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汽車在行進時會產(chǎn)生一系列的噪聲，既有自身存在的發(fā)動機聲、變速箱的齒輪聲、進氣排氣聲等，也有行進時車輪與路面的摩擦聲、遇到凹凸不平路面時的車體碰撞聲、高速行駛時產(chǎn)生的風阻聲等，特別是高速行駛時的噪聲最為明顯。因此，需要在車身內(nèi)部粘貼一層阻尼材料，從而達到汽車室內(nèi)減振降噪的目的。汽車阻尼材料可以吸收車身板材被發(fā)動機及路面的強制力激發(fā)出來的振動能量。在汽車車身內(nèi)部粘貼阻尼材料后，可以改變原有車身結(jié)構(gòu)的共振頻率，減小車內(nèi)振動噪聲，提高乘車舒適性。如果外界激勵條件不變，阻結(jié)構(gòu)的振動速度和輻射噪聲聲壓會隨著阻尼材料阻尼系數(shù)的增加而降低。因此，阻尼系數(shù)的大小是判斷阻尼材料減振降噪性能優(yōu)劣的重要參考指標，工程上也常常依據(jù)阻尼系數(shù)來選擇阻尼材料。

 

常用的阻尼材料阻尼系數(shù)測試方法有動態(tài)黏彈譜測試儀（DMA），其依據(jù)高聚物的時溫等效原理，可以直接測量阻尼材料的阻尼因子，但其頻率范圍較低一般在100Hz以下。而經(jīng)典懸臂梁法是利用懸臂梁受到正弦激勵產(chǎn)生的共振特性來計算材料阻尼因子，其適用頻率范圍較寬（可達2000Hz），且測試儀器簡單。通常懸臂梁法是在常溫下進行，但考慮到汽車阻尼材料的動態(tài)特性會隨著溫度的變化而變化，因此基于懸臂梁法測試阻尼系數(shù)時還需考慮溫度的影響。

 

阻尼系數(shù)的測試原理

 

設(shè)懸臂梁一端固支，另一端自由。在懸臂梁自由端作用一正弦激勵 f(t) 時，懸臂梁上就會應(yīng)激產(chǎn)生相應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)δ(t)。一般情況懸臂梁構(gòu)件都存在阻尼耗能，動態(tài)響應(yīng)δ(t)與激勵 f(t)之間會產(chǎn)生相位差，動態(tài)位移響應(yīng)δ(t) 會相對于激勵力 f(t)滯后，見公式（1）。

 

 

式中，

fm—激勵力的幅值；

δm—動態(tài)響應(yīng)的幅值； 

ω—正弦激勵的角頻率； 

α—響應(yīng)相對于激勵的遲滯角度。

 

工程上一般定義懸臂梁的阻尼系數(shù) η 為滯后角 α 的正切函數(shù)，即

 

 

 

徐豐辰等人從能量損耗角度對懸臂梁構(gòu)件的振動特性進行分析發(fā)現(xiàn)，隨著材料的滯后角 α 不斷增大，懸臂梁構(gòu)件的能量阻尼系數(shù) η 也逐漸增大，懸臂梁構(gòu)件的減振降噪效果也逐漸增強。阻尼系數(shù)η的實際效果體現(xiàn)為能量的損耗。

 

懸臂梁受到正弦信號激勵時，其響應(yīng)特性如圖1所示?？梢钥闯?，對于不同的阻尼系數(shù)，結(jié)構(gòu)件的共振頻率相差很??；結(jié)構(gòu)件的共振峰值隨著阻尼系數(shù)η的減小而增大，而共振峰的帶寬隨著阻尼系數(shù)η的減小而減小。結(jié)構(gòu)件的阻尼系數(shù)η與共振峰頻率及其帶寬存在顯性對應(yīng)關(guān)系。因此，獲得結(jié)構(gòu)件的共振曲線后，如圖2所示，可以通過公式（3）來計算試件的阻尼系數(shù)。

 

 

圖1(左)結(jié)構(gòu)試件的共振頻率曲線；圖2(右)結(jié)構(gòu)試件共振曲線

 

