第七章 阻尼減振

第七章阻尼減振12阻尼減振用金屬薄板制成的機罩、管道、車船體及飛機外殼等，常會因振動的傳導發(fā)生劇烈振動，從而產(chǎn)生較強的噪聲。降低這種振動噪聲普遍采用的方法是在振動構(gòu)件上緊貼或噴涂一層高阻尼的材料，或者把板件設(shè)計成夾層結(jié)構(gòu)。這種降噪措施習慣上稱作阻尼減振，簡稱阻振。多用于大面積薄板類的減振3實例在鉚接飛機、輪船這種大的結(jié)構(gòu)時，或在生產(chǎn)零部件的過程中，會產(chǎn)生高聲級的噪聲。這是因為引起的碰撞及大尺寸零部件能有效地將振動能轉(zhuǎn)變?yōu)樵肼?。解決辦法在鉚接時對結(jié)構(gòu)件臨時使用阻尼襯墊，以降低共振強度，并可減弱振動從鉚接點向壁板其它地方的傳播。4實例在砂輪機上磨圓鋸刀刃時，由于共振的存在，且內(nèi)阻尼很低，故產(chǎn)生很大噪聲。解決辦法用硬盤將橡膠減振材料制成的圓片固定在鋸片上，對刀鋸既增加了質(zhì)量又增加了阻尼能力，這就降低了共振放大。5大的宇航器、發(fā)射器在發(fā)射階段往往受到激烈的發(fā)動機噪聲干擾。某大型發(fā)射器發(fā)射時在殼體外部測得的聲壓級67.1阻尼的定義與作用7.2阻尼減振的原理7.3阻尼材料

7.4阻尼基本結(jié)構(gòu)及其應用77.1.1阻尼的定義

7.1阻尼的定義與作用

阻尼是指系統(tǒng)損耗能量的能力。從減振的角度看，就是將機械振動的能量轉(zhuǎn)變成熱能或其它可以損耗的能量，從而達到減振的目的。

阻尼材料在振動物體產(chǎn)生高的共振振幅前,先將一部分振動能在自身中消耗,以達到減小振幅、降低振動能之目的,這就是阻尼材料。是具有較大內(nèi)損耗、內(nèi)摩擦的材料，如瀝青、軟橡膠以及其他一些高分子涂料。視頻8

阻尼技術(shù)

就是充分運用阻尼耗能的一般規(guī)律，從材料、工藝、設(shè)計等各項技術(shù)問題上發(fā)揮阻尼在減振方面的潛力，以提高機械結(jié)構(gòu)的抗振性、降低機械產(chǎn)品的振動、增強機械與機械系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。

阻尼器：一種抑制結(jié)構(gòu)振動的有效裝置。91)阻尼有助于降低機械結(jié)構(gòu)的共振振幅，從而避免結(jié)構(gòu)因動應力達到極限所造成的破壞。

7.1.2阻尼的作用2)阻尼有助于機械系統(tǒng)受到瞬態(tài)沖擊后，很快恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。3)阻尼有助于減少因機械振動所產(chǎn)生的聲輻射，降低機械噪聲。4)可以提高各類機床、儀器等的加工精度、測量精度和工作精度。5)阻尼有助于降低結(jié)構(gòu)傳遞振動或聲能的能力，用于隔振、隔聲及阻斷能量的傳遞。10高層建筑中使用的兩種阻尼器1.墻面2.桁架3.阻尼器4.阻尼材料11阻尼對于系統(tǒng)的振動響應有重要影響，適當增加系統(tǒng)的阻尼，是振動控制的一種重要手段。121）消振器2）鋼索3）鋼套4）阻尼橡膠5）螺釘電視鐵塔的阻尼動力消振器13機關(guān)炮的后坐力141)鈦合金管2）石墨纖維3）塑料球拍的阻尼處理151）大阻尼涂層2）鋁片約束層3）鋸片4）大阻尼粘彈材料16

