A Dynamic Mechanical Modulus Measurement System for Viscoelastic Materials Based on Resonant and Wave Propagation Techniques

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1 A Dynamic Mechanical Modulus Measurement System for Viscoelastic Materials Based on Resonant and Wave Propagation Techniques Hong-wei Li Bing Wang Yong-bing Zhang Luoyang Ship Material Research Institutes, Luoyang, Abstract 3, F. M. Guillot et al. proposed a dynamic Young s modulus measurement system at special temperature, frequency and pressure for viscoelastic materials based on resonant and wave propagation techniques. A measurement system is established for the validation of the resonant and wave propagation techniques. It is shown that, measurement data based on resonant technique quite agree with the DMA data and the method is validated. The useful signals are covered by the bending vibration of the sample when the wave propagation technique is used and much effort should be paid to eliminate the interference caused by the bending vibration for obtaining the validate results. Keywords viscoelastic materials, dynamic mechanical measurement, resonant technique, wave propagation technique 基于共振法和波速法的粘弹性材料动态力学参数测试方法李宏伟, 王兵, 张用兵, 中国船舶重工集团公司第七二五研究所河南洛阳 4739 河南省减振降噪材料工程技术中心河南洛阳 hongweili@mail.nwpu.edu.cn 摘要基于共振法和波速法的测试原理能够在特定温度频率和压力条件下直接测量粘弹性材料的复杨氏模量本文搭建了一套测试系统对共振法和波速法的测试原理进行了验证结果表明共振法的测试数据与粘弹仪的测试数据吻合较好,其原理是可行的波速法在测试过程中有效的振动信号完全被试样的弯曲振动所淹没为了得到有效的测试数据需要最大程度的减少弯曲振动干扰关键词粘弹性材料动态力学参数测试共振法波速法主要由动态力学参数决定而动态力学参数随温度引言频率和压力的改变而变化要设计出能满足各种需求的水声材料其动态力学参数在各种条件下的准确测粘弹性材料是常用的水声材料之一其声学性能 77

2 量便成为要解决的首要问题粘弹性材料的动态力学参数测试方法一般分为两大类 : 一类通过测量材料的振动响应推算其动态力学性能参数, 如自由衰减法, 强迫共振法和非强迫共振法等, 另一类则通过对材料声学特性的测量反演得到其动态力学参数, 如脉冲法, 阻抗管法及消声水池法等但这些方法都有局限性, 或者测试频率范围窄, 计算机信号采集处理器功率放大器压电陶瓷试样或者测试精度低, 尤其是动态力学参数随压力变化的数据, 目前国内还没有测试手段年 R. L. Willis 等人提出了一种可以在不同温度频率和压力条件下测试材料动态力学参数的测 [] 试方法, 其基于有限元反演的方法在有些情况下难以保证结果的收敛 3 年 F. M. Guillot 等人在压力容器中用激光测试材料的振动特性, 根据共振法和波速法直接获得材料在特定温度频率和压力条件下的 [] 复杨氏模量本文介绍了基于 F. M. Guillot 等人的方法建立的一套测试系统以及在这套系统上所做的一些前期验证工作测试系统及测试原理. 测试系统测试系统如图所示, 试样的一端粘接在压电陶瓷激振器上, 激振器激励试样振动, 激光测振仪 (Polytech 公司 PSV-4 型 ) 测量试样表面的法向振 Figure. measurement system block chart 图测试系统框图 tan sinh (/ Q) (n ) () 4Lfres E cos ( ) () n 式中 :L 为试样长度, 为试样密度激光测振仪波速法测量时, 压电陶瓷输出单频短脉冲振动信号, 振动波形沿试样纵向传播过程中, 由于泊松比的原因, 会在试样侧面同时产生振动激光测振仪测量试样侧面的振动, 根据两个不同位置振动信号的延迟时间和幅度衰减率, 就可以得到振动波形在试样中的传播速度 c 和衰减率 α, 从而获得材料的模量 E 和损动速度, 将测量信号输入到信号采集处理器 (LMS 公司 SCADAS 型 ), 根据共振法或波速法原理计算材料的复杨氏模量共振法测试时, 用扫频信号激励棒状试样产生纵向振动, 激光测振仪分别测量激振器和试样自由端的耗角 [] : E c (3) c sin (4) 振动速度, 根据两个振速的比率 Q 的峰值和相位, 可以得到试样的共振频率 f res 和阶数 n, 将这些参数代入下式中即可计算材料的损耗角和模量 E [] : 式中 : 为试样振动的圆频率根据材料的模量和损耗角就可以算出材料的其 ' 它动态力学参数, 如储能模量 E E cos 和损耗因 78

试样尺寸如表所示测试时, 首先对激振器输入 5~5kHz 的扫频信号, 用激光测振仪测量激振器的速度响应, 然后将试样的一端粘在换能器上, 用相同的信号激励试样, 测量试样另外一端的速度响应 3. 波速法 (a) (b) Figure. Picture of the experimental setup.