 

式中，

 fH、fL—0.707倍峰值振幅對應(yīng)的高、低頻率，Hz；

fn—結(jié)構(gòu)件的共振頻率，Hz。

 

懸臂梁法測試流程

 

汽車阻尼材料在汽車減振降噪領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)各汽車主機廠也針對阻尼材料阻尼性能的測試方法進行了一定的研究。東風本田則制定了企業(yè)內(nèi)部標準0095Z-SDA-0000，吉利汽車公司也制定了Q/JLY J711506-2008標準等。下面參考常溫下的懸臂梁測試方法，并考慮溫度效應(yīng)對阻尼材料阻尼系數(shù)的影響，將其與溫度振動綜合試驗方法相結(jié)合，來進行阻尼系數(shù)的測試。

 

01、懸臂梁法

 

懸臂梁法的測試原理圖見圖3，將結(jié)構(gòu)試件一端固支，另一端自由。通過測試系統(tǒng)對試件進行正弦掃描激勵，以獲得試件的響應(yīng)特性，對數(shù)據(jù)分析得到結(jié)構(gòu)試件的阻尼系數(shù)。

 

圖3 懸臂梁法原理圖

 

計算機軟件按照要求的振動控制譜，由控制儀發(fā)出驅(qū)動信號，通過功率放大器對信號進行放大，從而推動激振器（振動臺）運動。采集激振器（振動臺）控制點的信號，通過測量放大器和信號采集器輸入到計算機軟件，可以得到控制點的加速度譜形；控制軟件根據(jù)控制點譜形與目標譜形的差值來修正驅(qū)動信號，最終使控制點的響應(yīng)量級達到規(guī)定的目標值；控制軟件還可以實時采集試件上響應(yīng)傳感器的加速度量級，獲得結(jié)構(gòu)試件的響應(yīng)曲線，再經(jīng)過處理得到傳遞函數(shù)曲線（響應(yīng)曲線/控制曲線）。

 

02、測試流程

 

由于汽車阻尼材料的動態(tài)特性會隨著溫度的變化而變化，因此測試阻尼系數(shù)時還需考慮溫度的影響。此時，需將懸臂梁測試系統(tǒng)放置于試驗箱中來進行阻尼系數(shù)的測試，阻尼系數(shù)測試系統(tǒng)見圖4。綜合試驗箱能夠穩(wěn)定的溫度環(huán)境；結(jié)構(gòu)試件以懸臂梁方式安裝于激振器臺面上，通過激振器對結(jié)構(gòu)試件進行激勵獲得試件的響應(yīng)曲線，從而可以測試得到結(jié)構(gòu)試件在特定溫度下的阻尼系數(shù)。

 

圖4 阻尼系數(shù)測試系統(tǒng)示意圖

 

阻尼系數(shù)測試流程：

 

1）將阻尼試片裁成橫50毫米、豎350毫米大小，放置在橫30毫米、豎300毫米的鋼板上，在140℃高溫下保持30min進行熔合。

2）熔合完成后，將阻尼材料在基板上充分冷卻硬化后進行裁剪，獲得結(jié)構(gòu)試件。

3）將激振器和綜合試驗箱按圖4所示組成綜合測試系統(tǒng)。

4）將結(jié)構(gòu)試件以懸臂方式安裝于激振器臺面上，并安裝加速度傳感器等測量系統(tǒng)。

5）開始試驗。將試驗箱溫度調(diào)節(jié)到20℃并穩(wěn)定。

6）以規(guī)定的控制譜曲線對結(jié)構(gòu)試件進行掃頻激勵，獲取試件上的響應(yīng)曲線，并根據(jù)公式（3）計算得到20℃溫度下的阻尼系數(shù)。

7）重復(fù)5）~6）步驟，得到40℃、60℃溫度下的阻尼系數(shù)。

 

03、測試方案

 

汽車用瀝青阻尼材料是使用最廣泛的阻尼材料之一。磁性瀝青基阻尼板主要用于車門、側(cè)圍、頂棚等部位，而熱熔性瀝青基阻尼板主要用于車內(nèi)地板部位，起到阻尼減振降噪的作用。

