基于懸臂梁法的汽車阻尼材料阻尼系數測試方法

周煥陽，祝安綱，姚明格，劉浩，姜豐

（天津航天瑞萊科技有限公司，武漢 430056）

引言

汽車在行進時會產生一系列的噪聲，既有自身存在的發動機聲、變速箱的齒輪聲、進氣排氣聲等，也有行進時車輪與路面的摩擦聲、遇到凹凸不平路面時的車體碰撞聲、高速行駛時產生的風阻聲等，特別是高速行駛時的噪聲最為明顯[1]。因此，需要在車身內部粘貼一層阻尼材料，從而達到汽車室內減振降噪的目的。汽車阻尼材料可以吸收車身板材被發動機及路面的強制力激發出來的振動能量。在汽車車身內部粘貼阻尼材料后，可以改變原有車身結構的共振頻率，減小車內振動噪聲，提高乘車舒適性。如果外界激勵條件不變，阻尼結構的振動速度和輻射噪聲聲壓會隨著阻尼材料阻尼系數的增加而降低。因此，阻尼系數的大小是判斷阻尼材料減振降噪性能優劣的重要參考指標，工程上也常常依據阻尼系數來選擇阻尼材料[2,3]。

常用的阻尼材料阻尼系數測試方法有動態黏彈譜測試儀（DMA）法，其依據高聚物的時溫等效原理，可以直接測量阻尼材料的阻尼因子，但其頻率范圍較低一般在100 Hz以下。而經典懸臂梁法是利用懸臂梁受到正弦激勵產生的共振特性來計算材料阻尼因子，其適用頻率范圍較寬（可達2 000 Hz），且測試儀器簡單[4]。通常懸臂梁法是在常溫下進行，但考慮到汽車阻尼材料的動態特性會隨著溫度的變化而變化，因此基于懸臂梁法測試阻尼系數時還需考慮溫度的影響。

本文介紹了阻尼材料的阻尼系數有關的測試原理，以及通過懸臂梁測試方法在實驗室進行阻尼系數測試的實驗案例，以期得到阻尼材料在不同溫度下的阻尼系數測試結果。同時，總結了檢測傳感器的選用以及結構試件的安裝力矩等因素，對阻尼系數測試結果可能產生的影響，為工程技術人員在實驗室進行阻尼系數測試提供參考。

1 阻尼系數的測試原理

設懸臂梁一端固支，另一端自由。在懸臂梁自由端作用一正弦激勵f(t)時，懸臂梁上就會應激產生相應的動態響應δ(t)。一般情況懸臂梁構件都存在阻尼耗能，動態響應δ(t)與激勵f(t)之間會產生相位差，動態位移響應f(t)會相對于激勵力f(t)滯后，見公式（1）。

式中：

fm—激勵力的幅值；

δm—動態響應的幅值；

ω—正弦激勵的角頻率；

α—響應相對于激勵的遲滯角度。

工程上一般定義懸臂梁的阻尼系數 η 為滯后角 α 的正切函數，即:

徐豐辰等人從能量損耗角度對懸臂梁構件的振動特性進行分析發現，隨著材料的滯后角 α 不斷增大，懸臂梁構件的能量阻尼系數 η 也逐漸增大，懸臂梁構件的減振降噪效果也逐漸增強。阻尼系數η的實際效果體現為能量的損耗[5]。

懸臂梁受到正弦信號激勵時，其響應特性如圖1所示。可以看出，對于不同的阻尼系數，結構件的共振頻率相差很小；結構件的共振峰值隨著阻尼系數η的減小而增大，而共振峰的帶寬隨著阻尼系數η的減小而減小。結構件的阻尼系數η與共振峰頻率及其帶寬存在顯性對應關系。因此，獲得結構件的共振曲線后，如圖2所示，可以通過公式（3）來計算試件的阻尼系數。

圖1 結構試件的共振頻率曲線

圖2 結構試件共振曲線

式中：

fH、fL—0.707倍峰值振幅對應的高、低頻率，Hz；fn—結構件的共振頻率，Hz。

2 懸臂梁法測試流程

汽車阻尼材料在汽車減振降噪領域已得到廣泛應用，國內各汽車主機廠也針對阻尼材料阻尼性能的測試方法進行了一定的研究。東風本田則制定了企業內部標準0095Z-SDA-0000，吉利汽車公司也制定了Q/JLY J711506-2008標準等[6]。下面參考常溫下的懸臂梁測試方法，并考慮溫度效應對阻尼材料阻尼系數的影響，將其與溫度振動綜合試驗方法相結合，來進行阻尼系數的測試。

2.1懸臂梁法

懸臂梁法的測試原理圖見圖3，將結構試件一端固支，另一端自由[7]。通過測試系統對試件進行正弦掃描激勵，以獲得試件的響應特性，對數據分析得到結構試件的阻尼系數。

圖3 懸臂梁法原理圖

計算機軟件按照要求的振動控制譜，由控制儀發出驅動信號，通過功率放大器對信號進行放大，從而推動激振器（振動臺）運動。采集激振器（振動臺）控制點的信號，通過測量放大器和信號采集器輸入到計算機軟件，可以得到控制點的加速度譜形；控制軟件根據控制點譜形與目標譜形的差值來修正驅動信號，最終使控制點的響應量級達到規定的目標值；控制軟件還可以實時采集試件上響應傳感器的加速度量級，獲得結構試件的響應曲線，再經過處理得到傳遞函數曲線（響應曲線/控制曲線）。

