Способ определения вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств конструкционных материалов и стендовая измерительная установка для его осуществления
METHOD FOR DETERMINING VIBRATION-DAMPING AND SOUNDPROOFING PROPERTIES OF CONSTRUCTION MATERIALS AND STAND MEASURING UNIT FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области борьбы с шумом, а именно к средствам и методам определения вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств материалов, используемых в составе ограждающих конструкций вибро и шумо излучающих узлов, в частности, транспортных средств.
Измерения степени вибродемпфирования и звукопоглощения элементов ограждающих конструкций виброзвукогенерирующих узлов машин и механизмов производятся, прежде всего, в связи с определением необходимости и/или достаточности размещения на их поверхности дополнительных вибродемпфирующих облицовок и покрытий, а также шумоизолирующих материалов.
Для исследования колебаний составляющих кузов автомобиля оболочек или плоских панелей, а также для подбора оптимального пакета вибродемпфирующих и шумоизоляционных материалов в стендовых условиях наибольшее распространение получила измерительная установка «RTC-III».
Данная установка содержит возбуждающую и приемную оппозитные камеры, расположенную в устье возбуждающей камеры монтажную рамку, сформированную с возможностью неподвижного крепления на ней исследуемого образца, размещенный в возбуждающей камере источник возбуждения, выполненный в виде электродинамического вибратора, а также регистраторы виброакустических параметров и комплекс аппаратно-программного обеспечения.
Способ определения вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств испытываемых образцов заключается в динамическом возбуждении колебаний предварительно закрепленного в монтажной рамке исследуемого образца, осуществляемом посредством электродинамического вибратора и монтажной рамки, и в измерении структурной составляющей виброакустической энергии, передающейся от источника возбуждения через твердые элементные связи монтажной рамки, и последующей регистрации виброакустических параметров.
Устройство установки «RTC-III» и производимые с ее помощью исследования иллюстрируются в приведенных ниже публикациях.
В материалах N. Peters (BMW, Abt. Schwingungstechnik und Akustick). The influence of the body structure on low frequency interior noise. UNIKELLER CONFERENCE 1987, описывается исследование с помощью стендовой измерительной установки «RTC III» звукоизлучения кузовных панелей. При испытаниях использовались различные кузовные панели, в том числе «сендвич», имеющие отличия по толщине, весу, конфигурации ребер жесткости. Исследуемые кузовные панели поочередно, жестко закреплялись в монтажной рамке измерительной установки «RTC III», которая впоследствии возбуждалась вибратором на частотах диапазона 30…240 Гц. Звукоизлучение стальных панелей фиксировалось микрофоном, установленным в приемной камере.
В материалах Q. Zhang, S. Lacaze (Renault SA). Prediction of the performance of damping materials on the first vibration mode of car panels. UNIKELLER CONFERENCE 1993 описывается метод математического моделирования для оптимизации геометрической формы стальной панели кузова автомобиля Renault и подбор материала используемого для демпфирования данной панели. При этом входными параметрами для расчета и данными для сравнительного анализа являлись результаты исследований, в частности, на стендовой измерительной установке «RTC III». В процессе исследований использовались стальные плоские панели и панели с ребрами жесткости, снабженные различными демпфирующими покрытиями. Исследуемые панели поочередно жестко закреплялись в монтажной рамке, которая впоследствии возбуждалась вибратором на частотах диапазона 50…350 Гц. Излучение панелей фиксировалось акселерометром, который заблаговременно устанавливался на исследуемые панели.
В материалах Т. Alts, М. Fortez (Unikeller). Einfluss der  auf die wirksamkeit von produkten zur schwingungs  und schallisolation.
UNIKELLER CONFERENCE 1991 описывается принцип действия и преимущества материалов типа SDL (Structured Damping Layer) при их использовании в автомобилестроении для демпфирования и звукоизоляции стальных кузовных панелей. Для исследования акустических свойств данных материалов использовалась, в том числе, и стендовая измерительная установка «RTC III». Исследуемые панели поочередно, жестко закреплялись в монтажной рамке, которая впоследствии возбуждалась вибратором на частотах диапазона 26…400 Гц. Излучение панелей фиксировалось группой акселерометров, один изкоторых заблаговременно устанавливался в геометрическом центре испытываемой панели, а другие на монтажной рамке.
