噪声和振动控制中阻尼技术的理解

噪声和振动控制中阻尼技术的理解

侯永振

（天津市橡胶工业研究所，天津 300384）

摘要：简要介绍了阻尼材料以自由阻尼、约束阻尼两种阻尼处理方式构成结构阻尼，以及阻尼技术用于振动隔离，通过降低共振可传递性，从而使振动和噪声得到控制的基本原理。

关键词：结构阻尼；振动隔离；阻尼处理；噪声降低

1 导论

机械运转产生的振动现象随处可见，飞机、舰船、机床、汽车、轨道交通（如城市轻轨火车）、水暖管道、纺织机械、空调器、电锯、升降机等机械发出较强的振动和噪声，不仅污染环境，还会影响设备的加工精度，加速结构的疲劳损坏和失效，缩短机器寿命，影响交通车辆的舒适性。 不论怎样的应用，通常都需要几种技术对噪声和振动进行有效控制，而每一种技术都有助于环境的更加安静。对于大多数应用来说，可以采用四种控制噪声和振动的方法：（1）吸收；（2）使用障板和罩子；（3）结构阻尼；（4）隔振。在这些分类中虽然有一定程度的相互交叉，但通过对问题的恰当分析和减振降噪技术的合理应用，每种方法都能够产生显著的减振降噪效果。仅次于吸收材料和大块障板层的应用，通常还要弄明白减振降噪的原理。因此，本文将集中介绍涉及降低结构振动的第（3）和第（4）种方法。

2 结构阻尼

结构阻尼降低振源处由冲击产生的稳态的噪

作者简介：侯永振(1957-),男，天津市橡胶工业研究所高级工程师，主要从事橡胶阻尼材料、橡胶减振材料及制品、橡胶防腐衬里、橡胶吸声材料及制品、乳胶手套、胶粘剂、橡胶杂品等研究和开发工作。 声，它所消耗的是在结构阻尼构成之前并以声的形式在结构中辐射的振动能。然而阻尼仅抑制共振。尽管有时由于敷设阻尼材料从而提高了系统的刚度和质量而对于强迫振动的非共振振动的衰减有点效果，但靠阻尼则衰减很少。

阻尼处理由为了提高阻尼结构消耗机械能能力而被应用于阻尼元件的任何材料（或材料组合）组成。当用于强迫振动结构时，在其固有（共振）频率或其附近，它常是最有用的。该固有（共振）频率受由许多频率成份构成的激振力的振动频率的影响，而这许多频率成份受冲击或其它瞬态力或传递到噪声辐射的结构表面的振动的影响。

尽管所有材料都呈现一定量的阻尼，然而许多材料（如钢、铝、镁和玻璃）有如此小的内部阻尼，是传递振动和噪声的良好介质，几乎不具备降低振动和噪声的能力，以致于它们的共振性能使其成为了有效的声辐射器。但钢材等金属材料强度高，常作为结构材料使用；而橡胶等高分子材料，由于本身的化学结构特性，使得它们具有较高的阻尼性能，具备很强的降低振动和噪声的能力，是最主要的减振降噪材料之一，代表着减振降噪材料的发展方向，尤其是近十几年发展起来的高阻尼橡胶或其它高分子阻尼材料，具备非常突出的减振降噪性能，几乎是目前从科学意义上讲最理想的减振降噪材料。但这类阻尼材料

的强度较低，不能单独作为结构材料使用，因此人们就把这些高阻尼低强度的阻尼材料粘贴在高强度低阻尼的钢材等金属材料上，形成金属橡胶复合阻尼材料，从而使复合后的结构阻尼材料既具有钢材的高强度又具有橡胶阻尼材料的高减振降噪性能，通过使发生振动的结构与具有高阻尼的材料的密切接触从而构成的结构阻尼，或使发生振动的结构与该具有高阻尼的、高动态刚度的结构阻尼材料的密切接触，控制振动系统的结构共振是可能的。

