阻尼結(jié)構(gòu)減振性能的測試及分析

熊志遠，王士軍，張 龍，宋瑞祥

（1.北京市勞動保護科學(xué)研究所，北京 100054；2.北京市射線應(yīng)用研究中心，北京 100015）

1 引言

在行駛中的車輛受發(fā)動機、路面等激勵，車身壁板產(chǎn)生振動并輻射噪聲[1-2]，振動和噪聲影響車輛的NVH 性能。NVH 指噪聲、振動和聲振粗糙度，三者常常同時出現(xiàn)且密不可分，NVH 是衡量車輛品質(zhì)優(yōu)越程度的重要指標之一。在車身壁板粘貼阻尼材料，阻尼材料利用自身高分子粘彈性能將車身壁板振動的機械能轉(zhuǎn)化為熱能等消耗掉，從而實現(xiàn)車身壁板減振的目的，同時輻射出的噪聲也將顯著下降，以提高車輛的NVH 性能[3-7]。

目前，材料阻尼性能的測試方法主要有強迫共振法、強迫非共振法、自由振動法等[8-12]。利用的測試方法屬于強迫共振法，將大面積矩形板狀試樣兩端固定在支架上，支架固定在振動臺上，振動臺的掃頻激勵通過支架傳遞給板狀試樣。探測到試樣的共振曲線后，由此定量確定試樣的減振百分比及阻尼因子，這兩個參數(shù)是衡量阻尼材料減振性能的關(guān)鍵指標，同時，也是工程上選擇阻尼材料的重要依據(jù)。

2 減振性能測試

阻尼結(jié)構(gòu)減振性能測試系統(tǒng)，如圖1 所示。自制支架通過10個M8 螺栓固定安裝在振動臺上，矩形板狀試樣兩端通過4 個M12 螺栓螺母水平安裝在支架上，構(gòu)成兩端固支結(jié)構(gòu)。振動控制柜與電源接通后，操作振動控制柜，使其對振動臺施加一定頻率范圍內(nèi)的正弦垂直掃描激勵信號。作正弦運動的振動臺通過支架而對試樣施加垂直方向的周期激振力。在試樣下表面中心位置以及試樣邊緣支架下方各吸附一個附帶磁座的加速度傳感器。吸附在試樣下方中心位置的加速度傳感器用于測定試樣的頻率-加速度頻譜曲線，由曲線共振峰以定量確定阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼因子和減振百分比。吸附在試樣邊緣支架下方的加速度傳感器用來探測支架的振動平穩(wěn)性。兩加速度傳感器分別通過數(shù)據(jù)線與4 通道信號采集分析儀相連，信號采集分析儀通過網(wǎng)線與裝有DASP 專業(yè)軟件的電腦相連，同時在電腦USB 口插上與之相匹配的專業(yè)軟件狗，電腦用于記錄與顯示振動測量信號。

圖1 阻尼結(jié)構(gòu)減振性能測試系統(tǒng)Fig.1 Test System of Damping Performances for Damping Structures

文獻[13]表明阻尼材料在（80～500）Hz 頻率范圍內(nèi)具備減振作用，而且車身壁板的振動頻率一般為30Hz 至400Hz[1-2]，所以測試過程中掃描頻率范圍設(shè)定為50Hz 至400Hz。阻尼結(jié)構(gòu)減振性能測試在半消聲室內(nèi)進行，避免了測試過程中外界振動干擾，保證了測試結(jié)果的準確、可靠。

圖2 試樣結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of Sample Structure

試樣結(jié)構(gòu)圖，如圖2 所示。它由兩部分組成：基板和襯層。襯層為正方形結(jié)構(gòu)，面積（300×300）mm2，位于基板中部并與基板中部完全重合。基板左右兩端各超出襯層100mm，按圖2 所示位置在4 角鉆有通孔，用于將試樣固定安裝在支架上。試樣有基板（鋼板）、自由阻尼結(jié)構(gòu)（鋼板+純橡膠）、約束阻尼結(jié)構(gòu)（鋼板+純橡膠+約束層）以及多層阻尼結(jié)構(gòu)（鋼板+純橡膠+約束層+純橡膠）四種，單個試樣層與層之間用強力膠牢固粘接。基板及多層阻尼結(jié)構(gòu)測試安裝圖，如圖3 所示。

圖3 基板及多層阻尼結(jié)構(gòu)測試安裝圖Fig.3 Installation Diagrams of Substrate and Multilayer Damping Structure

3 測試結(jié)果及分析

鋼板試樣下表面中心位置和板邊緣框架的頻譜圖，如圖4（a）所示。多層阻尼結(jié)構(gòu)試樣下表面中心位置和試樣結(jié)構(gòu)邊緣框架的頻譜圖，如圖4（b）所示。圖1 顯示板邊緣框架加速度傳感器吸附位置。從圖4 中可以看出，相比于試樣的共振曲線，支架的振動除在少數(shù)頻率點（如：98Hz、127Hz、162Hz、228Hz 等）有輕微波動外，其余值均較為平緩且趨近于零，表明支架振動平穩(wěn)，對鋼板的振動影響很小。