В материалах Р.Р Muller (Unikeller). Acoustic properties of recycled materials. UNIKELLER CONFERENCE 1993 описываются исследования различных типов вторично используемых вибродемпфирующих и звукоизолирующих материалов при их использовании в автомобилестроении для демпфирования и звукоизоляции стальных кузовных панелей, в том числе, и с помощью измерительной установки «RTC III». Исследуемые панели поочередно, жестко закреплялись в монтажной рамке, которая впоследствии возбуждалась вибратором на частотах диапазона 30…400 Гц. Излучения панелей фиксировались акселерометром.
В материалах С. Zhang (Renault), М.А. Hamdi and L. Mebarek (ESI-Group), B. Mahieux Jeuchos (Groupe Snecma). In). Influence of porous elastic components on structure and air borne noise in low and medium frequency ranges. AUTOMOTIVE CONFERENCE 2005 описывается модернизация математического метода моделирования, применяемого при проектировании кузова автомобилей, с точки зрения изменения модели элементов вибродемпфирования и шумоизоляции. При этом, данными для сравнительного анализа являлись результаты исследований на стендовой измерительной установке «RTC III». Исследуемые панели поочередно жестко закреплялись в монтажной рамке, которая впоследствии возбуждалась вибратором. Излучение панелей фиксировалось пятнадцатью микрофонами, расположенными в приемной камере установки, и двенадцатью акселерометрами, предварительно устанавливаемыми на исследуемой панели
В материалах Jeff VanBuskirk (Globe Industries, Inc.). Noise problems associated with geometrically stiffened panels (SAE-931265) описываются исследования различных типов вибродемпфирующих и звукоизолирующих материалов с помощью измерительной установки «RTC III», которые и приняты в качестве прототипа.
Измерительная установка содержит возбуждающую и приемную оппозитно расположенные камеры, монтажную рамку, воротник монтажной рамки и источник возбуждения, расположенные в возбуждающей камере, звукопоглощающие клинья и регистраторы виброакустических параметров, расположенные в приемной камере. Где, звукопоглощающие клинья расположены на противолежащей, относительно монтажной рамки, внутренней поверхности приемной камеры, регистраторы виброакустических параметров образованы измерительными микрофонами, выполненными с возможностью их расположения в полости приемной камеры, и/или акселерометрами, выполненными с возможностью их расположения на поверхности испытываемого образца, воротник монтажной рамки выполнен с образованием гибкого эластичного перекрытия дистанционного зазора между монтажной рамкой и стенками возбуждающей камеры, а источник возбуждения образован электродинамическим вибратором и датчиком силы, посредством которого электродинамический вибратор выполнен соединенным, с образованием структурной связи (опосредованной твердыми элементными связями) с монтажной рамкой. При этом монтажная рамка выполнена с возможностью ее соединения, с образованием структурной связи, с исследуемым образцом.
Способ определения вибродемпфирующих и звукоизолирующих параметров заключается в динамическом, в частотном диапазоне от 25 до 400 Гц, возбуждении предварительно соединенного с монтажной рамкой исследуемого образца, осуществляемом посредством электродинамического вибратора через твердые элементные связи монтажной рамки, в измерении и регистрации параметров виброакустических излучений и в последующей оценке полученных данных.
На фиг. 1 представлены результаты измерений уровней звукового давления (УЗД) в приемной камере при включенном электродинамическом вибраторе без установленного образца конструкционного материала (уровень фона) и УЗД в приемной камере при динамическом возбуждении образца конструкционного материала электродинамическим вибратором. Измерения выполнялись на стендовой измерительной установке «RTC III» в исследовательской лаборатории ПАО «АВТОВАЗ». В качестве образца конструкционного материала использовалась предварительно закрепленная в монтажной рамке стальная пластина толщиной 2 мм. Как видно из представленных графических зависимостей, в диапазоне частот 2000…10000 Гц разность между измеренными параметрами менее 10 дБ, что недопустимо для объективной и качественной оценки звукоизолирующих свойств конструкционного материала.
Из приведенной в предыдущем абзаце информации следует - закрепление исследуемого образца в монтажной рамке не обеспечивает защиту приемной камеры от звуковой энергии, генерируемой в возбуждающей камере, проникающей через воротник минуя поверхность исследуемого образца. Указанное не позволяет объективно оценивать звукоизолирующие характеристики материала в частотном диапазоне свыше 1600 Гц, так как уровни паразитного внешнего шума (внешних помех в приемной камере измерительной установки) в указанном диапазоне частот соизмеримы с уровнями сигналов возбуждения.