對加工有色金屬的鏡面車床（用于加工計算機磁盤），加工軸和軸承的鏡面磨床，整臺機床應有良好的抗振性。環(huán)氧混凝土床身有些機床改用阻尼值比較大的環(huán)氧混凝土來代替鑄鐵做機床的床身或者構(gòu)件，它用環(huán)氧樹脂作粘結(jié)劑，以石子為基體，經(jīng)攪拌后注入模子以制成床身、立柱或其他大型構(gòu)件。這種材料的損耗因子比鑄鐵高6-10倍，比花崗石高3倍。17◆增大工藝系統(tǒng)阻尼改善工藝系統(tǒng)動態(tài)特性阻尼材料鑄鐵環(huán)鑄鐵套筒零件上加阻尼材料【例】187.2阻尼減振的原理

阻尼可使沿結(jié)構(gòu)傳遞的振動能量衰減，還可減弱共振頻率附近的振動，因而能減弱金屬板彎曲振動的強度。即當機器或薄板發(fā)生彎曲振動時，其能量迅速傳遞給緊密貼涂在薄板上的阻尼材料，于是引起薄板和阻尼材料之間的相互摩擦和錯動，阻尼材料時而被拉伸，時而被壓縮，由于阻尼材料的內(nèi)損耗、內(nèi)摩擦大，使金屬板振動能量有相當一部分轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉，從而減弱薄板的彎曲振動。同時，阻尼可縮短薄板被激振的振動時間。19當金屬板殼被涂上高阻尼材料后，受激產(chǎn)生振動時，阻尼層也隨之振動，一彎一折使阻尼層時而被壓縮，時而被拉伸，從而使金屬板和阻尼層之間、阻尼層內(nèi)部分子之間不斷發(fā)生相對位移，由于其摩擦阻力很大，便使振動能量不斷轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗。

同時阻尼層的剛度總是力圖阻止板面的彎曲振動，從而降低了金屬板的噪聲輻射，這就是阻尼減振的原理。7.2阻尼減振的原理20損耗因子表征阻尼性能最常用的量。薄板振動時每周期時間內(nèi)損耗的能量系統(tǒng)最大彈性勢能21板受迫振動的位移為：板受迫振動的振速為：阻尼力在位移上所消耗的能量為：阻尼力在一個周期內(nèi)損耗的能量為：系統(tǒng)的最大勢能為：22損耗因子：23大多數(shù)金屬材料的損耗因子為；木材為；軟橡膠為；

一般認為，損耗因子至少在0.01數(shù)量級，并可與金屬緊密粘附的材料，方可作為減振阻尼材料使用。損耗因子：表征阻尼性能最常用的量。24常用材料的損耗因子材料損耗因子鋼、鐵1×10-4

~6×10-4

有色金屬1×10-4

~2×10-3

玻璃0.6×10-3

~2×10-3

塑料5×10-3

~1×10-2

有機玻璃2×10-2

~4×10-2

木纖維板1×10-2

~3×10-2

混凝土1.5×10-2

~5×10-2

砂（干砂）1.2×10-1

~6×10-1

粘彈性材料2×10-1~525從物理現(xiàn)象上區(qū)分，阻尼可以分為以下五類：（1）工程材料內(nèi)阻尼

工程材料種類繁多，盡管其耗能的微觀機制有差異，宏觀效應卻基本相同，都表現(xiàn)為對振動系統(tǒng)具有阻尼作用，因這種阻尼起源于介質(zhì)內(nèi)部，故稱為工程材料內(nèi)阻尼。26材料阻尼的機理：宏觀上連續(xù)的金屬材料會在微觀上因應力或交變應力的作用產(chǎn)生分子或晶界之間的位錯運動、塑性滑移等，產(chǎn)生阻尼。在低應力狀況下由金屬的微觀運動產(chǎn)生的阻尼耗能，稱為金屬滯彈性，當金屬材料在周期性的應力和應變作用下，加載線OPA因上述原因形成略有上凸的曲線而不再是直線，而卸載線AB將低于加載線OPA。于是在一次周期的應力循環(huán)中，構(gòu)成了應力-應變的封閉回線ABCDA，阻尼耗能的值正比于封閉回線的面積。27在實際工程中，各種結(jié)構(gòu)往往與流體相接觸，而大部分流體都具有一定黏滯性，當這些結(jié)構(gòu)相對其周圍流體介質(zhì)運動時，后者給前者以運動阻力，對振動物體做負功，使其損失一部分機械能，這些機械能最終轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?）流體的粘滯阻尼

