減小系統振動的措施。包括減小動態激勵,結構加固,不同振動方式之間的去耦、隔離和吸收,結構阻尼等。

  對由於某種條件而導致物體的振動或共振時,應採用改變振動源的動態激勵特性來減少振動。例如,對轉動的或往復運動的機械,主要是提高機器部件的精度,改善機器的慣性平衡等來達到減振的目的。

  結構單元的加固可減小它在承載時的變位元,提高它的共振頻率,提高結構體的強度。結構單元和部件的各防共振頻率與主要激激勵源主頻率等之間的解調,以及它們互相耦合的振動方式之間的去耦,都有助於減振。

  吸振系統 或稱吸振器,是由彈性元件與質量元件串聯組合而成,通常分為無源吸振器(被動式吸振器,簡稱吸振器)和有源(主動式)吸振器兩大類。調節吸振器的共振頻率到需要減振的系統的臨界頻率,則可達到控制振動的目的。吸振是控制振動系統有臨界頻率的振動的有效方法。

  吸振器的無阻尼固有頻率

式中Sma是吸振器彈性元件的力勁,Ma是其質量。

  如果吸振系統還具有阻尼,則稱為阻尼吸振器。當系統受到頻率變化的外力激勵時,會出現共振,此時,適當地調節阻尼吸振器的阻尼值則可以減小系統的振動振幅。阻尼過小,則共振振幅較大,阻尼過大,則質量元件與彈性元件幾乎成一體動作,隻出現一個共振峰,阻尼適當時,則無共振現象,曲線變得平緩,如圖1所示。圖中阻尼系數

。當外力頻率變化時, 應選擇阻尼系數為 的阻尼吸振器。阻尼吸振器中采用非線性彈簧,可以擴展阻尼吸振器的使用頻率的范圍。

  有源吸振器的工作原理如圖2所示。傳感器給出與激勵量成正比的反饋信號,經過信號處理器的處理並產生指令信號,而執行元件根據指令信號產生力或運動,以抵消待吸振的物體(接收器)上所受的激勵源的激勵,從而達到減振的目的。有源吸振器的反饋信號可以是位移、速度、加速度、差動力、差動壓力等。信號處理器可以是電子或流控元件網絡。執行元件可以是機械的、流體動力的可變彈性元件等。有源吸振器通常用於無源吸振器所不易控制的低頻振動,例如對精密儀器的減振,直升飛機中人員和儀表的減振,飛機駕駛員座位的減振等。

  結構體振動時常常會激發出各種振動方式,在結構體上施加阻尼處理,可以減小結構在共振頻率附近的振動,減少結構聲的傳播和輻射。

  阻尼起因之一是內摩擦。振動系統每振動一個周期所耗散的能理E′與總的振動能量E之比定義為阻尼容量,用Ψ表示,而Ψ2πηη稱為損耗因數。

  阻尼處理 就是利用阻尼材料的阻尼性能,把振動的機械能轉換為熱能,以達到減振的目的。阻尼處理主要分為自由層阻尼處理和約束層阻尼處理兩大類(圖 3)。自由層阻尼處理在振動時阻尼材料承受拉伸形變,通常,阻尼材料和待減振的結構的復合損耗因數 η0是與阻尼材料的損耗因數η及其和阻尼材料的彈性模量E的乘積ηE有關。為獲得好的減振效果,要求ηηE都要大。

  約束層阻尼處理在振動時阻尼材料(芯材)承受剪切形變,通常要求芯材具有高的切變模量和高的切變損耗因數。一般,約束層阻尼處理要比自由層阻尼處理效果好。非剛性結構受阻尼處理前後其振動特性的差別如圖4所示。可見,施加阻尼處理以後,各階共振頻率處的振動明顯減小瞭。

  阻尼材料 包括硬質的和軟質的,有高分子材料(如橡膠、塑料等),還有高阻尼合金、陶瓷等。高分子材料受溫度的影響較大,隨著溫度的上升,高分子材料由玻璃區轉變到轉換區,爾後,再轉變到橡膠區(即高彈區),在轉換區,材料具有最佳的阻尼性能。

  高阻尼合金自20世紀50年代初就已被人們所註意,當時主要研究Al與Zn的合金,後來研究Mg和Mg合金,60年代更多的是研究Mn-Cu合金和Ni-Ti合金,70年代以來高阻尼合金獲得瞭更廣泛的研究和應用,並出現不少新品種。高阻尼合金有雙晶型(由於熱彈性馬氏體相變,雙晶晶粒間界或母相和馬氏體相的相界的移動,引起靜態滯後或重力松弛),有鐵磁性型(疇壁的非可逆移動引起磁-機械的靜態滯後),有復合型(母相和第二相之間的界面的粘性流動或塑性流動),還有位錯型(由於位錯從雜質原子的固著點脫離而產生靜態滯後)等。從60年代開始,高阻尼合金已應用於如制造潛艇和魚雷的螺旋槳、火箭的姿態控制盤、陀螺儀的安裝架、汽輪機的葉片等許多軍用和民用設備。

  

參考書目

 C.M. Harris and C. E. Crede, ed., Shock and Vibration Handbook,2nd ed., McGraw-Hill,New York,1976.