2007年第26卷11月第11期机械科学与技术M echanical Science and Technol ogy f or Aer os paceEngineeringNove mberVol.262007No.11收稿日期:20060628基金项目:教育部新世纪人才计划项目(NCET20420959)和全国优秀博士学位论文基金项目(200451)资助作者简介:胡卫强(1982-),男(汉),湖北,博士研究生,huweiqiang@胡卫强阻尼材料动态性能参数的宽频带测试研究胡卫强,王敏庆,盛美萍,刘志宏(西北工业大学航海学院,西安 710072)摘 要:针对阻尼材料动态性能参数测试难题,本文在深入分析材料测试理论的基础上,结合小试件阻尼测试研究成果,设计了一套高性价比材料参数测试系统。
实验结果表明该系统测量频带宽、精度高且具有良好的可重复性。
关 键 词:阻尼材料;动态性能参数;宽频带测量中图分类号:T B535.1 文献标识码:A 文章编号:100328728(2007)1121425204Broadband M easurement of Dynam i c PerformanceParameters of Dampi n g Materi a lsHu W eiqiang,W ang M inqing,Sheng Mei p ing,L iu Zhihong(College of M arine Engineering,North western Polytechnical University,Xi′an710072)Abstract:A s is well2known,it is difficult t o measure the dyna m ic perfor mance para meters of da mp ing materials. Theref ore we design a highly cost2effective materials para meter measure ment syste m.Experi m ental results show that the measure ment results fr om the measure ment syste m for vibrati on bea m s,which was designed by us using materi2 als measure ment theory and s mall sa mp les da mp ing measure ment research results,are quite consistent with those fr om a vibrati on bea m manufacturer,while the syste m costs only one tenth of the measure ment equi pment purchased by the manufacturer.The phase measure ment syste m designed by us gurantees measure ment accuracy,and meas2 ures directly the high2frequency dyna m ic perfor mance para meters of materials,with the measure ment bandwidth ex2 panded t o over6kHz.Several experi m ents indicate that the measure ment results fr om the above syste m can be used repeatitively.Key words:da mp ing material;dyna m ic perf or mance para meter;br oadband measure ment 参考相关的国家标准和文献可知[1,2],目前仅能在10Hz～1kHz频率范围内保证粘弹性材料动态性能参数测量结果的准确性和精度,而对于其中高频动态性能,目前尚无简单可行的方法进行直接测量。
阻尼减振降噪技术已经在工程中得到广泛应用,如何运用简单可行的方法实现阻尼材料动态性能参数的宽频带精确测量是一个颇具实际意义的问题。
针对该问题,在以前研究工作的基础上[3],本论文提出了一套阻尼材料动态性能参数测试系统,运用该系统能够实现阻尼材料动态性能参数的宽频带精确测量。
1 理论基础1.1 振动梁法振动梁法[4]是目前使用得比较广泛的一种测量阻尼材料性能参数的方法,这种方法的特点是实验设备相对而言比较简单,且测试精度较其它常规方法要高。
由理论分析可知,对于自由阻尼结构梁,有下述两式成立ηβ=eh1+eh・3+6h+4h2+2eh3+e2h41+2e(2h+3h2+2h3)+e2h4(1)机械科学与技术第26卷1+ρ2ρ1hf 2n f 1n2=1+2e (2h +3h 2+2h 3)+e 2h 41+eh(2)式中:h =H 2/H 1为阻尼层厚度与基底层厚度之比;e =E 2/E 1为阻尼材料模量与钢梁的模量比;ρ1、ρ2分别为钢和阻尼材料的密度;f 1n 、f 2n 分别为纯钢梁和复合梁的第n 阶共振频率;η为复合梁的损耗因子;β为阻尼材料的损耗因子。
