CN110426343A - 一种基于振动台的材料阻尼系数测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动台的材料阻尼系数测量方法与装置，涉及材料测量领域，目的是利用信号发生器发出稳态频率电压使振动台有激励力，激励力使材料在不同加载力下产生动态位移响应曲线，根据信号发生器激励信号信息与材料动态响应的信息计算出材料阻尼系数，同时所设计测量装置方便装调与加载压力；本发明包括激振器、施加压力的横梁、夹持在上固定压板与下固定压板之间的试件；上固定压板上装有激光位移传感器；下固定压板装有压力传感器，通过信号采集器采集信号反馈到计算机解算出材料的阻尼系数。本发明不仅测量阻尼系数精确、测量稳定性高，还具有装夹简单、便于加载压力，适用于各类阻尼材料的测试分析。

Description

一种基于振动台的材料阻尼系数测量方法与装置

技术领域

本发明涉及材料阻尼系数测量领域，具体涉及一种基于振动台在各频率范围内与材料在不同加载力下，测量非线性阻尼材料阻尼系数的方法与装置。

背景技术

阻尼材料具有一定的变形耗能特性,阻尼系数η的测定是阻尼材料减震降噪性能是否达标的重要依据，被广泛的用于汽车制造、航空航天制造、大型设备制造等领域控制由环境随机噪声激励产生的振动与噪声。阻尼系数的测定与被隔振设备的隔振性能直接相关，但阻尼系数不能通过设备直接测量，需要由其他测量结果间接得出。因此在设备减震降噪的实际工程中，如何实现材料阻尼系数的测定是确保设备能正常运作的前提。

目前对阻尼系数的测试一般采用四种方案。第一种通过液压试验机与电子万能试验机测试阻尼系数，但是只适合具有较大位移的材料阻尼系数地静态测量；第二种是通过具有高频拉压的疲劳试验机，但也只适用于如橡胶类的大位移阻尼材料阻尼系数的动态测试；第三种是通过力锤运用自由衰减的方法测定材料阻尼系数，但是该方法的测量效率低且测量误差大；第四种是通过激振器于其他传感器测定，主要运用悬臂梁法、自由梁法与阻抗法对阻尼系数测量，但该类方法不适于测量高硬度的非线性材料阻尼系数且测量系统也不能实现对材料加载力。

高阻尼值、高硬度的材料具有一个非常特别的吸能特性,采用上述的四种方法进行试验,因为试验方式使得其作用到被测材料上的力会被大量的吸收后进行衰减,使得传感器在测试到的信号失真,不能真实的反应出材料的性能特性,而且目前试验一般都采用一个双信号传感器进行信号采集,通过一个信号采集后进行数据分析计算,这种方式在普通材料的试验中适合,但是对于具有高吸能特性的材料这种信号处理方式明显具有较大的误码.因此现有的试验方式不适用对于高吸能材料的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的试验装置，通过改变试验装置给予试验材料施加的不同作用力，通过不同位置的传感器进行信号的采集，测试在不同压力下试件的阻尼值大小。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于振动台的材料阻尼系数测量装置，包括：

两个激振器地基和设置在地基之间的激振器，激振器上方设置有水平的横梁，所述横梁的两端各自连接到一个激振器地基上，

所述横梁上固定设置有上压板，激振器上固定设置有下压板，上压板与下压板之间为被测试件，

所述上压板上设置有位移传感器，所述下压板上设置有压力传感器，

信号发生器输出信号到激振器和控制系统，传感器通过信号采集器输入到控制系统。

在上述技术方案中，所述水平横梁相对于激振器的高度可调，所述激振器的位置高度不变。

在上述技术方案中，所述水平横梁与激振器地基之间为刚性连接，通过水平横梁相对于激振器不同的高度实现对上压板施加不同的压力。

本发明还提供一种基于振动台的材料阻尼系数测量方法，

步骤一：将上压板、被测试件和下压板固定连接在水平横梁与激振器之间，调节水平横梁相对于激振器的高度，使得水平横梁施加一个压力到被测试件上；

步骤二：由压力传感器测得试件上的压力为F，位移传感器测得上压板与下压板之间的距离为A；

步骤三：由信号发生器发出一个信号m(t)到激振器，激振器产生激励力M(t)由压力传感器测得，激励力使得试件产生动态位移响应δ(t)由位移传感器测得，通过计算获得动态的位移响应δ(t)相对于激励力M(t)的滞后角α；

