声学材料结构阻尼特性的检测.pdf

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1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/制品与工艺声学材料结构阻尼特性的检测吴静珍月吕目前,声学材料 中的粘弹性阻尼材料正在越来越广泛地用于军事装备、工业设备及 民用领域的减震降噪。通常采用粘弹性阻尼材料对振动和噪声源进行阻尼处理的原理是利 用粘弹性材料在玻璃态向高弹态过渡区域具有最大的 内耗能量。当振动能量传递到 阻尼材料的内部时,将振动能量转化为热能,从而减 少共振响应 的振幅和加快振动响应 的衰减,达到减震降噪的 目的。常用的阻尼处理结构有二种,一种是在

2、金属板上粘合一层阻尼材料叫自由层结构,另一种是在两块金属板之间夹一层阻尼材料 叫约束层结构。金属板粘贴粘弹性 阻尼材料,即为阻尼复合材料,经过阻尼处理后,结构所具有的损耗因子称为复合材料结构损耗因子。口二,、,二、上,一漩称为动态弹性模量。动态弹性模量与静态弹性模量是 有区别 的,这种区别决 定于材料的内耗。当内耗等于零时,动态弹性模量与静态弹性模量相等。动态 弹性模量是与声学测量有关的模量。它是一个复数,能用一个矢量来表示,并可分解 为两 个分量,一个沿实轴称为储能模量,一 个沿虚轴称为损耗模量 参看图阻尼特性原理为了表示粘弹性阻尼材料的阻尼特性,通常采用二种测量方法,一种是直接测出材 料

3、的阻尼特性,另一种是测 出阻尼结构的损耗因子,然后 从结构的损耗因子和具体结构换算出材料的阻尼特性。二种方法各有优点和局限性,没有一种方法可以完全取代另一种方法。本文涉及 的是复合材料的阻尼损耗,而不是基体或阻尼材料单独存在时的损耗。对于复合材料,我们也把它看作均匀材料,用刀来表示它的阻尼。在理论 上,由弹性模量一警式中。为应力,。为相对伸长,即应变推出应力是应变已的函数。当作用力是恒定力时,相应的弹性模型量称为静态弹性模量。如果作用力是随时间变化的,则产生的应变也是随时间变 化的,此时 的弹性模量图复弹性模量分解图力弹性模量表示为,刀因此动力弹性模量可以通过测量实数部分和损耗因子来确定。损耗

4、因子刃被定义为损耗模量与储 能模量的比值,即刀“一式 中为损耗角实际上,系统中的损耗因子的物理意义是,每一应变周期单位弧度被 消耗的能量 与最大弹性能量之比,该比值的最后推导结果为城刀一亏万一一不丫式中。是共振峰的频带宽度,而、为共振频率,下面的的允许频率的阶数。在频率变 化时,振 幅对频率的关 系如图所示。图中的共振峰宽度是在共振频率两侧,振幅为共振振幅的。倍即下降处 的频率差。由于能量 与振 幅的平方成正比,因此共振峰宽度也称 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.h

5、ttp:/制品与工艺为半功率带宽或分贝带宽,半功率点是使振 幅比等于最大值的、厂互白 勺频率。的振动节点位置上悬挂。测试原理示意见 图。在此测试方法中,值得提 出的是,支持点精确地选择在振动节点上是 很 重要 的,否则将会引起 额外阻尼,得到的结果将是不正确的。恒沮箱厂“、,尸场名图试样的共振频率曲线如果试样的机械尺 寸已知,动力弹性模量的实数部分能够从共振频率中求出一堆、艺。了万百艺达 因厘米式 中,是共振频率一是试样的有效长度是厚度夕是材料密度昆、是和梁的边界条件有关的函数。当试样两端均为自由时俘,一俘一检浏换能器卜卜级仪仪片片波器器图悬挂梁法测试原理示意图。一。,一一告当当试样一端自由和

