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1、9阻尼与隔振技术?本章提要Iii振动控制和噪声控制相似，也从振源、振动传播途径和振动影响:地点三个环节治理。本章讨论的隔振技术，不涉及对振动源本身机1械元件振动的抑制，只讨论在振动固体传声过程中隔振和阻尼的措:施。本章主要介绍阻尼与隔振的基本概念、基本原理、基本方法，常1 用隔振或减振器的应用。简介隔振设计与隔振器选择时，降低振动:系统固有频率的计算和阻尼应用。2一丝9.1隔振物体振动时，除辐射空气声外，还不断将振动传递给基础。人体感觉的振动频率分为3段：低频段为30HZ以上；中频段为30100Hz；高频段为IOOHZ以上。人体对振动的感觉不仅与振动频率有关，还与振幅有关，它们的关系如图9.1
2、所示。最有害的振动频率是与人体某些器官的固有频率吻合的频率，如人体在6Hz左右，内腔在8Hz左右，头部在250HZ左右，神经中枢在250HZ左右。低于2Hz的振动非常危险。振动控制与噪声控制不同之处是采用阻尼、隔振、吸振等措施减轻低频振动并阻止其传播，保护人及灵敏仪器设备免受振动影响。9. 1.1隔振的基本概念隔振是通过降低振动强度来减弱固体声传播的技术。通常把物体沿直线或B图9.1人对振动的感觉与振动频率、振幅的关系弧线相对于基准平衡位置所做的往复运动称振动。图9.2 机械振动的传播途径振动是一种周期性的往复运动，任何机械都会产生振动，机械振动的原因主要是旋转或往复运动部件的不平衡、磁力不平
3、衡和部件的互相碰撞。振动能量常以两种方式向外传播产生噪声：一部分由振动机器直接向空气辐射，称空气声；一部分振动能量通过承载机器的基础，向地层或建筑物结构传递，如图9.2所示。在固体表面，振动以弯曲波的形式传播，能激发建筑物的地板、墙面、门窗等结构振动，再向空中辐射噪声，这种通过固体传导的声称为固体声。水泥地板、砖石结构、金属板材等是隔绝空气声的良好材料，但对固体声却有很少衰减。噪声通过固体可传播到很远的地方，当引起物体共振时，会辐射很强的噪声。有时邻近房间噪声会比安装机器房间更响，这是由固体传声引起建筑结构共振造成的。控制固体声的重要方法是隔振。从噪声控制研究隔振，不涉及由结构固有振动导致开裂
4、、下沉、倒塌、破坏等现象，即不涉及强度计算，只研究降低固体声及空气声。隔振是将振源（声源）与基础或其他物体的近于刚性连接改为弹性连接，防止或减弱振动能量的传播。实际上振动不可能绝对隔绝，所以通常称隔振或减振。隔振技术有积极隔振和消极隔振，降低振动设备（振源）馈入支撑结构的振动能量称积极隔振，减少来自支撑结构或外界环境的振动传入称消极隔振。积极与消极隔振原理相同，积极隔振的原理、方法和结论对消极隔振同样适用。9.1.2隔振的力传递率作用于质量块7上的力，通过弹性支承传递到支持系统的基础上，传递到基础上的力越小，表明该系统的隔振效果越好。衡量传递效果的指标是力传递率f/,定义是传递到基础上的力的幅
5、值FBo与作用于m上的力的幅值FO之比值。基础的力阻抗较大，振动位移(或速度)很小，可以忽略其膨响，通过弹簧和阻尼传递的力应为：FBO=Rm*+y(91)dl其振幅为FBO=(oRfn)2+2%=+%1+(长ok+)2他(9.2)按上述力传递率的定义，可得：-1E1+(2长与)2I2.、Jt=F=/、佃011L(L)22+(2K!L)21+4长2(4)2/,卜7(9.3)/1L()22+4长2(Z)24/o/o当长=0时，即振动系统为单向无阻尼振动，上式简化为：3=4)由式(9.3)、式(9.4)得f/与频率比ko及阻尼比长之间的关系，可绘制图9.3。从式(9.4)或图9.3可知：当时，外力频
