阻尼橡膠材料阻尼性能懸臂梁共振法測(cè)試方法

李 輝，馬衛(wèi)東，孫志勇，孫國(guó)華，李 斌，杜華太

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán) 第五三研究所，濟(jì)南250031)

阻尼橡膠材料阻尼性能懸臂梁共振法測(cè)試方法

李 輝，馬衛(wèi)東，孫志勇，孫國(guó)華，李 斌，杜華太

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán) 第五三研究所，濟(jì)南250031)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E756-05(2010)，對(duì)阻尼橡膠材料阻尼性能懸臂梁共振法的測(cè)試方法進(jìn)行了研究，分析接觸式響應(yīng)傳感器引入的附加質(zhì)量及激勵(lì)傳感器和響應(yīng)傳感器的安裝位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，并得到有意義的結(jié)論。試驗(yàn)結(jié)果表明：質(zhì)量為0.6 g的接觸式響應(yīng)傳感器引入的附加質(zhì)量對(duì)材料的彈性剪切模量和剪切損耗因子的影響較小，測(cè)試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM E756-05(2010)對(duì)測(cè)試精度的規(guī)定；選擇合適的激勵(lì)器安裝位置有利于提高傳遞函數(shù)曲線幅值；響應(yīng)傳感器的安裝位置對(duì)傳遞函數(shù)曲線影響較大，測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)所要獲得的模態(tài)信息選擇合適的測(cè)點(diǎn)。

振動(dòng)與波；自粘性；阻尼橡膠；共振頻率；彈性剪切模量；剪切損耗因子

阻尼橡膠材料利用其自身的粘彈性將振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩_(dá)到減振降噪的目的，在航空、航天、船舶、兵器、車輛、建筑等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。阻尼橡膠材料的彈性模量和損耗因子是決定其減振效果的主要性能參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)阻尼橡膠的研究開(kāi)發(fā)和阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要作用。阻尼性能的測(cè)試方法通常包括強(qiáng)迫非共振法、懸臂梁共振法、自由梁法、衰減法等，其中，懸臂梁共振法具有測(cè)試的溫度頻率范圍較寬、可以預(yù)測(cè)材料應(yīng)用性能等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛采用[1]。為了準(zhǔn)確獲得材料的阻尼性能，研究者們?cè)趹冶哿汗舱穹y(cè)試方面做了大量的研究工作[2，3]，馬少璞等[4]分析了試樣的密度比、厚度比、共振頻率比、夾芯梁損耗因子對(duì)誤差放大因子的影響，胡衛(wèi)強(qiáng)等[5]分析了自由阻尼結(jié)構(gòu)試樣基層的阻尼性能、阻尼材料的模量等對(duì)測(cè)量結(jié)果可信度的影響，陳耀輝[6]研究了試樣的厚度變化率、密度變化率、共振頻率變化率對(duì)材料的彈性模量和損耗因子測(cè)試結(jié)果的影響，裴高林等[7]研究了穩(wěn)態(tài)正弦激勵(lì)、隨機(jī)噪聲激勵(lì)和瞬態(tài)激勵(lì)三種激勵(lì)方式對(duì)約束阻尼材料的剪切模量和材料損耗因子測(cè)試結(jié)果的影響。

懸臂梁共振法在測(cè)試橡膠材料的阻尼性能時(shí)，測(cè)試結(jié)果受響應(yīng)傳感器引入的附加質(zhì)量的影響以及傳感器安裝位置的影響還不確定，標(biāo)準(zhǔn)ASTME 756-05(2010)[8]中未明確規(guī)定激勵(lì)傳感器和響應(yīng)傳感器的安裝位置，以及接觸式響應(yīng)傳感器引入的附加質(zhì)量對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。本文制備了約束阻尼橡膠材料復(fù)合試樣，分別以非接觸式位移傳感器和接觸式加速度傳感器作為響應(yīng)傳感器，研究了接觸式加速度傳感器引入的附加質(zhì)量對(duì)阻尼橡膠材料阻尼性能測(cè)試結(jié)果的影響；保持激勵(lì)器平面與復(fù)合試樣自由端平面間的距離不變，研究了激勵(lì)器與復(fù)合試樣之間的偏心距對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響；避開(kāi)復(fù)合試樣各階模態(tài)的共振節(jié)點(diǎn)[9]，設(shè)置不同的加速度傳感器粘貼位置，研究了不同測(cè)點(diǎn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣

以自制的自粘性丁基橡膠材料為阻尼層，以鋼板為基層和約束層，制備了約束阻尼復(fù)合試樣。其中，基層、約束層的長(zhǎng)寬尺寸為210 mm、10 mm，厚度分別為1.955 mm、1.930 mm，阻尼層的厚度為0.208 mm。復(fù)合試樣夾持端長(zhǎng)15 mm，夾持端基層與約束層之間墊0.2 mm厚鋁墊片。復(fù)合試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試樣結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 測(cè)試

