  · GB/T - 16406 声学 声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法

  · GB/T - 18258 阻尼材料 阻尼性能测试方法

测试原理

悬臂梁法阻尼测试系统的测试原理，如下图所示。通常采用矩型钢制条状试样，阻尼材料涂覆于条状试样上，形成复合样条。样条尺寸通常为200mm-240mm不等：宽度一般为10mm或20mm。样条基材厚度一般为0.8mm或1mm，阻尼材料厚度一般为2mm-4mm，具体根据主机厂的要求。

将试样安装在刚性夹具上，一端固定，一端自由，构成悬臂梁测试系统。

测试系统的仪器由激励和检测两部份组成，由信号发生器产生一个激励信号，通过非接触式激振器对试样施加激振力，由检测传感器检测试样的振动响应信号。保持激振幅值恒定，连续改变频率，测出试样的共振曲线。根据所测共振频率和半功率带宽，就可以计算得出复合样条的复合损耗因子，如图所示。若测试过程在温控箱中完成，则可确定温度对材料阻尼特性的影响。

测试方法

1. 按照激励和阻尼辨别方法的不同分

  · 锤击脉冲激励－频域测试阻尼

  · 压电陶瓷宽带随机激励－频域测试阻尼

  · 振动台扫频激励－频域测试阻尼

  · 振动台定频共振激励－时域测试阻尼

2. 结果比较分析

  · 重复性：振动台扫频激励最好，人为因素小。锤击法重复性差。

  · 精度：振动台扫频激励最好。

  · 频率范围：压电陶瓷可用于高频阻尼测试，振动台最高可测2400Hz范围内的阻尼。

  · 效率：锤击法最为方便、快捷，硬件成本也低；压电陶瓷和振动台测试阻尼的硬件成本则相当巨大，测试效率也较低。然而，振动台激励可以准确控制激振力幅和信号类型，易于准确测试和评价某些涂有阻尼减振材料的薄板结构的阻尼特性。

阻尼性能测试设备

1. 按照频率分

  · 弯曲共振装置 [中频]

  · 扭摆仪 [低频]

  · DMTA 动态热机械分析仪 [低频]

  · 动态力学热分析仪 (DMTA) 是强迫次共振（即施加一个频率远低于被测量系统共振频率且振幅恒定的交变载荷）型动态力学性能测量仪器。

2. 设备介绍

  · INV系列数据采集仪器

  · INV阻尼材料测试台

  · DASP阻尼材料特性测量软件系统

  · DAQ 数据采集前器

  · Signal conditioner 信号调节器

  · Amplifier 放大器

  · Displacement sensor 位移传感器

  · Force sensor 力传感器

  · Test sample 测试样

阻尼材料及装置

1. 按阻尼材料特性分

  · 橡胶和塑料阻尼板：用作夹芯层材料

  · 橡胶和泡沫塑料：用作阻尼吸声材料

  · 阻尼复合材料：用于振动和噪声控制

  · 高阻尼合金：阻尼性能在很宽的温度和频率范围内基本稳定

2. 按材料用途分

  · 用于改善管路振动。

  · 用于机械运动设备的减振和隔振。

  · 用于汽车底盘、车门等位置。

  · 空调箱壳内部、压缩机等机械运动设备降噪。

参考文献:
[1]GB/T 18258-2000 阻尼材料 阻尼性能测试方法[S]
[2]ASTM E756-2017 Standard Test Method for Measuring Vibration-Damping Properties of Materials[S]
[3]C.F. Breards BSc, PhD, C Eng, Structural Vibration: Analysis and Damping，1996.
[4]Moritz, C. and Deshpande, S., "SAE J1637 Vibration Damping Round Robin Study," SAE Technical Paper 2017-01-1881
[5]Cyprien, What is Damping and why is it useful? 2018
[6]Nagaraja Jade, Measurement of damping properties of beeswax and cosmetic wax using Oberst beam method, IIT, 2019
[7]李晖,孙伟等，悬臂薄板结构阻尼特性几种测试方法的比较, 中国工程机械学报[J], 2013
[8]Clarence W.de Silva, Vibration Damping Control and Design[M], CRC Press. 2007
[9]Estimating Damping Values Using the Half Power Method，Material Damping Properties[J], 2015
[10]张忠明, 刘宏昭等, 材料阻尼及阻尼材料的研究进展, 功能材料[J], 2001,32(3)

来源：噪声振动News微信公众号（ID：Noise_Vibration），作者：麦克斯。