声学科普 | “阻尼材料”在减振降噪方面的应用

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随着现代工业的持续发展，产生剧烈振动的工具和大功率机械不断增多，各种机械设备在运转及工作过程中带来的振动危害也日益严重。为了减少这类振动和噪声给人们的生活和工作带来的影响，使用阻尼材料进行减振降噪成为了解决上述问题有效的手段之一。

那么，阻尼材料是一种什么材料？这个需要先从阻尼说起。

什么是阻尼

指任何振动系统在振动中，由于外界作用或系统本身固有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性。

从减振角度看，就是将机械振动的能量转变成热量和其他可消耗的能量，从而达到减振的目的。

阻尼示意图

而在振动物体产生高的共振振幅前，先将一部分振动能在自身中消耗，以达到减少振幅、降低振幅为目的的材料，我们统称为阻尼材料。

市面上，阻尼材料种类繁多，概括起来可分为以下几种：

  · 黏弹性阻尼材料（即高聚物阻尼材料）

  · 复合阻尼材料

  · 陶瓷类耐高温阻尼材料

  · 智能型阻尼材料

因不同阻尼材料的阻尼性能相差极大，大多数结构材料如金属材料的损耗因子较小，高聚物黏弹材料的损耗因子则较大。

高分子阻尼材料：Soundbox隔声毡

其中，高聚物阻尼材料作为一类新的功能材料，其阻尼性能比高阻尼合金要高出1-2个数量级。具有一定优势的阻尼性能，已广泛应用于民用建筑、尖端武器装备、航天飞行器、 航海、环境保护等各个方面。

那么，高聚物阻尼材料到底是一种怎样的材料，有什么作用？主要用在哪里？

什么是高聚物阻尼材料

高聚物阻尼材料是以高分子量的聚合物制成的一种高分子阻尼材料，也可以说聚合度很高的聚合物是高分子，属于功能性阻尼材料。

高聚合物是高分子，高分子不局限于聚合物

它是一种具有吸声、隔热、防振等功能，多用在使用温度、使用频率下有较大内耗峰的材料。如聚丙烯酸酯、聚氨酯、环氧树脂、丁基橡胶及丁腈橡胶等。

按使用方法可分喷涂型、自粘型和胶片型3种：

  · 喷涂型可直接通过喷涂或辊涂、刮涂的方式附着在结构基材表面上，如水性阻尼涂料；

  · 自粘型阻尼材料可直接粘在结构件表面；

  · 胶片型则用作垫片或用热压、涂施胶黏剂等方法粘接。

阻尼漆（图左）、阻尼隔声毡、阻尼减振垫

这种材料已在许多领域内得到应用，如降低民用建筑空间内的结构噪声，降低地铁车轮运行时的低频噪声，减少洲际导弹引爆装置的机械振动等。

列车高速行驶

阻尼材料的应用

从应用的发展和需求来看，阻尼材料对不断开发宽温域高阻尼性能的环境，具有越来越重要的意义。阻尼材料的应用，可分为以下3个层面：

1. 建筑空间方面

  · 近年来因撞击声（见空气声和撞击声）所形成的噪声干扰居民事件日益增多，原因是：

  · 城市人口的集中，建筑密度的增加，使一个振源所影响的家庭和人数随之增加；

  · 为了节约城市用地，建筑向高层发展，由于设备的增多及楼板密度不够，生活产生的撞击声的振源和危及面都在不断的扩大；

  · 人们生活水平的提高，家用电气设备增加，也带来了新的振源。

楼上撞击声

撞击声的隔绝有效途径：

  · 使振动源撞击楼板引起的振动减弱。这可以通过振动源治理和采取隔振措施来达到，也可在楼板表面铺设弹性面层来改善，如黏弹性阻尼材料。

  · 主要用来隔离通过建筑结构而传播的噪声。如家居、酒店、酒吧等场所墙体改造，有效降低楼板之间振动所产生的共振现象，有着显著的效果。

天花减振处理

2. 工业设施方面

工业噪音是机械设备运转时产生的噪声，主要以气流噪声、机械噪声和电磁噪声为主，这些噪声往往对人体具有一定的危害性。

为了解决设备噪声问题，防止机器通过基础层将振动传给其他建筑物，而将机器噪声辐射出去，影响到附近居民。通常采用的办法是防止机器与基础及其他结构件的刚性连接，此种方法称为减振。主要有以下2种形式：

  · 在机器和基础之间安装减振器，如橡胶、弹簧或空气减振器等；

  · 在机器和其他结构之间铺设具有阻尼特性的材料，如减振垫等。

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3. 军事设备方面

材料技术作为国家国防力量最重要的物质基础，其研究和开发对国防工业和武器装备的发展起着决定性的作用。

军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类，主要应用于航空航天工业和船舰工业中。

  · 阻尼材料在航空航天领域主要用于制造火箭、导弹、喷气机等控制盘或陀螺仪的外壳；

  · 在船舶工业中，阻尼材料用于制造推进器、传动部件和舱室隔板，有效地降低来自于机械零件啮合过程中表面碰撞产生的振动和噪声。

在未来的发展过程中，阻尼材料将会应用到更多的噪声环境里，为营造舒适安静的声环境提供有利保障。

来源：声博士微信公众号（ID：SoundboxAcoustic），作者：John L。