基于悬臂梁法的汽车阻尼材料阻尼系数测试方法

周焕阳，祝安纲，姚明格，刘浩，姜丰

（天津航天瑞莱科技有限公司，武汉 430056）

引言

汽车在行进时会产生一系列的噪声，既有自身存在的发动机声、变速箱的齿轮声、进气排气声等，也有行进时车轮与路面的摩擦声、遇到凹凸不平路面时的车体碰撞声、高速行驶时产生的风阻声等，特别是高速行驶时的噪声最为明显[1]。因此，需要在车身内部粘贴一层阻尼材料，从而达到汽车室内减振降噪的目的。汽车阻尼材料可以吸收车身板材被发动机及路面的强制力激发出来的振动能量。在汽车车身内部粘贴阻尼材料后，可以改变原有车身结构的共振频率，减小车内振动噪声，提高乘车舒适性。如果外界激励条件不变，阻尼结构的振动速度和辐射噪声声压会随着阻尼材料阻尼系数的增加而降低。因此，阻尼系数的大小是判断阻尼材料减振降噪性能优劣的重要参考指标，工程上也常常依据阻尼系数来选择阻尼材料[2,3]。

常用的阻尼材料阻尼系数测试方法有动态黏弹谱测试仪（DMA）法，其依据高聚物的时温等效原理，可以直接测量阻尼材料的阻尼因子，但其频率范围较低一般在100 Hz以下。而经典悬臂梁法是利用悬臂梁受到正弦激励产生的共振特性来计算材料阻尼因子，其适用频率范围较宽（可达2 000 Hz），且测试仪器简单[4]。通常悬臂梁法是在常温下进行，但考虑到汽车阻尼材料的动态特性会随着温度的变化而变化，因此基于悬臂梁法测试阻尼系数时还需考虑温度的影响。

本文介绍了阻尼材料的阻尼系数有关的测试原理，以及通过悬臂梁测试方法在实验室进行阻尼系数测试的实验案例，以期得到阻尼材料在不同温度下的阻尼系数测试结果。同时，总结了检测传感器的选用以及结构试件的安装力矩等因素，对阻尼系数测试结果可能产生的影响，为工程技术人员在实验室进行阻尼系数测试提供参考。

1 阻尼系数的测试原理

设悬臂梁一端固支，另一端自由。在悬臂梁自由端作用一正弦激励f(t)时，悬臂梁上就会应激产生相应的动态响应δ(t)。一般情况悬臂梁构件都存在阻尼耗能，动态响应δ(t)与激励f(t)之间会产生相位差，动态位移响应f(t)会相对于激励力f(t)滞后，见公式（1）。

式中：

fm—激励力的幅值；

δm—动态响应的幅值；

ω—正弦激励的角频率；

α—响应相对于激励的迟滞角度。

工程上一般定义悬臂梁的阻尼系数 η 为滞后角 α 的正切函数，即:

徐丰辰等人从能量损耗角度对悬臂梁构件的振动特性进行分析发现，随着材料的滞后角 α 不断增大，悬臂梁构件的能量阻尼系数 η 也逐渐增大，悬臂梁构件的减振降噪效果也逐渐增强。阻尼系数η的实际效果体现为能量的损耗[5]。

悬臂梁受到正弦信号激励时，其响应特性如图1所示。可以看出，对于不同的阻尼系数，结构件的共振频率相差很小；结构件的共振峰值随着阻尼系数η的减小而增大，而共振峰的带宽随着阻尼系数η的减小而减小。结构件的阻尼系数η与共振峰频率及其带宽存在显性对应关系。因此，获得结构件的共振曲线后，如图2所示，可以通过公式（3）来计算试件的阻尼系数。

图1 结构试件的共振频率曲线

图2 结构试件共振曲线

式中：

fH、fL—0.707倍峰值振幅对应的高、低频率，Hz；fn—结构件的共振频率，Hz。

2 悬臂梁法测试流程

汽车阻尼材料在汽车减振降噪领域已得到广泛应用，国内各汽车主机厂也针对阻尼材料阻尼性能的测试方法进行了一定的研究。东风本田则制定了企业内部标准0095Z-SDA-0000，吉利汽车公司也制定了Q/JLY J711506-2008标准等[6]。下面参考常温下的悬臂梁测试方法，并考虑温度效应对阻尼材料阻尼系数的影响，将其与温度振动综合试验方法相结合，来进行阻尼系数的测试。

2.1悬臂梁法

悬臂梁法的测试原理图见图3，将结构试件一端固支，另一端自由[7]。通过测试系统对试件进行正弦扫描激励，以获得试件的响应特性，对数据分析得到结构试件的阻尼系数。

图3 悬臂梁法原理图

计算机软件按照要求的振动控制谱，由控制仪发出驱动信号，通过功率放大器对信号进行放大，从而推动激振器（振动台）运动。采集激振器（振动台）控制点的信号，通过测量放大器和信号采集器输入到计算机软件，可以得到控制点的加速度谱形；控制软件根据控制点谱形与目标谱形的差值来修正驱动信号，最终使控制点的响应量级达到规定的目标值；控制软件还可以实时采集试件上响应传感器的加速度量级，获得结构试件的响应曲线，再经过处理得到传递函数曲线（响应曲线/控制曲线）。