流體在管道中流動如果流體具有粘滯性，流體各部分流動速度是不等的，多數(shù)情況下，呈拋物面形。這樣，流體內(nèi)部的速度梯度、流體和管壁的相對速度，均會因流體具有粘滯性而產(chǎn)生能耗及阻尼作用，稱為粘性阻尼。粘性阻尼的阻力一般和速度成正比。28接合面阻尼是由微觀的變形所產(chǎn)生的，而庫侖摩擦阻尼則由接合面之間相對宏觀運動的干摩擦耗能所產(chǎn)生。（3）接合面阻尼與庫侖摩擦阻尼

相對位移和外力之間關(guān)系曲線291）大阻尼材料2）鉚釘3）約束層4）彈簧環(huán)5）環(huán)形槽大型齒輪的兩種消振、消聲結(jié)構(gòu)設(shè)計30（4）沖擊阻尼

沖擊阻尼是另一種結(jié)構(gòu)耗能方式。工程中可以通過設(shè)置沖擊阻尼器來獲得沖擊阻尼，例如砂、細石、鉛丸或其他金屬塊、以至于硬質(zhì)合金等，均可用作沖擊塊，以獲得沖擊阻尼。工程上已經(jīng)將這種阻尼機理成功地應用于雷達天線、渦輪機葉片、繼電器、機床刀桿及主軸等。沖擊阻尼的機理是通過附加沖擊塊，將主系統(tǒng)的振動能量轉(zhuǎn)換為沖擊塊的振動能量，從而達到減小主系統(tǒng)的振動的目的。3132

DEN480L型數(shù)控車床底座和床身示意圖

其底座內(nèi)所填充的混凝土的內(nèi)摩擦阻力較高，再配上封泥芯的床身，使機床有較高的抗振性?！纠?3（5）磁電效應阻尼

機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程中，由磁電效應產(chǎn)生阻尼。在磁極中間設(shè)置金屬導磁片，磁片旋轉(zhuǎn)時切割磁力線而形成渦流，渦流在磁場作用下又產(chǎn)生與運動相反的作用力以阻止運動，由此而產(chǎn)生的阻尼稱為渦流阻尼。渦流阻尼的能量損耗由電磁的磁滯損失和渦流通過電阻的能量損失組成。渦流阻尼示意圖347.3阻尼材料阻尼材料也稱為粘彈阻尼材料，或粘彈性高阻尼材料。要求：有較高的損耗因子；有較好的粘結(jié)性能；在強力的振動下不脫落不老化；在一些特殊的環(huán)境使用下還要求耐高溫、高濕和油污。357.3阻尼材料阻尼材料阻尼涂料阻尼板材36（一）阻尼涂料常用的阻尼材料有瀝青、軟橡膠和阻尼漿。阻尼涂料1.基料2.填料3.溶劑阻尼材料的主要成分，其作用使構(gòu)成阻尼材料的各種成分進行粘合，并粘接于金屬板上。常用的基料有瀝青、橡膠、樹脂等。填料的作用是增加阻尼材料的內(nèi)損耗能力和減少基料的用量以降低成本，常用的有膨脹珍珠巖粉、石棉絨、石墨、碳酸鈣、硅石等。一般情況下，填料占阻尼材料的30%~60%.溶劑的作用是溶解基料并防止涂料干裂，常用的溶劑有汽油、乙酸乙酯、乙酸丁酯等。37常用的阻尼材料有瀝青、軟橡膠和阻尼漿。阻尼漿是用多種高分子材料配制而成的，可根據(jù)配方自己配制。它主要由基料、填料和溶劑三部分組成?；匣鲜亲枘岵牧系闹饕煞郑渥饔檬鞘箻?gòu)成阻尼材料的各種成分進行粘合并粘接金屬板?；闲阅艿暮脡膶ψ枘嵝Ч饹Q定性作用。常用的基料有瀝青、橡膠、樹脂等。填料

