浅谈隔振与减振的差异

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一般而言，解决振动问题可从两方面考虑：一是，必须防止振动能量在振源和辐射能量的表面之间的传递；二是，必须分散或减弱机器结构中某处的能量。前者称为隔振，后者称为减振。

01 隔振

隔振 (vibration isolation) 就是将振动源与基础或其他物体的刚性连接改成弹性连接，以隔绝或减弱振动能量的传递，从而实现减振降噪的目的。

图1 隔振装置示意图

如图1(a) 所示，机械设备与地基之间是近刚性的连接，当设备运转若产生一个干扰力F=F0sinωt 时，这个干扰力便会百分之百地传给地基，由地基向四周传播。如果将设备与地基的连接变成弹性连接，如图1(b) 那样，由于弹性装置的隔振作用，设备产生的干扰力便不再全部传递给地基，只传递一部分或完全被隔绝。由于振动传递被隔绝了，固体声被降低，因而也就收到了降低噪声的效果。

图2 弹性支承模型

图2中的模型，激振力为F，则其运动方程为：

设系统传到地面上的力为Ft，则Ft 可用F 表示为

上式中阻尼比ξ 的变化范围为0≤ξ＜1，η 为频率比，用下式表示：

式中，f、ω 为振动频率；f0、ωn 为固有振动频率。传导力Ft 与激振力F 之比叫传振系数 (vibration transmission coefficient)，用下式表示：

传振系数是表征隔振效果的物理量，系数T 越小，说明通过隔振元件传递过去的力越小，因而隔振效果越好。因此，所谓隔振问题就是如何设计适当的装置，取得较小的T 值的问题。在无阻尼情况下（即ξ＝0），由上式得传振系数为T=|1/(1+h2)|；而在阻尼情况下，同样由上式得传振系数为T=√1+(2xh)2/(1-h2)2+(2xh)2，T 与阻尼比ξ、频率比η 之间的关系曲线如图3所示。由图3可以较为直观地得到以下结论：

  · 第一，欲得好的隔振效果，必须使频率比h>√2，并且当η 比√2大得越多时，隔振效果越好，因此必须设计较低的固有频率fn，一般目标是f/f0＝2.5～5；

  · 第二，如果激振频率f 比较低，或者因其它原因无论如何也只能做到h<√2时，此时可采取增加阻尼来限制激振力的放大作用。

根据隔振原理，凡是能支承运转设备动力负载，又有良好弹性的材料或装置，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）主要有金属弹簧、橡胶、软木、毛毡、空气弹簧、泡沫塑料等，此处不再一一介绍。

图3 传振系数与阻尼比和频率比的关系

02 减振

金属薄板振动，如空气动力机械的管壁、机器的外壳、车体和船体等，一般均由薄金属板制成。当设备运行时，这些薄板都会产生振动，进而辐射噪声，像这类由金属板结构振动引起的噪声称为结构噪声。对于这种金属板辐射噪声的有效控制方法，一是在设计上尽量减少其噪声辐射面积，去掉不必要的金属板面；二是在金属结构上涂敷一层阻尼材料，利用阻尼材料抑制结构振动、减少噪声，这种方法我们称为阻尼减振 (vibration damping)。

阻尼是指阻碍物体作相对运动，并把运动能量转变为热能的一种作用。一般金属材料，像钢、铝、铜等固有阻尼都小，所以，常常通过外加阻尼材料的方法来增大阻尼。阻尼在抑制振动过程中的主要作用有：衰减沿结构传递的振动能量；减弱共振频率附近的振动。

那什么是阻尼材料呢？阻尼材料就是一些内损耗、内摩擦大的粘滞性材料，如沥清、软橡胶以及其他一些高分子涂料。采取阻尼措施之所以能够降低噪声，其机理在于：

  · 减弱了金属板弯曲振动的强度。当金属发生弯曲振动时，其振动能量迅速传给紧密涂贴在薄板上的阻尼材料，引起阻尼材料内部的摩擦和互相错动。由于阻尼材料的内损耗内摩擦大，使相当部分的金属板振动能量变成热能而耗散掉，从而减弱了薄板的弯曲振动。

  · 缩短了薄板被激振后的振动时间。在金属薄板受撞击而辐射噪声时（如敲锣）更为明显。比如不加阻尼材料的金属薄板受撞击后，要振动2s才停止；而涂上阻尼材料的金属薄板受同样大小的撞击力，振动的时间要缩短很多，比如说只有0.1s 就停止了。许多心理声学专家指出：50ms 是听觉的综合时间，如果发声的时间小于50ms，人耳要感觉这声音是困难的。金属薄板上涂贴阻尼材料而缩短了激振后的振动时间，从而也就降低了金属板辐射噪声的能量，达到了控制噪声的目的。

阻尼以阻尼容量ψ 度量。其定义是：振动系统每振动一个周期所损失的能量W ′与总的振动能量W 的比值，即Ψ＝W ′/W。表征阻尼性能最常用的量是损耗因数η，其定义是：在一个弧度中平均损失的能量与总能量的比值。η 与ψ 都是无量纲量，它们之间的关系为：

式中，ξ 为阻尼比，ξ＝C/Cc；C 为粘性阻尼系数；Cc 为临界阻尼系数，即发生振动时所能容许的最大粘性阻尼系数。

最佳阻尼材料的选择与振动物体的大小、质量、振动频率、运行功能等因素有关，一般来说，选择和使用阻尼材料时应考虑：

  · 阻尼材料应该用在最易发生伸缩、弯曲或出现运动的振动表面部分，这些通常是最薄的部分；

  · 对于单层阻尼材料，材料的性能和质量应该与振动表面的材料相匹配。这意味着单层阻尼材料应该比振动表面材料厚2～3倍。

  · 三明治式的，由金属板结合粘弹性的金属复合材料所组成的夹层材料，比单层材料更能有效地抑制振动。金属薄板限制层和粘弹性复合材料层的厚度，分别为振动表面材料厚度的1/3。

消除振动危害，除了在机械设备的基础上安装隔振器和在金属薄板上涂敷阻尼材料以外，还有其它一些方法。如，对旋转机械偏心引起的振动，可采取调整质量平衡的方法来消除；对振动机械设备，可在其周围挖掘防振沟防振；对于机械设备在某一频率上产生的激烈振动，可采用动力吸振器方法防振等等。

来源：汽车NVH云讲堂微信公众号（ID：SGMW-NVH）