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在噪聲和振動控制中，阻尼測試與應(yīng)用有著重要的工程和學(xué)術(shù)意義。阻尼技術(shù)是控制結(jié)構(gòu)共振和噪聲的最有效方法，是解決減振、降噪問題的最重要手段。本文就針對阻尼的定義、阻尼測試標準、阻尼測試設(shè)備和阻尼應(yīng)用等多方面進行簡單介紹。

 

阻尼的定義

 

阻尼 (Damping) 是指任何振動系統(tǒng)在振動中，由于外界作用（如流體阻力、摩擦力等）和或系統(tǒng)本身固有的原因引起的振動幅度逐漸下降的特性，以及此一特性的量化表征。

 

在實際振動中，由于摩擦力總是存在的，所以振動系統(tǒng)最初所獲得的能量，在振動過程中因阻力不斷對系統(tǒng)做負功，使得系統(tǒng)的能量不斷減少，振動的強度逐漸減弱，振幅也就越來越小，以至于最后停止振動，像這樣的因系統(tǒng)，力學(xué)能由于摩擦及轉(zhuǎn)化成內(nèi)能逐漸減少，振幅隨時間而減弱振動，稱為阻尼振動。

 

 

當阻尼較強時，阻尼振子幾乎沒有振動，振幅逐漸減小，達到穩(wěn)定平衡，稱為過阻尼。

 

當阻尼較弱時，阻尼振子必須緩慢的經(jīng)由多次振動逐漸把振幅減小，最后回到平衡位置，因此達成穩(wěn)定平衡的時間較久，稱為欠阻尼。

 

另一種情形是阻尼振子以最平穩(wěn)的速度，最短的時間達到穩(wěn)定平衡，稱為臨界阻尼。

 

 

通俗地講，就是阻止物體繼續(xù)運動。當物體受到外力作用而振動時，會產(chǎn)生一種使外力衰減的反力，稱為阻尼力（或減振力），它和作用力的比被稱為阻尼系數(shù)。

 

通常阻尼力的方向總是和運動速度方向相反。因此，材料的阻尼系數(shù)越大，意味著其減振效果或阻尼效果越好。但是并不是阻尼越大越好，阻尼大到一定程度時兩個物體之間變成了剛性連接，阻尼一般和彈簧一起使用，阻尼過大，將起不到緩沖的效果。

 

阻尼的作用與基本方法

 

1. 阻尼的具體作用

 

阻尼有助于減小機械結(jié)構(gòu)的共振振幅，從而避免結(jié)構(gòu)因動應(yīng)力達到極限造成結(jié)構(gòu)破壞。

 

阻尼有助于機械系統(tǒng)受到瞬時沖擊后，很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

 

阻尼有助于減少因機械振動產(chǎn)生的聲輻射，降低機械性噪聲。

 

可以提高各類機床、儀器等的加工精度、測量精度和工作精度。

 

阻尼有助于降低結(jié)構(gòu)傳遞振動的能力。

 

2. 阻尼的基本方法

 

系統(tǒng)阻尼：在系統(tǒng)中設(shè)置專用阻尼減振器，如減振彈簧、沖擊阻尼器等。

 

結(jié)構(gòu)阻尼：在系統(tǒng)的某一振動結(jié)構(gòu)上附加材料或形成附加結(jié)構(gòu)，增加系統(tǒng)自身的阻尼能力，這類方法包括接合面、 庫倫摩擦阻尼、 泵動阻尼和復(fù)合結(jié)構(gòu)阻尼。

 

材料阻尼：依靠材料本身所具有的高阻尼特性達到減振降噪的目的。它包括粘彈性材料阻尼、阻尼合金和復(fù)合材料阻尼。

 

阻尼測試相關(guān)標準

 

評價阻尼材料阻尼性能好壞的最常用的參數(shù)是復(fù)合損耗因子，各行業(yè)一般用懸臂梁彎曲共振法。

 

ISO - 6721 塑料 動態(tài)機械性能的測定

 

ASTM - E756 測量材料減振動特性的標準試驗方法

 

SAE - J1637 支撐鋼棒上材料的組合振動阻尼特性的實驗室測量

 

