賽為斯聲學大講堂丨隔振與減振的差異

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賽為斯聲學大講堂丨隔振與減振的差異

文章出處：技術資訊網責任編輯admin 閱讀量：發表時間：2020-12-25 09:47

一般而言，解決振動問題可從兩方面考慮：一是，必須防止振動能量在振源和輻射能量的表面之間的傳遞；二是，必須分散或減弱機器結構中某處的能量。前者稱為隔振，后者稱為減振。
01隔振
隔振 (vibration isolation) 就是將振動源與基礎或其他物體的剛性連接改成彈性連接，以隔絕或減弱振動能量的傳遞，從而實現減振降噪的目的。

圖1 隔振裝置示意圖

如圖1(a) 所示，機械設備與地基之間是近剛性的連接，當設備運轉若產生一個干擾力F=F0sinωt 時，這個干擾力便會百分之百地傳給地基，由地基向四周傳播。如果將設備與地基的連接變成彈性連接，如圖1(b) 那樣，由于彈性裝置的隔振作用，設備產生的干擾力便不再全部傳遞給地基，只傳遞一部分或完全被隔絕。由于振動傳遞被隔絕了，固體聲被降低，因而也就收到了降低噪聲的效果。

圖2 彈性支承模型

圖2中的模型，激振力為F，則其運動方程為：

設系統傳到地面上的力為Ft，則Ft 可用F 表示為

上式中阻尼比ξ 的變化范圍為0≤ξ＜1，η 為頻率比，用下式表示：

式中，f、ω 為振動頻率；f0、ωn 為固有振動頻率。傳導力Ft 與激振力F 之比叫傳振系數 (vibration transmission coefficient)，用下式表示：

傳振系數是表征隔振效果的物理量，系數T 越小，說明通過隔振元件傳遞過去的力越小，因而隔振效果越好。因此，所謂隔振問題就是如何設計適當的裝置，取得較小的T 值的問題。在無阻尼情況下（即ξ＝0），由上式得傳振系數為T=|1/(1+h²)|；而在阻尼情況下，同樣由上式得傳振系數為T=√1+(2xh)²/(1-h²)²+(2xh)²，T 與阻尼比ξ、頻率比η 之間的關系曲線如圖3所示。由圖3可以較為直觀地得到以下結論：
第一，欲得好的隔振效果，必須使頻率比h>√2，并且當η 比√2大得越多時，隔振效果越好，因此必須設計較低的固有頻率fn，一般目標是f/f0＝2.5～5；
第二，如果激振頻率f 比較低，或者因其它原因無論如何也只能做到h<√2時，此時可采取增加阻尼來限制激振力的放大作用。
根據隔振原理，凡是能支承運轉設備動力負載，又有良好彈性的材料或裝置，均可用作隔振材料或隔振元件。工程上常用的隔振材料（或隔振元件）主要有金屬彈簧、橡膠、軟木、毛氈、空氣彈簧、泡沫塑料等，此處不再一一介紹。

圖3 傳振系數與阻尼比和頻率比的關系

02減振
金屬薄板振動，如空氣動力機械的管壁、機器的外殼、車體和船體等，一般均由薄金屬板制成。當設備運行時，這些薄板都會產生振動，進而輻射噪聲，像這類由金屬板結構振動引起的噪聲稱為結構噪聲。對于這種金屬板輻射噪聲的有效控制方法，一是在設計上盡量減少其噪聲輻射面積，去掉不必要的金屬板面；二是在金屬結構上涂敷一層阻尼材料，利用阻尼材料抑制結構振動、減少噪聲，這種方法我們稱為阻尼減振 (vibration damping)。
阻尼是指阻礙物體作相對運動，并把運動能量轉變為熱能的一種作用。一般金屬材料，像鋼、鋁、銅等固有阻尼都小，所以，常常通過外加阻尼材料的方法來增大阻尼。阻尼在抑制振動過程中的主要作用有：衰減沿結構傳遞的振動能量；減弱共振頻率附近的振動。
那什么是阻尼材料呢？阻尼材料就是一些內損耗、內摩擦大的粘滯性材料，如瀝清、軟橡膠以及其他一些高分子涂料。采取阻尼措施之所以能夠降低噪聲，其機理在于：
減弱了金屬板彎曲振動的強度。當金屬發生彎曲振動時，其振動能量迅速傳給緊密涂貼在薄板上的阻尼材料，引起阻尼材料內部的摩擦和互相錯動。由于阻尼材料的內損耗內摩擦大，使相當部分的金屬板振動能量變成熱能而耗散掉，從而減弱了薄板的彎曲振動。
縮短了薄板被激振后的振動時間。在金屬薄板受撞擊而輻射噪聲時（如敲鑼）更為明顯。比如不加阻尼材料的金屬薄板受撞擊后，要振動2s才停止；而涂上阻尼材料的金屬薄板受同樣大小的撞擊力，振動的時間要縮短很多，比如說只有0.1s 就停止了。許多心理聲學專家指出：50ms 是聽覺的綜合時間，如果發聲的時間小于50ms，人耳要感覺這聲音是困難的。金屬薄板上涂貼阻尼材料而縮短了激振后的振動時間，從而也就降低了金屬板輻射噪聲的能量，達到了控制噪聲的目的。
阻尼以阻尼容量ψ 度量。其定義是：振動系統每振動一個周期所損失的能量W ′與總的振動能量W 的比值，即Ψ＝W ′/W。表征阻尼性能最常用的量是損耗因數η，其定義是：在一個弧度中平均損失的能量與總能量的比值。η 與ψ 都是無量綱量，它們之間的關系為：

式中，ξ 為阻尼比，ξ＝C/Cc；C 為粘性阻尼系數；Cc 為臨界阻尼系數，即發生振動時所能容許的最大粘性阻尼系數。
最佳阻尼材料的選擇與振動物體的大小、質量、振動頻率、運行功能等因素有關，一般來說，選擇和使用阻尼材料時應考慮：
阻尼材料應該用在最易發生伸縮、彎曲或出現運動的振動表面部分，這些通常是最薄的部分；
對于單層阻尼材料，材料的性能和質量應該與振動表面的材料相匹配。這意味著單層阻尼材料應該比振動表面材料厚2～3倍。
三明治式的，由金屬板結合粘彈性的金屬復合材料所組成的夾層材料，比單層材料更能有效地抑制振動。金屬薄板限制層和粘彈性復合材料層的厚度，分別為振動表面材料厚度的1/3。
消除振動危害，除了在機械設備的基礎上安裝隔振器和在金屬薄板上涂敷阻尼材料以外，還有其它一些方法。如，對旋轉機械偏心引起的振動，可采取調整質量平衡的方法來消除；對振動機械設備，可在其周圍挖掘防振溝防振；對于機械設備在某一頻率上產生的激烈振動，可采用動力吸振器方法防振等等。

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