步骤四：根据滞后角α数值是试件动刚度W′实部与虚部的反正切计算出试件材料的阻尼系数：

其中：η为试件的阻尼系数，Im(W′)为W′的虚部，Rm(W′)为W′的实部。

在上述技术方案中，所述滞后角由下式计算获得：

上式中M_m为激励信号峰值，ω为正弦信号的角频率，δ_m为动态位移响应的信号峰值，t为响应时间，α为响应的滞后角度。

在上述技术方案中，所述试件的刚度由下式计算获得：

上式中W＝M_m/δ_m为试件的同步响应动刚度。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明设计的承力结构固定装置，不仅可以测得非线性材料试件阻尼系数，还可以测定在不同压力下的材料的阻尼系数；

本发明由于只需两只传感器测量数据就可计算出材料的阻尼系数，提高了分析处理速度与简化了测量设计方案，两个传感器的不同位置的设计对于数据获取的准确性相比现有的方式明显具有更加准确；

本发明由于设计的固定装置与激振器可调节连接，降低了调试与应用时的装夹要求，更具工程实用价值。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是基于振动台的材料阻尼系数测量装置整体结构图；

图2是基于振动台的材料阻尼系数测量装置整体安装示意图；

图3是基于振动台的材料阻尼系数测量装置试件安装示意图；

其中：1、上固定压板；2、下固定压板；3、横梁；4、调整螺杆；5、试件；6、激振器地基；7、激振器；8、放大器；9、信号发生器；10、激光位移传感器；11、压力传感器；12、信号调理放大器；13、信号采集器；14、控制解算计算机。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1、图2、图3所示，本实施例测量装置包括两个激振器地基6、一个激振器7、设置在激振器上方的横梁3、在横梁3与激振器7之间连接有上压板1、下压板2以及在上下压板之间的被测试件5，安装在上压板上的激光位移传感器10和安装在下压板上的压力传感器11。

本实施例中，激振器属于大型设备，相对的激振器地基也属于不可动的固定建筑。横梁通过支撑调整螺杆连接到激振器地基上。因为激振器的高度是恒定不变的，而上下压板是设置在横梁与激振器之间的，因此通过改变横梁相对于激振器的高度可以调整横梁施加到上压板上的作用力。因此本实施例中的调整螺杆可以调整横梁相对于激振器的上下高度，从而实现施加作用力的改变。这种结构的设计，改变传统的力锤的结构形式，可以使得测试过程中准确的测量激励力的曲线函数，确保试验的精度。

在本实施例中，与现有技术不同采用了两只传感器，一个传感器只测压力、一个传感器只测位移。而且压力传感器设置在下压板上，可以直接测量出作用到被测试件上压力以及由激振器传递过来的激励力。避免现有技术中作用力通过激振器衰减后才能获取的弊端。

如图2所示，通过信号发生器9产生一稳定的正弦波信号，发送到信号给放大器8，再将信号传递到激振器7产生正弦稳态电压的激振力；

上固定压板1与下固定压板2安装在横梁3上，横梁3固连在激振器地基6上，试件5安装在有通过调整调整螺杆4预先加载的一定的压力的上固定压板1与下固定压板2之间，并通过下固定压板2上的压力传感器测量出其初始压力值，其作用不仅可以方便装夹与固定试件5，还可以通过调整螺杆4加载不同压力。

由激振器7的激振力作用在下固定压板2上，给试件5一个稳态激励力，试件5受激励力后产生一个动态的位移响应。

安装在上固定压板1上的激光位移传感器10与安装在下固定压板2上的压力传感器11测量试件5受激励力后产生一个动态的位移响应信息与激振力信息，并把测量信息通过调理放大器12、信号采集器13反馈到控制解算计算机14，显示出采集到两传感器的动态响应曲线，最终解算出材料的阻尼系数。

