第十章.阻尼减振降噪技术

第十章．阻尼减振降噪技术
A、教学目的
1.隔振及其原理(C：理解)
2.阻尼降噪及其原理(C：理解)
3.阻尼降噪的量度(B：识记)
4.阻尼材料和结构的特性及选用(B：识记)
B、教学重点
隔振原理、阻尼降噪原理及其量度、阻尼材料和结构的特性及选用。

C、教学难点
阻尼降噪原理及其量度、阻尼材料和结构的特性及选用。

D、教学用具
多媒体——幻灯片
E、教学方法
讲授法
F、课时安排
2课时
G、教学过程
声波起源于物体的振动，物体的振动除了向周围空间辐射在空气中传播的声(称”空气声”)外，还通过其相连的固体结构传播声波，简称“固体声”，固体声在传播的过程中又会向周围空气辐射噪声，特别是当引起物体共振时，会辐射很强的噪声。

振动除了产生噪声干扰人的生活、学习和健康外，特别是1~100Hz的低频振动，直接对人有影响。

长期暴露于强振动环境中，人的机体将受到损害，机械设备或建筑结构也会受到破坏。

对于振动的控制应从以下两方面采取措施：一是对振动源进行改进以减弱振动强度；二是在振动传播路径上采取隔振措施，或用阻尼材料消耗振动的能量并减弱振动向空间的辐射。

从而，直接或间接地使噪声降低。

一. 振动对人体的危害
从物理学和生理学角度看，人体是一个复杂系统。

如果把人看作一个机械系统。

振动的干扰对人、建筑物及设备都会带来直接的危害。

振动对人体的影响可分为全身振动和局部振动：全身振动是指人直接位于振动体上时所受的振动；局部振动是指手持振动物体时引起的人体局部振动。

可听声的频率范围为20～20000 Hz，而人能感觉到的振动频率范围为1～100 Hz。

振动按频率范围分为低频振动(30Hz以下)、中频振动(30-100Hz)和高频振动(100 Hz以上)。

实验表明人对频率为2—12 Hz的振动感觉最敏感。

对于人体最有害的振动频率是与人体某些器官固有频率相吻合(即共振)的频率。

这些固有频率是：人体在6 Hz附近；内脏器官在8Hz附近；头部在25 Hz；神经中枢则在250Hz左右。

低于2Hz的次声振动甚至有可能
引起人的死亡。

人对振动反应的敏感度按频率和振幅大小，大致分为6个等级，见图10-1。

(P203)
振动的影响是多方面的，它损害或影响振动作业工人的身心健康和工作效率，干扰居民的正常生活，还影响或损害建筑物、精密仪群和设备等。

根据人体对某种振动刺激的主观感觉和生理反应的各项物理量，国际标准化组织(ISO)和一些国家推荐提出了不少标准，主要包括局部振动标准(ISO5349-1981,P203)、整体振动标准(ISO2631-1978,P204)和环境振动标准(GB10070-88, P205)。

局部振动标准(ISO5349-1981):如人的手所感受的振动。

整体振动标准(ISO2631-1978):振动对人体的作用取决于：振动强度、频率、方向、暴露时间4个因素。

环境振动标准(GB10070-88):主要针对各种机械设备、交通运输工具和施工机械所产生的振动，以及城市区域环境振动污染。

二. 阻尼材料及其阻尼性能评价指标
衡量阻尼材料的阻尼性能主要是根据阻尼材料的损耗因子、振动频率、振幅三要素。

其中，又以阻尼材料的损耗因子作为一般比较对比的主要因素：目前表征材料阻尼性能的参量较多，其中还有玻璃化转变温度Tg，Tg是否与使用环境温度相适应是选择阻尼材
料的关键。

最常使用的度量参量比阻尼能力χ、相位差角正切tanφ、对数衰减率δ和品质因子的倒数１／Q等；常用阻尼性能的表征参量有(阻尼材料损耗因子β)复合结构损耗因子η(即单位弧度的阻尼容量：为每单位弧度的相位变化的时间内，内损耗的能量与系统的最大弹性势能之比。

)、阻尼比ϕ以及损失能量与存储能量之比M2／M1 ；这些参量在一定条件下可以相互转换，当阻尼值较小，即tanφ<0.1时，χ/2π＝φ＝tanφ=δ/π= Q-1=η=2ϕ= M2／M1
①粘性阻尼系数C
即阻尼力与振动速度之比。

