褚風(fēng)民

（天津市橡膠工業(yè)研究所）

粘彈性阻尼材料對(duì)帶筋板鋼結(jié)構(gòu)件減振效果評(píng)價(jià)研究

褚風(fēng)民

（天津市橡膠工業(yè)研究所）

本文以帶有筋板的鋼結(jié)構(gòu)件為研究對(duì)象，采用激振器從筋板結(jié)構(gòu)件下方對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)，以激振器產(chǎn)生的正弦激勵(lì)力作為振源，測(cè)試筋板結(jié)構(gòu)件典型位置的振動(dòng)響應(yīng)。應(yīng)用振動(dòng)加速度級(jí)的變化來(lái)衡量并評(píng)價(jià)筋板結(jié)構(gòu)件在敷設(shè)粘彈性阻尼材料前后的減振效果?？梢钥闯觯海?）阻尼處理前，受到激勵(lì)的筋板鋼結(jié)構(gòu)件各處的振動(dòng)響應(yīng)主要與其所處位置的結(jié)構(gòu)有關(guān)，與距離激振點(diǎn)的遠(yuǎn)近關(guān)系較??；（2）在敷設(shè)阻尼材料后，受到激勵(lì)的筋板鋼結(jié)構(gòu)件各處的振動(dòng)響應(yīng)與其距離激振點(diǎn)的遠(yuǎn)近關(guān)系較大，距離越遠(yuǎn)的位置振動(dòng)衰減越大；（3）以自由層阻尼材料為約束層的約束阻尼結(jié)構(gòu)的減振效果要大于優(yōu)于單純自由層阻尼材料。

筋板結(jié)構(gòu)件；阻尼；振動(dòng)加速度。

表面敷設(shè)阻尼材料對(duì)多數(shù)剛性結(jié)構(gòu)而言都是比較有效的減振方案，作為被動(dòng)減振的典型，阻尼結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于航空、船舶、汽車、機(jī)床等領(lǐng)域[1]。但阻尼結(jié)構(gòu)減振效果的評(píng)價(jià)尚沒(méi)有完全統(tǒng)一的方法。陳慶華提出使用減振前后的位移響應(yīng)比值來(lái)評(píng)判減振效果[2]，周勁松等用頻響函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)減振效果[3]。帶有加強(qiáng)筋的平板結(jié)構(gòu)件常見于各種機(jī)械裝置中，本文以帶有筋板的鋼結(jié)構(gòu)件（本文中簡(jiǎn)稱為“筋板結(jié)構(gòu)件”）為研究對(duì)象，主要應(yīng)用振動(dòng)加速度級(jí)的變化來(lái)衡量評(píng)價(jià)其在敷設(shè)阻尼材料前后的減振效果，并為類似結(jié)構(gòu)選擇性能更加優(yōu)良的阻尼材料及阻尼結(jié)構(gòu)。

1、阻尼結(jié)構(gòu)的減振機(jī)理

阻尼減振是被動(dòng)控制的一個(gè)主要方面，它通過(guò)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能達(dá)到減振降噪的目的。自由阻尼層是直接將粘彈性阻尼材料貼敷或涂覆在需要減振的結(jié)構(gòu)原件表面，主要通過(guò)阻尼層發(fā)生拉伸變形，從而將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⑦_(dá)到抑制振動(dòng)的目的，其受力形式如圖1所示。它結(jié)構(gòu)、動(dòng)力特性比較簡(jiǎn)單，便于在實(shí)際工程中使用，但其減振效果相對(duì)較差。約束阻尼是在阻尼層外附加一層剛度較大的彈性層作為約束層，主要由基層、阻尼層與約束層組成，通過(guò)阻尼結(jié)構(gòu)的基層和約束層彎曲變形的作用，在阻尼材料內(nèi)部產(chǎn)生剪切應(yīng)變，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮躘4]。約束阻尼結(jié)構(gòu)中阻尼層不僅承受拉壓變化，同時(shí)還要車感受剪切變形，由于粘彈性阻尼材料的剪切損耗模量要大于拉伸損耗模量，所以一般而言約束型阻尼結(jié)構(gòu)的效果要優(yōu)于自由型阻尼結(jié)構(gòu)。