 

根據(jù)上述的測試系統(tǒng)以及測試方法，對某汽車用瀝青阻尼材料進行阻尼系數(shù)的測試。阻尼系數(shù)測試系統(tǒng)實物如圖5所示，結(jié)構(gòu)試件懸臂梁法測試局部放大如圖6所示。測試得到阻尼結(jié)構(gòu)試件在20℃溫度下的傳遞函數(shù)如圖7所示；測試得到阻尼結(jié)構(gòu)試件在40℃溫度下的傳遞函數(shù)如圖8所示；測試得到阻尼結(jié)構(gòu)試件在60℃溫度下的傳遞函數(shù)如圖9所示。根據(jù)公式（3）計算得到20℃、40℃、60℃溫度下的阻尼系數(shù)的測試結(jié)果如表1所示。

 

圖5(上)阻尼系數(shù)測試系統(tǒng)實物圖；圖6(下)測試系統(tǒng)局部放大示意圖

 

圖7  20℃時的阻尼系數(shù)測試曲線

 

 圖8  40℃時的阻尼系數(shù)測試曲線

 

圖9  60℃時的阻尼系數(shù)測試曲線

 

表 1 阻尼系數(shù)測試結(jié)果

 

可以看出，隨著溫度的升高，阻尼結(jié)構(gòu)件的阻尼系數(shù)逐漸減小，也即意味著阻尼材料的減振降噪效果隨著溫度升高而逐漸減弱。

 

04、測試結(jié)果的影響因素

 

由于阻尼系數(shù)測試系統(tǒng)的復(fù)雜性，下列因素可能會引起測試結(jié)果的誤差。

 

1）阻尼系數(shù)測試時，結(jié)構(gòu)試件上的響應(yīng)傳感器最好使用非接觸式傳感器，但是，由于非接觸式傳感器在較高頻振動時的靈敏度達不到要求，建議采用具有超小質(zhì)量的加速度傳感器。GB/T 18258-2000中規(guī)定，加速度計的質(zhì)量應(yīng)小于0.5g。當加速度計的質(zhì)量大于0.5g時，加速度計質(zhì)量相對基板質(zhì)量不可忽略，其均對懸臂梁法測阻尼系數(shù)的結(jié)果有著較大的影響。

 

2）結(jié)構(gòu)試件安裝時的緊固力矩需適宜。安裝力矩過大，可能會擠壓結(jié)構(gòu)試件的阻尼層變形過大，導(dǎo)致阻尼層與基板的粘合開裂。安裝力矩過小，測試過程中可能會松動，影響測試結(jié)果的準確性。對于不同配方的阻尼材料做對比試驗時，安裝力矩應(yīng)保持一致。

 

結(jié)  論

 

汽車在高速行駛時會產(chǎn)生很大的噪聲，影響車內(nèi)成員的舒適性。通常在車身內(nèi)部粘貼一層阻尼材料，從而達到汽車室內(nèi)減振降噪的目的。因此，阻尼系數(shù)是判斷阻尼材料減振降噪性能優(yōu)劣的重要參考指標，準確測得阻尼材料的阻尼系數(shù)，對于選擇阻尼材料具有重要作用。

 

本文介紹了阻尼材料的阻尼系數(shù)有關(guān)的測試原理，以及通過懸臂梁測試方法在實驗室進行阻尼系數(shù)測試的實驗案例，測試得到在20℃、40℃、60℃溫度下的阻尼系數(shù)測試結(jié)果。可以看出，隨著溫度的升高，阻尼結(jié)構(gòu)件的阻尼系數(shù)逐漸減小，也即意味著阻尼材料的減振降噪效果隨著溫度升高而逐漸減弱。同時，總結(jié)了檢測傳感器的選用以及結(jié)構(gòu)試件的安裝力矩，對阻尼系數(shù)測試結(jié)果的影響。這些研究將為工程技術(shù)人員在實驗室進行阻尼系數(shù)測試提供參考依據(jù)。