李 輝，馬衛(wèi)東，孫志勇，孫國華，李 斌，杜華太

(中國兵器工業(yè)集團 第五三研究所，濟南250031)

阻尼橡膠材料阻尼性能懸臂梁共振法測試方法

李 輝，馬衛(wèi)東，孫志勇，孫國華，李 斌，杜華太

(中國兵器工業(yè)集團 第五三研究所，濟南250031)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E756-05(2010)，對阻尼橡膠材料阻尼性能懸臂梁共振法的測試方法進行了研究，分析接觸式響應(yīng)傳感器引入的附加質(zhì)量及激勵傳感器和響應(yīng)傳感器的安裝位置對測試結(jié)果的影響，并得到有意義的結(jié)論。試驗結(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)量對材料的彈性剪切模量和剪切損耗因子的影響較小，測試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM E756-05(2010)對測試精度的規(guī)定；選擇合適的激勵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傳遞函數(shù)曲線影響較大，測試時應(yīng)根據(jù)所要獲得的模態(tài)信息選擇合適的測點。

振動與波；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機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從而達到減振降噪的目的，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)，這兩個參數(shù)的準(zhǔn)確測量對阻尼橡膠的研究開發(fā)和阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有重要作用。阻尼性能的測試方法通常包括強迫非共振法、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試的溫度頻率范圍較寬、可以預(yù)測材料應(yīng)用性能等優(yōu)點，因而被廣泛采用[1]。為了準(zhǔn)確獲得材料的阻尼性能，研究者們在懸臂梁共振法測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、夾芯梁損耗因子對誤差放大因子的影響，胡衛(wèi)強等[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測量結(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、共振頻率變化率對材料的彈性模量和損耗因子測試結(jié)果的影響，裴高林等[7]研究了穩(wěn)態(tài)正弦激勵、隨機噪聲激勵和瞬態(tài)激勵三種激勵方式對約束阻尼材料的剪切模量和材料損耗因子測試結(jié)果的影響。

懸臂梁共振法在測試橡膠材料的阻尼性能時，測試結(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)量對測試結(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)量對阻尼橡膠材料阻尼性能測試結(jié)果的影響；保持激勵器平面與復(fù)合試樣自由端平面間的距離不變，研究了激勵器與復(fù)合試樣之間的偏心距對測試結(jié)果的影響；避開復(fù)合試樣各階模態(tài)的共振節(jié)點[9]，設(shè)置不同的加速度傳感器粘貼位置，研究了不同測點對測試結(jié)果的影響。

1 試 驗

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 測試

測試中使用的儀器設(shè)備如表1所示，測試裝置安裝如圖2所示。

圖2 測試裝置安裝圖

測試時，使用非接觸式激勵器激勵試樣，激勵方式為猝發(fā)隨機噪聲激勵；使用位移傳感器拾取鋼板的振動信號。

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

研究激勵器與復(fù)合試樣之間的偏心距對測試結(jié)果的影響時，保持激勵器平面與復(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。

我國通過“準(zhǔn)入門檻”對進口食品實行管理。2016年，原國家質(zhì)檢總局對40個國家（地區(qū)）的27種農(nóng)產(chǎn)品與食品進行了管理體系評估，對178個國家（地區(qū)）的8大類2186種進口農(nóng)產(chǎn)品與食品準(zhǔn)入名單實現(xiàn)動態(tài)管理，已累計建成進口肉類指定口岸和查驗場56個、進口冰鮮水產(chǎn)品指定口岸62個；將出現(xiàn)不良記錄的進口農(nóng)產(chǎn)品與食品企業(yè)列入預(yù)警“黑名單”，在進入口岸時采取自動扣留的措施。

研究響應(yīng)傳感器的安裝位置對測試結(jié)果的影響時，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，各測點分別編號為測點1—測點7，如圖4所示。

圖3 激勵器安裝位置示意圖

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)傳感器分別測試了復(fù)合試樣的阻尼性能，每種傳感器各進行了三次試驗，測試結(jié)果如圖5所示。測試中，響應(yīng)傳感器安裝位置為測點3，激勵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)量對測試結(jié)果的影響在測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 激勵器不同安裝位置測試結(jié)果與分析

按圖3所示安裝激勵器，每種安裝位置分別進行了三次測試，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，安裝位置為測點2。

表2 兩種相應(yīng)傳感器獲得的2階模態(tài)試驗結(jié)果

圖6 激勵器五種安裝位置的傳遞函數(shù)曲線圖

激勵器的安裝位置為位置2、3、4時，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，激勵器的安裝位置對測試結(jié)果的影響較小。

2.3 傳感器不同安裝位置測試結(jié)果與分析

將響應(yīng)傳感器安裝在試樣不同位置并各進行了三次測試，獲得了各測點的傳遞函數(shù)曲線，測試結(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，激勵器安裝位置為位置3。

由圖7中測點1—7獲得的傳遞函數(shù)曲線可知，加速度傳感器安裝在測點1—測點7均可以獲得復(fù)合試樣的1階～4階模態(tài)，其中測點1—5可以獲得良好的2階模態(tài)，測點1—3可以獲得良好的3階模態(tài)，測點1、測點2可以獲得良好的4階模態(tài)。因此，測試中應(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 激勵器安裝位置2、3、4時2階模態(tài)測試結(jié)果

測點1—5得到的復(fù)合試樣2階模態(tài)的試驗結(jié)果如表4所示。

表4中測點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，響應(yīng)傳感器的安裝位置對測試結(jié)果的影響滿足ASTME 756-05(2010)對測試精度的規(guī)定。

3 結(jié)語

本文按照標(biāo)準(zhǔn)ASTME 756-05(2010)的測試方法，測試并分析了接觸式響應(yīng)傳感器引入的附加質(zhì)量、非接觸式激勵傳感器和接觸式響應(yīng)傳感器的安裝位置對測試結(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)量對材料的彈性剪切模量和剪切損耗因子的影響較小，測試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM E756-05(2010)對測試精度的規(guī)定；

表4 測點1—5得到的2階模態(tài)試樣結(jié)果

（2）選擇合適的激勵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，激勵器的安裝位置對測試結(jié)果的影響較?。?/p>

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

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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">文獻標(biāo)識碼：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)計研究。

E-mail∶1212lihui@163.com