圖2 約束層阻尼結(jié)構(gòu)的受力形式

2、筋板結(jié)構(gòu)件振動(dòng)加速度的測(cè)試

本文以筋板結(jié)構(gòu)件為研究對(duì)象，采用激振器從筋板結(jié)構(gòu)件下方對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行激勵(lì)，以激振器產(chǎn)生的正弦激勵(lì)力作為振源，測(cè)試筋板結(jié)構(gòu)件典型位置的響應(yīng)，以典型位置點(diǎn)的頻率響應(yīng)函數(shù)為測(cè)試分析對(duì)象，研究有無(wú)阻尼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)情況，對(duì)比筋板結(jié)構(gòu)件在敷設(shè)阻尼前后的減振效果，以便根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)阻尼結(jié)構(gòu)敷設(shè)方案進(jìn)行調(diào)整，以取得更好的減振效果。

頻響函數(shù)及振動(dòng)加速度的測(cè)試原理圖如圖3所示：

圖3 頻響函數(shù)振動(dòng)加速度測(cè)試原理圖

為測(cè)試頻響函數(shù)及振動(dòng)加速度，通過(guò)激振器對(duì)結(jié)構(gòu)件激勵(lì)，將激勵(lì)信號(hào)通過(guò)壓電式力傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，響應(yīng)信號(hào)則通過(guò)壓電式加速度傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。通過(guò)計(jì)算機(jī)及專用信號(hào)處理軟件對(duì)激勵(lì)及響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析，從而得到系統(tǒng)的頻響函數(shù)及各點(diǎn)的振動(dòng)加速度。

根據(jù)測(cè)試要求，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要工作在中低頻，本次實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行10～300Hz以及10～1000Hz的隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)，采用激振器激振，單點(diǎn)輸入多點(diǎn)輸出方式測(cè)試各點(diǎn)的振動(dòng)加速度。

實(shí)驗(yàn)中采用的測(cè)試儀器及處理軟件為丹麥BK公司2702功率放大器；4808激振器；1027信號(hào)發(fā)生器；8200力傳感器；2971加速度傳感器；2692D電荷放大器；東方振動(dòng)與噪聲技術(shù)所INV數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。

振動(dòng)加速度級(jí)的定義[5]：

其中La為振動(dòng)加速度級(jí)，dB；

a為振動(dòng)加速度有效值，m/s2；

a0為振動(dòng)加速度參考值，m/s2，

由儀器測(cè)出各接收點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值，然后按照以上公式計(jì)算振動(dòng)加速度級(jí)。

3 筋板結(jié)構(gòu)件及阻尼結(jié)構(gòu)方案

筋板結(jié)構(gòu)件的示意圖如圖4所示。

圖4 筋板結(jié)構(gòu)件示意圖

3.1 筋板結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸：

底板尺寸：長(zhǎng)×寬=700mm×500mm，厚度26mm；

橫筋板尺寸：長(zhǎng)度為500mm，高度為400mm，厚度為10mm；

豎筋板尺寸：長(zhǎng)度為700mm，高度為490mm，厚度16mm。

3.2 阻尼材料敷設(shè)方案

方案1、2：自由層阻尼結(jié)構(gòu)，底板敷設(shè)阻尼板厚度為25mm，豎筋板雙面敷設(shè)阻尼板厚度均為16mm（雙面），橫筋板雙面敷設(shè)阻尼板厚度均為10mm。方案1、2阻尼材料分別為A、B；

方案3：約束阻尼結(jié)構(gòu)，各處理面首先敷設(shè)約束阻尼材料Y（2mm）然后在其上部再敷設(shè)自由層阻尼膠板B作為約束層，底板敷設(shè)25mm，橫筋板雙面敷設(shè)10mm，豎筋板雙面敷設(shè)16mm。

3.3 激勵(lì)點(diǎn)及接收點(diǎn)的設(shè)置

選擇豎筋板下距離底邊30mm左右的位置為激勵(lì)點(diǎn)，如圖所示“1”點(diǎn)。

選擇不同特征位置的筋板接收點(diǎn)：2、3、4、22、33、44。其中2、4為豎筋板下位置，3為橫豎筋板交叉點(diǎn)，33、44點(diǎn)為橫筋板下位置，22點(diǎn)為無(wú)筋板位置。

3.4 激勵(lì)頻率的選擇

每次測(cè)試分別進(jìn)行10～300Hz以及10～1000Hz的隨機(jī)信號(hào)激勵(lì)，分別測(cè)試接收點(diǎn)的振動(dòng)加速度。

4 結(jié)果與分析

4.1 空白板下各接收點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)分析

各接收測(cè)試點(diǎn)與激振點(diǎn)的距離不同，同時(shí)各測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)也不同，橫向比較相同激勵(lì)條件下不同接收測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)，對(duì)于全面了解帶筋板結(jié)構(gòu)件的不同部位的振動(dòng)情況具有一定的意義，同時(shí)也便于比較在進(jìn)行阻尼處理前后相同部位振動(dòng)加速度級(jí)。

