GB T 22159.1-2012 声学与振动 弹性元件振动-声传递特性实验室测量方法 第1部分：原理与指南.pdf

1、道昌ICS 17. 140 A 59 和国国家标准11: -、中华人民GB/T 22159.1-2012/ISO 10846-1 :2008 声学与振动弹性元件振动-声传递特性实验室测量方法第1部分:原理与指南Acoustics and vibration-Laboratory measurement of vibro-acoustic transfer properties of resilient elements-Part 1 : Principles and guidelines (lSO 10846-1: 2008 , IDT) 2013-06-01实施2012-12-31发布发布中

2、华人民共和国国家质量监督检验检菠总局中国国家标准化管理委员会二s切可时GB/T 22159.1-2012月SO10846-1: 2008 目次前言.1 引言.n 1范围.2 规范性引用文件-3 术语和定义4 适用标准的选择.3 5 理论背景.4 6 测量原理.7附录A(资料性附录与动刚度有关的函数.13附录B(资料性附录)传递刚度矩阵对称性的作用.14 附录C(资料性附录简化的传递刚度矩阵.16 附录(资料性附录)弹性元件的线性特性.18 参考文献.19 GB/T 22159.1-2012/180 10846-1 :2008 前言GB/T 22159(声学与振动弹性元件振动-声传递特性实验室测

3、量方法分为以下5个部分z一一第1部分z原理与指南z一一第2部分E弹性支撑件平动动刚度的直接测量方法;一一第3部分=弹性支撑件平动动刚度的间接测量方法z第4部分z弹性支撑件之外的元件平动动目j度s一-第5部分z测定弹性支撑件低频平动动刚度的驱动点法。本部分为GB/T22159的第1部分。本部分按照GB/T1. 1-2009给出的规则起草。本部分等同采用IS010846-1 :2008(声学与振动弹性元件振动声传递特性实验室测量方法第1部分=原理与指南。本部分由中国科学院提出。本部分由全国声学标准化技术委员会(SAC/TC17)归口。本部分主要起草单位z中国科学院声学研究所、南京大学、西北工业大学

4、、合肥工业大学、同济大学、北京市劳动保护科学研究所、长抄奥邦环保实业有限公司。本部分主要起草人z程明昆、田静、吕亚东、邱小军、陈克安、李志远、毛东兴、俞悟周、李孝宽、吴瑞、莫建炎、尹姚。I GB/T 22159.1-2012月SO10846-1: 2008 sl 又=H各种被动隔振器用来降低振动的传递，例如汽车发动机悬置、建筑物的弹性支撑、船用机器的弹性支撑和弹性(柔性联轴器以及家用电器中的小型隔振器。本部分是GB/T22159其他部分的应用指南，它们描述了支配线性弹性元件振动传递最重要的量，即与频率有关的动刚度的实验室测量方法。本部分提供了理论背景、方法原理、方法的局限性以及如何选择本系列标

5、准中最恰当的部分。在GB/T22159标准中的所有部分对实验条件的描述包括了静态预载的运用。这些方法得到的结果适用于防止低频振动和降低结构声的弹性元件。但是，这些方法没有提供能完整描述弹性元件用于衰减低频振动或冲击偏移的进一步信息，需要附加的资料加以阐述。E G/T 22159.1-2012月SO10846-1: 2008 声学与振动弹性元件振动-声传递特性实验室测量方法第1部分:原理与指南1 范围GB/T 22159的本部分规定了应用GB/T22159. 2、GB/T22159. 3、GB/T22159. 4和GB/T22159. 5在实验室测量弹性元件传递特性的原理，并为选择合适的标准提供

6、帮助。本部分适用于用来降低下列振动传递的弹性元件:a) 音频振动(20Hz 20 kHz的结构声)向结构的传递，它可能导致结构辐射流体声(如空气声、水声或其他媒质的声音); b) 低频振动的传递(通常在1Hz 80 Hz)。比如它会对人体产生影响，或当振动过于严重时可能对结构造成损害。本部分对测试方法作了简介，而在GB/T22159.2、GB/T22159. 3, GB/T 22159.4和GB/T22159. 5中作了进一步的阐述。采用这些试验方法所获得的测量数据可用于z生产厂商和供应商提供的产品信息;一产品研发过程中所需信息;一一产品质量控制;-计算通过弹性元件的振动传递。保证测试方法有效