6、另一端固定时俘俘俘俘,、一李二当一一通过以上分析,可知声学材料的阻尼特性不仅与应变、动 态 力大小 有 关,而且还是频率和 温度的函数,在这些 因素 中,主要是温度,其次是频率。而应变和动态力大小的变化引起 的材料阻尼特性在线性范围内变化,可以忽略不计。因此可以认为声学材料的阻尼特性是线性 的温度和频率变化的函数。测量方法关于 阻尼特性的测量方法 可分为共振法和非振法。共振法又分为频率响应法和混响法。本文介绍的是共振法中的频率响应法,此法又分为悬挂梁法和悬臂梁法,下 面分别就它们的要点加以简述悬挂梁法此方法是将试样水平安装,用两条细线在试样平平省省纸羊立立立又又又又又又又又又又又示示波器器器器

7、夕夕夕夕乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙乙图悬臂梁法测试原理示意图如果试样是均匀的,复合试样的末端到离它最近的节点的距离。可用下式计算,、式中是复合试样的长度是允许频率的阶数由于距离。是允许频率的函数,因此 为了正 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/制品与工艺确地作出测量,每个共振频率必须有它的固有的悬挂点。共振时,节点分布于试样 的中心对称位置,节点数共为个。悬臂梁法此方法是将试样垂直安装,上端刚性 夹持,下端自由,自由端接收 由激振换能器发 出的激励信号,固定端由

8、检测换能器检测试样的振动信号,测试原理见图所示。在此测试方法中值得提出的是,测量支架的夹具应有足够的夹持力,以防止 产生附加 的摩擦阻尼。复合试样应保留约的根部没有复合材料,以便夹 紧,也可将基根部厚度加厚,使其厚度等于或大于复合材料的厚度。误差分析在现代技术 中,结构损耗因子 的大小已被作为检验阻尼材料结构阻尼特性的定量指标。它除了与温度、频率有关外,还与边界条件有关。边界条件的变化将直接影响测量精度。损耗因子的测量精度又将直接关系到材料的好坏和可靠性。因此,如何提高测试精度,控制哪些边界条件及其变化范围,很是值得研究的。下面就主要突出的影 响因素加以叙述测试温度顺序从低到高或从高到低将直接

9、影响阻尼性能,因此阻尼性能是随着温度和频率的变化在而变化。在温度低或频率高到一定程度时,材料 呈现玻璃态,阻 尼偏小,而在高温或低频时,材料呈现橡胶态,阻尼也很小,只有在玻璃态 向橡胶态转变 时,存在过渡区域,在此区域会出现阻尼峰,损耗因子会出现极大值。此规律可由下面列举 的某一材料的测试结果 参考表看 出表温度对结构阻尼性能的影响温度共振频率自由层复合材料损耗因子,实验证明,其它条件不变时,采用温度从低到高的测试顺序,可提供最佳的阻尼测试性能。另外,定温时间的长短也将对测 试结果产生影响,定温时间过短,试样内部温度 变化未达到均匀,测试结果会偏离该定温下的性能,一般的定温 时 间在分钟左右。

10、换能器与试样的间距变化对阻尼性能的影响也是很大的。实验 中发现有些试样在间距大于时,损耗因子就会下降,甚 至出现半功点不易测出的现象。而有些 刚性差 的自由层结构在间距小于时,有信号失 真的 可能,甚 至会出现磁性换能器接触试样,无接收信号的现象。经过反复探索,多次对比实验,认为最佳性 能的 间距值应取一之间。悬臂梁法比悬挂梁法 的间距可以大些,自由层结构比约束层结构的间距可以大些。在使用粘合剂时,要注意尽 可能减小由于粘合剂的物理化学性能而带来的影响,所以要求粘合剂模量应该远远高于阻尼材料 的模量,粘合剂的厚度应尽可能薄,一般小于。粘合时间也是影响测试性能的一个因素,通常要等待足够 的时间,

