隔振材料阻尼參數識別與特性研究

何吉祥　樊可清

摘要：開發設計一套材料測試機系統，主要對常用隔振材料的阻尼特性、結構進行研究。通過傳感技術獲取時域響應信號來研究材料性能參數，在眾多參數識別方法中，選取對數衰減法和Hilbert包絡法對材料的固有頻率、阻尼等參數進行精確地估計。基于圖形化編程的虛擬儀器技術開發自動化材料測試系統，具備數據的實時采集和分析以及離線分析功能。

關鍵詞：隔振材料；參數識別；虛擬儀器；自動化測試

中圖分類號：TB535 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0081-03

隨著現代工業化水平的發展，自動化機械設備不斷增多，產線設備運行時引起的振動、噪聲導致產品測試失效等問題日益突出。工程上，精密產品的測試往往需經過減振裝置隔離后方可測試，而減振所使用的隔振材料，也稱粘彈性阻尼材料[1]，在受到外力激勵后所體現阻尼性能，所以被常用在減振裝置中。阻尼系數和阻尼比是衡量阻尼材料隔振性能的重要指標，也是工程上選擇阻尼材料的主要依據[2]。如何精確識別材料的阻尼等參數是一個重要的課題。目前常用的阻尼識別方法包括對數衰減法、半功率帶寬法、ITD法、隨機減量法、小波變換法、HHT法等等[3]。本文采用的對數衰減法，屬于時域法，它是直接利用響應信號通過算法進行參數識別的方法，不用考慮時間和頻率分辨率對識別精度的影響，而且處理計算時間快。并且基于傳感設備獲取信號，屬于非電量測量技術[4]。

本文應用于材料自動化測試和阻尼參數識別的研究主要有如下幾個特點：

（1）適合不同材料的阻尼測試，包括彈簧，泡棉，聚氨酯等普遍的阻尼隔振材料，解決了力錘沖擊試驗所不能完成的材料阻尼測試；

（2）試驗周期短，只需放置好材料，給定適當的激振力，拉力釋放后，材料自由從受激開始振動到靜止；

（3）響應信號容易測量，直接利用材料自動化測試系統獲取響應的時域信號，以及進行阻尼參數識別。

1 材料測試系統軟硬件

1.1 材料測試系統硬件

材料阻尼測試主要機理是：通過張拉裝置使材料產生初始形變，瞬間釋放拉力，使材料在彈性勢能作用下自由振動。加速度傳感器測得響應信號。材料測試機系統的結構平臺如圖1所示，它主要實現的功能有：

（1）通過自由振動響應的時域信號和算法精確估計材料的阻尼參數；

（2）適用于一定邵氏硬度范圍內的阻尼材料，如彈簧，硅膠泡棉，聚氨酯等；如若在不知曉剛度情況下，可以比較不同材料的剛度系數；

（3）能適用于不同的承重范圍。

材料測試機結構物料的指標參數表如表1所示。

材料測試機系統中用于數據采集設備的硬件是NI 9184機箱，它是一臺CompactDAQ 4槽以太網機箱，可以同時實時輸入采集16通道的信號，可支持A/D模擬輸入采集卡直接插拔，適用于遠程和分布式的傳感測試測量。A/D模擬輸入采集卡選用NI 9234和NI9239兩個。NI 9234，支持4通道電壓測量或可以直接與配套的壓電加速度傳感器一起使用，量程測量范圍±5 V，每通道采樣率高達51.2 kS/s，帶24位的IEPE調理。NI 9239采集卡，4通道，專用測量電壓設備，量程測試范圍±10V，24位模擬輸入模塊，NI 9239特點是可與任何CompactDAQ 以太網機箱配用，用物理量代替電量測量，屬于非電量測量法。