填料的作用是增加阻尼材料的內(nèi)損耗能力、減少基料的用量以降低成本。常用的填料有膨脹珍珠巖粉、石棉絨、碳酸鈣、軟木粉等。溶劑

溶劑的作用是溶解基料，常用的溶劑有汽油、醋酸乙酯、植物油等。（一）阻尼涂料38１．粘彈性阻尼材料粘彈性阻尼材料主要分橡膠類和塑料類，一般以膠片形式生產(chǎn)，使用時可用專用的粘結(jié)劑將它貼在需要減振的結(jié)構(gòu)上。39聚四氟乙烯導軌軟帶

以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)，并做成軟帶狀。軟帶導軌⑴耐磨性好⑵減振性能好⑶工藝性能好【例】40在純剪切振動一周中單位體積內(nèi)所損耗的能量為：為剪切模量實部，為最大減切應變幅值。由此可知：要使振動能量耗散達到最大值，則必須使為最大。41阻尼材料性能隨溫度及頻率的變化曲線42圖中明顯有三個不同的區(qū)域：1區(qū)：玻璃態(tài)區(qū)，這時阻尼材料的有最大值，隨著的變化，其值變化很慢，而值最小，但隨的上升其值增加很快。2區(qū)：玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)（過渡區(qū)），隨著溫度的增加，值很快下降，當時，有最大值。3區(qū)：高彈區(qū)（橡膠態(tài)區(qū)）,和都很小，且隨溫度的變化很小。43由高分子加入適量的填料以及輔助材料配制而成，是一種可涂覆在各種金屬板狀結(jié)構(gòu)表面上，具有減振、絕熱和一定密封性能的特種涂料，可廣泛地用于飛機、船舶、車輛和各種機械的減振。由于涂料可直接噴涂在結(jié)構(gòu)表面上，故施工方便，尤其對結(jié)構(gòu)復雜的表面如艦艇、飛機等，更體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。２．樹脂型44環(huán)氧型耐磨導軌涂層

以環(huán)氧樹脂和二硫化鉬為基體，加入增塑劑，混合成液狀或膏狀為一組份，以固化劑為另一組份的雙組份塑料涂層。注塑導軌

1—滑座；2—膠條；3—注塑層

【例】45３．瀝青型瀝青型阻尼材料比橡膠型阻尼材料價格便宜，它的結(jié)構(gòu)損耗因子隨厚度的增加而增加。瀝青阻尼材料厚度與結(jié)構(gòu)損耗因子關(guān)系阻尼層厚度

1.522.434損耗因子

0.050.080.110.160.2546瀝青阻尼材料大致可分以下四種類型：

(1)熔融型。此種板材熔點低，加熱后流動性好，能流遍整個汽車底部等構(gòu)件，在汽車烘漆加熱時一并進行加熱；(2)熱熔型。在板材的表面涂有一層熱熔膠，以便在汽車烘漆加熱時熱熔膠融化粘合，它一般用作汽車底部內(nèi)襯；(3)自粘型。在板材的表面涂上一層自粘性壓敏膠，并覆蓋隔離紙，一般用在汽車頂部和側(cè)蓋板部分；(4)磁性型。在板材的配方中填充大量的磁粉，經(jīng)充磁機充磁后具有磁性，可與金屬殼體貼合，一般用在車門部位。471．復合型阻尼金屬板材

