隔振材料阻尼参数识别与特性研究

何吉祥　樊可清

摘要：开发设计一套材料测试机系统，主要对常用隔振材料的阻尼特性、结构进行研究。通过传感技术获取时域响应信号来研究材料性能参数，在众多参数识别方法中，选取对数衰减法和Hilbert包络法对材料的固有频率、阻尼等参数进行精确地估计。基于图形化编程的虚拟仪器技术开发自动化材料测试系统，具备数据的实时采集和分析以及离线分析功能。

关键词：隔振材料；参数识别；虚拟仪器；自动化测试

中图分类号：TB535 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0081-03

随着现代工业化水平的发展，自动化机械设备不断增多，产线设备运行时引起的振动、噪声导致产品测试失效等问题日益突出。工程上，精密产品的测试往往需经过减振装置隔离后方可测试，而减振所使用的隔振材料，也称粘弹性阻尼材料[1]，在受到外力激励后所体现阻尼性能，所以被常用在减振装置中。阻尼系数和阻尼比是衡量阻尼材料隔振性能的重要指标，也是工程上选择阻尼材料的主要依據[2]。如何精确识别材料的阻尼等参数是一个重要的课题。目前常用的阻尼识别方法包括对数衰减法、半功率带宽法、ITD法、随机减量法、小波变换法、HHT法等等[3]。本文采用的对数衰减法，属于时域法，它是直接利用响应信号通过算法进行参数识别的方法，不用考虑时间和频率分辨率对识别精度的影响，而且处理计算时间快。并且基于传感设备获取信号，属于非电量测量技术[4]。

本文应用于材料自动化测试和阻尼参数识别的研究主要有如下几个特点：

（1）适合不同材料的阻尼测试，包括弹簧，泡棉，聚氨酯等普遍的阻尼隔振材料，解决了力锤冲击试验所不能完成的材料阻尼测试；

（2）试验周期短，只需放置好材料，给定适当的激振力，拉力释放后，材料自由从受激开始振动到静止；

（3）响应信号容易测量，直接利用材料自动化测试系统获取响应的时域信号，以及进行阻尼参数识别。

1 材料测试系统软硬件

1.1 材料测试系统硬件

材料阻尼测试主要机理是：通过张拉装置使材料产生初始形变，瞬间释放拉力，使材料在弹性势能作用下自由振动。加速度传感器测得响应信号。材料测试机系统的结构平台如图1所示，它主要实现的功能有：

（1）通过自由振动响应的时域信号和算法精确估计材料的阻尼参数；

（2）适用于一定邵氏硬度范围内的阻尼材料，如弹簧，硅胶泡棉，聚氨酯等；如若在不知晓刚度情况下，可以比较不同材料的刚度系数；

（3）能适用于不同的承重范围。

材料测试机结构物料的指标参数表如表1所示。

材料测试机系统中用于数据采集设备的硬件是NI 9184机箱，它是一台CompactDAQ 4槽以太网机箱，可以同时实时输入采集16通道的信号，可支持A/D模拟输入采集卡直接插拔，适用于远程和分布式的传感测试测量。A/D模拟输入采集卡选用NI 9234和NI9239两个。NI 9234，支持4通道电压测量或可以直接与配套的压电加速度传感器一起使用，量程测量范围±5 V，每通道采样率高达51.2 kS/s，带24位的IEPE调理。NI 9239采集卡，4通道，专用测量电压设备，量程测试范围±10V，24位模拟输入模块，NI 9239特点是可与任何CompactDAQ 以太网机箱配用，用物理量代替电量测量，属于非电量测量法。

1.2 材料测试软件自动化系统

基于LabVIEW的虚拟仪器技术，功能强大[5]。软件主要功能有：（1）数据采集。包括开始、停止、退出、窗口长度、拉力值；（2）数据分析。包括打开离线数据分析、保存/记录采集数据、拷贝窗口信号、信号处理，其中信号处理包括：重获取原始信号、去趋势、滤波设计、信号滤波、FFT频谱；（3）存储采集数据；（4）阻尼识别。包括信号截取、对数衰减法、HT包络法；（5）结果分析与存储。软件系统功能如图2所示。

2 实验及结果分析

2.1 不同类型材料测试

在材料测试机上对三种不同邵氏硬度的材料进行试验，分别是弹簧，硅胶泡棉，聚氨酯。对比弹簧，硅胶泡棉，聚氨酯三种材料的硬度，弹簧硬度小于硅胶泡棉，硅胶泡棉硬度小于聚氨酯。三种材料试件的阻尼识别结果如表2所示。为了抑制随机干扰和减少平稳随机信号的统计误差，对各试件的数据均经过重复试验10次作矢量线性平均得到。

从表2阻尼识别结果分析，不同材料反映着不同的固有频率频率，阻尼系数和阻尼比都随着材料邵氏硬度的增大而增大。阻尼参数越大的材料，表示它从瞬间力激励开始到静止时间历程快，指数衰减的系数也大。同时，截取自由振动衰减信号的不同峰值数，识别材料的阻尼参数都会有差异，阻尼通常表现出一定程度的非线性。

2.2 同一类型材料测试

2.2.1 同一硬度不同厚度材料测试

本次试验在某同一硬度条件下比较不同厚度聚氨酯材料的测试。表3为阻尼识别结果。

从表3阻尼识别结果分析，阻尼系数和阻尼比随着材料的厚度增加，刚开始呈现下降的趋势，而厚度再增加时，阻尼系数和阻尼比又开始呈现递增的趋势。分析原因是由于阻尼参数还受固有频率影响，故又呈现上升趋势，特别是阻尼比比较明显；综合分析得到，在一定材料厚度的范围内，厚度增加，阻尼参数会下降，而当厚度增大到超过某个范围时，阻尼参数又会上升，所以，阻尼参数往往呈现非线性。

2.2.2 同一厚度不同硬度材料测试

本次试验选取常用的聚氨酯隔振材料为例，研究其不同邵氏硬度条件下的阻尼参数，表4为不同硬度材料试件阻尼系数和阻尼比的识别结果。

在保证其他实验条件一致的情况下，只改变材料的硬度，随着硬度的递增，阻尼越大，振动衰减越快。由表4不同硬度聚氨酯材料阻尼识别结果，阻尼系数随着硬度增加明显上升，但阻尼比受阻尼固有频率影响，阻尼比虽也是上升的趋势，但上升趋势没有阻尼系数明显。

3 实验结论

（1）对材料性能参数进行了深入研究，并结合不同的参数识别方法，精确地对阻尼参数进行了估计。不同的材料从受瞬间激振动到静止历程，衰减时间快慢不同，阻尼参数不同；

（2）基于虚拟仪器技术，搭配各项硬件设备，采用高精度的数据采集方法，与开发的自动化测试软件，实时高效地对不同隔振材料的阻尼性能进行测试，为材料的隔振性能提供依据；

（3）本研究工作提出了更合理的实验方法和数据处理方法，降低减振设计过程的试验工作量、提高减振设计效果。

参考文献

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

[2]徐丰辰，李洪林，刘福.浅谈汽车用阻尼材料阻尼系数的测试方法[J].汽车工艺与材料技.2008（8）：63-67.

[3]姚天任，江太辉.数字信号处理（第3版）[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.

[4]宋雪臣，单振清.数字电子技术与应用[M].北京：北京大学出版社，2011.

[5]江建军，孙彪.LabVIEW程序设计教程（第2版）[M].北京：电子工业出版社，2012.