3 子 tan 3 测试过程 3. 共振法测试现场如图 (a) 所示, 试样的一端粘在压电陶瓷激振器上, 激振器安装在刚度较大的底座上, 下方垫一层 8cm 厚的海绵块, 用来降低外部振动对测试结果的干扰激光测振仪用三角架固定, 向下测量激振器输出端表面和试样自由端表面的振速用材料相同而长度不同的试样和试样分别进行测试, 试样尺寸如表所示测试时, 首先对激振器输入 5~5kHz 的扫频信号, 用激光测振仪测量激振器的速度响应, 然后将试样的一端粘在换能器上, 用相同的信号激励试样, 测量试样另外一端的速度响应 3. 波速法 (a) (b) Figure. Picture of the experimental setup. (a) resonant technique. (b) wave propagation technique 图 (a) 共振法和 (b) 波速法测试状态图波速法的测试状态如图 (b) 所示, 激振器和试样放在台架上, 激光测振仪测量试样侧面的振速, 测试样品为共振法中的试样在试样长度方向选取三个位置, 位置和 3 距离自由端面分别为 5.mm, 67.5mm 和 5.9mm 用频率为 khz 的五个正弦脉冲信号激励试样纵向振动, 激光测振仪分别测量试样两个相对侧面的三个不同位置处的振速, 将相同位置点的两个侧面振速相加后即可消除试样弯曲振动产 [] 生的干扰 79

4 Table. Parameter of the samples and the results of the resonant 4 测试结果及分析 test. 表试样参数及共振法测试结果共振法中换能器试样和试样的振速如图 3 所示图中的高频振荡成分是由于 FFT 变换时采样试样试样长宽高 mm 密度 kg/m 度和密度参数代入式和中就可以计算试共振频率 Hz 样的储能模量和损耗因子结果如表所示图 5 为共振频率处 Q 储能模量 Pa 损耗因子点数量不够所造成的两个试样 Q 的幅值和相位如图 4 所示根据图 4 中 Q 的幅值和相位关系可以得到试样的共振频率和共振时 Q 的幅值再根据试样的长同一材料在粘弹仪上测的幅值试后拟合的主曲线与共振法数据的比较从图中可以看出两种测试方法的结果吻合较好共振法的试样振速/(m/s) 试样振速/(m/s) 换能器振速/(m/s) 测试数据是可信的 -5 x 频率 /Hz 频率 /Hz 频率 /Hz x x 5 Figure 3. Velocity amplitude of the shaker, sample and sample. 图 3 换能器试样和试样振速的幅值 73

5 试样 Q 的相位 / 试样 Q 的幅值试样 Q 的相位 / 试样 Q 的幅值 Figure 4. Amplitude and phase of the ratio of the velocity of the sample and sample. 图 4 试样和试样的 Q 的幅值和相位储能模量 /Pa 8 6 试验数据主曲线损耗因子.5 试验数据主曲线 Figure 5. The compare result of the test data and the master curves. 图 5 试验数据与主曲线比较图 73

6 x 位置位置位置 3.4 速度 /(m/s)) 时间 /s x -3 Figure 6. Velocity signals measured at three different points. 图 6 三个测点位置的波形图图 6 为波速法的测试结果图中曲线为试样长度方向三个位置点的两个侧面振速相加后的波形图正弦脉冲信号与共振法中的扫频信号幅值相同, 但试样侧面的振度与图 3 中试样端面的振速相比, 侧面的振动速度远远大于后者试样纵向振动由于泊松比而在侧面产生振动, 应远小于纵向振动的幅值, 因此可以判断, 图 6 中波形的主要成分, 不是由正弦脉冲激励试样纵向振动而在侧面产生的振动波形下面对图 6 中波形的主要成分进行分析对于长条形的试样, 即使在粘接过程中存在极小的垂直偏差, 在试样纵向振动时也会产生较大的弯曲振动另外, 在测试过程中, 两个侧面的振速是分别测量的, 试样长度方向上三个位置在两个侧面的定位也存在一定误差, 因此, 将两个侧面的振速相加后弯曲振动的波形并没有被完全消除, 甚至可能被放大, 所以, 图 6 中的波形主要是由试样的弯曲振动产生的 5 结论对共振法和波速法的测试原理进行了验证, 结果表明 : 共振法的测试原理是可行的, 获得的数据与粘弹仪的测试数据吻合较好波速法在测试过程中, 试样由于纵向振动而在侧面产生的振动波形, 完全被试样的弯曲振动所淹没, 为了得到有效的测试数据, 需要提高测点在两个侧面的定位精度, 并且对试样两个侧面同时进行测量, 这样才能最大程度的减少弯曲振动干扰 References( 参考文献 ) [] R. L. Willis, L. Wu, and Y. H. Berthelot, Determination of the 73

7 complex young and shear dynamic moduli of viscoelastic materials. J. Acoust. Soc. Am. 9:6-6, [] F. M. Guillot and D. H. Trivett, A dynamic Young s modulus measurement system for highly compliant polymers. J. Acoust. Soc. Am. 4: ,

Fig. 1 1 The sketch for forced lead shear damper mm 45 mm 4 mm 200 mm 25 mm 2 mm mm Table 2 The energy dissip

Fig. 1 1 The sketch for forced lead shear damper mm 45 mm 4 mm 200 mm 25 mm 2 mm mm Table 2 The energy dissip * - 1 1 2 3 1. 100124 2. 100124 3. 210018 - ABAQUS - DOI 10. 13204 /j. gyjz201511033 EXPERIMENTAL STUDY AND THEORETICAL MODEL OF A NEW TYPE OF STEEL-LEAD DAMPING Shen Fei 1 Xue Suduo 1 Peng Lingyun 2 Ye