測(cè)試中使用的儀器設(shè)備如表1所示，測(cè)試裝置安裝如圖2所示。

圖2 測(cè)試裝置安裝圖

測(cè)試時(shí)，使用非接觸式激勵(lì)器激勵(lì)試樣，激勵(lì)方式為猝發(fā)隨機(jī)噪聲激勵(lì)；使用位移傳感器拾取鋼板的振動(dòng)信號(hào)。

研究加速度傳感器引入的附加質(zhì)量對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響時(shí)，分別使用位移傳感器和加速度傳感器拾取復(fù)合試樣的振動(dòng)信號(hào)，其中加速度傳感器使用固體蠟粘貼到試樣表面。

研究激勵(lì)器與復(fù)合試樣之間的偏心距對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響時(shí)，保持激勵(lì)器平面與復(fù)合試樣自由端平面間的距離不變，調(diào)節(jié)激勵(lì)器的安裝位置如圖3所示，位置1、位置2、位置3、位置4、位置5的偏心距分別為0 mm、2 mm、4 mm、6 mm、8 mm。

我國(guó)通過(guò)“準(zhǔn)入門檻”對(duì)進(jìn)口食品實(shí)行管理。2016年，原國(guó)家質(zhì)檢總局對(duì)40個(gè)國(guó)家（地區(qū)）的27種農(nóng)產(chǎn)品與食品進(jìn)行了管理體系評(píng)估，對(duì)178個(gè)國(guó)家（地區(qū)）的8大類2186種進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品與食品準(zhǔn)入名單實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)管理，已累計(jì)建成進(jìn)口肉類指定口岸和查驗(yàn)場(chǎng)56個(gè)、進(jìn)口冰鮮水產(chǎn)品指定口岸62個(gè)；將出現(xiàn)不良記錄的進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品與食品企業(yè)列入預(yù)警“黑名單”，在進(jìn)入口岸時(shí)采取自動(dòng)扣留的措施。

研究響應(yīng)傳感器的安裝位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響時(shí)，選擇距離夾持端30 mm、40 mm、60 mm、85 mm、110 mm、160 mm、190 mm的位置安裝響應(yīng)傳感器，各測(cè)點(diǎn)分別編號(hào)為測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)7，如圖4所示。

圖3 激勵(lì)器安裝位置示意圖

圖4 響應(yīng)傳感器安裝位置示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 不同響應(yīng)傳感器測(cè)試結(jié)果與分析

使用位移傳感器和加速度傳感器作為響應(yīng)傳感器分別測(cè)試了復(fù)合試樣的阻尼性能，每種傳感器各進(jìn)行了三次試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。測(cè)試中，響應(yīng)傳感器安裝位置為測(cè)點(diǎn)3，激勵(lì)傳感器安裝位置為位置3。

圖5顯示，復(fù)合試樣在2 000 Hz頻率范圍內(nèi)有四階模態(tài)。2階模態(tài)下，復(fù)合試樣的共振頻率、結(jié)構(gòu)損耗因子和材料的彈性剪切模量、剪切損耗因子如表2所示，其中，結(jié)構(gòu)損耗因子采用測(cè)試軟件自帶的半功率帶寬法讀取，材料的彈性剪切模量和剪切損耗因子按照標(biāo)準(zhǔn)ASTME 756-05(2010)中的公式計(jì)算所得。

表1 主要儀器設(shè)備一覽表

表2數(shù)據(jù)表明，兩種響應(yīng)傳感器得到的材料的彈性剪切模量和剪切損耗因子的變異系數(shù)分別為0.068 7和0.004 9，滿足ASTME 756-05(2010)中同一溫度、頻率下，多次試驗(yàn)得到的材料彈性剪切模量、剪切損耗因子的分散系數(shù)不超過(guò)0.45、0.25的規(guī)定，表明加速度傳感器引入的附加質(zhì)量對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響在測(cè)試誤差允許范圍之內(nèi)。

圖5 兩種響應(yīng)傳感器獲得的傳遞函數(shù)曲線圖

2.2 激勵(lì)器不同安裝位置測(cè)試結(jié)果與分析

按圖3所示安裝激勵(lì)器，每種安裝位置分別進(jìn)行了三次測(cè)試，得到的傳遞函數(shù)曲線如圖6所示。其中，響應(yīng)傳感器為加速度傳感器，安裝位置為測(cè)點(diǎn)2。