В реальных условиях эксплуатации панели кузова автомобиля (например, панель щитка передка, передний пол, пол багажного отделения) возбуждаются не только твердым структурным путем, т.е. передаваемыми на кузов колебаниями, генерируемыми силовым агрегатом, системами двигателя, агрегатами трансмиссии, узлами ходовой части (как это имитируют испытания на измерительных установках «RTC III»), но и воздушным шумом, излучаемым вибрирующими поверхностями силового агрегата, аэродинамическим излучением элементов системы впуска (срезом воздухозаборного патрубка), системы выпуска отработавших газов двигателя (среза хвостовой трубы глушителя, располагаемого в задней части кузова у панели багажного отделения), системы охлаждения двигателя (крыльчаткой вентилятора), что, в конечном итоге, формирует гибридный (комплексный) характер возбуждения структуры исследуемого звукоизоляционного материала (структурные вибрации и падающие на поверхность конструкционного материала звуковые волны).
Из приведенной в предыдущем абзаце информации следует, что установки «RTC III» не позволяют сымитировать реальное динамическое возбуждение колебаний кузовных панелей автомобиля (не учитывается составляющая динамического возбуждения воздушным шумом).
При этом для объективного определения звукоизолирующих свойств шумоизоляционных материалов, в соответствии с требованиями нормативной документации, проведение исследований должно осуществляться в частотном диапазоне от 25 до 6300 Гц.
Задачей заявляемого изобретения были создание стендовой измерительной установки и способа, обеспечивающих высокую достоверность определения вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств конструкционных материалов.
Задача решается в способе определения вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств конструкционных материалов, заключающемся в динамическом возбуждении колебаний предварительно жестко соединенного с монтажной рамкой исследуемого образца, осуществляемом посредством электродинамического вибратора, в измерении и регистрации параметров вибрационных и/или акустических излучений исследуемого образца и в последующей оценке полученных данных.
Отличие заявляемого способа заключается в том, что исследуемый образец формируют и размещают с возможностью выступания, по меньшей мере, его периферийных кромок за пределы выходного устья возбуждающей камеры и за пределы входного устья приемной камеры, динамическое возбуждение колебаний исследуемого образца осуществляют посредством электродинамического вибратора и электродинамического акустического излучателя, а регистрацию вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств исследуемого образца осуществляют посредством измерительных микрофонов, выполненных с возможностью расположения в полости приемной камеры, и акселерометров, выполненных с возможностью расположения на поверхности испытываемого образца.
Задача решается в измерительной установке, содержащей возбуждающую и приемную оппозитно расположенные камеры, монтажную рамку, воротник монтажной рамки и источник возбуждения, расположенные в возбуждающей камере, звукопоглощающие клинья и регистраторы виброакустических параметров. Где, звукопоглощающие клинья расположены на противолежащей, относительно монтажной рамки, внутренней поверхности приемной камеры, регистраторы виброакустических параметров образованы измерительными микрофонами, выполненными с возможностью их расположения в полости приемной камеры, и/или акселерометрами, выполненными с возможностью их расположения на поверхности испытываемого образца, воротник монтажной рамки выполнен с образованием гибкого эластичного перекрытия дистанционного зазора между монтажной рамкой и стенками возбуждающей камеры, а источник возбуждения образован электродинамическим вибратором и датчиком силы, посредством которого электродинамический вибратор выполнен соединенным, с образованием структурной связи с монтажной рамкой, монтажная рамка выполнена с возможностью ее соединения, с образованием структурной связи, с исследуемым образцом.
Задача решается тем, что измерительная установка снабжена:
- по меньшей мере, одной дистанционной проставкой, неподвижно закрепленной на монтажной рамке со стороны приемной камеры, выполненными с возможностью неподвижного соединения испытываемого образца с монтажной рамкой и с возможностью выступания испытываемого образца за пределы возбуждающей камеры;
- первым и вторым звукоизолирующими, аксиально расположенными поясами, один из которых сформирован с возможностью прилегания к торцевой стенке возбуждающей камеры и к соответственно расположенной периферийной части исследуемого образца, другой из которых сформирован с возможностью прилегания к торцевой стенке приемной камеры и к соответственно расположенной периферийной части исследуемого образца;
- источником возбуждения, образованным электродинамическим вибратором и датчиком силы, посредством которого электродинамический вибратор выполнен соединенным, с образованием структурной связи с монтажной рамкой, а также электродинамическим акустическим излучателем, расположенным в возбуждающей камере;
- по меньшей мере, одним измерительным микрофоном, выполненным с возможностью расположения в полости приемной камеры, и, по меньшей мере, одним акселерометром, выполненным с возможностью расположения на поверхности испытываемого образца.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей стендовой измерительной установки «RTC III», повышение объективности производимых с ее помощью измерений и достоверности оценок по определению вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств исследуемых материалов.