②临界阻尼系数C C
即共振时所能容许的最大粘性阻尼系数。

③阻尼比ξ=C/C C
阻尼系数C与临界阻尼系数C C之比。

④阻尼容量ψ
即每振动一个周期所损失的能量与系统的最大弹性势能之比。

三. 隔振及其原理
研究环境振动防治前，必须先弄清环境振动的传播途径和规律，才能制定的防治对策和控制方法。

下图(P206)为环境振动的传播过程。

在环境保护中遇到的振动源主要有：工厂振源(往复旋转机械、传动轴、电磁振动等)，交通振源(汽车、机车、路轨、路面、飞机、气流等)，建筑工地(打桩、搅拌、风镐、压路机等)以及大地脉动及地震等；传递介质主要有：地基地坪、建筑物、空气、水、道路、构件设备等；接受者除人群外，还包括建筑物及仪器设备等。

振动控制的基本方法
根据振动的性质及其传播的途径，振动的控制方法可归纳为三类：
①减少振动源的扰动
振动的主要来源是振动源本身的不平衡力引起的对设备的激励。

减少或消除振动源本身的不平衡力(即激励力)，从振动源来控制，改进振动设备的设计和提高制造加工装配精度，使其振动最小．是最有效的控制方法。

例如，鼓风机、高压水泵、蒸汽轮机、燃气轮机等旋转机械，大多属高速旋转类，每分钟在于转U上，其微小的质量偏心或安装间隙的不均匀常带来严重的危害。

为此，应尽可能调好其静、动平衡，提高其制造质量，严格控制安装间隙，以减少其离心偏心惯性力的产生。

性能差的风机往往是动平衡不佳，不仅振动厉害，还伴有强烈的噪声。

②防止共振
振动机械激励力的振动频率．若与设备的固有频率一致，就会引起共振，使设备振动得更厉害。

起了放大作用，其放大倍数可有几倍到几十倍。

共振带来的破坏和危害是十分严重的。

本工机械中的锯、刨加工，不仅有强烈的振动，而且常伴随壳体等共振，产生的抖动使人难以承受，操作者的手会感到麻木。

高速行驶的载重卡车、铁路机车等，往往使较近的居
民楼房等产生共振，在某种频率下，会发生楼面晃动，玻璃窜强烈抖动等。

历史上赞发生过几次严重的共振事故，如美国Tacoma 峡谷悬索吊桥，长853 m ，宽12 m 左右，1940年固风灾(8级大风)袭击，发生了当时难以理解的振动．引起共振，历时1h ，使笨重的钢桥翻腾扭曲，量后在可怕的断裂声中整个吊桥彻底毁坏。

因此，防止和减少共振响应是振动控制的一个重要方面。

控制共振的主要方法有：改变设施的结构和总体尺寸或采用局部加强法等，以改变机械结构的固有频率；改变机器的转速或改换机型等以改变振动源的扰动频率；将振动源安装在非刚性的基础上以降低共振响应；对于一些薄壳机体或仪器仪表柜等结构，用粘贴弹性高阻尼结构材料增加其阻尼，以增加能量逸散，降低其振幅。

③采用隔振技术
振动的影响，特别是对于环境来说，主要是通过振动传递来达到的，减少或隔离振动的传递，振动就得以控制。

采用大型基础来减少振动影响是最常用最原始的方法。

根据工程振动学原则合理地设计机器的基础，可以减少基础(和机器)的振动和振动向周围的传递。

根据经验，一般的切削机床的基础是自身重量的1-2倍，而特殊的振动机械如锻冲设备则达到设备自重的2-5倍，更甚者达10倍以上。

在振动机械基础的四周开有一定宽度和深度的沟槽——防振沟，里面填充松软物质(如木屑等)或不填，用来隔离振动的传递，这也是以往常采用的隔振措施之一。

在设备下安装隔振元件——隔振器，是目前工程上应用最为广泛的控制振动的有效措施。

安装这种隔振元件后，能真正起到减少振动与冲击力的传递的作用，只要隔振元件选用得当，隔振效果可在85％-90％以上，而且可以不必采用上面讲的大型基础。

对一般中、小型设备，甚至可以不用地脚螺钉和基础，只要普通的地坪能承受设备的静负荷即可。

隔振原理
研究机器设备振动力传递给基础的基本模型是一个单自由度系统。

虽然实际振动控制系统可能很复杂，但单自由度系统的分析概念和隔振原理却是理解和解决复杂问题的基础，其方法也大体相同。

下右图是一个单自由度振动系统模型。

振动系统的主要参量是质量M 、弹簧K 、阻尼δ，外激励力F ，y 表示振动在y 方向的位移，根据牛顿第二定律系统的运动方程为：
F y K dt dy dt
y d M =⋅++δ22 式中：22dt
y d M ：惯性力 dt
dy δ：粘滞阻尼力 y K ⋅：弹性力
t F F ωcos 0=：设定外力为简谐力
22)(ω
ωδK M Z m -+=：力阻抗
则可解得：
)cos()cos(00ϕωωϕωβ+⋅⋅++⋅=⋅-t Z F t e A y m
t ： 振动波形(振幅随时间的变化曲线)
2
200)(ωωδωωK M F Z F A m -+⋅=⋅= ：最大振幅
结论：
①影响振动波的因素主要和振动体的固有频率、阻尼减振结构或材料相关。