7、的条件为:a) 弹性元件振动特性为线性(包括静态的载荷变形特性为非线性的弹性元件，但在给定的静态预载荷下，该元件需具有近似线性振动特性); b) 隔振器与相邻的振源及接收结构之间的接触界面可以简化为点接触。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件，凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单适用于本文件。GB/T 2298机械振动、冲击与状态监测词汇(lSO2041: 2009 , IDT) ISO/IEC Guide 98-3 测量的不确定度第3部分z测量中不确定度的描述指南Uncertaintyof measureme

8、nt-Part 3: Guide to the expression of uncertainty in measurement(GUM 1995) 。3 术语和定义3. 1 下列术语和定义适用于本文件。隔振器vibration isolalor 弹性元件resilient element 用于减弱一定频率范围内的振动传递而专门设计的隔振元件。1 GB/T 22159.1-2012月SO10846-1: 2008 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 弹性支撑件resilient support 可支撑起机器、建筑物或其他类型结构的隔振器。测试元件test element 被测弹性元件，包括

9、法兰和必要的辅助固定夹具。阻滞力blocking force Fb 外加于隔振器输出端的动态约束力，可使隔振器产生零位移输出。驱动点动刚度dynamic driving point stiffn崎k 11 输出端被阻滞的条件下，作用在隔振器输入端的力相量Fj与输入端位移相量主1之比，和频率有关。是1.1= F 1 / Ul 注1:下标勺表示在输入端测量的力和位移。注2:k!.!的值会与静态预载布、温度、相对湿庭及其他条件有关。注3:在低频，主要由弹力和阻尼力决定是111，在高频时，还会受到弹性元件惯性力的影响.隔振器逆向驱动点动刚度dynamic driving point stiffness

10、 of iDvertcd vibration isolator k 22 将隔振器的物理输入端和输出端互换后得到的驱动点动刚度。注=在低频段，驱动点刚度仅由弹力和阻尼决定，此时kl，l=走2.2，在高频段，还受到惯性力的影响，肉此k!.!和品2.2在3.7 3.8 3.9 2 不对称的情况下是不相同的.动态传递刚度dynaQc transfer stiffness k2 j 与频率有关的复数E为弹性元件输出端阻滞力相量F2b与其输入端的位移相量旦1之比:k2j =F2 b / Uj 注1:下标1.2分别代表弹性元件的输入端和输出端。注2:k2.1的值可能和静态预载荷、温度、相对湿度及其他条件相

11、关。注3:低频时.k2.!仅取决于弹性力和阻尼力，且k!.l岛k2.!0 100Hz 间接法g见GB/TfUL取决于测试装置和300 Hz /0时. . . . . . ( 18 ) Ul Ul 式中z10-由m2和被测弹性元件(图3中还包括辅助隔振器)形成的质量/弹簧系统的固有频率。公式(18)应用了公式(7)的假设，即凡约等于阻滞力。说明=1一一激振器32一一移动臂z6 5 4 7 a) 利用重力施加预载荷3一一动态去藕弹簧、静态预载$4一一力均布板E5一一测试元件;6一一阻滞质量块s7一一隔振器z8 刚性基座.b) 利用框架施加预载荷固3间接法典型测试装置示倒6.3.2 测量参数测量的动

12、态参数应是位移或速度或加速度中的任一量。6.3.3 静态预载荷下的测量6.3.3. 1 施加预载荷的原理图3表示了应用静态预载测量装置的基本原理。2 3 4 5 6 7 8 图3a)中，输出端质量块的重力作为静态预载。这套装置既需要一个能支撑静负载的激励器，又需10 . GB/T 22159.1-2012/150 10846-1 :2008 耍一个能承受静负荷的辅助结构如隔振器)。这种测试装置会带来不稳定的危害，特别是对于大型隔振器并有大预载荷的情形。在图3b)中，采用一套框架和一个作动器(如液压)来施加静态预载荷，在隔振器输出端的质量块mz通过附加的隔振器与框架振动进行动态解捐，输人端的质量

13、块也用这样的附加隔振器与测试框架进行动态解捐。与直接法相比，使用这些辅助的附加隔振器能使间接法不易受到侧向传动的影响，在GB/T 22159. 3有更多的介绍。注2实际上辅助隔振器的总刚度和被测隔振器的刚度可以是同一量级.6.3.3.2 其他情况的颈载除弹性支架之外的隔振器也需要在额定的静负载中测试。如，对于一个柔性联轴节，需要施加静扭矩。对于充满水的波纹管或柔性管，内部压力需有代表性。6.3.4 间接法的频率范围对于有效的频率范围存在着相互矛盾的制约。根据公式(1肘，把有效测量范围扩展到更低频率的一种方法就是加大内的质量，这可以得到足够低的fo值，但是根据mz非刚性体的特性，质量越大上限频率