常用的阻尼材料，大多是粘弹性的，即当变形时它们能够储存应变能，同时通过滞后作用而耗散所储存的该应变能的一部分能量。阻尼材料的减振降噪性能本质上取决于材料的内耗，材料内耗的大小通常用材料的损耗因子表征，材料的损耗因子越大，减振降噪性能越好。几种类型的阻尼材料可以以薄片形式应用，有些在自然状态下是胶粘剂，有些在高温下使用的是状似瓷釉的材料。

根据使用条件和使用要求的不同，复合阻尼材料一般有两种不同的阻尼处理方式。自由层阻尼或拉伸阻尼是阻尼材料最简单的一种应用形式，见图1。通过强力胶粘剂将阻尼材料简单地附着在一个结构的表面；将阻尼材料一遍又一遍地涂抹在结构的表面，或者将该结构浸入一个加热液化而冷却变硬的材料槽内来制做。在来自于基底结构的曲挠应力的作用下，引起阻尼材料的拉伸和压缩而耗散能量。随着阻尼层厚度的增加，阻尼效果也增加。改变阻尼材料的组份，也会改变阻尼效果。

图2中的例子说明了拉伸阻尼的阻尼效果。图中曲线表示五种拉伸阻尼系统。每个实例中，阻尼片的厚度为3/16英寸，而钢基底层厚度介于1/32至1/2英寸之间。从这些数据可以获得整个系统的损耗因子（共振时每弧度角度耗能的量度），和相应的估算“足够大”阻尼板冲击噪声降低——这种噪声水平的降低是阻尼衰减了每秒被多次撞击的阻尼板振动强度的结果。该实例中的“足够大”是指阻尼板的尺寸等于或大于以声波形式辐射的振动的弯曲波长。温度的影响显而易

图1 自由层阻尼处理结构系统

见。1/2英寸厚钢板的阻尼板比1/32英寸厚钢板的阻尼板出现噪声降低峰的温度更低。

图2 自由层阻尼结构系统的阻尼效果

约束层阻尼系统（CLD）经常用于非常刚硬的结构，见图3。通过层压法将基底层、阻尼层和一个附加的第三层约束层成型为一个“三明治”结构。当阻尼系统因振动而产生曲挠时，就会在阻尼层中显现剪切应力，能量就会通过材料的剪切形变而耗散，而不是通过材料的拉伸形变。

图3 约束层阻尼结构系统

图4 约束层阻尼结构系统的损耗因子及估算

的噪声降低

几种CLD钢材系统的系统损耗因子和估算的噪声降低如图4所示。对于一个特定的基底层厚度，得到的值显著高于图2中的那些结果，尽管阻尼材料的性能和厚度都是相同的。此外，在不改变材料组成的情况下，通过改变层厚度比来优化各温度下的系统损耗因子，如图5。

图5 改变阻尼层厚度优化各温度下的系统损耗因子 只要表面与表面间的压力适当，这种约束层阻尼处理方法是无可挑剔的。这些层可以通过螺固或铆固方式代替粘结方式而成为一个三明治结构，仍然能提供最优的阻尼性能。如果使用胶粘剂，则该胶粘剂必须有高的抗剪刚度。胶粘剂中的剪切应力会降低阻尼层的剪切应力，从而降低系统的阻尼效果。

CLD系统的另一优点就是它们可以应用于苛刻的环境。阻尼层完全被顶部的约束层所覆盖，使它根本不经受磨损或变坏的条件。

对于结构阻尼，不管是拉伸型还是约束层结构阻尼，都提供了一个在声源处解决噪声控制问题的途径。另外，利用阻尼板100%覆盖区域的面积来获得显著的噪声降低通常是不必要的。比如，覆盖区域面积为50%的阻尼板提供的噪声降低一般只比覆盖面积为100%的阻尼板小3分贝；25%覆盖面积的只小6分贝。如果应用适当，阻尼花

费的效果就象其声学效果一样好。