第十章.阻尼減振降噪技術(shù)

第十章．阻尼減振降噪技術(shù)教學(xué)目的1.隔振及其原理(C：理解)2.阻尼降噪及其原理(C：理解)3.阻尼降噪的量度(B：識記)4.阻尼材料和結(jié)構(gòu)的特性及選用(B：識記)B、教學(xué)重點隔振原理、阻尼降噪原理及其量度、阻尼材料和結(jié)構(gòu)的特性及選用。C、教學(xué)難點阻尼降噪原理及其量度、阻尼材料和結(jié)構(gòu)的特性及選用。D、教學(xué)用具多媒體——幻燈片E、教學(xué)方法講授法F、課時安排2課時G、教學(xué)過程聲波起源于物體的振動，物體的振動除了向周圍空間輻射在空氣中傳播的聲(稱”空氣聲”)外，還通過其相連的固體結(jié)構(gòu)傳播聲波，簡稱“固體聲”，固體聲在傳播的過程中又會向周圍空氣輻射噪聲，特別是當(dāng)引起物體共振時，會輻射很強(qiáng)的噪聲。振動除了產(chǎn)生噪聲干擾人的生活、學(xué)習(xí)和健康外，特別是1~100Hz的低頻振動，直接對人有影響。長期暴露于強(qiáng)振動環(huán)境中，人的機(jī)體將受到損害，機(jī)械設(shè)備或建筑結(jié)構(gòu)也會受到破壞。對于振動的控制應(yīng)從以下兩方面采取措施：一是對振動源進(jìn)行改進(jìn)以減弱振動強(qiáng)度；二是在振動傳播路徑上采取隔振措施，或用阻尼材料消耗振動的能量并減弱振動向空間的輻射。從而，直接或間接地使噪聲降低。一.振動對人體的危害從物理學(xué)和生理學(xué)角度看，人體是一個復(fù)雜系統(tǒng)。如果把人看作一個機(jī)械系統(tǒng)。振動的干擾對人、建筑物及設(shè)備都會帶來直接的危害。振動對人體的影響可分為全身振動和局部振動：全身振動是指人直接位于振動體上時所受的振動；局部振動是指手持振動物體時引起的人體局部振動?？陕犅暤念l率范圍為20～20000Hz，而人能感覺到的振動頻率范圍為1～100Hz。振動按頻率范圍分為低頻振動(30Hz以下)、中頻振動(30-100Hz)和高頻振動(100Hz以上)。實驗表明人對頻率為2—12Hz的振動感覺最敏感。對于人體最有害的振動頻率是與人體某些器官固有頻率相吻合(即共振)的頻率。這些固有頻率是：人體在6Hz附近；內(nèi)臟器官在8Hz附近；頭部在25Hz；神經(jīng)中樞則在250Hz左右。低于2Hz的次聲振動甚至有可能引起人的死亡。人對振動反應(yīng)的敏感度按頻率和振幅大小，大致分為6個等級，見圖10-1。(P203)振動的影響是多方面的，它損害或影響振動作業(yè)工人的身心健康和工作效率，干擾居民的正常生活，還影響或損害建筑物、精密儀群和設(shè)備等。根據(jù)人體對某種振動刺激的主觀感覺和生理反應(yīng)的各項物理量，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和一些國家推薦提出了不少標(biāo)準(zhǔn)，主要包括局部振動標(biāo)準(zhǔn)(ISO5349-1981,P203)、整體振動標(biāo)準(zhǔn)(ISO2631-1978,P204)和環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)(GB10070-88,P205)。局部振動標(biāo)準(zhǔn)(ISO5349-1981):如人的手所感受的振動。整體振動標(biāo)準(zhǔn)(ISO2631-1978):振動對人體的作用取決于：振動強(qiáng)度、頻率、方向、暴露時間4個因素。