②阻尼系统中，振动波形公式第一项会消减，外有激励力的影响决定振动达到稳态振动(规律性)的持续时间(即振动波形公式第二项)。

③振动是与时间、振幅、固有频率相关量，也是与振动体系中刚弹性能、阻尼性能相关的量。

隔振的力传递率
力传递率T f 定义为通过隔振装置传递到基础上的力F f 的幅值F f0与作用于振动系统上的激励力的幅值F 0之比。

2022202022200
)
/(4])/(1[)/(41)(f f f f f f Z K F F T m f f ξξωδω+-+=+== 式中：0/δδξ=：阻尼比(阻尼因子)
结论：
①1/0《f f 时，无隔振作用；
②1/0=f f 时，放大振动作用； ③2/0》f f 时，有隔振作用；
四、阻尼降噪及其原理
阻尼是指阻碍物体的相对运动，并把运动能量转变为热能的一种作用。

阻尼材料是具有内损耗、内摩擦的材料，如沥青、软橡胶以及其它一些高分子涂料。

阻尼降噪即在振动结构上涂上或粘附上一层内摩擦阻力大的阻尼材料来抑振，降低辐射噪声。

4.1.阻尼材料的阻尼能力大小评价指标
①粘性阻尼系数C
即阻尼力与振动速度之比。

②临界阻尼系数C C
即共振时所能容许的最大粘性阻尼系数。

③阻尼比ξ
即ξ=C/C C 。

④阻尼容量ψ
即每振动一个周期所损失的能量与系统的最大弹性势能之比。

⑤损耗因子η
即单位弧度的阻尼容量。

4.2.附加阻尼的常用方法
① 自由阻尼层结构 （阻尼材料被压缩变形）:既无任何刚性结构材料的贴附或约束。

自由阻尼层结构损耗因子：21
2122)(14d d E E ⋅⋅=ηη 一般涉及参量有：E 1、E 2——分别为基材和阻尼材料的弹性模量，η2——阻尼材料损耗因子，d 1、d 2——分别为基材和阻尼材料的厚度。

② 约束阻尼层结构 （阻尼材料被剪切变形）：指有刚弹性材料的粘附或约束。

21
133max 3ηηηηE E = 一般涉及参量同上，E 3 、η3分别是约束层的弹性模量和损耗因子。

四、阻尼降噪的量度
阻尼材料的阻尼系数、声阻抗、声压级的为指标的降噪量。

五、阻尼材料和结构的特性及选用
粘弹性阻尼材料动态性能主要指复剪切模量实部G D （或复杨氏模量实部E D ）和材料损耗因子η。

影响粘弹性阻尼材料动态性能（G D 和η）的主要因素有①温度；②频率；③施加在材料上的预应力和动态应力幅；④试件形状。

其中温度和频率为最主要因素。

（1）当频率、应力幅固定的情况下，E D 随温度上升单调下降，η随温度变化出现一个
极大值ηmax，这时的温度称为玻璃态温度（Tg）。

（2）当温度固定时，E D随频率增加单调上升，而η在某一频率下有最大值。

根据粘弹性阻尼材料的温度和频率特性，结合所需抑振的频率要求，在选用该类阻尼材料时应特别注意其温度和频率指标是否合适，同时应注意ηmax时的E D值。

H、板书
对于振动的控制应从以下两方面采取措施：一是对振动源；二是在振动传播路径上采取隔振措施。

一. 振动对人体的危害
二. 阻尼材料及其阻尼性能评价指标
三. 隔振及其原理
●振动控制的基本方法
●隔振原理
●隔振的力传递率
四、阻尼降噪及其原理
4.1.阻尼材料的阻尼能力大小评价指标
①粘性阻尼系数C
②临界阻尼系数C C
③阻尼比ξ
④阻尼容量ψ
⑤损耗因子η
4.2.附加阻尼的常用方法
①自由阻尼层结构
②约束阻尼层结构
四、阻尼降噪的量度
阻尼材料的阻尼系数、声阻抗、声压级的为指标的降噪量。

五、阻尼材料和结构的特性及选用
粘弹性阻尼材料动态性能主要指复剪切模量实部G D（或复杨氏模量实部E D）和材料损耗因子η。

影响粘弹性阻尼材料动态性能（G D和η）的主要因素有①温度；②频率；③施加在材料上的预应力和动态应力幅；④试件形状。

其中温度和频率为最主要因素。

I、课堂作业：无。