弹性泡沫复合结构吸振性能研究

孟凡明 祝文娜 欧阳肖

（1. 海装沈阳局，辽宁 沈阳 110034；2. 哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

共振是振动特有的一个现象，当结构系统受到某些特定频率的外激励力作用时，系统振动幅度显著增大[1]。物体发生共振现象时，外界激励频率与系统的固有振动频率相同或者非常相近，共振现象容易导致结构损伤甚至破坏。振动的来源多种多样且有各自的特点，经过长期的经验总结，研究人员将对振动的控制分为三个方面包括对振动源的控制、对传播途径的控制以及对受控对象的控制[2]。从不同的控制方向出发对振动的控制措施基本可以分为控制振动源振动[3]、振动隔离[4]、动力吸振[5]和阻尼减振[6]等几个方面。

动力吸振器能很好的对振动进行控制，但动力吸振器依然存在着许多缺陷。在实际应用中存在着动力吸振器对受控系统减振频带的不确定性、减振频带的局限性等问题。

本文以吸振的实际应用为出发点，以廉价易得的弹性泡沫吸振材料为基础，研究吸振系统结构的变化对吸振频率以及吸振量的影响。选择三种不同结构、不同模量的弹性泡沫进行复合结构设计，并对不同结构及厚度的吸振复合结构进行测试，找到材料微观结构、力学性能及复合结构对吸振性能的影响。

1 实验

1.1 材料与仪器

A型泡沫材料，工业级，河北格瑞吸声材料制品有限公司；B型泡沫材料，工业级，林之森包装制品有限公司；C型泡沫材料，工业级，青岛海洋新材料科技有限公司冷轧钢块，Q235，青岛凯远复合材料有限公司；无水乙醇，EG，国药集团化学试剂有限公司；502胶水，SH-1，禹城市三星科技有限 公司。

BSA224S-CW型分析天平，3365型万能拉力试验机，MNT-200型电子数显外径千分尺，QUANTA-200型扫描电子显微镜，3H-2000 TDI型全自动真密度分析仪，3560B型振动数据采集器， GCPQ-100型海绵泡沫切割机，YE5871A型功率放大器，YE5857A-05型电荷转换器。

1.2 固支梁振动测试系统

如图1所示，电脑端向功率放大器发出指令，功率放大器接受指令后将指令作用到激振器上，激振器产生激励力使钢条开始振动。接着加速度传感器将振动信号输出到数据采集器上，数据采集器将信号传递到由PC电脑端，电脑将信号进行采集与处理。通过对比附加复合吸振试样前后钢条的振动响应差值获取吸振试样的吸振性能。

试样的振动响应由振动加速度与振动加速度级表示，振动加速度可由振动测试系统中的数据采集器进行信号采集，将信号传递到电脑而获得。振动加速度级则需要由与振动加速度有关的公式计算所得，如公式（1）所示。

图1 固支梁振动测试系统示意图

式中：a为振动加速度，m/s2；a0

为基准加速度，10-6m/s2；

L为振动加速度级，dB。

试样的吸振效果用吸振量来表征，以钢条谷值处的固有频率的值定义为A点，将该频率处空白钢条的振动加速度级与附加复合试样后钢条谷值的振动加速度级的差值定义为吸振量公式（2）。即：

式中：ΔL为吸振量，dB；

LA1为空白钢条A点处振动加速度级，dB；

LA为附加试样后钢条谷值，dB。

2 结果与讨论

2.1 弹性泡沫材料微观结构表征

对弹性泡沫材料进行扫描电镜（SEM）分析，研究材料内部的泡孔结构、孔径寸等微观结构。三种弹性泡沫材料的扫描电镜图片如图2所示。A型弹性泡沫材料（图2a）内部为三维网状结构，由紧密且不规则的以多边环连接，形成完全开放的空间体系。材料内部的泡孔孔径在100 μm左右，泡孔骨架宽度为5～10μm。B型弹性泡沫材料（图2b）孔径尺寸相对较小，泡孔骨架较宽，仍为通透的开孔结构。C性弹性泡沫材料（图2c）泡孔骨架较薄，孔壁为薄片状。

图2 弹性泡沫材料扫描电镜图片

2.2 弹性泡沫材料真密度及孔隙率测试

利用全自动真密度分析仪对弹性泡沫材料进行真密度测试。将弹性泡沫材料放于真密度测试仪内，以氦气为介质，将测量室的气压逐渐加到规定值后，氦气膨胀进入膨胀室内,根据质量守恒定律，将样品放入测试腔会引起测试腔气体容量的减少，因此通过测试减少的气体来测量样品的真实体积计算出真密度进而计算出该材料的孔隙度。根据测试结果可知，A型弹性泡沫材料孔隙度较低，为96.12%；B型和C型弹性泡沫材料的孔隙度均较高，达到99%以上。

