阻尼性能及阻尼机理综述

阻尼性能及阻尼机理

前言

机械构件受到外界激励后将产生振动和噪声；宽频带随机激振引起结构的多共振峰响应，可以使电子器件失效，仪器仪表失灵，严重时甚至造成灾难性后果。目前，武器装备和飞行器的发展趋向高速化和大功率化，因而振动和噪声带来的问题尤为突出[1]。

振动也会影响机床的加工精度和表面粗糙度，加速结构的疲劳损坏和失效，缩短机器寿命；另外振动还可以造成桥梁共振断裂，产生噪声，造成环境污染[2]。

由此可见，减振降噪在工程结构、机械、建筑、汽车，特别是在航空航天和其他军事领域具有及其重要的意义。

阻尼技术是阻尼减振降噪技术的简称。通常把系统耗损振动能或声能的能力称为阻尼，阻尼越大，输入系统的能量则能在较短时间内耗损完毕。因而系统从受激振动到重新静止所经历的时间过程就越短，所以阻尼能力还可理解为系统受激后迅速恢复到受激前状态的一种能力。由于阻尼表现为能量的内耗吸收，因此阻尼材料与技术是控制结构共振和噪声的最有效的方法[1]。

研究阻尼的基本方法有三大类[1~3]：

（1）系统阻尼。就是在系统中设置专用阻尼减振器，如减振弹簧，冲击阻尼器，磁电涡流装置，可控晶体阻尼等。

（2）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，增大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。

（3）材料阻尼。是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。

本文主要论述阻尼材料的表征方法，阻尼分类，阻尼测试方法，各种阻尼机理，高阻尼合金及其复合材料，高阻尼金属材料最新研究进展，高阻尼金属材料发展中存在的问题及发展方向，高阻尼金属的应用等内容。

第一章内耗（阻尼）机理

1.1、内耗（阻尼）的定义

振动着的物体，即使与外界完全隔绝，其机械振动也会逐渐衰减下来。这种使机械能量耗散变为热能的现象，叫做内耗，即固体在振动当中由于内部的原因而引起的能量消耗。在英文文献中通用“internal friction”表示内耗。另外，在工程上用“阻尼本领”（damping capacity），对于高频振动则称为“超声衰减”（ultrasonic attenuation），其实与内耗一样都是表征同一个物理过程[4]。

产生内耗（阻尼）的原因是固体内部的结构特点和结构缺陷，因而通过内耗（阻尼）测量可以灵敏地反映固体内部结构的特点以及各种结构缺陷的运动变化和交互作用的情况[5]。

由此可见，内耗是一种很好的研究晶界的工具，它能够在不破坏试样的情况下，查知材料中晶界的动态性质。内耗与静态观测手段相配合，可以加深对晶界性质及其动力学行为的认识[4]。

总的来说，我们可以认为驰豫、后效是非弹性在静态过程中的表现，而阻尼、内耗则是非弹性

在动态过程中的表现.比较起来，非弹性对振动过程的影响更为重要，故人们往往以对内耗（阻尼）的实验研究来代替对非弹性的实验研究[6]。

1.2、阻尼性能的描述及表征

1.2.1阻尼和应力应变的关系

根据弹性理论中的虎克定律，材料在弹性变形过程中应力与应变之间满足如下关系：

σ = Mε (1-1)

其中 M 代表弹性模量 E 或剪切摸量G 。

上述公式的成立应满足三个条件[7]，即：应变对应力的响应是线性的；应力和应变相位相同；应变是应力的单值函数。但实际加载过程中，应力与应变之间往往不能同时满足上述三个条件，即非理想弹性；此时将产生阻尼，非弹性常表现为滞弹性和粘弹性，滞弹性根据应力应变之间是否满足线性关系分为线性和非线性滞弹性，因此阻尼也可分为线性和非线性滞弹性阻尼及粘弹性阻尼

[5]，如图1-1所示。

当材料受循环载荷作用时，应力应变之间的实际关系如下[8、9]：

σ =σ0 exp(iωt) (1-2)

ε =ε0 expi(ωt -φ) (1-3)

φ=τ/T×2π (1-4)

其中σ0和ε0为应力和应变的振幅；t 为时间；τ为应变波形滞后应力波形的时间；ω为振动的角频率，φ为应变滞后应力的相位角差；T 振动周期，图1-2所示。

根据复模量定义[3]： (1-5) (1-6) 其中

η为粘弹性阻尼材料的损耗因子（又称损耗正切或阻尼系数），它是衡量阻尼材料耗散振动能量的主要指标之一，它与每周振动所损耗的能量与储存能量之比成正比。表示为

(1-7) 式中 E *——复拉伸模量；

E′——复拉伸模量的实部，也称为贮能拉伸模量，表示为

E′=Ecosφ (1-8)

E"——复拉伸模量的虚部，它决定阻尼材料受到拉压变形时转变成热的能量损耗，所以又称为

)sin (cos 0

0ϕϕεσεσi E e E ia +===*)

1("''ηi E iE E E +=+=*ϕηtg ==‘“E E 图1-1 应力－应变回线[8] 图1-2 在周期应力作用下的应力－应变关系[8]

耗能拉伸模量，表示为

E"=Esinφ=ηE′ (1-9)

1.2.2 常见的用于表征材料阻尼性能的参数及它们之间的关系如下：

（1）损耗系数η 、损耗正切 tanφ 和损失角φ

损耗系数为损失摸量与存储摸量之比，其与损耗正切和损失角的关系如下：

(1-10) 材料的阻尼能力越高, 相位差角越大, 因此可用相位差角φ来表征材料阻尼能力的大小在实际应用中, 如果内耗很小, 则相位差角的测量是很困难的, 因此该法适用于内耗较大的情形[8]，。

(2) 比阻尼( S.D.C 或ψ )[10]

材料受循环载荷，应变落后于应力，在应力与应变曲线上形成一个滞后圈，如图1-1所示。 振动循环一周中，损失能量ΔW 为：

(1-11)

存储的最大能量W 为：

(1-12)

在高阻尼合金的研究中，习惯采用△W/W 来衡量内耗的大小，称为“比阻尼性能”S.D.C ；而物理上为了与阻尼的电磁回路相对应，常采用Q -1来表示阻尼，这里Q 时振动系统的品质因子。类似于电磁回路中品质因子的定义 (1-13) (3)对数衰减率δ[4] 材料在自由振动过程中，其振动幅度将逐渐衰减，如图 1-3 所示。衰减得越快，表明材料的阻尼能力越高，材料的阻尼性能与相邻两振幅间有如下关系

(1-14)

进一步推导可知： (1-15) （这适用于内耗很小时，即） 或 时），内耗值为 (1-16) 式中，δ为对数衰减率；A n 、A n+1分别为第 n 次、第 n+1次振动时的振幅，n 为振动次数(n=1，2，3，…)。由此可见，对数衰减率表征了振幅的衰减程度，它的值越大，则振幅衰减越大，阻尼性能越高。此方法属于共振法的一种，适于测试声频阻尼[8]。

W W Q ∆⋅=-π211δ2ln 2..121212=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≈-=∆=+++n n n n n A A A A A W W C D S 21<+n n A A 69.0ln 1<=+n n A A δδπ

π1211=∆⋅=-W W Q ϕϕη≈==tan ＇〃E

E