表2 兩種相應(yīng)傳感器獲得的2階模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

圖6 激勵(lì)器五種安裝位置的傳遞函數(shù)曲線圖

激勵(lì)器的安裝位置為位置2、3、4時(shí)，2階模態(tài)下復(fù)合試樣的共振頻率、損耗因子和材料的彈性剪切模量、剪切損耗因子如表3所示。

由表3可知，在可以獲得良好的傳遞函數(shù)曲線的位置2—4得到材料的彈性剪切模量和剪切損耗因子數(shù)據(jù)的變異系數(shù)分別為0.017 8和0.030 4。因此，當(dāng)可以獲得良好的傳遞函數(shù)曲線時(shí)，激勵(lì)器的安裝位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較小。

2.3 傳感器不同安裝位置測(cè)試結(jié)果與分析

將響應(yīng)傳感器安裝在試樣不同位置并各進(jìn)行了三次測(cè)試，獲得了各測(cè)點(diǎn)的傳遞函數(shù)曲線，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。其中響應(yīng)傳感器為加速度傳感器，安裝位置如圖4所示，激勵(lì)器安裝位置為位置3。

由圖7中測(cè)點(diǎn)1—7獲得的傳遞函數(shù)曲線可知，加速度傳感器安裝在測(cè)點(diǎn)1—測(cè)點(diǎn)7均可以獲得復(fù)合試樣的1階～4階模態(tài)，其中測(cè)點(diǎn)1—5可以獲得良好的2階模態(tài)，測(cè)點(diǎn)1—3可以獲得良好的3階模態(tài)，測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2可以獲得良好的4階模態(tài)。因此，測(cè)試中應(yīng)根據(jù)所要獲得的模態(tài)信息選擇合適的響應(yīng)傳感器安裝位置。

表3 激勵(lì)器安裝位置2、3、4時(shí)2階模態(tài)測(cè)試結(jié)果

測(cè)點(diǎn)1—5得到的復(fù)合試樣2階模態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4中測(cè)點(diǎn)1—5得到的材料的彈性剪切模量和剪切損耗因子的變異系數(shù)分別為0.051 4和0.051 6，這表明，當(dāng)可以獲得良好的傳遞函數(shù)曲線時(shí)，響應(yīng)傳感器的安裝位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響滿足ASTME 756-05(2010)對(duì)測(cè)試精度的規(guī)定。

3 結(jié)語(yǔ)

本文按照標(biāo)準(zhǔn)ASTME 756-05(2010)的測(cè)試方法，測(cè)試并分析了接觸式響應(yīng)傳感器引入的附加質(zhì)量、非接觸式激勵(lì)傳感器和接觸式響應(yīng)傳感器的安裝位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，得到了如下結(jié)論：

（1）質(zhì)量為0.6 g的接觸式加速度傳感器引入的附加質(zhì)量對(duì)材料的彈性剪切模量和剪切損耗因子的影響較小，測(cè)試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM E756-05(2010)對(duì)測(cè)試精度的規(guī)定；

表4 測(cè)點(diǎn)1—5得到的2階模態(tài)試樣結(jié)果

（2）選擇合適的激勵(lì)器安裝位置有利于提高傳遞函數(shù)曲線幅值；當(dāng)可以獲得良好的傳遞函數(shù)曲線時(shí)，激勵(lì)器的安裝位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較小；

（3）響應(yīng)傳感器的安裝位置對(duì)傳遞函數(shù)曲線影響較大，測(cè)試時(shí)應(yīng)根據(jù)所要獲得的模態(tài)信息選擇合適的測(cè)點(diǎn)；當(dāng)可以獲得良好的傳遞函數(shù)曲線時(shí)，響應(yīng)傳感器的安裝位置對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較小。

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[4]馬少璞，王敏慶，胡衛(wèi)強(qiáng)，等.對(duì)稱夾層結(jié)構(gòu)的共振梁法理論誤差研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2008，4：38-41.

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Method for Vibration Damping Property Testing of Damping Rubber Materials Based on Cantilever Resonance

LIHui,MA Wei-dong,SUN Zhi-yong,SUN Guo-hua,LI Bin,DU Hua-tai

(CNGC Institute 53,Jinan 250031,China)

∶The vibration damping properties of damping rubber materials were tested according to ASTM E756-05 (2010)based on the cantilever resonance method.The effects of the additional weight induced by the contacting response transducer and the arrangements of the exciter transducer and response transducer were analyzed.The results show that the additional weight of the contacting response transducer with 0.6 g mass has little contribution to the shear loss factor and the shear modulus.The suitable arrangement of the exciter transducer can cause the increase of the FRF amplitude,and the arrangement of the response transducer has a large effect on transmission function curve.So,locations of the response transducers should be chosen reasonably according to the required modal signals.

∶vibration and wave;self-adhered;damping rubber;resonant frequency;shear modulus;shear lose facture

O422.6< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.047

1006-1355(2014)06-0210-05

2014-02-20

李輝（1988-），女，山東莒縣人，碩士，目前從事阻尼減振橡膠材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

E-mail∶1212lihui@163.com