阅读说明：本技术 一种软质隔音毡动态弹性模量测量装置 (Soft deadening felt dynamic elastic modulus measuring device ) 是由 杨志宏 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种软质隔音毡动态弹性特性测量装置,包括上振动质量块、下振动底板、激振台、上加速度传感器、下加速度传感器和测量模块,下振动底板刚性连接于激振台的震动头上,上振动质量块和下振动底板之间装夹有待测样块,上加速度传感器刚性安装于上振动质量块上,下加速度传感器刚性安装于下振动底板上,测量模块的输入端连接至上加速度传感器和下加速度传感器,输出端连接至激振台；测量模块控制激振台产生不同频率的竖向振动,并接收由上加速度传感器和下加速度传感器采集的数据,基于上加速度传感器和下加速度传感器采集的数据得到动态弹性模量和阻尼系数。与现有技术相比,本发明可以实现软质隔音毡的动态弹性模量和阻尼系数的测量。(The invention relates to a device for measuring the dynamic elastic property of a soft sound-proof felt, which comprises an upper vibration mass block, a lower vibration bottom plate, an excitation table, an upper acceleration sensor, a lower acceleration sensor and a measuring module, wherein the lower vibration bottom plate is rigidly connected to a vibration head of the excitation table; the measuring module controls the exciting table to generate vertical vibration with different frequencies, receives data collected by the upper acceleration sensor and the lower acceleration sensor, and obtains dynamic elastic modulus and damping coefficient based on the data collected by the upper acceleration sensor and the lower acceleration sensor. Compared with the prior art, the method can realize the measurement of the dynamic elastic modulus and the damping coefficient of the soft sound-proof felt.)

一种软质隔音毡动态弹性模量测量装置

技术领域

本发明涉及隔音毡测试领域，尤其是涉及一种软质隔音毡动态弹性特性测量装置。

背景技术

在汽车被动隔音降噪领域，多采用疏松多孔的软层进而密实的重层复合结构，其材料结构简图见图1。

传统的研发式是材料测试→零件制作→整车验证，所以是根据现成材料的特性来制作实物零件，并通过实物零件进行评判，这种方式如果对于不同性能的材料组合分析优化，需要大量样件制作，周期长和费用大。现在多用CAE分析来预测材料的隔声性能，所以用振动模型来分析软硬复合隔音毡的声学性能，通过振动理论的角度来定量地分析软硬复合隔音毡对于声能量的衰减特性，从而预判出软硬复合隔音毡的NVH性能。

如图2所示，隔音毡安装在汽车上，由图3可见，在分析的过程中，将复合隔音毡材料和车身钣金作为一个系统进行分析，其结构动力学振动表现为一个位移激励下的单自由度弹簧-阻尼-质量系统振动模型。在这个结构动力学振动模型中，车身的振动即引起激励的位移激振，最上面的致密厚重层在动力学系统中表现为为质量，中间的聚氨酯泡沫PUR就是带有阻尼的弹簧。因此，对于聚氨酯泡沫PUR，其动态弹性模量和阻尼系数就称为两个比较重要的性能特性了。

对于材料的动态弹性模量，常规采用试样材料棒产生弯曲振动达到共振，通过测量共振测量频率计算出该种材料的杨氏模量值。这要求被测物是弹性模量较大的钢、铝等材质，对于聚氨酯泡沫PUR这种弹性模量较小且无法做成试样棒的材料，这种方法无能为力。

新兴的超声共振频谱分析法测量动态弹性模量，通过超声共振频率得到固体材料样品的弹性常数，同样对于疏松多孔的聚氨酯泡沫PUR材料，其多孔性能决定了超声波在其中传输的速度不稳定，因此也不适用。

对于材料的阻尼因子，有很多现成的测试标准，如GB/T18258(ASTME756)测量材料振动阻尼性能的标准方法，采用矩形条状试样，将试样垂直安装，上端刚性夹定，下端自由，构成悬臂梁测试系统。聚氨酯泡沫PUR材料的弹性模量相对金属条远小于标准要求的0.1倍，且粘接剂弹性模量也会对较软的聚氨酯泡沫PUR材料产生不确定的影响，因此GB/T18258(ASTME756)采用的悬臂梁测试系统也无法实现。

同样测试阻尼因子的GB/T16406(ISO6721)标准，通过弯曲振动法测量共振曲线，同样需要将被测材料制成矩形条状试样，对于较软的聚氨酯泡沫PUR材料也不适用。

综上，针对汽车隔音毡中较软、慢回弹的聚氨酯泡沫PUR材料的特性，如何测量其动态弹性模量和阻尼因子成为一个难题。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种软质隔音毡动态弹性特性测量装置，通过上加速度传感器和下加速度传感器，以及外界施加的竖向振动，可以实现软质隔音毡的动态弹性模量和阻尼系数的测量。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种软质隔音毡动态弹性特性测量装置，包括上振动质量块、下振动底板、激振台、上加速度传感器、下加速度传感器和测量模块，所述下振动底板刚性连接于激振台的震动头上，所述上振动质量块和下振动底板之间装夹有待测样块，所述上加速度传感器刚性安装于上振动质量块上，所述下加速度传感器刚性安装于下振动底板上，所述测量模块的输入端连接至上加速度传感器和下加速度传感器，输出端连接至激振台；

