阻尼结构减振性能的测试及分析

2020-08-17熊志远王士军宋瑞祥

机械设计与制造 2020年8期

熊志远，王士军，张龙，宋瑞祥

（1.北京市劳动保护科学研究所，北京 100054；2.北京市射线应用研究中心，北京 100015）

1 引言

在行驶中的车辆受发动机、路面等激励，车身壁板产生振动并辐射噪声[1-2]，振动和噪声影响车辆的NVH 性能。NVH 指噪声、振动和声振粗糙度，三者常常同时出现且密不可分，NVH 是衡量车辆品质优越程度的重要指标之一。在车身壁板粘贴阻尼材料，阻尼材料利用自身高分子粘弹性能将车身壁板振动的机械能转化为热能等消耗掉，从而实现车身壁板减振的目的，同时辐射出的噪声也将显著下降，以提高车辆的NVH 性能[3-7]。

目前，材料阻尼性能的测试方法主要有强迫共振法、强迫非共振法、自由振动法等[8-12]。利用的测试方法属于强迫共振法，将大面积矩形板状试样两端固定在支架上，支架固定在振动台上，振动台的扫频激励通过支架传递给板状试样。探测到试样的共振曲线后，由此定量确定试样的减振百分比及阻尼因子，这两个参数是衡量阻尼材料减振性能的关键指标，同时，也是工程上选择阻尼材料的重要依据。

2 减振性能测试

阻尼结构减振性能测试系统，如图1 所示。自制支架通过10个M8 螺栓固定安装在振动台上，矩形板状试样两端通过4 个M12 螺栓螺母水平安装在支架上，构成两端固支结构。振动控制柜与电源接通后，操作振动控制柜，使其对振动台施加一定频率范围内的正弦垂直扫描激励信号。作正弦运动的振动台通过支架而对试样施加垂直方向的周期激振力。在试样下表面中心位置以及试样边缘支架下方各吸附一个附带磁座的加速度传感器。吸附在试样下方中心位置的加速度传感器用于测定试样的频率-加速度频谱曲线，由曲线共振峰以定量确定阻尼结构的阻尼因子和减振百分比。吸附在试样边缘支架下方的加速度传感器用来探测支架的振动平稳性。两加速度传感器分别通过数据线与4 通道信号采集分析仪相连，信号采集分析仪通过网线与装有DASP 专业软件的电脑相连，同时在电脑USB 口插上与之相匹配的专业软件狗，电脑用于记录与显示振动测量信号。

图1 阻尼结构减振性能测试系统Fig.1 Test System of Damping Performances for Damping Structures

文献[13]表明阻尼材料在（80～500）Hz 频率范围内具备减振作用，而且车身壁板的振动频率一般为30Hz 至400Hz[1-2]，所以测试过程中扫描频率范围设定为50Hz 至400Hz。阻尼结构减振性能测试在半消声室内进行，避免了测试过程中外界振动干扰，保证了测试结果的准确、可靠。

图2 试样结构图Fig.2 Diagram of Sample Structure

试样结构图，如图2 所示。它由两部分组成：基板和衬层。衬层为正方形结构，面积（300×300）mm2，位于基板中部并与基板中部完全重合。基板左右两端各超出衬层100mm，按图2 所示位置在4 角钻有通孔，用于将试样固定安装在支架上。试样有基板（钢板）、自由阻尼结构（钢板+纯橡胶）、约束阻尼结构（钢板+纯橡胶+约束层）以及多层阻尼结构（钢板+纯橡胶+约束层+纯橡胶）四种，单个试样层与层之间用强力胶牢固粘接。基板及多层阻尼结构测试安装图，如图3 所示。

图3 基板及多层阻尼结构测试安装图Fig.3 Installation Diagrams of Substrate and Multilayer Damping Structure

3 测试结果及分析

钢板试样下表面中心位置和板边缘框架的频谱图，如图4（a）所示。多层阻尼结构试样下表面中心位置和试样结构边缘框架的频谱图，如图4（b）所示。图1 显示板边缘框架加速度传感器吸附位置。从图4 中可以看出，相比于试样的共振曲线，支架的振动除在少数频率点（如：98Hz、127Hz、162Hz、228Hz 等）有轻微波动外，其余值均较为平缓且趋近于零，表明支架振动平稳，对钢板的振动影响很小。

图4 频谱图Fig.4 Diagram of Frequency Spectrums

图5 试样频谱图Fig.5 The Diagram of the Sample Frequency Spectrums

对于基板、自由阻尼结构、约束阻尼结构以及多层阻尼结构四试样，分别安装在支架上进行正弦扫频测试，试样下表面中心振动测试结果，如图5 所示。图5 中，在相同振动能量下，得到的共振峰峰值由大到小的顺序依次是基板、自由阻尼结构、约束阻尼结构、多层阻尼结构，表明减振效果依次增强。它们对应的峰值及共振频率，如表1 所示。每个试样测量三次，取其平均值进行减振百分比及阻尼因子计算。

表1 测试与计算参数Tab.1 Parameters of Test and Calculation

钢板附上衬层后的共振频率均比原钢板试样的共振频率小。设基板的共振峰值为A0m/s2、基板+衬层的共振峰值为A1m/s2，则加速度幅值减振百分比为（（A0-A1）/A0）×100%，计算结果，如表1 所示。自由阻尼结构、约束阻尼结构、多层阻尼结构相对于基板的减振百分比分别为64.19%、71.77%、73.66%，定量表明衬层对振动钢板均具有明显的减振作用，其减振效果依次加强。

图6 频谱图半功率带宽法计算阻尼因子Fig.6 Calculation of Loss Factors by Using Half Power Bandwidth Method of Spectrum Graphs

利用频谱图半功率带宽法计算阻尼因子[14-16]，倍共振峰值的水平直线和共振曲线相交，可得两个交点，交点横坐标为f1、f2（f1

图7 自由阻尼结构Fig.7 Free Damping Structure

约束阻尼结构的减振机理图，如图8 所示。约束阻尼结构是在自由阻尼结构的橡胶层上再粘附一层弹性模量远大于橡胶层的约束层。当钢板产生向上、向下的反复弯曲运动时，由于约束层较硬，不会随橡胶层发生变形，所以橡胶层将会发生的变形，如图8（a）、图8（b）所示。在 8（a）中，除对称截面上的阻尼材料只受到正应力的作用外，其余点均受拉伸、剪切耦合作用，剪应力与所在平面相切，方向指向箭头方向。同样在8（b）中，除对称截面上的阻尼材料只受到正应力的作用外，其余点均受压缩、剪切耦合作用。两种应力共同使振动能量得以消耗，其减振效果在相同变形程度下要优于自由阻尼结构中的单应力作用。

图8 约束阻尼结构Fig.8 Constrained Damping Structure

实际上，约束层也发生相对基板小很多的振动，如果在约束层上再粘附一层橡胶层，这个结构相当于自由阻尼结构，这层橡胶产生拉、压变形，消耗振动能量，并使约束层的弯曲变形减小，因而进一步增加里层阻尼材料的变形，耗散更多的能量，使基板的振动得到进一步缓解。所以，同等条件下，多层阻尼结构的减振效果要强于约束阻尼结构，约束阻尼结构的减振效果要强于自由阻尼结构。