2.2 測試流程

由于汽車阻尼材料的動態特性會隨著溫度的變化而變化，因此測試阻尼系數時還需考慮溫度的影響[8]。此時，需將懸臂梁測試系統放置于試驗箱中來進行阻尼系數的測試，阻尼系數測試系統見圖4。綜合試驗箱能夠提供穩定的溫度環境；結構試件以懸臂梁方式安裝于激振器臺面上，通過激振器對結構試件進行激勵獲得試件的響應曲線，從而可以測試得到結構試件在特定溫度下的阻尼系數。

圖4 阻尼系數測試系統示意圖

阻尼系數測試流程：

1）將阻尼試片裁成橫50 mm、豎350 mm大小，放置在橫30 mm、豎300 mm的鋼板上，在140 ℃高溫下保持30 min進行熔合。

2）熔合完成后，將阻尼材料在基板上充分冷卻硬化后進行裁剪，獲得結構試件。

3）將激振器和綜合試驗箱按圖4所示組成綜合測試系統。

4）將結構試件以懸臂方式安裝于激振器臺面上，并安裝加速度傳感器等測量系統。

5）開始試驗。將試驗箱溫度調節到20 ℃并穩定。

6）以規定的控制譜曲線對結構試件進行掃頻激勵，獲取試件上的響應曲線，并根據公式（3）計算得到20 ℃溫度下的阻尼系數。

7）重復5）~6）步驟，得到40 ℃、60 ℃溫度下的阻尼系數。

2.3 試驗案例

汽車用瀝青阻尼材料是使用最廣泛的阻尼材料之一。磁性瀝青基阻尼板主要用于車門、側圍、頂棚等部位，而熱熔性瀝青基阻尼板主要用于車內地板部位，起到阻尼減振降噪的作用。

根據上述的測試系統以及測試方法，對某汽車用瀝青阻尼材料進行阻尼系數的測試。阻尼系數測試系統實物如圖5所示，結構試件懸臂梁法測試局部放大如圖6所示。測試得到阻尼結構試件在20 ℃溫度下的傳遞函數如圖7所示；測試得到阻尼結構試件在40 ℃溫度下的傳遞函數如圖8所示；測試得到阻尼結構試件在60 ℃溫度下的傳遞函數如圖9所示。根據公式（3）計算得到20 ℃、40 ℃、60 ℃溫度下的阻尼系數的測試結果如表1所示。

圖5 阻尼系數測試系統實物圖

圖6 測試系統局部放大示意圖

圖7 20 ℃時的阻尼系數測試曲線

圖8 40 ℃時的阻尼系數測試曲線

圖9 60 ℃時的阻尼系數測試曲線

表1 阻尼系數測試結果

可以看出，隨著溫度的升高，阻尼結構件的阻尼系數逐漸減小，也即意味著阻尼材料的減振降噪效果隨著溫度升高而逐漸減弱。

2.4 測試結果的影響因素

由于阻尼系數測試系統的復雜性，下列因素可能會引起測試結果的誤差。

1）阻尼系數測試時，結構試件上的響應傳感器最好使用非接觸式傳感器，但是，由于非接觸式傳感器在較高頻振動時的靈敏度達不到要求，建議采用具有超小質量的加速度傳感器。GB/T 18258-2000中規定，加速度計的質量應小于0.5 g。當加速度計的質量大于0.5 g時，加速度計質量相對基板質量不可忽略，對懸臂梁法測阻尼系數的結果有著較大的影響。

2）結構試件安裝時的緊固力矩需適宜。安裝力矩過大，可能會擠壓結構試件的阻尼層，變形過大，導致阻尼層與基板的粘合開裂。安裝力矩過小，測試過程中可能會松動，影響測試結果的準確性。對于不同配方的阻尼材料做對比試驗時，安裝力矩應保持一致。

3 結論

汽車在高速行駛時會產生很大的噪聲，影響車內成員的舒適性。通常在車身內部粘貼一層阻尼材料，從而達到汽車室內減振降噪的目的。因此，阻尼系數是判斷阻尼材料減振降噪性能優劣的重要參考指標，準確測得阻尼材料的阻尼系數，對于選擇阻尼材料具有重要作用。

本文介紹了阻尼材料的阻尼系數有關的測試原理，以及通過懸臂梁測試方法在實驗室進行阻尼系數測試的實驗案例，測試得到在20 ℃、40 ℃、60 ℃溫度下的阻尼系數測試結果。可以看出，隨著溫度的升高，阻尼結構件的阻尼系數逐漸減小，也即意味著阻尼材料的減振降噪效果隨著溫度升高而逐漸減弱。同時，總結了檢測傳感器的選用以及結構試件的安裝力矩，對阻尼系數測試結果的影響。這些研究將為工程技術人員在實驗室進行阻尼系數測試提供參考依據。