在噪声和振动控制中，阻尼测试与应用有着重要的工程和学术意义。阻尼技术是控制结构共振和噪声的最有效方法，是解决减振、降噪问题的最重要手段。本文就针对阻尼的定义、阻尼测试标准、阻尼测试设备和阻尼应用等多方面进行简单介绍。

 

阻尼的定义

 

阻尼 (Damping) 是指任何振动系统在振动中，由于外界作用（如流体阻力、摩擦力等）和或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此一特性的量化表征。

 

在实际振动中，由于摩擦力总是存在的，所以振动系统最初所获得的能量，在振动过程中因阻力不断对系统做负功，使得系统的能量不断减少，振动的强度逐渐减弱，振幅也就越来越小，以至于最后停止振动，像这样的因系统，力学能由于摩擦及转化成内能逐渐减少，振幅随时间而减弱振动，称为阻尼振动。

 

 

当阻尼较强时，阻尼振子几乎没有振动，振幅逐渐减小，达到稳定平衡，称为过阻尼。

 

当阻尼较弱时，阻尼振子必须缓慢的经由多次振动逐渐把振幅减小，最后回到平衡位置，因此达成稳定平衡的时间较久，称为欠阻尼。

 

另一种情形是阻尼振子以最平稳的速度，最短的时间达到稳定平衡，称为临界阻尼。

 

 

通俗地讲，就是阻止物体继续运动。当物体受到外力作用而振动时，会产生一种使外力衰减的反力，称为阻尼力（或减振力），它和作用力的比被称为阻尼系数。

 

通常阻尼力的方向总是和运动速度方向相反。因此，材料的阻尼系数越大，意味着其减振效果或阻尼效果越好。但是并不是阻尼越大越好，阻尼大到一定程度时两个物体之间变成了刚性连接，阻尼一般和弹簧一起使用，阻尼过大，将起不到缓冲的效果。

 

阻尼的作用与基本方法

 

1. 阻尼的具体作用

 

阻尼有助于减小机械结构的共振振幅，从而避免结构因动应力达到极限造成结构破坏。

 

阻尼有助于机械系统受到瞬时冲击后，很快恢复到稳定状态。

 

阻尼有助于减少因机械振动产生的声辐射，降低机械性噪声。

 

可以提高各类机床、仪器等的加工精度、测量精度和工作精度。

 

阻尼有助于降低结构传递振动的能力。

 

2. 阻尼的基本方法

 

系统阻尼：在系统中设置专用阻尼减振器，如减振弹簧、冲击阻尼器等。

 

结构阻尼：在系统的某一振动结构上附加材料或形成附加结构，增加系统自身的阻尼能力，这类方法包括接合面、 库伦摩擦阻尼、 泵动阻尼和复合结构阻尼。

 

材料阻尼：依靠材料本身所具有的高阻尼特性达到减振降噪的目的。它包括粘弹性材料阻尼、阻尼合金和复合材料阻尼。

 

阻尼测试相关标准

 

评价阻尼材料阻尼性能好坏的最常用的参数是复合损耗因子，各行业一般用悬臂梁弯曲共振法。

 

ISO - 6721 塑料 动态机械性能的测定

 

ASTM - E756 测量材料减振动特性的标准试验方法

 

SAE - J1637 支撑钢棒上材料的组合振动阻尼特性的实验室测量

 

GB/T - 16406 声学 声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法

 

GB/T - 18258 阻尼材料 阻尼性能测试方法

 

测试原理

 

悬臂梁法阻尼测试系统的测试原理，如下图所示。通常采用矩型钢制条状试样，阻尼材料涂覆于条状试样上，形成复合样条。样条尺寸通常为200mm-240mm不等：宽度一般为10mm或20mm。样条基材厚度一般为0.8mm或1mm，阻尼材料厚度一般为2mm-4mm，具体根据主机厂的要求。

 