環(huán)境振動標(biāo)準(zhǔn)(GB10070-88):主要針對各種機(jī)械設(shè)備、交通運輸工具和施工機(jī)械所產(chǎn)生的振動，以及城市區(qū)域環(huán)境振動污染。二.阻尼材料及其阻尼性能評價指標(biāo)衡量阻尼材料的阻尼性能主要是根據(jù)阻尼材料的損耗因子、振動頻率、振幅三要素。其中，又以阻尼材料的損耗因子作為一般比較對比的主要因素：目前表征材料阻尼性能的參量較多，其中還有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，Tg是否與使用環(huán)境溫度相適應(yīng)是選擇阻尼材料的關(guān)鍵。最常使用的度量參量比阻尼能力、相位差角正切tan、對數(shù)衰減率和品質(zhì)因子的倒數(shù)１／Q等；常用阻尼性能的表征參量有(阻尼材料損耗因子)復(fù)合結(jié)構(gòu)損耗因子η(即單位弧度的阻尼容量：為每單位弧度的相位變化的時間內(nèi)，內(nèi)損耗的能量與系統(tǒng)的最大彈性勢能之比。)、阻尼比以及損失能量與存儲能量之比M2／M1；這些參量在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換，當(dāng)阻尼值較小，即tan<0.1時，/2＝＝tan=/=Q-1=η=2=M2／M1①粘性阻尼系數(shù)C即阻尼力與振動速度之比。②臨界阻尼系數(shù)CC即共振時所能容許的最大粘性阻尼系數(shù)。③阻尼比ξ=C/CC阻尼系數(shù)C與臨界阻尼系數(shù)CC之比。④阻尼容量ψ即每振動一個周期所損失的能量與系統(tǒng)的最大彈性勢能之比。三.隔振及其原理研究環(huán)境振動防治前，必須先弄清環(huán)境振動的傳播途徑和規(guī)律，才能制定的防治對策和控制方法。下圖(P206)為環(huán)境振動的傳播過程。在環(huán)境保護(hù)中遇到的振動源主要有：工廠振源(往復(fù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械、傳動軸、電磁振動等)，交通振源(汽車、機(jī)車、路軌、路面、飛機(jī)、氣流等)，建筑工地(打樁、攪拌、風(fēng)鎬、壓路機(jī)等)以及大地脈動及地震等；傳遞介質(zhì)主要有：地基地坪、建筑物、空氣、水、道路、構(gòu)件設(shè)備等；接受者除人群外，還包括建筑物及儀器設(shè)備等。振動控制的基本方法根據(jù)振動的性質(zhì)及其傳播的途徑，振動的控制方法可歸納為三類：①減少振動源的擾動振動的主要來源是振動源本身的不平衡力引起的對設(shè)備的激勵。減少或消除振動源本身的不平衡力(即激勵力)，從振動源來控制，改進(jìn)振動設(shè)備的設(shè)計和提高制造加工裝配精度，使其振動最?。亲钣行У目刂品椒ā＠?，鼓風(fēng)機(jī)、高壓水泵、蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械，大多屬高速旋轉(zhuǎn)類，每分鐘在于轉(zhuǎn)U上，其微小的質(zhì)量偏心或安裝間隙的不均勻常帶來嚴(yán)重的危害。為此，應(yīng)盡可能調(diào)好其靜、動平衡，提高其制造質(zhì)量，嚴(yán)格控制安裝間隙，以減少其離心偏心慣性力的產(chǎn)生。性能差的風(fēng)機(jī)往往是動平衡不佳，不僅振動厲害，還伴有強(qiáng)烈的噪聲。