首先分别测量纯钢梁和复合试件的第n 阶共振频率,利用公式(2),可以计算模量比e =E 2/E 1,然后通过基底材料(钢)的杨氏模量E 1求出阻尼材料的杨氏模量E 2;用衰减法测得复合梁的损耗因子η[4],将e 及测得的η值代入公式(1),就可以得到阻尼材料的损耗因子值β。
图1 相位法测量方法1.2 相位法相位法和其它方法的根本区别是材料阻尼损耗因子β值的测量仅仅依靠测量系统的相位信号,通过随频率变化的相位值得到材料损耗因子的连续频谱,由于是直接测量,因此具有较高的精度。
相位法测量方法如图1所示。
P 为外界激励,在本系统中为了得到较高的信噪比我们选用单频正弦信号激励;T 为力传感器,置于试件下方;x 是振动系统的动位移。
如忽略试件的分布质量,仅仅将其看作是具有复刚度K ′(1+j β)的弹簧,则由虎克定理可知K ′(1+j β)x =F(3) 设K ′β=K ″则有K ′x +j K ″x =F cos α+j F sin α=F ′+j F ″(4)式中:K ′,K ″分别代表试件动刚度的实部及虚部;F ′,F ″分别代表传递力F 的实部和虚部,即和位移x同相及异相成分。
K ′=F co sαx K ″=F sin αx(5) α是F 与x 的相位角。
则β=K ″K ′=tan α(6)而E =q 2K ′(7)式中:q 2=h /A 为试件的形状因子,h 为试件的高度,A 为试件的横截面积。
运用这一测量原理,材料损耗因子β的测量十分简单,只要准确测量传递力F 和振动位移x 之间的相位角α,就可以求得β值。
同样求得K ′以后,由形状因子可得到阻尼材料的杨氏模量E 。
2 实验系统2.1 振动梁法测量系统基于以上理论,在小试件阻尼测试系统的基础上,本文利用通用仪器及专用传感器系统设计了如图2所示的粘弹性阻尼材料动态性能参数测试系统,该实验系统的试件结构如图3所示。
用激励锤对悬臂梁试件施加脉冲激励,其时域、频域响应分别如图4和图5所示。
对时域响应信号作希尔伯特变换,得到如图6所示的包络线。
用衰减法理论对该包络线进行处理就能得到复合梁的损耗因子η,再由上面阐述过的振动梁法的理论基础就能得到阻尼材料的相关参数[5]。
6241第11期胡卫强等:阻尼材料动态性能参数的宽频带测试研究2.2 相位法测量系统基于阻尼材料性能参数的相位法测量理论,本文设计了如图8所示的测量系统。
信号源发出白噪声或单频信号,经功放由自动激励系统对试件施加激励,然后由专用的传感系统测量得到动位移x 、力F 及两者之间的相位α,最后根据上面提到的相位法理论就可以得到阻尼材料的相关参数。
限于篇幅,上述测试系统设计过程中若干关键技术的分析与解决另文阐述。
3 实验结果及分析3.1 振动梁法实验结果分析测量中使用的试件种类和规格如表1所示。
表2给出了不同规格基底梁的固有频率,可以作为测量的参考。
表1 振动梁法试件规格编号基底层基底层厚度(mm )阻尼层厚度(mm )自由端长度(mm )1钢122202钢121403钢12120表2 不同规格基底梁的固有频率规格装夹方式1阶(Hz )2阶(Hz )3阶(Hz )4阶(Hz )220mm ×10mm ×1mm 悬臂梁1713108153031859515140mm ×10mm ×1mm 悬臂梁421826875013147015120mm ×10mm ×1mm悬臂梁581236418102112200115 本系统测量结果如图9所示(图中厂家数据由中船重工725所提供,其它图中厂家数据亦同)。
由于参考文献提供数据的测量温度与本文有一定差异,而阻尼材料性能与温度条件有关[4],因此测量结果难以完全吻合。
就测量值的分布及趋势来说,本文用振动梁法得到的结果与厂家的测量值有相当的一致性。
值得注意的是,本文使用的大部分是通用设备,专门研制的高精度电涡流振幅测量仪成本也不高,系统总成本不到厂家购置设备的十分之一,体现出较高的性价比。
3.2 相位法实验结果分析相位法测量结果如图10～图12所示。
图10和图11给出的是相位法测量系统的测量值与厂家提供数据的对比曲线,从图可以看出本文设计的相位法系统不仅具有较高的测试精度,而且将测试带7241机械科学与技术第26卷宽拓展到6kHz 以上。
值得说明的是,本文中的高频数据都是直接测量得到的,这与现在普遍使用的基于温频等效原理测量材料较高频率性能参数的方法相比,不管是测量过程的复杂程度、系统成本还是测量结果的可靠性,都体现出明显的优越性。
图12给出的是该系统多次测量某材料杨氏模量值的对比曲线,由图可以看出本系统多次测量的结果具有良好的可重复性。
图9 振动梁法测得的某材料动态性能参数曲线厂家实测数据对比 上述结果都是在普通激振器激励且没有使用专用传感器的条件下测量得到的,这说明本系统经过硬件升级及优化设计后将具有更好的测试效果。
4 结论(1)就测量值的分布及趋势来说,本文设计的振动梁法测试系统的测量结果与厂家的测量值有相当的一致性,但系统成本仅为厂家购置设备的十分之一,体现出明显优势,并且研究发现通过试件设计及误差分析还能够进一步提高系统的测试带宽。