圖4 頻譜圖Fig.4 Diagram of Frequency Spectrums

圖5 試樣頻譜圖Fig.5 The Diagram of the Sample Frequency Spectrums

對于基板、自由阻尼結(jié)構(gòu)、約束阻尼結(jié)構(gòu)以及多層阻尼結(jié)構(gòu)四試樣，分別安裝在支架上進行正弦掃頻測試，試樣下表面中心振動測試結(jié)果，如圖5 所示。圖5 中，在相同振動能量下，得到的共振峰峰值由大到小的順序依次是基板、自由阻尼結(jié)構(gòu)、約束阻尼結(jié)構(gòu)、多層阻尼結(jié)構(gòu)，表明減振效果依次增強。它們對應(yīng)的峰值及共振頻率，如表1 所示。每個試樣測量三次，取其平均值進行減振百分比及阻尼因子計算。

表1 測試與計算參數(shù)Tab.1 Parameters of Test and Calculation

鋼板附上襯層后的共振頻率均比原鋼板試樣的共振頻率小。設(shè)基板的共振峰值為A0m/s2、基板+襯層的共振峰值為A1m/s2，則加速度幅值減振百分比為（（A0-A1）/A0）×100%，計算結(jié)果，如表1 所示。自由阻尼結(jié)構(gòu)、約束阻尼結(jié)構(gòu)、多層阻尼結(jié)構(gòu)相對于基板的減振百分比分別為64.19%、71.77%、73.66%，定量表明襯層對振動鋼板均具有明顯的減振作用，其減振效果依次加強。

圖6 頻譜圖半功率帶寬法計算阻尼因子Fig.6 Calculation of Loss Factors by Using Half Power Bandwidth Method of Spectrum Graphs

利用頻譜圖半功率帶寬法計算阻尼因子[14-16]，倍共振峰值的水平直線和共振曲線相交，可得兩個交點，交點橫坐標為f1、f2（f1

圖7 自由阻尼結(jié)構(gòu)Fig.7 Free Damping Structure

約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振機理圖，如圖8 所示。約束阻尼結(jié)構(gòu)是在自由阻尼結(jié)構(gòu)的橡膠層上再粘附一層彈性模量遠大于橡膠層的約束層。當(dāng)鋼板產(chǎn)生向上、向下的反復(fù)彎曲運動時，由于約束層較硬，不會隨橡膠層發(fā)生變形，所以橡膠層將會發(fā)生的變形，如圖8（a）、圖8（b）所示。在 8（a）中，除對稱截面上的阻尼材料只受到正應(yīng)力的作用外，其余點均受拉伸、剪切耦合作用，剪應(yīng)力與所在平面相切，方向指向箭頭方向。同樣在8（b）中，除對稱截面上的阻尼材料只受到正應(yīng)力的作用外，其余點均受壓縮、剪切耦合作用。兩種應(yīng)力共同使振動能量得以消耗，其減振效果在相同變形程度下要優(yōu)于自由阻尼結(jié)構(gòu)中的單應(yīng)力作用。

圖8 約束阻尼結(jié)構(gòu)Fig.8 Constrained Damping Structure

實際上，約束層也發(fā)生相對基板小很多的振動，如果在約束層上再粘附一層橡膠層，這個結(jié)構(gòu)相當(dāng)于自由阻尼結(jié)構(gòu)，這層橡膠產(chǎn)生拉、壓變形，消耗振動能量，并使約束層的彎曲變形減小，因而進一步增加里層阻尼材料的變形，耗散更多的能量，使基板的振動得到進一步緩解。所以，同等條件下，多層阻尼結(jié)構(gòu)的減振效果要強于約束阻尼結(jié)構(gòu)，約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振效果要強于自由阻尼結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

車身壁板的振動和噪聲影響車輛NVH 性能，在車身壁板粘貼阻尼襯層能夠起到減振降噪的作用。利用強迫共振法測試四種阻尼結(jié)構(gòu)試樣，得到如下結(jié)論：

（1）基板附上襯層后的共振頻率均比原基板試樣的共振頻率小。

（2）自由阻尼結(jié)構(gòu)、約束阻尼結(jié)構(gòu)、多層阻尼結(jié)構(gòu)相對于基板的減振百分比分別為64.19%、71.77%、73.66%，減振效果依次增強。

（3）鋼板、自由阻尼結(jié)構(gòu)、約束阻尼結(jié)構(gòu)、多層阻尼結(jié)構(gòu)的平均阻尼因子分別為0.008、0.019、0.030、0.032，阻尼因子越大，阻尼性能越好，減振性能越強。

（4）從微觀力學(xué)角度，對自由阻尼結(jié)構(gòu)、約束阻尼結(jié)構(gòu)、多層阻尼結(jié)構(gòu)的減振機理進行了分析。