6、率远低于系统固有频率，f/=1，系统无隔振效果。当二o时，外力作用频率和系统固有频率接近，系统将发生共振，隔振措施不合理，会使振动加剧，加剧程度取决于阻尼比长。从理论上讲，长一0时，fz:随着长逐渐增大，共振峰趋于平坦，表9.1所示为几种隔振材料的阻尼比。当/=厉。时，f/=1,系统仍无隔振作用。/历0时，系统具有隔振作用，ko值越大，隔振效果越明显。如增大振动体的质量或选用劲度小的弹性材料可使固有频率减小，频率比增大，但频率比过大，f/减小很慢，工程上取25倍比较适宜。由图9.3还可看出，过大的阻尼比的f/值不如阻尼小的f/降低值大，工程中长值一般选用0.02-0.1范围。图9.3单自由度系
7、统传递率7,与频率比例、阻尼比长的关系曲线表9.1几种振动材料阻尼比材料名称钢弹簧橡皮胶软木阻尼比0.0050.020.050.069.1.3隔振降噪值的估算在工程中常用振动级，有力振动级、振速级等。力的振动级差与声级差类似，可写成：ALf=20Ig以=20IgJ(9.5)如某种隔振措施使机器振动系统传递于楼板力的幅值减弱为原先的1/10，即71=0.1,传递到楼板的振动力将降低到20dB.在忽略阻尼的情况下将式(94)绘成图9.4o若己知扰动频率f与系统固有频率f0(或静态压缩量8),可直接从图9.4(a)得到传递率7m也可查图9.4(b)来计算隔振百分率，隔振百分率是指隔振效率为(17f)
8、X100%o如转速为15007min的电动机安装在静态压缩量8为ICm的隔振机座上，由相应转速和静态压缩量的交点可查出7,0.04。8保持原值，转速提高至3OOOrZmin,贝IJ7i0.010相应的隔振百分率分别为96%和99%,保持同样压缩196统3MRa)图9.4隔振计算图线量，增加转速可提高频率比，对减振有利。9.1.4隔振材料与减振器凡能支承运转设备动力荷载产生弹性变形，在卸载后能立即恢复原状的材料或元件均可作为隔振材料或减振器。图9.5为常见减振元件示意图（弹簧吊和用于管道的弹性接头）o下面介绍工程中应用广泛的减振元件和材料。图9.5 常用隔振材料和减振元件外貌9.1.4.1钢弹簧
9、钢弹簧是应用最广的隔振元件，有螺旋弹簧、锥形弹簧、圈弹簧、板片弹簧等。钢弹簧优点很多：荷载范围很大（从几公斤至数十吨），不怕高温、潮湿和油污，共振频率容易控制等。因此获得广泛应用。钢弹簧主要缺点是本身阻尼太小。从图9.3可以看出，阻尼比越小对降低传递率越有利，但是，机器在起动后转速逐渐增大，激振频率逐渐提高，若隔振弹簧阻尼过小，当激振频率经过系统的固有频率时，将发生强烈振动，会损坏机器设备。因此，弹簧本身阻尼不能太小。工程中常用弹簧和橡胶构成复合式减振器，以获得更好效果。用弹簧隔振时，应使弹簧放在同一平面，保证受力均匀。为避免机器晃动，应使系统重心落在弹簧的几何中心，用短而粗的弹簧（如使弹簧的
10、静态高度小于弹簧直径的2倍），或降低机器重心及扩大机器支撑面等。9.1.4.2橡胶减振器用硬度合适的橡胶制成，有压缩型、剪切力型及压缩一剪压型。隔振原理是利用橡胶固有的弹性，机器设备压在其上，减振器橡胶在水平方向胀大，发生弹性形变隔振。9.1.4.3气垫隔振器气垫隔振器又称气体弹簧隔振器，是一种高效隔振器，由橡胶制作充气而成，振动频率很低，隔振效果比钢弹簧更好。优点是固有频率可低至0.15Hz,在共振时阻尼高，在高频时则阻尼小：缺点是价格昂贵，负载有限，需经常检查。9.1.4.4隔振垫和其他隔振措施隔振垫由具有一定弹性的软材料，如软木、毛毡、橡胶垫和玻璃纤维板等构成，优点是价格低廉，安装方便，