空白板下各點(diǎn)振動(dòng)衰減情況見下表1及圖5。從表中數(shù)據(jù)可以看出，同在豎筋板下的2、3、4點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)基本相同。同在橫筋板下的33、44點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)也基本相同。而不在筋板位置下的22點(diǎn)，其加速度級(jí)比豎筋板下的各點(diǎn)要低，比橫筋板下的各點(diǎn)要高。

由此可以看出在空白板下不同位置的振動(dòng)衰減與各點(diǎn)所處的結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，而各點(diǎn)與激振點(diǎn)距離大小對(duì)振動(dòng)衰減的影響較小。

表1 空白板下各點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)（dB）

圖5 空白板下各測(cè)試點(diǎn)震動(dòng)加速度級(jí)

4.2 敷設(shè)阻尼材料后各接收測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)

測(cè)試頻段為0～1000Hz時(shí)敷設(shè)阻尼材料各測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)見表2及圖6，10～300Hz時(shí)敷設(shè)阻尼材料各測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)見表3及圖7所示。分別以空白樣的振動(dòng)加速度級(jí)與各測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)之差來(lái)衡量各點(diǎn)的振動(dòng)衰減，表征減振效果。

4.2.1 筋板位置下減振效果與各測(cè)試點(diǎn)與激振點(diǎn)之間距離的關(guān)系

從表2及表3中的數(shù)據(jù)可以看出“2”點(diǎn)由于離激振點(diǎn)最遠(yuǎn)，其振動(dòng)衰減也最大，同樣在豎筋板的位置的“3”、“4”點(diǎn)的振動(dòng)衰減依次降低，由此可以看出在敷設(shè)阻尼材料后距離是影響振動(dòng)衰減的一項(xiàng)關(guān)鍵因素，與振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)的距離遠(yuǎn)的位置振動(dòng)衰減大，距離近的位置振動(dòng)衰減小。在實(shí)際工程應(yīng)用可有針對(duì)性的在離激振源較近的部位增加阻尼層的厚度以加大其減振效果，而在離激振源較遠(yuǎn)的部位厚度也可以相應(yīng)的減小。

4.2.2 筋板敷設(shè)阻尼材料的厚度與減振效果之間的關(guān)系

比較“2、3、4”與“22、33、44”的振動(dòng)衰減，可以看出在豎筋板下的測(cè)試點(diǎn)的減振效果要大于橫筋板下的各點(diǎn)以及筋板外的“22”點(diǎn)。橫筋板厚度為10mm，豎筋板厚度為16mm，由于橫筋板與豎筋板敷設(shè)阻尼材料的厚度與筋板厚度比例相同，雙面敷設(shè)均為1∶1，因此相應(yīng)的豎筋板上敷設(shè)的阻尼材料厚度要大于橫筋板，2、3、4點(diǎn)位置振動(dòng)加速度級(jí)衰減較大，可能與兩種因素有一定的關(guān)系：（1）豎筋板敷設(shè)的阻尼材料厚度較大，阻尼材料起到了抑振作用，（2）豎筋板本身厚度較大，筋板本身起到了較好的抑振作用。而從表1中數(shù)據(jù)可以看出，空白樣下厚筋板位置下的“2、3、4”點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)較大，而在薄筋板下的“33、44”點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)反而較小，由此可以看出豎筋板上敷設(shè)的阻尼材料在振動(dòng)加速度級(jí)的衰減中起主要作用。

比較“2”點(diǎn)與“22”點(diǎn)，兩點(diǎn)離激振點(diǎn)的距離均較大，“22”點(diǎn)離激振點(diǎn)的直線距離甚至更大，但“22”點(diǎn)下的減振效果遠(yuǎn)不如“2”點(diǎn)，由此可以看出在對(duì)筋板結(jié)構(gòu)件的阻尼處理過(guò)程中，對(duì)筋板的阻尼處理效果要比底板好。

而比較橫筋板“33”、“44”測(cè)試點(diǎn)，這兩點(diǎn)的結(jié)構(gòu)及其與激振點(diǎn)的距離均相同，反映到振動(dòng)加速度的衰減上來(lái)看，可以看出兩點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)也基本相同。

綜合各測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可以看出頻寬在0～1000Hz下，3#方案的綜合振動(dòng)加速度級(jí)的衰減最大，為16.6dB，1#方案次之，為15.3dB；2#方案最差，為11.3dB。

表2 頻寬1000Hz下敷設(shè)阻尼材料各接收點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)