本实施例中，具体的阻尼系数的计算过程为：

首先把试件安装在上下固定压板间，然后承力结构固定装置固定在激振器的激振器地基上，调整调整螺杆给材料施加压力F，F由压力传感器测得，同时可由激光位移传感器测得上下固定压板的距离A。信号发生器发出一个信号m(t)，通过信号放大器到激振器的激振器一个正弦稳态电压的激励力M(t)，此时的激励曲线可由压力传感器测得。激励力M(t)作用在下固定板上，由于试件与下固定板固连，就会使得试件产生一个动态的位移响应δ(t)，此时动态的位移相应曲线可由激光位移传感器测得。将压力传感测出的激励力M(t)的曲线与激光位移传感器测出的δ(t)的曲线测量信息通过调理放大器、信号采集器反馈到控制解算计算机，显示出采集到两传感器的动态响应曲线。实际状态下，阻尼材料存在阻尼耗能，激励力M(t)与动态的位移响应δ(t)不能保持相同的相位，动态的位移响应δ(t)总是滞后于激励力M(t)，有一定的滞后角，其计算公式表达如下：

上式中M_m为激励信号峰值，ω为正弦信号的角频率，δ_m为动态位移响应的信号峰值，t为响应时间，α为响应的滞后角度。

由于阻尼材料的特性即滞后角的存在，需用复数的形式表达动刚度，试件的动刚度W′可由下面公式求得：

上式中W＝M_m/δ_m为试件的同步响应动刚度，α为激励响应的滞后角度。滞后角数值上是为试件动刚度实部与虚部的反正切值，其含义就是试件材料的阻尼系数，在实际的工程中一般用η来表示：

式中η为试件的阻尼系数，Im(W′)为W′的虚部，Rm(W′)为W′的实部。

因此，最后通过计算机对测得的曲线信息进行分析和处理，便可实现对阻尼材料阻尼系数的测定与显示。

本实施例中因为横梁的高度是可以通过调节螺杆进行调节的，因此对于压力F是可以变化的，因此本实施例可以测出在不同压力情况下的材料阻尼系数。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (6)

1.一种基于振动台的材料阻尼系数测量装置，其特征在于包括：

两个激振器地基和设置在地基之间的激振器，激振器上方设置有水平的横梁，所述横梁的两端各自连接到一个激振器地基上，

所述横梁上固定设置有上压板，激振器上固定设置有下压板，上压板与下压板之间为被测试件，

所述上压板上设置有位移传感器，所述下压板上设置有压力传感器，

信号发生器输出信号到激振器和控制系统，传感器通过信号采集器输入到控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动台的材料阻尼系数测量装置，其特征在于所述水平横梁相对于激振器的高度可调，所述激振器的位置高度不变。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于振动台的材料阻尼系数测量装置，其特征在于所述水平横梁与激振器地基之间为刚性连接，通过水平横梁相对于激振器不同的高度实现对上压板施加不同的压力。

4.一种基于振动台的材料阻尼系数测量方法，其特征在于：

步骤一：将上压板、被测试件和下压板固定连接在水平横梁与激振器之间，调节水平横梁相对于激振器的高度，使得水平横梁施加一个压力到被测试件上；

步骤二：由压力传感器测得试件上的压力为F，位移传感器测得上压板与下压板之间的距离为A；

步骤三：由信号发生器发出一个信号m(t)到激振器，激振器产生激励力M(t)由压力传感器测得，激励力使得试件产生动态位移响应δ(t)由位移传感器测得，通过计算获得动态的位移响应δ(t)相对于激励力M(t)的滞后角α；

步骤四：根据滞后角α数值是试件动刚度W′实部与虚部的反正切计算出试件材料的阻尼系数：

其中：η为试件的阻尼系数，Im(W′)为W′的虚部，Rm(W′)为W′的实部。

5.根据权利要求4所述的一种基于振动台的材料阻尼系数测量方法，其特征在于所述滞后角由下式计算获得：

上式中M_m为激励信号峰值，ω为正弦信号的角频率，δ_m为动态位移响应的信号峰值，t为响应时间，α为响应的滞后角度。

6.根据权利要求5所述的一种基于振动台的材料阻尼系数测量方法，其特征在于所述试件的刚度由下式计算获得：

上式中W＝M_m/δ_m为试件的同步响应动刚度。