14、极限就会越低。在许多应用场合，感兴趣的是声频段的动刚度测量数据，此时有别于元质量的弹簧。这些情况下，可按下述途径予以综合考虑。用下述近似公式估算隔振器内部最低共振频率f.(在刚度最大的平移方向)。山5);三. ( 19 ) 式中zko 隔振器低频动刚度;m.l一一隔振器弹性部件的质量。低频时，动刚度接近于ko对多数隔振器，这种类似弹簧的特性在ff./3时都正确。通常，选择合适的质量使得foO.1儿，这样才会在f注f./3的条件下得出可靠的动刚度测试结果;低频时，无需测量即可认为，当隔振器主要用在f二三f./3范围时，动刚度约等于f=f./3时的动刚度。为获得测量的宽频范围，希望具有较低的fo，

15、同时直到高频mz都能保持刚性的特性。使用钢块可以很好地满足这些要求。如果使用单独一块质量块无法达到测量频宽的要求，则需要在低频段和高频段分别采用不同的质量块进行测量。6.3.5振动方向虽然图3只提供了法向负载方向下刚度测量的示例，但间接法可以应用到各个方向的平动振动和转动振动。GB/T22159.3对3个相互垂直方向上平动分量的刚度测量形成了标准。测量原理可以进一步延伸到在输入端的转动激励/或在输出端质量块的转动响应，见参考文献口口.13J.但这并没有形成标准，仅在GB/T22159. 3和GB/T22159.4的资料性附录中作了讨论。6.4 驱动点法6.4. 1 基本测试安排图4给出了驱动点

16、法的基本测量系统示例。图4的示例与图2的直接法非常相似，但不是测量输出端的阻滞力，而是测量输人端的力。因此，GB/T 22159.1-2012月5010846-1 : 2008 采用驱动点方法确定动刚度的假设前提是在低频段。由于惯性力与弹性相比可以忽略，使得动刚度近似于驱动点动刚度，即F1 k2.1句k1.1=二I2O Ul .( 20 ) 静态载荷的施加形式和直接法一样，可以在3个相互垂直的平移运动中进行测量，应测的动态参数有力和位移或速度或加速度。说明21一一液压作动器(静态预载荷和动态激励)I 2一一移动横梁z3一一立柱z4一-jJ测量系统55一一测试元件E6一一刚性基座。2 3 4 5

17、 6 固4驱动点法典型测试装置示倒6.4.2 驱动点法的频率范围近似公式(20)只有在低频时一般f200 Hz)有效，这时惯性力要小于弹性力和阻尼力。GB/T 22159. 5给出了在测试结果基础上估算频率上限的定量标准。6.4.3 振动方向虽然图4只提供了在法向负载方向上刚度测试的例子，但驱动点法可以应用到各个方向的平动和转动振动。GB/T22159.5对3个相互垂直方向上的平动刚度测量形成了标准，对转动振动未予以考虑。12 GB/T 22159.1-2012月SO10846-1: 2008 附录A(资料性附录)与动刚度有关的函数对于线性隔振器，与动刚度有直接关联的参数是机械阻抗和有效质量，

18、其倒数又称动柔度、导纳、惯性。表A.l给出了动刚度和相关参数的名称和符号。表A.1动刚度及其相关量的名称和符号符号名称倒数名称h 动刚度l/k 动柔度Z 机械阻抗l/Z 机械导纳m.H 有效质量l/m.u 惯性一一一一表A.2给出了动刚度等参数转换为不同表达形式的系数，即是二W2me!f =JwZ等。乘数j表示，在频率为f时，振幅要乘上2J，相位增加12皿皮。表A.2动刚度与其他量相互转换的系数名称符号定义k Z m.H 动刚度走F/u J -w2 一一一一一机械阻抗Z 一F/唱l/j 1 1 有效质量Trleff F!a 1/2 l/j峭1 a相位复数矢量:F=力jU位移;v=速度ja二加速

