阻尼材料动态性能参数的宽频带测试研究

2007年第26卷

11月

第11期

机械科学与技术

M echanical Science and Technol ogy f or Aer os pace

Engineering

Nove mber

Vol.26

2007

No.11

收稿日期:20060628

基金项目:教育部新世纪人才计划项目(NCET20420959)和全国优秀博士学位论文基金项目(200451)资助

作者简介:胡卫强(1982-),男(汉),湖北,博士研究生,huweiqiang@

胡卫强

阻尼材料动态性能参数的宽频带测试研究

胡卫强,王敏庆,盛美萍,刘志宏

(西北工业大学航海学院,西安　710072)

摘　要:针对阻尼材料动态性能参数测试难题,本文在深入分析材料测试理论的基础上,结合小试件阻尼测试研究成果,设计了一套高性价比材料参数测试系统。实验结果表明该系统测量频带宽、精度高且具有良好的可重复性。

关　键　词:阻尼材料;动态性能参数;宽频带测量

中图分类号:T B535.1 文献标识码:A 文章编号:100328728(2007)1121425204

Broadband M easurement of Dynam i c Performance

Parameters of Dampi n g Materi a ls

Hu W eiqiang,W ang M inqing,Sheng Mei p ing,L iu Zhihong

(College of M arine Engineering,North western Polytechnical University,Xi′an710072)

Abstract:A s is well2known,it is difficult t o measure the dyna m ic perfor mance para meters of da mp ing materials. Theref ore we design a highly cost2effective materials para meter measure ment syste m.Experi m ental results show that the measure ment results fr om the measure ment syste m for vibrati on bea m s,which was designed by us using materi2 als measure ment theory and s mall sa mp les da mp ing measure ment research results,are quite consistent with those fr om a vibrati on bea m manufacturer,while the syste m costs only one tenth of the measure ment equi pment purchased by the manufacturer.The phase measure ment syste m designed by us gurantees measure ment accuracy,and meas2 ures directly the high2frequency dyna m ic perfor mance para meters of materials,with the measure ment bandwidth ex2 panded t o over6kHz.Several experi m ents indicate that the measure ment results fr om the above syste m can be used repeatitively.

Key words:da mp ing material;dyna m ic perf or mance para meter;br oadband measure ment

参考相关的国家标准和文献可知[1,2],目前仅

能在10Hz～1kHz频率范围内保证粘弹性材料动

态性能参数测量结果的准确性和精度,而对于其中

高频动态性能,目前尚无简单可行的方法进行直接

测量。阻尼减振降噪技术已经在工程中得到广泛应

用,如何运用简单可行的方法实现阻尼材料动态性

能参数的宽频带精确测量是一个颇具实际意义的问

题。针对该问题,在以前研究工作的基础上[3],本

论文提出了一套阻尼材料动态性能参数测试系统,

运用该系统能够实现阻尼材料动态性能参数的宽频

带精确测量。

1　理论基础

1.1　振动梁法

振动梁法[4]是目前使用得比较广泛的一种测

量阻尼材料性能参数的方法,这种方法的特点是实

验设备相对而言比较简单,且测试精度较其它常规

方法要高。

由理论分析可知,对于自由阻尼结构梁,有下述

两式成立

η

β=

eh

1+eh

・3+6h+4h

2+2eh3+e2h4

1+2e(2h+3h2+2h3)+e2h4

(1)

机械科学与技术第26卷

1

+ρ2ρ1

h

f 2n f 1n

2

=

1+2e (2h +3h 2+2h 3)+e 2h 4

1+eh

(2)

式中:h =H 2/H 1为阻尼层厚度与基底层厚度之比;

e =E 2/E 1为阻尼材料模量与钢梁的模量比;ρ1、ρ2分别为钢和阻尼材料的密度;

f 1n 、f 2n 分别为纯钢梁

和复合梁的第n 阶共振频率;η为复合梁的损耗因子;β为阻尼材料的损耗因子。

首先分别测量纯钢梁和复合试件的第n 阶共振频率,利用公式(2),可以计算模量比e =E 2/E 1,然后通过基底材料(钢)的杨氏模量E 1求出阻尼材料的杨氏模量E 2;用衰减法测得复合梁的损耗因子η[4]

,将e 及测得的η值代入公式(1),就可以得到阻尼材料的损耗因子值β。图1　相位法测量方法

1.2　相位法

相位法和其它方法的根本区别是材料阻尼损耗因子β值的测量仅仅依靠测量系统的相位信号,通过随频率变化的相位值得到材料损耗因子的连续频

谱,由于是直接测量,因此具有较高的精度。

相位法测量方法如图1所示。P 为外界激励,在本系统中为了得到较高的信噪比我们选用单频正弦信号激励;T 为力传感器,置于试件下方;x 是振动系统的动位移。如忽略试件的分布质量,仅仅将其看作

是具有复刚度K ′(1+j β)的弹簧,则由虎克定理可知

K ′(1+j β)x =F

(3)

设K ′β=K ″则有

K ′x +j K ″x =F cos α+j F sin α=F ′+j F ″(4)式中:K ′,K ″分别代表试件动刚度的实部及虚部;

F ′,F ″分别代表传递力F 的实部和虚部,即和位移x

同相及异相成分。

K ′=F co s

αx K ″=

F sin αx

(5)

α是F 与x 的相位角。则

β=K ″K ′

=tan α

(6)

而

E =q 2K ′

(7)式中:q 2=h /A 为试件的形状因子,h 为试件的高度,A 为试件的横截面积。

运用这一测量原理,材料损耗因子β的测量十

分简单,只要准确测量传递力F 和振动位移x 之间的相位角α,就可以求得β值。同样求得K ′以后,由形状因子可得到阻尼材料的杨氏模量E 。2　实验系统

2.1　振动梁法测量系统

基于以上理论,在小试件阻尼测试系统的基础上,本文利用通用仪器及专用传感器系统设计了如图2所示的粘弹性阻尼材料动态性能参数测试系统,该实验系统的试件结构如图3

所示。

用激励锤对悬臂梁试件施加脉冲激励,其时域、频域响应分别如图4和图5所示。

对时域响应信号作希尔伯特变换,得到如图6所示的包络线。用衰减法理论对该包络线进行处理就能得到复合梁的损耗因子η,再由上面阐述过的振动梁法的理论基础就能得到阻尼材料的相关参数

[5]

。

6

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