孟凡明 祝文娜 歐陽肖

（1. 海裝沈陽局，遼寧 沈陽 110034；2. 哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

共振是振動(dòng)特有的一個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到某些特定頻率的外激勵(lì)力作用時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)幅度顯著增大[1]。物體發(fā)生共振現(xiàn)象時(shí)，外界激勵(lì)頻率與系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率相同或者非常相近，共振現(xiàn)象容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷甚至破壞。振動(dòng)的來源多種多樣且有各自的特點(diǎn)，經(jīng)過長期的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，研究人員將對(duì)振動(dòng)的控制分為三個(gè)方面包括對(duì)振動(dòng)源的控制、對(duì)傳播途徑的控制以及對(duì)受控對(duì)象的控制[2]。從不同的控制方向出發(fā)對(duì)振動(dòng)的控制措施基本可以分為控制振動(dòng)源振動(dòng)[3]、振動(dòng)隔離[4]、動(dòng)力吸振[5]和阻尼減振[6]等幾個(gè)方面。

動(dòng)力吸振器能很好的對(duì)振動(dòng)進(jìn)行控制，但動(dòng)力吸振器依然存在著許多缺陷。在實(shí)際應(yīng)用中存在著動(dòng)力吸振器對(duì)受控系統(tǒng)減振頻帶的不確定性、減振頻帶的局限性等問題。

本文以吸振的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，以廉價(jià)易得的彈性泡沫吸振材料為基礎(chǔ)，研究吸振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化對(duì)吸振頻率以及吸振量的影響。選擇三種不同結(jié)構(gòu)、不同模量的彈性泡沫進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)及厚度的吸振復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，找到材料微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)吸振性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與儀器

A型泡沫材料，工業(yè)級(jí)，河北格瑞吸聲材料制品有限公司；B型泡沫材料，工業(yè)級(jí)，林之森包裝制品有限公司；C型泡沫材料，工業(yè)級(jí)，青島海洋新材料科技有限公司冷軋鋼塊，Q235，青島凱遠(yuǎn)復(fù)合材料有限公司；無水乙醇，EG，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；502膠水，SH-1，禹城市三星科技有限 公司。

BSA224S-CW型分析天平，3365型萬能拉力試驗(yàn)機(jī)，MNT-200型電子數(shù)顯外徑千分尺，QUANTA-200型掃描電子顯微鏡，3H-2000 TDI型全自動(dòng)真密度分析儀，3560B型振動(dòng)數(shù)據(jù)采集器， GCPQ-100型海綿泡沫切割機(jī)，YE5871A型功率放大器，YE5857A-05型電荷轉(zhuǎn)換器。

1.2 固支梁振動(dòng)測試系統(tǒng)

如圖1所示，電腦端向功率放大器發(fā)出指令，功率放大器接受指令后將指令作用到激振器上，激振器產(chǎn)生激勵(lì)力使鋼條開始振動(dòng)。接著加速度傳感器將振動(dòng)信號(hào)輸出到數(shù)據(jù)采集器上，數(shù)據(jù)采集器將信號(hào)傳遞到由PC電腦端，電腦將信號(hào)進(jìn)行采集與處理。通過對(duì)比附加復(fù)合吸振試樣前后鋼條的振動(dòng)響應(yīng)差值獲取吸振試樣的吸振性能。

試樣的振動(dòng)響應(yīng)由振動(dòng)加速度與振動(dòng)加速度級(jí)表示，振動(dòng)加速度可由振動(dòng)測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號(hào)采集，將信號(hào)傳遞到電腦而獲得。振動(dòng)加速度級(jí)則需要由與振動(dòng)加速度有關(guān)的公式計(jì)算所得，如公式（1）所示。

圖1 固支梁振動(dòng)測試系統(tǒng)示意圖

式中：a為振動(dòng)加速度，m/s2；a0

為基準(zhǔn)加速度，10-6m/s2；

L為振動(dòng)加速度級(jí)，dB。

試樣的吸振效果用吸振量來表征，以鋼條谷值處的固有頻率的值定義為A點(diǎn)，將該頻率處空白鋼條的振動(dòng)加速度級(jí)與附加復(fù)合試樣后鋼條谷值的振動(dòng)加速度級(jí)的差值定義為吸振量公式（2）。即：