1.2 材料測試軟件自動化系統

基于LabVIEW的虛擬儀器技術，功能強大[5]。軟件主要功能有：（1）數據采集。包括開始、停止、退出、窗口長度、拉力值；（2）數據分析。包括打開離線數據分析、保存/記錄采集數據、拷貝窗口信號、信號處理，其中信號處理包括：重獲取原始信號、去趨勢、濾波設計、信號濾波、FFT頻譜；（3）存儲采集數據；（4）阻尼識別。包括信號截取、對數衰減法、HT包絡法；（5）結果分析與存儲。軟件系統功能如圖2所示。

2 實驗及結果分析

2.1 不同類型材料測試

在材料測試機上對三種不同邵氏硬度的材料進行試驗，分別是彈簧，硅膠泡棉，聚氨酯。對比彈簧，硅膠泡棉，聚氨酯三種材料的硬度，彈簧硬度小于硅膠泡棉，硅膠泡棉硬度小于聚氨酯。三種材料試件的阻尼識別結果如表2所示。為了抑制隨機干擾和減少平穩隨機信號的統計誤差，對各試件的數據均經過重復試驗10次作矢量線性平均得到。

從表2阻尼識別結果分析，不同材料反映著不同的固有頻率頻率，阻尼系數和阻尼比都隨著材料邵氏硬度的增大而增大。阻尼參數越大的材料，表示它從瞬間力激勵開始到靜止時間歷程快，指數衰減的系數也大。同時，截取自由振動衰減信號的不同峰值數，識別材料的阻尼參數都會有差異，阻尼通常表現出一定程度的非線性。

2.2 同一類型材料測試

2.2.1 同一硬度不同厚度材料測試

本次試驗在某同一硬度條件下比較不同厚度聚氨酯材料的測試。表3為阻尼識別結果。

從表3阻尼識別結果分析，阻尼系數和阻尼比隨著材料的厚度增加，剛開始呈現下降的趨勢，而厚度再增加時，阻尼系數和阻尼比又開始呈現遞增的趨勢。分析原因是由于阻尼參數還受固有頻率影響，故又呈現上升趨勢，特別是阻尼比比較明顯；綜合分析得到，在一定材料厚度的范圍內，厚度增加，阻尼參數會下降，而當厚度增大到超過某個范圍時，阻尼參數又會上升，所以，阻尼參數往往呈現非線性。

2.2.2 同一厚度不同硬度材料測試

本次試驗選取常用的聚氨酯隔振材料為例，研究其不同邵氏硬度條件下的阻尼參數，表4為不同硬度材料試件阻尼系數和阻尼比的識別結果。

在保證其他實驗條件一致的情況下，只改變材料的硬度，隨著硬度的遞增，阻尼越大，振動衰減越快。由表4不同硬度聚氨酯材料阻尼識別結果，阻尼系數隨著硬度增加明顯上升，但阻尼比受阻尼固有頻率影響，阻尼比雖也是上升的趨勢，但上升趨勢沒有阻尼系數明顯。

3 實驗結論

（1）對材料性能參數進行了深入研究，并結合不同的參數識別方法，精確地對阻尼參數進行了估計。不同的材料從受瞬間激振動到靜止歷程，衰減時間快慢不同，阻尼參數不同；

（2）基于虛擬儀器技術，搭配各項硬件設備，采用高精度的數據采集方法，與開發的自動化測試軟件，實時高效地對不同隔振材料的阻尼性能進行測試，為材料的隔振性能提供依據；

（3）本研究工作提出了更合理的實驗方法和數據處理方法，降低減振設計過程的試驗工作量、提高減振設計效果。

參考文獻

[1]D. D. L. Chung.Review： Materials for vibration damping[J].Journal of Materials Science， 2001，36（24）：5733-5737.

[2]徐豐辰，李洪林，劉福.淺談汽車用阻尼材料阻尼系數的測試方法[J].汽車工藝與材料技.2008（8）：63-67.

[3]姚天任，江太輝.數字信號處理（第3版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2010.

[4]宋雪臣，單振清.數字電子技術與應用[M].北京：北京大學出版社，2011.

[5]江建軍，孫彪.LabVIEW程序設計教程（第2版）[M].北京：電子工業出版社，2012.