所述测量模块控制激振台产生不同频率的竖向振动，并接收由上加速度传感器和下加速度传感器采集的数据，基于上加速度传感器和下加速度传感器采集的数据获取最大振幅点的频率和振幅值，以及半功率点的频率，并根据最大振幅点的振幅值得到动态弹性模量，并根据半功率点的频率和最大振幅点的频率得到阻尼系数。

进一步的，所述测量模块包括信号发生采集器、功率放大器和上位机，所述信号发生采集器分别连接上加速度传感器、下加速度传感器、功率放大器和上位机，所述功率放大器连接至激振台。

更进一步的，所述测量模块还包括用于固定线缆的线缆支架。

更进一步的，所述上位机为计算机。

进一步的，所述待测样块的横截面为正方形。

进一步的，所述上加速度传感器固定于上振动质量块的中央。

进一步的，所述上加速度传感器与上振动质量块通过螺纹刚性连接。

进一步的，所述下加速度传感器固定于下振动底板的下表面。

进一步的，所述下加速度传感器与下振动底板通过螺纹刚性连接。

进一步的，所述线缆支架包括底座和支架，所述上加速度传感器和下加速度传感器与信号发生采集器之间的线缆通过线缆支架固定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)通过上加速度传感器和下加速度传感器，以及外界施加的竖向振动，可以实现软质隔音毡的动态弹性模量和阻尼系数的测量。

2)待测样块的横截面为正方形，容易制备，可以降低半功率点测量的误差。

3)线缆支架可以减小因线缆阻碍振动导致的测量误差。

附图说明

图1为复合隔音毡的结构示意图；

图2为复合隔音毡材料在汽车上的安装简图；

图3为复合隔音毡材料系统的结构动力学模型；

图4为本发明的结构示意图；

图5为振幅和激振台振动频率的关系示意图；

图6为待测样块的装配示意图；

图7为半功率法示意图；

图8为测量部分的截面图；

图9为下振动底板的示意图；

图10为下振动底板的纵截面示意图；

图11为上振动质量块的示意图；

图12为上振动质量块的纵截面示意图。

其中：1、上振动质量块，2、上加速度传感器，3、待测样块，4、下振动底板，5、下加速度传感器，6、激振器，7、信号发生采集器，8、功率放大器，9、上位机，10、信号发生采集器至功率放大器线缆，11、功率放大器至激振台线缆，12、上加速度传感器至信号发生采集器线缆，13、下加速度传感器至信号发生采集器线缆，14、信号发生采集器至上位机线缆，15、线缆支架，16、线缆扎带。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种软质隔音毡动态弹性特性测量装置，如图4所示，包括上振动质量块1、下振动底板4、激振台6、上加速度传感器2、下加速度传感器5和测量模块，下振动底板4刚性连接于激振台6的震动头上，如图6所示，上振动质量块1和下振动底板4之间装夹有待测样块3，上加速度传感器2刚性安装于上振动质量块1上，下加速度传感器5刚性安装于下振动底板4上，测量模块的输入端连接至上加速度传感器2和下加速度传感器5，输出端连接至激振台6；测量模块包括信号发生采集器7、功率放大器8和上位机9，信号发生采集器7分别连接上加速度传感器2、下加速度传感器5、功率放大器8和上位机9，功率放大器8连接至激振台6。待测样块3的横截面为正方形，容易制备，可以降低半功率点测量的误差。

工作时，首先由信号发生采集器7发出振动信号，振动信号输入功率放大器，振动信号经功率放大器8放大直接驱动激振器6，激振器6震动头垂直振动。下振动底板4刚性连接到激振器6的震动头，待测样块3(软聚氨酯PUR)放置在下振动底板4上，上振动质量块1再叠放在待测样块3上。下振动底板4、上振动质量块1分别刚性连接单自由度高精度加速度传感器，上、下加速度传感器将加速度信号经线缆传输回信号发生采集器7，通过对应软件，使用传递函数法得出如图5所示的振动的幅-频曲线。

这样一个单自由度有阻尼的弹簧质量系统，在下振动底板激励下做等幅强迫振动，激振台给出的激励振动频率由小到大，在这个过程中，上振动质量块1和下振动底板4上刚性连接的加速度传感器输出加速度信号，上、下加速度信号经过前端数采用软件就可以绘制出幅频曲线图。在幅频曲线上可以找出共振点对应的共振频率。

物体的固有频率取决于物体自身的刚度(不是强度)，并且具有方向性，而刚度由物体的结构形式决定。当物体作受迫振动时，其震动的频率取决于外界振动的频率。外界振动作用在物体上，当外界振动频率与物体固有频率相近时，就会产生明显的振动加剧现象。其简化公式为：