式中：ΔL為吸振量，dB；

LA1為空白鋼條A點(diǎn)處振動(dòng)加速度級(jí)，dB；

LA為附加試樣后鋼條谷值，dB。

2 結(jié)果與討論

2.1 彈性泡沫材料微觀結(jié)構(gòu)表征

對(duì)彈性泡沫材料進(jìn)行掃描電鏡（SEM）分析，研究材料內(nèi)部的泡孔結(jié)構(gòu)、孔徑寸等微觀結(jié)構(gòu)。三種彈性泡沫材料的掃描電鏡圖片如圖2所示。A型彈性泡沫材料（圖2a）內(nèi)部為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由緊密且不規(guī)則的以多邊環(huán)連接，形成完全開放的空間體系。材料內(nèi)部的泡孔孔徑在100 μm左右，泡孔骨架寬度為5～10μm。B型彈性泡沫材料（圖2b）孔徑尺寸相對(duì)較小，泡孔骨架較寬，仍為通透的開孔結(jié)構(gòu)。C性彈性泡沫材料（圖2c）泡孔骨架較薄，孔壁為薄片狀。

圖2 彈性泡沫材料掃描電鏡圖片

2.2 彈性泡沫材料真密度及孔隙率測試

利用全自動(dòng)真密度分析儀對(duì)彈性泡沫材料進(jìn)行真密度測試。將彈性泡沫材料放于真密度測試儀內(nèi)，以氦氣為介質(zhì)，將測量室的氣壓逐漸加到規(guī)定值后，氦氣膨脹進(jìn)入膨脹室內(nèi),根據(jù)質(zhì)量守恒定律，將樣品放入測試腔會(huì)引起測試腔氣體容量的減少，因此通過測試減少的氣體來測量樣品的真實(shí)體積計(jì)算出真密度進(jìn)而計(jì)算出該材料的孔隙度。根據(jù)測試結(jié)果可知，A型彈性泡沫材料孔隙度較低，為96.12%；B型和C型彈性泡沫材料的孔隙度均較高，達(dá)到99%以上。

2.3 彈性泡沫材料彈性模量測試

通過萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)三種彈性泡沫材料的彈性模量進(jìn)行測試，測試標(biāo)準(zhǔn)為以GB/T 8813-2008。彈性泡沫材料的應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖3所示。泡沫材料本身的泡孔孔徑和骨架結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響到壓縮模量的大小，泡沫材料的剛度是影響吸振結(jié)構(gòu)吸振性能的一個(gè)因素。三種彈性泡沫材料的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量如表2所示。其中A型彈性泡沫材料具有最高的壓縮強(qiáng)度和壓縮模量，分別為0.013MPa和0.28MPa；B型和C型彈性泡沫材料雖然微觀結(jié)構(gòu)不同，但壓縮強(qiáng)度和壓縮模量比較接近。

表1 彈性泡沫材料真密度及孔隙率

圖3 彈性泡沫材料的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 彈性泡沫材料壓縮模量

2.4 彈性泡沫材料對(duì)復(fù)合吸振試樣振動(dòng)響應(yīng)的影響

分別裁切不同厚度（3mm、6mm、9mm、12mm、15mm、18mm、21mm、24mm、27mm、30mm）的三種類型彈性泡沫材料與質(zhì)量層進(jìn)行復(fù)合，并對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)測試。

圖4（a）為在未加入任何吸振結(jié)構(gòu)時(shí)空白鋼條試樣的振動(dòng)加速度-頻率曲線，從測試數(shù)據(jù)中可以看到頻率為208.13Hz時(shí)出現(xiàn)了共振峰，即空白鋼條樣品的固有共振峰，振動(dòng)加速度為3.54m/s2。如圖4（b）所示，給鋼條一個(gè)固定激勵(lì)，在A型彈性泡沫復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣上出現(xiàn)兩個(gè)響應(yīng)峰。由圖4（a）可知，這個(gè)頻率上的峰是鋼條的固有共振峰。因此可以判斷，對(duì)不同復(fù)合結(jié)構(gòu)試樣進(jìn)行測試時(shí)，在200～250Hz出現(xiàn)的響應(yīng)峰均是由于試樣受到空白鋼條固有共振峰的影響。另一個(gè)峰出現(xiàn)在70～117Hz處，也就是試樣上的一階振動(dòng)峰。該一階振動(dòng)峰是單層復(fù)合試樣的共振峰，隨著彈性泡沫材料厚度的增加，一階峰的固有頻率逐漸減小，振動(dòng)加速度也逐漸降低。