②防止共振振動機(jī)械激勵力的振動頻率．若與設(shè)備的固有頻率一致，就會引起共振，使設(shè)備振動得更厲害。起了放大作用，其放大倍數(shù)可有幾倍到幾十倍。共振帶來的破壞和危害是十分嚴(yán)重的。本工機(jī)械中的鋸、刨加工，不僅有強(qiáng)烈的振動，而且常伴隨殼體等共振，產(chǎn)生的抖動使人難以承受，操作者的手會感到麻木。高速行駛的載重卡車、鐵路機(jī)車等，往往使較近的居民樓房等產(chǎn)生共振，在某種頻率下，會發(fā)生樓面晃動，玻璃竄強(qiáng)烈抖動等。歷史上贊發(fā)生過幾次嚴(yán)重的共振事故，如美國Tacoma峽谷懸索吊橋，長853m，寬12m左右，1940年固風(fēng)災(zāi)(8級大風(fēng))襲擊，發(fā)生了當(dāng)時難以理解的振動．引起共振，歷時1h，使笨重的鋼橋翻騰扭曲，量后在可怕的斷裂聲中整個吊橋徹底毀壞。因此，防止和減少共振響應(yīng)是振動控制的一個重要方面。控制共振的主要方法有：改變設(shè)施的結(jié)構(gòu)和總體尺寸或采用局部加強(qiáng)法等，以改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率；改變機(jī)器的轉(zhuǎn)速或改換機(jī)型等以改變振動源的擾動頻率；將振動源安裝在非剛性的基礎(chǔ)上以降低共振響應(yīng)；對于一些薄殼機(jī)體或儀器儀表柜等結(jié)構(gòu)，用粘貼彈性高阻尼結(jié)構(gòu)材料增加其阻尼，以增加能量逸散，降低其振幅。③采用隔振技術(shù)振動的影響，特別是對于環(huán)境來說，主要是通過振動傳遞來達(dá)到的，減少或隔離振動的傳遞，振動就得以控制。采用大型基礎(chǔ)來減少振動影響是最常用最原始的方法。根據(jù)工程振動學(xué)原則合理地設(shè)計機(jī)器的基礎(chǔ)，可以減少基礎(chǔ)(和機(jī)器)的振動和振動向周圍的傳遞。根據(jù)經(jīng)驗，一般的切削機(jī)床的基礎(chǔ)是自身重量的1-2倍，而特殊的振動機(jī)械如鍛沖設(shè)備則達(dá)到設(shè)備自重的2-5倍，更甚者達(dá)10倍以上。在振動機(jī)械基礎(chǔ)的四周開有一定寬度和深度的溝槽——防振溝，里面填充松軟物質(zhì)(如木屑等)或不填，用來隔離振動的傳遞，這也是以往常采用的隔振措施之一。在設(shè)備下安裝隔振元件——隔振器，是目前工程上應(yīng)用最為廣泛的控制振動的有效措施。安裝這種隔振元件后，能真正起到減少振動與沖擊力的傳遞的作用，只要隔振元件選用得當(dāng)，隔振效果可在85％-90％以上，而且可以不必采用上面講的大型基礎(chǔ)。對一般中、小型設(shè)備，甚至可以不用地腳螺釘和基礎(chǔ)，只要普通的地坪能承受設(shè)備的靜負(fù)荷即可。隔振原理研究機(jī)器設(shè)備振動力傳遞給基礎(chǔ)的基本模型是一個單自由度系統(tǒng)。雖然實際振動控制系統(tǒng)可能很復(fù)雜，但單自由度系統(tǒng)的分析概念和隔振原理卻是理解和解決復(fù)雜問題的基礎(chǔ)，其方法也大體相同。下右圖是一個單自由度振動系統(tǒng)模型。振動系統(tǒng)的主要參量是質(zhì)量M、彈簧K、阻尼δ，外激勵力F，y表示振動在y方向的位移，根據(jù)牛頓第二定律系統(tǒng)的運動方程為：式中：：慣性力：粘滯阻尼力：彈性力：設(shè)定外力為簡諧力：力阻抗則可解得：：振動波形(振幅隨時間的變化曲線)：最大振幅結(jié)論：①影響振動波的因素主要和振動體的固有頻率、阻尼減振結(jié)構(gòu)或材料相關(guān)。