其中：m为上振动质量块1的质量(kg)，k为物体的劲度系数(N/m)，T为周期(s)。

将周期T和频率的关系：f_R＝1/T代入公式(1)，得到：

其中：m为上振动质量块1的质量(kg)，k为物体的劲度系数(N/m)，f_R为频率(Hz)。

由公式(2)推导得出

k＝f_R ²*4π²*m (3)

其中：m为上振动质量块1的质量(kg)，k为物体的劲度系数(N/m)，f_R为频率(Hz)

根据公式(3)可以看到，物体的固有频率和其质量有关，与质量及共振频率平方成正比。

根据力学基本原理，对于均匀截面物体的弹性模量E定义：

其中：L为系统振动方向的长度(如图L为软聚氨酯PUR样块高度)，A为均匀截面物体的截面积(如图6所示A＝a*a)

根据力学的弹性变形原理：

F＝k*ΔL (5)

其中：F作用在物体上的外力(N)，k为物体的劲度系数(N/m)，ΔL为物体在受力方向上的变形(m)

由(5)得到：

其中：F作用在物体上的外力(N)，k为物体的劲度系数(N/m)，ΔL为物体在受力方向上的变形(m)，将(3)中的k代入(4)得到：

其中：f_R为共振峰频率(Hz)，具体为第一共振频率，m为上振动质量块1的质量(kg)，L为样品厚度(m)，a为正方形样品截面宽度(m)

根据推导公式(7)，通过强迫振动获取软聚氨酯PUR样块的共振频率，测量软聚氨酯PUR样块的高度和质量，通过计算就可以获取软聚氨酯PUR样块的动态弹性模量E。

通过强迫振动，可以绘出该系统的幅频曲线图，再通过半功率带宽可以获取软聚氨酯PUR的阻尼因子如图7所示

对于位移激励的单自由度带阻尼弹簧-质量系统的强迫振动，其振幅放大因子为：

当发生共振时，λ≈1，幅频曲线达到最高点，dβ/dλ＝0，此时放大系数最大，为：

共振点振幅为：

其中频率比：

则，在半功率点，其振幅为倍B_max，其对应的频率满足方程：

等式两边取倒数、平方得：

(1-λ²)²+4ζ²λ²＝8ζ²(1-ζ²)

整理得：

(λ²)²-2(1-2ζ²)λ²+1-8ζ²(1-ζ²)＝0

公式是关于(f/f_R)²即λ²的一元二次方程，所以令(f/f_R)²＝λ²＝S，将S代入，则上式为：

S²-2(1-2ζ²)S+1-8ζ²(1-ζ²)＝0

所以S是两个根为：

上式取正号为对应数值较小的根f_a，上式取负号为对应数值较大的根f_b，一般的工程上阻尼比较小，可以忽略ζ的平方，所以化简后为：

所以解得两个半功率点对应的频率fa、fb所求计算出的阻尼比：

因此，测量模块控制激振台6产生不同频率的竖向振动，并接收由上加速度传感器2和下加速度传感器5采集的数据，基于上加速度传感器2和下加速度传感器5采集的数据获取最大振幅点的频率和振幅值，以及半功率点的频率，并根据最大振幅点的振幅值得到动态弹性模量，并根据半功率点的频率和最大振幅点的频率得到阻尼系数。通过上加速度传感器2和下加速度传感器5，以及外界施加的竖向振动，可以实现软质隔音毡的动态弹性模量和阻尼系数的测量。

本实施例中，将被测软聚氨酯PUR样块裁切成50mm×50mm的样块放置在下振动板和上振动质量块中间。同时，在下振动底板4和上振动质量块1上，分别开出M3的盲孔内螺纹，将上、下加速度传感器牢固地拧入，保证刚度。连接工装示意见图8。

其中，下振动底板4为了传递激振器6的振动，保证对振动激励的模态，由整体金属车削制成。其下部为圆柱体沉台，中间带M5的螺纹柱凸起，可以和激振台6上激振头中心的M5螺孔牢度地刚性连接。上部带50mm×50mm的平台，上表面光滑，可以放置50mm×50mm截面的软聚氨酯PUR样块。平台下面开有M3×3mm的螺纹盲孔，可以保证和下加速度传感器自带的M3螺纹刚性连接。结构详见图9和图10。

上振动质量块1是一块50mm×50mm的金属块，上下表面光滑，测试时放置在软聚氨酯PUR样块上部。根据软聚氨酯PUR的特性，需保证振动质量为50g，顾选用铝合金作为上振动质量块是的材质，厚度定为7.4mm。上振动质量块上表面中央开有M3×3mm的螺纹盲孔，可以保证和上加速度传感器自带的M3螺纹刚性连接。结构详见图11和图12。

测量模块还包括用于固定线缆的线缆支架15，线缆支架15包括底座和支架，上加速度传感器2和下加速度传感器5与信号发生采集器7之间的线缆通过线缆支架15固定，线缆支架15可以减小因线缆阻碍振动导致的测量误差。