圖6 1000Hz下各接收點(diǎn)不同方案振動(dòng)加速度級(jí)

2.2頻段為10～300Hz時(shí)各測(cè)試點(diǎn)振動(dòng)加速度級(jí)的衰減情況

10～300Hz測(cè)試頻段下各測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)減振效果見表3與圖7所示。其基本規(guī)律與10～1000Hz頻段類似。

表3 頻寬300Hz下敷設(shè)阻尼材料各接收點(diǎn)振動(dòng)衰減情況

圖7 300Hz下各接收點(diǎn)不同方案振動(dòng)加速度級(jí)

綜合各測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以看出，頻寬在10～300Hz下，依然是3#方案最佳，為16.1dB；2#方案次之，為15.6，1#方案為15.3dB。由此可以看出對(duì)筋板結(jié)構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理，并以自由層阻尼材料為約束層的約束型阻尼結(jié)構(gòu)的減振效果要大于單純使用自由層阻尼材料。

4.2.3 敷設(shè)阻尼材料前后筋板結(jié)構(gòu)件振動(dòng)頻譜對(duì)比分析

4.2.3.1 空白樣振動(dòng)頻譜

空白樣豎筋板下典型位置（4點(diǎn)）在0～1000Hz振動(dòng)頻譜見圖8所示，10～1000Hz下共振頻率為573.4Hz，振動(dòng)加速度的峰值為26.5m/s2，除此之外在518Hz下還有一個(gè)次級(jí)共振峰，總有效值為21.27 m/s2。

圖8 空白樣豎筋板下典型位置（4點(diǎn)）在0～1000Hz振動(dòng)頻譜

非筋板下的典型位置（22點(diǎn)）的在0～1000Hz下的振動(dòng)頻譜分別見圖9。0～1000Hz下處在518Hz存在一共振峰外，在155Hz、573Hz、954Hz均存在次級(jí)共振峰，但各共振峰的振動(dòng)加速度均遠(yuǎn)沒(méi)有“4”點(diǎn)共振峰值高，總有效值為16.08 m/s2。

圖9 空白樣非筋板典型位置（22點(diǎn)）在0～1000Hz振動(dòng)頻譜

4.2.3.2 經(jīng)過(guò)阻尼處理后的振動(dòng)頻譜

經(jīng)過(guò)阻尼處理后同樣在“4”點(diǎn)的振動(dòng)頻譜見圖10所示，與圖8相比，其主共振峰被抑制，僅存在數(shù)個(gè)峰值不足1m/s2的小峰，總有效值僅為2.93m/s2。

圖10 1#方案處理下“4”點(diǎn)的振動(dòng)頻譜

經(jīng)過(guò)阻尼處理后同樣在“22”點(diǎn)的振動(dòng)頻譜見圖11所示，與圖9相比，其主、次各級(jí)共振峰均被抑制，除在473Hz存在一個(gè)峰值為1.415m/s2的峰之外，僅存在數(shù)個(gè)峰值不足1m/s2的小峰，總有效值僅為3.735m/s2。由以上“4”點(diǎn)及“22”點(diǎn)位置阻尼處理前后的振動(dòng)頻譜對(duì)比可以看出阻尼材料在抑制振動(dòng)方面的作用。

圖11 1#方案處理下“22”點(diǎn)振動(dòng)頻譜

5 結(jié)論

（1）在筋板結(jié)構(gòu)件空白板下不同位置的振動(dòng)衰減與各點(diǎn)所處的結(jié)構(gòu)有直接關(guān)系，而與各點(diǎn)與激振點(diǎn)距離大小對(duì)振動(dòng)衰減的影響較小。

（2）筋板結(jié)構(gòu)件在敷設(shè)阻尼材料后，與振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)的距離遠(yuǎn)的位置振動(dòng)衰減大，距離近的位置振動(dòng)衰減小。在進(jìn)行阻尼處理時(shí)可適當(dāng)加大振動(dòng)激勵(lì)點(diǎn)附近位置阻尼層的厚度。

（3）對(duì)筋板結(jié)構(gòu)件進(jìn)行約束層阻尼處理，并以自由層阻尼材料為約束層的減振效果要優(yōu)于單純使用自由層阻尼材料。

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[5] JBJ 16-2000 機(jī)械工業(yè)環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范

褚風(fēng)民（1978-）男，山東鄒平人，高級(jí)工程師?，F(xiàn)任職于天津市橡膠工業(yè)研究所有限公司，主要從事聲學(xué)功能性橡膠制品的配方及工藝研究。