将试样安装在刚性夹具上，一端固定，一端自由，构成悬臂梁测试系统。

 

 

测试系统的仪器由激励和检测两部份组成，由信号发生器产生一个激励信号，通过非接触式激振器对试样施加激振力，由检测传感器检测试样的振动响应信号。保持激振幅值恒定，连续改变频率，测出试样的共振曲线。根据所测共振频率和半功率带宽，就可以计算得出复合样条的复合损耗因子，如图所示。若测试过程在温控箱中完成，则可确定温度对材料阻尼特性的影响。

 

 

测试方法

 

1. 按照激励和阻尼辨别方法的不同分

 

锤击脉冲激励－频域测试阻尼

 

压电陶瓷宽带随机激励－频域测试阻尼

 

振动台扫频激励－频域测试阻尼

 

振动台定频共振激励－时域测试阻尼

 

2. 结果比较分析

 

重复性：振动台扫频激励最好，人为因素小。锤击法重复性差。

 

精度：振动台扫频激励最好。

 

频率范围：压电陶瓷可用于高频阻尼测试，振动台最高可测2400Hz范围内的阻尼。

 

效率：锤击法最为方便、快捷，硬件成本也低；压电陶瓷和振动台测试阻尼的硬件成本则相当巨大，测试效率也较低。然而，振动台激励可以准确控制激振力幅和信号类型，易于准确测试和评价某些涂有阻尼减振材料的薄板结构的阻尼特性。

 

阻尼性能测试设备

 

1. 按照频率分

 

弯曲共振装置 [中频]

 

扭摆仪 [低频]

 

DMTA 动态热机械分析仪 [低频]

 

动态力学热分析仪 (DMTA) 是强迫次共振（即施加一个频率远低于被测量系统共振频率且振幅恒定的交变载荷）型动态力学性能测量仪器。

 

2. 设备介绍

 

INV系列数据采集仪器

 

INV阻尼材料测试台

 

DASP阻尼材料特性测量软件系统

 

DAQ 数据采集前器

 

Signal conditioner 信号调节器

 

Amplifier 放大器

 

Displacement sensor 位移传感器

 

Force sensor 力传感器

 

Test sample 测试样

 

阻尼材料及装置

 

1. 按阻尼材料特性分

 

橡胶和塑料阻尼板：用作夹芯层材料

 

橡胶和泡沫塑料：用作阻尼吸声材料

 

阻尼复合材料：用于振动和噪声控制

 

高阻尼合金：阻尼性能在很宽的温度和频率范围内基本稳定

 

2. 按材料用途分

 

用于改善管路振动。

 

用于机械运动设备的减振和隔振。

 

用于汽车底盘、车门等位置。

 

空调箱壳内部、压缩机等机械运动设备降噪。

 

参考文献

 

[1]GB/T 18258-2000 阻尼材料 阻尼性能测试方法[S]

 

[2]ASTM E756-2017 Standard Test Method for Measuring Vibration-Damping Properties of Materials[S]

 

[3]C.F. Breards BSc, PhD, C Eng, Structural Vibration: Analysis and Damping，1996.

 

[4]Moritz, C. and Deshpande, S., "SAE J1637 Vibration Damping Round Robin Study," SAE Technical Paper 2017-01-1881

 

[5]Cyprien, What is Damping and why is it useful? 2018

 

[6]Nagaraja Jade, Measurement of damping properties of beeswax and cosmetic wax using Oberst beam method, IIT, 2019

 

[7]李晖,孙伟等，悬臂薄板结构阻尼特性几种测试方法的比较, 中国工程机械学报[J], 2013

 

[8]Clarence W.de Silva, Vibration Damping Control and Design[M], CRC Press. 2007

 

[9]Estimating Damping Values Using the Half Power Method，Material Damping Properties[J], 2015

 

[10]张忠明, 刘宏昭等, 材料阻尼及阻尼材料的研究进展, 功能材料[J], 2001,32(3)