圖4 不同厚度A型彈性泡沫材料復(fù)合吸振試樣的振動(dòng)響應(yīng)對(duì)比圖

對(duì)不同厚度的B型彈性泡沫復(fù)合吸振試樣進(jìn)行了振動(dòng)測試，如圖5（a）所示。測試曲線同樣出現(xiàn)兩個(gè)響應(yīng)峰，在200～250Hz出現(xiàn)的二階峰，仍然是受空白鋼條的影響而出現(xiàn)的響應(yīng)峰；在50～67Hz出現(xiàn)的一階共振峰，為不同厚度的B型彈性泡沫復(fù)合試樣的共振峰。通過分析固有頻率、振動(dòng)響應(yīng)與彈性泡沫厚度關(guān)系可以看出，吸振試樣上一階峰的固有頻率及振動(dòng)響應(yīng)都隨著彈性層厚度的增加而減小，彈性層厚度為3mm時(shí)，固有頻率為95.2Hz，振動(dòng)加速度為0.14m/s2，彈性層厚度為30mm時(shí)，固有頻率為50.2Hz，振動(dòng)加速度為0.05m/s2。

圖6為不同厚度C型彈性泡沫材料復(fù)合吸振試樣的振動(dòng)響應(yīng)圖，在200～250Hz范圍出現(xiàn)的二階峰是受到鋼條共振峰的影響而出現(xiàn)的響應(yīng)峰；在42～109Hz范圍出現(xiàn)的一階峰為不同厚度的C型彈性泡沫復(fù)合試樣的共振峰。對(duì)固有頻率、振動(dòng)響應(yīng)與彈性泡沫厚度關(guān)系進(jìn)行分析可以看出，與其他兩種彈性泡沫材料作用相同，隨著C型彈性泡沫材料厚度的增加，樣品的一階峰的固有頻率及振動(dòng)響應(yīng)都逐漸減小。C型彈性泡沫厚度為3mm時(shí)，固有頻率為109.4Hz，振動(dòng)加速度為0.21m/s2。彈性層厚度為24mm時(shí)，固有頻率為42.5Hz，振動(dòng)加速度為 0.08m/s2。

圖5 不同厚度B型彈性泡沫材料復(fù)合吸振試樣的振動(dòng)響應(yīng)圖

為了系統(tǒng)的比較A型、B型與C型彈性泡沫復(fù)合結(jié)構(gòu)吸振性能，對(duì)三種類型吸振試樣的吸振量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。從當(dāng)彈性泡沫材料厚度增加時(shí)，復(fù)合試樣的吸振量也逐漸增加，A型彈性泡沫復(fù)合試樣的吸振量大于B型與C型復(fù)合試樣。這與彈性泡沫材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能有關(guān)，A型彈性泡沫材料自身孔隙度低，壓縮強(qiáng)度及壓縮模量高，從而具有較大的剛度；B型彈性泡沫材料與C型彈性泡沫材料具有更高的孔隙度且壓縮強(qiáng)度及模量基本一致。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知具有最優(yōu)吸振效果的樣品為彈性泡沫材料厚度15mm的A型彈性泡沫復(fù)合吸振試樣，吸振量為5.3dB。

圖6 不同厚度C型彈性泡沫材料復(fù)合吸振試樣的振動(dòng)響應(yīng)圖

圖7 三種彈性泡沫材料復(fù)合吸振試樣吸振量比較

3 結(jié)論

通過對(duì)比三種彈性泡沫復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸振性能，研究彈性泡沫材料強(qiáng)度、彈性泡沫材料厚度等對(duì)彈性泡沫呵呵結(jié)構(gòu)吸振性能影響，得出的主要結(jié)論 如下：

（1）隨著彈性泡沫材料厚度的增加，吸振試樣上一階峰的固有頻率及振動(dòng)響應(yīng)逐漸減??；

（2）彈性泡沫材料的模量越高，彈性泡沫復(fù)合吸振試樣的吸振性能越好；

（3）彈性泡沫材料厚度為15mm的A型彈性泡沫復(fù)合吸振試樣具有最優(yōu)吸振效果，吸振量為5.3dB。