噪声和振动控制中阻尼技术的理解

２００６．ＮＯ．２

侯永振．噪声和振动控制中阻尼技术的理解３

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、

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

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（１９５７一）．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。

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

万方数据　

４

《橡塑资源利用》

２００６．Ｎ０２

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

万　

方数据低——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

阻尼丰于料

ｆＩＩｌｌ

莎嘉惑

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

２００６．ＮＯ．２侯永振．噪声和振动控制中阻尼技术的理解

５

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。

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３约束层阻尼结构系统图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，

图４约束层阻尼结构系统的损耗因子及估算

的噪声降低

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。

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

万方数据　

６

《橡塑资源利用》

２００６．Ｎ０２

一般来说，材料或复合阻尼结构的阻尼性能是温度和频率的函数。选择阻尼材料和复合阻尼结构时，除考虑具体的阻尼处理结构外，要同时考虑材料的阻尼性能，即：材料的弹性模量和损耗因子，以及材料的阻尼性能随温度和频率的变化情况，以便和使用的温度和需要减振的频率条件相适应。

动可以导致从可接受的结果直到灾难性的结果，这取决于所用隔离元件的工作性能。具有内部共振的无阻尼安装，可以将可观的高频振动能量从设备传递到它的支撑结构，在共振和接近共振时所产生的巨大的力，很容易损坏内部元件，甚至将设备从其安装的基础上振裂。

３振动隔离

这种方法降低振动能从一个系统向另外一个系统的传递。常见的隔振器有钢弹簧、橡胶垫或波纹管。这些装置可以采用很多样式进行使用，并且可以隔离重几磅到数千磅的总重量。

汽车悬挂是阻尼隔振的一个很好例子。冲击吸收器通过泵一种流体穿过具有预先确定的高速流动阻力的孔板而耗散能量。很多隔振系统采用弹性体材料来提供弹力和阻尼。虽然大多数橡胶在低频率下呈现的损耗因子小于０．２，或者大致为临界阻尼的１０％。但在一定频段，有些橡胶能够获得有用的阻尼。共振时，当一个系统每弧度角耗散的能量与它所储存的能量同样多时，就认为它达到了临界阻尼。损耗因子等于临界阻尼除以５０的比率。

比较各种隔振器的隔振性能的一种方法是测定它们的传递性。典型的可传递性曲线如图６所示。比较隔振装置所用材料的振动加速度响应，当材料的阻尼增加时，在固有频率或接近固有频率时系统的放大响应会最小。

尤其在实际应用中这是非常有益的，比如步进电机，它要在不同频率下工作；或者这些装置在工作循环中经常经历启动或减速过程。如果装置中只有很小阻尼或没有阻尼作用，共振放大响应可以高达２３分贝，即放大系数为１４．２。

在一个设备的隔离安装中，发生自由共振运

４结论

实际上象其它所有工程成就一样，噪声和振动控制的根本也是花费与效益。转化为复杂问题的可行的、便宜的解决途径，针对任务，通过精密的计划、精心的设计、和专业化设计的阻尼材料与阻尼结构的合理选择，可以实现在根源上降低噪声和振动的最大利益。

基于对阻尼材料和阻尼减振降噪技术原理的理解，使得相关技术人员能够据此设计出不但工作起来更加安静、振动更小、更加精确，而且制做起来不必花费太多，没有多大困难的产品。

图６典型的可传递性曲线

～～～欢～

万方数据　

｜｛；｜亘

～阅～～《～

～

一资～～源～

ｉ～用～一》～

噪声和振动控制中阻尼技术的理解

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

侯永振

天津市橡胶工业研究所,天津,300384橡塑资源利用

RUBBER & PLASTICS RESOURCES UTILIZATION2006(2)1次

本文读者也读过(10条)

1. 行晓亮. 王敏庆. 宋代科. XING Xiao-liang. WANG Min-Qing. SONG Dai-ke 弹性基础浮筏的导纳功率流研究[期刊论文]-机械科学与技术2005,24(7)

2. 梁向东 浅析非支撑结构对浮筏隔振性能的影响[期刊论文]-噪声与振动控制2003,23(1)

3. 郑学贵. 王国治. ZHENG Xue-gui. WANG Guo-zhi 浮筏结构动态特性灵敏度分析及动力学修改[期刊论文]-东华船舶工业学院学报（自然科学版）2005,19(3)

4. 霍睿. 施引 船舶动力机械隔振设计中的功率流方法与效果评估[期刊论文]-中国造船2000,41(4)5. 杜冬菊. 黄佳典 阻尼减振在潜艇管路上的应用研究[会议论文]-2003

6. 朱石坚. 姜荣俊. 何琳 线谱激励的混沌隔振研究[期刊论文]-海军工程大学学报2003,15(1)7. 万立 振动控制的半主被动混合阻尼结构的研究[学位论文]2005

8. 姜荣俊. 朱石坚. 何琳 混沌隔振装置的设计[期刊论文]-海军工程大学学报2003,15(1)9. 王志刚. 冯奇. 汪玉 弹性浮筏隔振系统动力学特性及冲击响应分析[会议论文]-2004

10. 杨少红. 王安稳. 章向明. YANG Shao-hong. WANG An-wen. ZHANG Xiang-ming 带有消声瓦的潜艇耐压壳的稳态振动和横向应力[期刊论文]-海军工程大学学报2006,18(6)

引证文献(1条)

1. 马永涛. 周炎 舰船浮筏隔振技术综述[期刊论文]-舰船科学技术 2008(4)

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xszyly200602001.aspx