19、度。13 GB/T 22159.1-2012/ISO 10846-1 :2008 附录B(资料性附录)传递刚度矩阵对称性的作用公式(9)显示，对于单一隔振器而言，其12X 12的动刚度矩阵可以分解为4个6X6的子矩阵。GB/T 22159提供了6X6的动刚度矩阵K21中每个元素的测量方法，它们是弹性元件输出端阻滞力与输人端位移之比。写成设直角坐标系(图B.l)的3个坐标轴分别为x，y和Z，则输入端的6个平动和转动位移矢量可以UI = Ulx ,Uly ,Ut., Ylx Yly Yt. 输出端的6个阻滞力和力矩矢量可以写成F 2b = F2x ，F2F2z ,M2x ,M 2y ,M2 I斗U

20、z 坷，几专M吨，Yy/占f; , U;r 圄B.1直角坐标系中的力与位移符号这样公式(10)可以展开为zF2x k71 是7.2k 7 3 k 7 4 k 7 5 是7.6111x F 2y k a1 ka.2 ka.3 ka.4 是a.5hsslry F2 k g 1 k 92 k 9 3 是9.4k 95 是9.61 1 UI. M2x k 1o 1 k 10 .2 是10.3k lO 4 是10.5是;lijk n .2 kn 3 kll4 k ll 5 是11.12.1 k 12 2 k12 3 是12.4是12.5k12. 矩阵元素的简化符号意义如下zF 2x b M 2x.b k

21、71 =二一和klO4=二二一等。Ulx 1 1x 由于对称性，矩阵中的大量元素都等于零，有些非零元素可能在数值上也相等。下面4个例子列举了具有对称性的四种典型隔振器的矩阵见图B.l坐标轴指向。2个相互垂直平面对称(10个不同非零元素14 GB/T 22159.1-2012月SO10846-1 : 2008 Ulz Uly U10 1lz 1ly 11 F . k.1 。k1. 。离乡F2y 。kS.2 。kS.4 。F2 。k9 3 。M . 。品10，2。klO 4 。品1，, k n 1 。kll. 。Mz. 。k 126 3个相互垂直平面对称(10个非零元素、8个非同元素百U Ub 1

22、lz 1ly 1!z 一一-F . k.l 。k1. 。ffffip F2y 。kS.2 。k 。Fz. 。k9 3 。M 。k 。k10, 4 。卜一-几12，k7 5 。k ll 。M ,. 。Q 。k ,26 一一-具有对称平面的轴对称(10个非零元素，6个不同元素u二zUy 1. Y飞x1lY 11% F . 是7.1。k,.1 。卡一一一一F,y 。k1.! 。k,.5 。F,. 。走9.3。.-_.品_.-_咽、M 2 。k. 。klO.也。M2y k 10.2 。k lO. 。一一M2 。k12 6 -一正方形四棱柱或圆柱体的对称(10个非零元素，5个不同元素)UI% Uly 埠

23、l%1lz 1ly 11 F . k.1 。k ,. 。F2y 。k1.1 。k1. 。6i 。I F2 。k9 3 。/ 、/、M2r 。-k1 。k104 。M2y -k1 。k lO 4 。M2 。k12 6 15 GB/T 22159.1-2012月SO10846-1 : 2008 附录C(资料性附录)简化的传递刚度矩阵C.1 概述在5.3中认为，很多实际情况，对于平动，只考虑1、2或3个对角元素即可表征传递刚度矩阵，本附录将针对几个实例进行说明。C.2 平动在图1中由振源/隔振器/接收结构组成的模型表明=通过隔振器的振动-声传递取决于振源振动、隔振器传递刚度和接收器驱动点刚度。通常，

24、振源、并非在一个方向上必须振动，因此实际关注的是正交方向上的隔振器刚度测量。现在考虑具有代表性的情形，即振源在3个正交方向上的平动幅度具有相同的数量级。因而，可以推断至少有3个传递刚度，即传递刚度矩阵中对角线上的平动元素，对表征隔振器的特性具有重要意义。当然，依据对称性，这也可以减少到2个传递刚度，即一个垂向，一个横向。是否可以忽略横向振动取决于两个因素z一一隔振器的横向刚度与垂向刚度之比z一一接收结构的横向刚度与垂向刚度之比。例如，设备通常会安装在横向刚度等于或小于垂向刚度的隔振器之上的厚棍凝土地板上，而且地板的垂直点刚度小于其横向值。这种情况下，足以证明可以只分析垂直振动的振动-声传递。因