2.3 弹性泡沫材料弹性模量测试

通过万能试验机对三种弹性泡沫材料的弹性模量进行测试，测试标准为以GB/T 8813-2008。弹性泡沫材料的应力-应变的关系曲线如图3所示。泡沫材料本身的泡孔孔径和骨架结构等都会影响到压缩模量的大小，泡沫材料的刚度是影响吸振结构吸振性能的一个因素。三种弹性泡沫材料的压缩强度和压缩模量如表2所示。其中A型弹性泡沫材料具有最高的压缩强度和压缩模量，分别为0.013MPa和0.28MPa；B型和C型弹性泡沫材料虽然微观结构不同，但压缩强度和压缩模量比较接近。

表1 弹性泡沫材料真密度及孔隙率

图3 弹性泡沫材料的压缩应力-应变曲线

表2 弹性泡沫材料压缩模量

2.4 弹性泡沫材料对复合吸振试样振动响应的影响

分别裁切不同厚度（3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、18mm、21mm、24mm、27mm、30mm）的三种类型弹性泡沫材料与质量层进行复合，并对复合结构进行振动测试。

图4（a）为在未加入任何吸振结构时空白钢条试样的振动加速度-频率曲线，从测试数据中可以看到频率为208.13Hz时出现了共振峰，即空白钢条样品的固有共振峰，振动加速度为3.54m/s2。如图4（b）所示，给钢条一个固定激励，在A型弹性泡沫复合结构试样上出现两个响应峰。由图4（a）可知，这个频率上的峰是钢条的固有共振峰。因此可以判断，对不同复合结构试样进行测试时，在200～250Hz出现的响应峰均是由于试样受到空白钢条固有共振峰的影响。另一个峰出现在70～117Hz处，也就是试样上的一阶振动峰。该一阶振动峰是单层复合试样的共振峰，随着弹性泡沫材料厚度的增加，一阶峰的固有频率逐渐减小，振动加速度也逐渐降低。

图4 不同厚度A型弹性泡沫材料复合吸振试样的振动响应对比图

对不同厚度的B型弹性泡沫复合吸振试样进行了振动测试，如图5（a）所示。测试曲线同样出现两个响应峰，在200～250Hz出现的二阶峰，仍然是受空白钢条的影响而出现的响应峰；在50～67Hz出现的一阶共振峰，为不同厚度的B型弹性泡沫复合试样的共振峰。通过分析固有频率、振动响应与弹性泡沫厚度关系可以看出，吸振试样上一阶峰的固有频率及振动响应都随着弹性层厚度的增加而减小，弹性层厚度为3mm时，固有频率为95.2Hz，振动加速度为0.14m/s2，弹性层厚度为30mm时，固有频率为50.2Hz，振动加速度为0.05m/s2。

图6为不同厚度C型弹性泡沫材料复合吸振试样的振动响应图，在200～250Hz范围出现的二阶峰是受到钢条共振峰的影响而出现的响应峰；在42～109Hz范围出现的一阶峰为不同厚度的C型弹性泡沫复合试样的共振峰。对固有频率、振动响应与弹性泡沫厚度关系进行分析可以看出，与其他两种弹性泡沫材料作用相同，随着C型弹性泡沫材料厚度的增加，样品的一阶峰的固有频率及振动响应都逐渐减小。C型弹性泡沫厚度为3mm时，固有频率为109.4Hz，振动加速度为0.21m/s2。弹性层厚度为24mm时，固有频率为42.5Hz，振动加速度为 0.08m/s2。

图5 不同厚度B型弹性泡沫材料复合吸振试样的振动响应图

为了系统的比较A型、B型与C型弹性泡沫复合结构吸振性能，对三种类型吸振试样的吸振量进行了统计，如图7所示。从当弹性泡沫材料厚度增加时，复合试样的吸振量也逐渐增加，A型弹性泡沫复合试样的吸振量大于B型与C型复合试样。这与弹性泡沫材料的微观结构及力学性能有关，A型弹性泡沫材料自身孔隙度低，压缩强度及压缩模量高，从而具有较大的刚度；B型弹性泡沫材料与C型弹性泡沫材料具有更高的孔隙度且压缩强度及模量基本一致。综合实验结果，可知具有最优吸振效果的样品为弹性泡沫材料厚度15mm的A型弹性泡沫复合吸振试样，吸振量为5.3dB。

图6 不同厚度C型弹性泡沫材料复合吸振试样的振动响应图

图7 三种弹性泡沫材料复合吸振试样吸振量比较

3 结论

通过对比三种弹性泡沫复合结构的吸振性能，研究弹性泡沫材料强度、弹性泡沫材料厚度等对弹性泡沫呵呵结构吸振性能影响，得出的主要结论 如下：

（1）随着弹性泡沫材料厚度的增加，吸振试样上一阶峰的固有频率及振动响应逐渐减小；

（2）弹性泡沫材料的模量越高，弹性泡沫复合吸振试样的吸振性能越好；

（3）弹性泡沫材料厚度为15mm的A型弹性泡沫复合吸振试样具有最优吸振效果，吸振量为5.3dB。