在兩塊鋼板或鋁板之間夾有非常薄的粘彈性高分子材料，就構(gòu)成復合阻尼金屬板材。這種結(jié)構(gòu)的強度由各基體金屬材料保證，阻尼性能由粘彈性材料和約束層結(jié)構(gòu)加以保證。（二）阻尼板材48復合型阻尼金屬板材的主要優(yōu)點是：(1)振動衰減特性好，復合型阻尼鋼板損耗因子一般在0.3以上。(2)耐熱耐久性能好，阻尼鋼板采用特殊的樹脂，即便在140℃空氣中連續(xù)加熱1000小時，各種性能也不劣化。(3)機械性能好，復合阻尼鋼板的屈服點、抗拉強度等機械品質(zhì)與同厚度普通鋼板大致相同。(4)焊接性能好，焊縫性能與普通鋼相同。(5)復合阻尼鋼板還具有阻燃性、耐大氣腐蝕性、耐水性、耐油性、耐臭氧性、耐寒性、耐沖擊性及烤漆時的高溫耐久性等優(yōu)點。49復合阻尼鋼板的應用實例類別應用實例大型結(jié)構(gòu)鐵路橋梁下部隔聲板；鋼鐵廠裝、卸料機內(nèi)襯、漏斗、溜槽內(nèi)襯建筑部門高層建筑鋼制樓梯、垃圾井筒、鋼門、銅制家俱、空調(diào)用鋼制品交通部門汽車發(fā)動機、發(fā)動機旋轉(zhuǎn)部件、翻斗車料槽、船舶、飛機等構(gòu)件—般工廠傳遞、運輸機械構(gòu)件、鏟車料槽、鑿巖機內(nèi)襯、電動機機殼、空氣機機殼音響設(shè)備音響設(shè)備底盤、框架、辦公用機械噪聲控制設(shè)備各種機器隔聲罩、大型消聲器鋼板結(jié)構(gòu)其它記錄機機身、激光裝置防振臺502．阻尼合金和其它阻尼材料

阻尼合金具有良好的減振性能，既是結(jié)構(gòu)材料又有高阻尼性能，例如雙晶型Mn-Cu系合金，具有振動衰減特性好、機械強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，被用于艦艇、魚雷等水下設(shè)施的構(gòu)件上。517.4阻尼基本結(jié)構(gòu)及其應用

阻尼基本結(jié)構(gòu)1.離散型的阻尼器件2.附加型的阻尼結(jié)構(gòu)吸振隔振52附加型的阻尼結(jié)構(gòu)531）

自由阻尼結(jié)構(gòu)

將粘彈阻尼材料粘貼或噴涂在需要減振的結(jié)構(gòu)物上（可以是單面的，也可以是雙面的）。當基板產(chǎn)生彎曲振動時，阻尼層隨基本層一起振動，在阻尼層內(nèi)部產(chǎn)生拉-壓變形。根據(jù)阻尼材料的耗能機理，當阻尼材料內(nèi)部產(chǎn)生交變應力時，阻尼材料就會將有序的機械能轉(zhuǎn)化為無序的熱能，從而起到耗能的作用。阻尼層越厚，阻尼損耗因子越大，制振效能就越好。54損耗因子：其中；。55

2）

約束阻尼結(jié)構(gòu)在自由阻尼處理的阻尼層外側(cè)表面再粘貼一彈性層，這一彈性層應具有遠大于阻尼層的彈性模量。當阻尼層隨基本結(jié)構(gòu)層一起產(chǎn)生彎曲振動而使阻尼層產(chǎn)生拉-壓變形時，由于粘貼在外側(cè)彈性層的彈性模量遠大于阻尼層的彈性模量，因此這一彈性層將起到約束阻尼層的拉-壓變形的作用。由于阻尼層與基本層接觸的表面所產(chǎn)生的拉-壓變形不同于與約束層接觸的表面所產(chǎn)生的拉-壓變形，從而在阻尼材料內(nèi)部產(chǎn)生剪切變形。因此約束阻尼處理結(jié)構(gòu)中，阻尼層不僅承受拉-壓變形，還同時承受剪切變形，它們都能起到耗能作用。約束阻尼結(jié)構(gòu)比自由阻尼結(jié)構(gòu)耗散更多的能量，因此具有更好的減振降噪效果。

a)自由狀態(tài)

b)振動拉-壓及剪切變形狀態(tài)