25、此，只需要隔振器的垂直传递刚度。另一例子是，隔振器是考虑了热膨胀的结构的一部分(如排气系统。使用了锥形配件，此时其横向的刚度或许比主要负载方向的强10倍，而且接收器结构在各个方向上很柔软。对于这种情形，显然对横向振动的分析至少变得与主静载方向同等重要。总之，需要正确判断隔振器的类型以及典型的安装环境以决定隔振器所必需的传递刚度数量。C.3 扭转GB/T 22159未包含旋转刚度和把隔振器一端的平动分量与另一端旋转分量相连的交叉刚度。其主要原因是相关测量的复杂性，特别是没有可用的标准化传感器。问题是在何种情况下，可能会导致对隔振器振动-声传递不确切的表征。对于源和接收结构，一般来说，弯曲波长决定

26、平动和旋转响应两者之比，对于较短的波长，旋转振动或旋转激发灵敏度相对增加，这意味着薄板梁结构以及相对高的激励频率表现更强的旋转，另一方面，在上述的安放在沉重混凝土地板上的机器实例中，旋转的影响通常可以忽略不计。力矩激励重要性相对增加的一个案例就是T形或工字形梁顶部的隔振器，点力F的驱动点动刚度可能会很大，而力矩M激励则不是这样(见图C.l)。16 GB/T 22159.1-2012/ISO 10846-1 :2008 F 图C.1点力F和力矩M在工字梁顶部激励对于隔振器的特性，具有较大横向刚度的几何形状也可能会有较大的旋转刚度。当这种形状的隔振器被用到薄壁结构和对较高频率的隔振，包括旋转分量的

27、传递刚度可能会变得相当重要。这种情况下，上述的只考虑一个、两个或三个平移刚度的简化对于分析振动-声传递而言可能是不准确的。17 GB/T 22159.1-2012/ISO 10846-1 :2008 附录D资料性附录弹性元件的结性特性原则上，隔振器的振动-声动态特性取决于静态预载荷、振幅、频率和温度。线性假设意味着叠加原理成立，在给定频率下的动刚度和振幅元关。对大多数隔振器，当在适宜的静态预载荷下动态变形比静态变形小时，该假设基本满足。但要注意，这取决于组成隔振器的材料，并且应当通过比较一定输入级范围的动刚度特性来进行简单地验证。如果没有多大变化，则线性假设成立。对于丁基橡胶(II邸，文献14

28、J以剪切应变幅值和碳黑百分比的函数形式给出了动态剪切模量同相分量及相位角的数据。当剪切应变幅值约小于10-3时，同相分量和相位角几乎与振动幅值无关E但是，若剪切应变幅值约大于2X10-3时，动刚度明显降低，特别是对于碳黑百分率高的橡胶。因此，考虑实际中出现的应变幅值并检查测试条件是否适于橡胶隔振器测试是非常重要的。当应力幅值小于10-3时，似乎满足线性假设(例如z这意味着刚度与幅值元关，反之则线性假设不满足。液压装置的使用越来越多，特别是在汽车行业，这类隔振器也会具有特别明显的非线性特性，即刚度与振幅密切相关。基于它们的双重目的，即降低道路激励引起的发动机低频振动和隔离由发动机产生的较高频率的

29、结构声，在整个测量频率范围内必须进行相应的振幅测量15.16。有时线性条件明显不满足。在此情况下，GB/T22159所述的许多方法仍然可以应用。不过测试时一般需要对预载、信号幅度和测量参数进行特别的设定。18 GB/T 22159.1-2012月SO10846-1: 2008 参考文献lJ GB/T 22159.2-2012声学与振动弹性元件振动声传递特性实验室测量方法第2部分:弹性支撑件平动动刚度的直接测量方法2J GB/T 22159. 3-2008声学与振动弹性元件振动-声传递特性实验室测量方法第3部分=弹性支撑件平动动刚度的间接测量方法3J GB/T 22159.4一XXXX声学与振动

30、弹性元件振动-声传递特性实验室测量方法第4部分=弹性支撑件之外的元件平动动刚度4J GB/T 22159. 5-X X X X 声学与振动弹性元件振动-声传递特性实验室测量方法第5部分=测定弹性支撑件低频平动动刚度的驱动点法5 J RUBIN, S. Mechanical Immittance and Transmission-Matrix Concepts. ournal of the Acoustical Society of America ,Vo1. 41 (1967) , pp. 1171-1179 6J SNOWDON, J. C. Vibration isolation: use

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