11、等阻尼材料和粘接剂充分 固化后,才可进行测量,一般选择大于小时。悬挂梁法与悬臂梁法均可用来检测结构阻尼性能,但是二者的结果会 略有 出人,但相差甚微。分析梁的简谐振动的简正频率一轰,其中一冷,参看悬挂梁和悬臂梁 的简正振动”率和振幅分布图见图可见 悬挂 梁 的一阶允许频率是悬臂梁的二阶允许频率,即悬挂梁的阶允许频率是悬臂梁的阶允许频率。因此可知悬挂梁的一阶损耗因子是悬臂梁的二阶损耗因子,也就是说悬挂梁的阶损耗因子,是悬臂梁的阶损耗因子。单从测试手段来讲,悬臂梁法 比悬挂梁法方便,略去了计算 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishi

12、ng House.All rights reserved.http:/制品与工艺振动节点的工作。但从边界条件影响因素来分析,悬挂梁法的边界条件易于控制。夹夹紧一自由由气霏二灭悬臂梁匕,卜、二一,、一一二了了自自由一自由由悬挂梁万时一二一长之之夕七十二,十才才乃二二了了,卜二二叫弋尸跨二、长,二图注意事项边界条边不同的梁的简正频率和振幅分布粘弹性阻尼材料专门做被粘合的阻尼层材料,这种材料大都用于钢材上,自然基板可以选对不同材料进行对比试验。评价其阻尼性能在复合结构上应选用相同的厚度比。因为不同的厚度比,其阻尼性能不同,当阻尼层加厚时,阻尼值也随之加大,此规律可见下面列举的某一材料的测试结果见表表

13、厚度比对结构阻尼性能的影响用钢材,而钢是一种非常适宜使用磁力的材料,但是,电磁换能器 的使用并不限制使用磁性材料,在非磁性材料如玻璃钢、铝材等的情况下,可以把小块非常薄的钢片式其它磁性材料片贴在试样两端,这对没量结果没有任何影响。结束语共振频率基板与材料厚度比自由层复合结构损耗因子测试温度,本文 主要着眼于声学材料 中的粘弹性 阻尼材料结构阻尼特性的原理介绍、测量及测量 中一些较为重要的注意事项。叙述中,若有欠妥之处,请阅者指正。在此项工作中,得到过陈耀辉同志的帮助,特此致谢上接第页改进喷涂性和延长粘着保持时间等。如可采用液体氯丁胶,氯 化镁,氧化锌,表面处理 陶土,热塑性 酚醛树脂,固体古马

14、龙,甲基丙 烯 酸缩 水甘油醋,四 乙撑五胺或固体氯丁胶或,液体氯丁胶或,苯乙烯化苯酚,氧化镁,氧化锌,热固性 酚醛树脂,甲苯适量的配方分别制作胶粘剂、粘结织物,橡胶、塑料等材料。此外,液体氯丁胶还可用作涂料,密封胶、涂膜防水材料、造革、海绵、鞋底等的制造材料,最后,液体氯丁胶还可用作橡胶或塑料的改性剂,以提高加工或成品性能。结束语综上所述,作为特种橡胶之一的氯丁橡胶已具有相当长的生产和应用历史,且以目前的产量而言占世界全部合成胶的第五位,即仅次于丁苯、丁二烯、乙丙、丁睛等橡胶。另据有关专家预测今后还呈稳步增长趋势。因该系列橡胶具有良好的耐热,耐候、耐磨、耐油、耐燃、耐化学品等性能,故已较广泛地应 用于非轮胎制品和橡胶胶粘剂等领域,但迄今为止得到规模型生产和应用的,还仅限于通用型固体橡胶,粘接型固体橡胶,氯丁胶乳和液体橡胶。另外还存在着价格高,加工和成品性能尚不理想等问题,有待于今后加以解决。