②阻尼系統(tǒng)中，振動波形公式第一項會消減，外有激勵力的影響決定振動達(dá)到穩(wěn)態(tài)振動(規(guī)律性)的持續(xù)時間(即振動波形公式第二項)。③振動是與時間、振幅、固有頻率相關(guān)量，也是與振動體系中剛彈性能、阻尼性能相關(guān)的量。隔振的力傳遞率力傳遞率Tf定義為通過隔振裝置傳遞到基礎(chǔ)上的力Ff的幅值Ff0與作用于振動系統(tǒng)上的激勵力的幅值F0之比。式中：：阻尼比(阻尼因子)結(jié)論：①時，無隔振作用；②時，放大振動作用；③時，有隔振作用；四、阻尼降噪及其原理阻尼是指阻礙物體的相對運動，并把運動能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿囊环N作用。阻尼材料是具有內(nèi)損耗、內(nèi)摩擦的材料，如瀝青、軟橡膠以及其它一些高分子涂料。阻尼降噪即在振動結(jié)構(gòu)上涂上或粘附上一層內(nèi)摩擦阻力大的阻尼材料來抑振，降低輻射噪聲。4.1.阻尼材料的阻尼能力大小評價指標(biāo)①粘性阻尼系數(shù)C即阻尼力與振動速度之比。②臨界阻尼系數(shù)CC即共振時所能容許的最大粘性阻尼系數(shù)。③阻尼比ξ即ξ=C/CC。④阻尼容量ψ即每振動一個周期所損失的能量與系統(tǒng)的最大彈性勢能之比。⑤損耗因子η即單位弧度的阻尼容量。4.2.附加阻尼的常用方法自由阻尼層結(jié)構(gòu)（阻尼材料被壓縮變形）:既無任何剛性結(jié)構(gòu)材料的貼附或約束。自由阻尼層結(jié)構(gòu)損耗因子：一般涉及參量有：E1、E2——分別為基材和阻尼材料的彈性模量，η2——阻尼材料損耗因子，d1、d2——分別為基材和阻尼材料的厚度。約束阻尼層結(jié)構(gòu)（阻尼材料被剪切變形）：指有剛彈性材料的粘附或約束。一般涉及參量同上，E3、η3分別是約束層的彈性模量和損耗因子。四、阻尼降噪的量度阻尼材料的阻尼系數(shù)、聲阻抗、聲壓級的為指標(biāo)的降噪量。五、阻尼材料和結(jié)構(gòu)的特性及選用粘彈性阻尼材料動態(tài)性能主要指復(fù)剪切模量實部GD（或復(fù)楊氏模量實部ED）和材料損耗因子η。影響粘彈性阻尼材料動態(tài)性能（GD和η）的主要因素有①溫度；②頻率；③施加在材料上的預(yù)應(yīng)力和動態(tài)應(yīng)力幅；④試件形狀。其中溫度和頻率為最主要因素。（1）當(dāng)頻率、應(yīng)力幅固定的情況下，ED隨溫度上升單調(diào)下降，η隨溫度變化出現(xiàn)一個極大值ηmax，這時的溫度稱為玻璃態(tài)溫度（Tg）。（2）當(dāng)溫度固定時，ED隨頻率增加單調(diào)上升，而η在某一頻率下有最大值。根據(jù)粘彈性阻尼材料的溫度和頻率特性，結(jié)合所需抑振的頻率要求，在選用該類阻尼材料時應(yīng)特別注意其溫度和頻率指標(biāo)是否合適，同時應(yīng)注意ηmax時的ED值。H、板書對于振動的控制應(yīng)從以下兩方面采取措施：一是對振動源；二是在振動傳播路徑上采取隔振措施。一.振動對人體的危害二.阻尼材料及其阻尼性能評價指標(biāo)三.隔振及其原理振動控制的基本方法隔振原理隔振的力傳遞率四、阻尼降噪及其原理4.1.阻尼材料的阻尼能力大小評價指標(biāo)①粘性阻尼