11、可裁剪成所需大小和重叠起来使用，以获得不同的隔振效果。其他隔振措施有隔振机座、隔振沟、隔振墙、软连接等。泡沫塑料、塑料气垫纸、矿渣棉毡、废橡胶、废金属丝等可作为隔振材料使用。但塑料制品易老化，性能随环境变化较大，除对小型设备、仪器等作临时隔振措施外，工程中应用不多。9.2阻尼如前所述，控制振动及其传递的3个基本因素是弹簧或隔振器的刚度、被隔离物体的质量及系统支承的阻尼。阻尼是振动系统（或声学系统）的能量随时间或距离损耗的作用和现象。在噪声污染控制中，阻尼指阻碍振动物体作相对运动，把运动能量转变为热能的作用。很多噪声和振动由板结构产生。板结构阻尼很小，声辐射效率很高，常通过加筋等措施提高其刚性，
12、降低噪声振动。此法不是增加阻尼，而是改变板件结构的固有振动频率，但改变某一构件的固有频率会引起另一部分构件的振动加大。降低噪声振动常用的方法，是在振动构件上紧贴或喷涂一层高阻尼材料，或把板件制成夹层结构。这种降噪措施称减振阻尼，简称阻尼。这种技术广泛应用于各类机械和交通工具的噪声振动控制，如输气管道、机器防护壁、车体、飞机外壳等。9.2.1阻尼减振技术中的几个基本概念阻尼抑制振动的主要作用是：衰减沿结构传递的振动能量：减弱共振频率附近的振动：降低结构自由振动或由冲击引起的振动。阻尼减弱了结构振动，就相应降低结构噪声。阻尼技术主要用于降低结构在共振频率上的振动，如图9.6所示。某振动结构有3个共
13、振频率，在这3个共振频率上传导率呈现峰值，涂以此处振动传导率定义为结构振动振幅阻尼材料的结构，传导率不再出现峰值。与激振力之比值。=OXCOS(O4 +)。9.2.1.1损耗因数振动系统阻尼大小常用系统损耗因数来度量。系统损耗因数的定义是：单位弧度相位变化内阻尼消耗的能量与系统最大振动位移的势能之比，n_町(9.6)rl-wf,式中n一系统损耗因数；wjii一单位弧度损耗的能量；W位一振动系统最大位移势能。设一维振动系统为简谐振动，位移可表示为x(4)=Xsin(o4+),速度为x(4)设系统阻尼系数为R,则阻尼力是时间的函数Rx(4),在该力作用下通过距离增量dx所消耗的能量为：Rx(4)d
14、=Rx2(4)d4=Rx2(4)d(o4)3一个振动周期内消耗的能量为：/，I2nIan一x2(4)d(4)=RoX2S2(o4+)d(o4)Ol。=mRoX2单位弧度消耗能量为：W=1tKm-=J-ROX2?由于最大振动势能为：W位=gk2所以系统消耗因数：叫员Ron=W位=k又O0=20=得：mmn=2(9.7)te在共振频率上O=O0,有n=2=-!-=O3“上述各式中，Oo为系统固有频率,Oo=0为系统的品质因数，O= 2 ；A。为振动系统共振峰半功率点带宽，Ao=2o0=詈为阻尼比，=4=告：Rc=2Jr,RC为系统临界阻尼。=0,无阻尼；1,即RRc,系统阻尼小于临界阻尼；=1,即
15、R=Rc,系统阻尼等于临界阻尼；31,即R3Rc,系统阻尼大于临界阻尼，称过阻尼。通常金属板涂以阻尼材料构成的阻尼振动系统损耗因数可近似表示为：n=14（处）（4）2（9.8）4dl式中n0-阻尼材料的损耗因数；Eo-阻尼材料的弹性模量；E1一金属板的弹性模量；d0-阻尼材料的厚度；d,一金属板的厚度。从上式可知，为了获得金属板和阻尼材料的最佳组合，要求阻尼材料的损耗因数高，阻尼材料应具有较大的弹性模量。阻尼层与板材的厚度之比d0d1对系统阻尼有一定影响，通常厚度比值选在23之间，把阻尼材料涂在金属板两侧比在一侧涂一层较厚的阻尼材料效果差。9.2.1.2阻尼材料耗能机制-阻尼材料耗能是材料内部粘滞摩擦引起的能量损失。如图9.7所示的阻尼结构，当板材振动时，与金属板紧贴的阻尼层时而被压缩，时而被拉伸（图中虚线表示在板材弯曲时，既不伸长又不缩短的层面），阻尼材料分子间反复产生相对位移，相对位移的变化消耗了一