GB/T - 16406 聲學(xué) 聲學(xué)材料阻尼性能的彎曲共振測試方法

 

GB/T - 18258 阻尼材料 阻尼性能測試方法

 

測試原理

 

懸臂梁法阻尼測試系統(tǒng)的測試原理，如下圖所示。通常采用矩型鋼制條狀試樣，阻尼材料涂覆于條狀試樣上，形成復(fù)合樣條。樣條尺寸通常為200mm-240mm不等：寬度一般為10mm或20mm。樣條基材厚度一般為0.8mm或1mm，阻尼材料厚度一般為2mm-4mm，具體根據(jù)主機廠的要求。

 

將試樣安裝在剛性夾具上，一端固定，一端自由，構(gòu)成懸臂梁測試系統(tǒng)。

 

 

測試系統(tǒng)的儀器由激勵和檢測兩部份組成，由信號發(fā)生器產(chǎn)生一個激勵信號，通過非接觸式激振器對試樣施加激振力，由檢測傳感器檢測試樣的振動響應(yīng)信號。保持激振幅值恒定，連續(xù)改變頻率，測出試樣的共振曲線。根據(jù)所測共振頻率和半功率帶寬，就可以計算得出復(fù)合樣條的復(fù)合損耗因子，如圖所示。若測試過程在溫控箱中完成，則可確定溫度對材料阻尼特性的影響。

 

 

測試方法

 

1. 按照激勵和阻尼辨別方法的不同分

 

錘擊脈沖激勵－頻域測試阻尼

 

壓電陶瓷寬帶隨機激勵－頻域測試阻尼

 

振動臺掃頻激勵－頻域測試阻尼

 

振動臺定頻共振激勵－時域測試阻尼

 

2. 結(jié)果比較分析

 

重復(fù)性：振動臺掃頻激勵最好，人為因素小。錘擊法重復(fù)性差。

 

精度：振動臺掃頻激勵最好。

 

頻率范圍：壓電陶瓷可用于高頻阻尼測試，振動臺最高可測2400Hz范圍內(nèi)的阻尼。

 

效率：錘擊法最為方便、快捷，硬件成本也低；壓電陶瓷和振動臺測試阻尼的硬件成本則相當巨大，測試效率也較低。然而，振動臺激勵可以準確控制激振力幅和信號類型，易于準確測試和評價某些涂有阻尼減振材料的薄板結(jié)構(gòu)的阻尼特性。

 

阻尼性能測試設(shè)備

 

1. 按照頻率分

 

彎曲共振裝置 [中頻]

 

扭擺儀 [低頻]

 

DMTA 動態(tài)熱機械分析儀 [低頻]

 

動態(tài)力學(xué)熱分析儀 (DMTA) 是強迫次共振（即施加一個頻率遠低于被測量系統(tǒng)共振頻率且振幅恒定的交變載荷）型動態(tài)力學(xué)性能測量儀器。

 

2. 設(shè)備介紹

 

INV系列數(shù)據(jù)采集儀器

 

INV阻尼材料測試臺

 

DASP阻尼材料特性測量軟件系統(tǒng)

 

DAQ 數(shù)據(jù)采集前器

 

Signal conditioner 信號調(diào)節(jié)器

 

Amplifier 放大器

 

Displacement sensor 位移傳感器

 

Force sensor 力傳感器

 

Test sample 測試樣

 

阻尼材料及裝置

 

1. 按阻尼材料特性分

 

橡膠和塑料阻尼板：用作夾芯層材料

 

橡膠和泡沫塑料：用作阻尼吸聲材料

 

阻尼復(fù)合材料：用于振動和噪聲控制

 

高阻尼合金：阻尼性能在很寬的溫度和頻率范圍內(nèi)基本穩(wěn)定

 

2. 按材料用途分

 

用于改善管路振動。

 

用于機械運動設(shè)備的減振和隔振。

 

用于汽車底盤、車門等位置。

 

空調(diào)箱殼內(nèi)部、壓縮機等機械運動設(shè)備降噪。

 

參考文獻

 

[1]GB/T 18258-2000 阻尼材料 阻尼性能測試方法[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

 

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[9]Estimating Damping Values Using the Half Power Method，Material Damping Properties[J], 2015

 

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