1—基本層

2—阻尼層

3—約束層56復合阻尼板鋼軌構(gòu)造57典型的約束阻尼處理結(jié)構(gòu)58增加切削阻尼車刀消振棱0.1～0.3-5°～-20°2°～3°◆（例采用倒棱車刀）【例】5960Thankyouforyourlistening!本章結(jié)束61【作業(yè)】用自己的語言描述什么是阻尼減振?【作業(yè)】配制阻尼涂料由哪幾部分組成，各組成部分有何作用？62【作業(yè)】用自己的語言描述什么是阻尼減振?637.3阻尼材料

阻尼材料

按用途分類用于減振的平板型及壓敏型材料用于噪聲控制的泡沫多孔材料用于減振降噪的復合型材料用于特殊工作環(huán)境的特種材料按材料性質(zhì)分類粘彈類阻尼材料阻尼橡膠阻尼塑料金屬類阻尼材料阻尼合金復合阻尼鋼板液體阻尼涂料阻尼油料阻尼涂料瀝青型阻尼材料6411.4.3

阻尼減振技術(shù)（1）粘彈阻尼材料（2）阻尼減振的基本原理（3）結(jié)構(gòu)阻尼與復合阻尼結(jié)構(gòu)

◆兩種結(jié)構(gòu)阻尼：系統(tǒng)阻尼和材料的內(nèi)摩擦阻尼；

◆兩種復合結(jié)構(gòu)：自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)。6511.4.3

阻尼減振技術(shù)（4）約束阻尼板結(jié)構(gòu)設(shè)計要點◆根據(jù)結(jié)構(gòu)使用溫度、激振頻率范圍和預期達到的減振效果；

◆確定結(jié)構(gòu)的振型，找出應變較大的各個部位，貼上約束阻尼材料；◆在結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度許可的條件下，應盡量采用對稱夾心結(jié)構(gòu)，通過設(shè)計，選定所用的阻尼材料，確定阻尼層厚度、約束層厚度和結(jié)構(gòu)的損耗因子。6611.4.3

阻尼減振技術(shù)（5）阻尼板的設(shè)計計算步驟◆約束層厚度的確定

◆阻尼層厚度的確定

◆結(jié)構(gòu)損耗因子的確定67它利用固體和液體的摩擦阻尼來消耗振動的能量。如在機床主軸系統(tǒng)中附加阻尼減振器，它相當于間隙很大的滑動軸承，通過阻尼套和阻尼間隙中的粘性油的阻尼作用來減振。

1)阻尼減振器：682．表面采用阻尼涂層

對于彎曲振動結(jié)構(gòu)件，在其表面噴涂一層具有較高內(nèi)阻尼和較高彈性的粘滯材料(如瀝青基制成的膠泥減振劑、高分子聚合物和油漆膩子等)，涂層厚度愈大，阻尼愈大。采用阻尼涂層，既可不改變原設(shè)計的結(jié)構(gòu)和剛度，又能獲得較高的阻尼比，其阻尼比ξ值可達0.05~0.1。這種措施常用于鋼板焊接的結(jié)構(gòu)。

3．采用新材料制造基礎(chǔ)件

最近10年來，德國和瑞士在應用聚合物混凝土制造基礎(chǔ)件的研究中取得了進展。德國布格哈特—韋貝爾(BURKHARUT&WEBER)公司為HYOP80NCW型加工中心制成了