2.2 测试流程

由于汽车阻尼材料的动态特性会随着温度的变化而变化，因此测试阻尼系数时还需考虑温度的影响[8]。此时，需将悬臂梁测试系统放置于试验箱中来进行阻尼系数的测试，阻尼系数测试系统见图4。综合试验箱能够提供稳定的温度环境；结构试件以悬臂梁方式安装于激振器台面上，通过激振器对结构试件进行激励获得试件的响应曲线，从而可以测试得到结构试件在特定温度下的阻尼系数。

图4 阻尼系数测试系统示意图

阻尼系数测试流程：

1）将阻尼试片裁成横50 mm、竖350 mm大小，放置在横30 mm、竖300 mm的钢板上，在140 ℃高温下保持30 min进行熔合。

2）熔合完成后，将阻尼材料在基板上充分冷却硬化后进行裁剪，获得结构试件。

3）将激振器和综合试验箱按图4所示组成综合测试系统。

4）将结构试件以悬臂方式安装于激振器台面上，并安装加速度传感器等测量系统。

5）开始试验。将试验箱温度调节到20 ℃并稳定。

6）以规定的控制谱曲线对结构试件进行扫频激励，获取试件上的响应曲线，并根据公式（3）计算得到20 ℃温度下的阻尼系数。

7）重复5）~6）步骤，得到40 ℃、60 ℃温度下的阻尼系数。

2.3 试验案例

汽车用沥青阻尼材料是使用最广泛的阻尼材料之一。磁性沥青基阻尼板主要用于车门、侧围、顶棚等部位，而热熔性沥青基阻尼板主要用于车内地板部位，起到阻尼减振降噪的作用。

根据上述的测试系统以及测试方法，对某汽车用沥青阻尼材料进行阻尼系数的测试。阻尼系数测试系统实物如图5所示，结构试件悬臂梁法测试局部放大如图6所示。测试得到阻尼结构试件在20 ℃温度下的传递函数如图7所示；测试得到阻尼结构试件在40 ℃温度下的传递函数如图8所示；测试得到阻尼结构试件在60 ℃温度下的传递函数如图9所示。根据公式（3）计算得到20 ℃、40 ℃、60 ℃温度下的阻尼系数的测试结果如表1所示。

图5 阻尼系数测试系统实物图

图6 测试系统局部放大示意图

图7 20 ℃时的阻尼系数测试曲线

图8 40 ℃时的阻尼系数测试曲线

图9 60 ℃时的阻尼系数测试曲线

表1 阻尼系数测试结果

可以看出，随着温度的升高，阻尼结构件的阻尼系数逐渐减小，也即意味着阻尼材料的减振降噪效果随着温度升高而逐渐减弱。

2.4 测试结果的影响因素

由于阻尼系数测试系统的复杂性，下列因素可能会引起测试结果的误差。

1）阻尼系数测试时，结构试件上的响应传感器最好使用非接触式传感器，但是，由于非接触式传感器在较高频振动时的灵敏度达不到要求，建议采用具有超小质量的加速度传感器。GB/T 18258-2000中规定，加速度计的质量应小于0.5 g。当加速度计的质量大于0.5 g时，加速度计质量相对基板质量不可忽略，对悬臂梁法测阻尼系数的结果有着较大的影响。

2）结构试件安装时的紧固力矩需适宜。安装力矩过大，可能会挤压结构试件的阻尼层，变形过大，导致阻尼层与基板的粘合开裂。安装力矩过小，测试过程中可能会松动，影响测试结果的准确性。对于不同配方的阻尼材料做对比试验时，安装力矩应保持一致。

3 结论

汽车在高速行驶时会产生很大的噪声，影响车内成员的舒适性。通常在车身内部粘贴一层阻尼材料，从而达到汽车室内减振降噪的目的。因此，阻尼系数是判断阻尼材料减振降噪性能优劣的重要参考指标，准确测得阻尼材料的阻尼系数，对于选择阻尼材料具有重要作用。

本文介绍了阻尼材料的阻尼系数有关的测试原理，以及通过悬臂梁测试方法在实验室进行阻尼系数测试的实验案例，测试得到在20 ℃、40 ℃、60 ℃温度下的阻尼系数测试结果。可以看出，随着温度的升高，阻尼结构件的阻尼系数逐渐减小，也即意味着阻尼材料的减振降噪效果随着温度升高而逐渐减弱。同时，总结了检测传感器的选用以及结构试件的安装力矩，对阻尼系数测试结果的影响。这些研究将为工程技术人员在实验室进行阻尼系数测试提供参考依据。