Изобретение поясняется рисунками:
Фиг. 1, где показаны результаты измерений уровней звукового давления в приемной камере при включенном электродинамическом вибраторе без испытываемого образца и с установленным в монтажной рамке испытываемым образцом, сформированным из стальной пластины толщиной 2 мм;
Фиг. 2, где схематически показано устройство измерительной установки;
Фиг. 3, где показана схема сопряжения монтажной рамки, воротника монтажной рамки, проставки, испытываемого образца и звукоизолирующего пояса, расположенного со стороны возбуждающей камеры.
Заявляемый способ определения вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств конструкционных материалов осуществляется с помощью стендовой измерительной установки, содержащей в своем составе многоканальный генератор белого шума 1 (на Фиг. 2 каналы генератора иллюстративно разделены), многоканальный усилитель мощности 2 (на Фиг. 2 каналы усилителя иллюстративно разделены), электродинамический вибратор 3, электродинамический акустический излучатель 4, датчик силы 5, монтажную рамку 6, дистанционную проставку 7, испытываемый образец 8, приемную камеру 9, звукопоглощающие клинья 10, измерительный микрофон 11, акселерометр 12, многоканальный частотный анализатор 13, компьютер 14, первый и второй звукоизолирующие пояса 15, возбуждающую камеру 16, воротник 17.
Возбуждающая 16 и приемная 9 камеры выполнены оппозитно и дистанцированно расположенными, снабженными, соответственно, выходным и входным устьями. При этом выходное устье возбуждающей камеры 16 выполнено расположенным напротив входного устья приемной камеры 9. Звукопоглощающие клинья 10 выполнены расположенными на внутренней поверхности противолежащей, относительно входного устья, стенки приемной камеры 9. Монтажная рамка 6 выполнена установленной в полости возбуждающей камеры 16 со смещением к ее выходному устью, а также дистанцированно расположенной относительно стенок упомянутого выходного устья. Воротник 17 монтажной рамки выполнен с образованием гибкого эластичного перекрытия дистанционного зазора между монтажной рамкой и стенками выходного устья возбуждающей камеры 16. При этом монтажная рамка 6 выполнена снабженной устанавливаемой на период испытаний дистанционной проставкой 7, расположенной со стороны приемной камеры 9, сформированной с возможностью выступания ее из выходного устья возбуждающей камеры 16, а также с возможностью неподвижного соединения, с образованием структурной связи, как с монтажной рамкой 6, так и с испытываемым образцом 8 и с возможностью выступания испытываемого образца 8 за пределы возбуждающей камеры 16. При этом дистанционная проставка 7 может быть выполнена или в виде рамки, или, что более предпочтительно, в виде, по меньшей мере, двух стержней.
Источник возбуждения выполнен образованным расположенными в полости возбуждающей камеры 16 электродинамическим вибратором 3, датчиком силы 5, посредством которого электродинамический вибратор 3 выполнен соединенным, с образованием структурной связи, с монтажной рамкой 6, а также электродинамическим акустическим излучателем 4, расположенным со смещением к внутренней поверхности противолежащей, относительно выходного устья, стенки возбуждающей камеры 16.
Регистраторы виброакустических параметров выполнены образованными, по меньшей мере, одним измерительным микрофоном 11, расположенным в полости приемной камеры 9 и, по меньшей мере, одним акселерометром 12, сформированным с возможностью его расположения на поверхности испытываемого образца 8.
Исследуемый образец 8 выполнен сформированным с возможностью выступания, по меньшей мере, его периферийных кромок за пределы выходного устья возбуждающей камеры 16 и за пределы входного устья приемной камеры 9. Стендовая измерительная установка выполнена снабженной первым и вторым (нумерация условна) звукоизолирующими, аксиально расположенными поясами 15. Один из звукоизолирующих поясов 15 сформирован с возможностью прилегания к торцевой стенке возбуждающей камеры 16 со стороны ее выходного устья и к соответственно расположенной периферийной части исследуемого образца 8. Другой из звукоизолирующих поясов 15 сформирован с возможностью прилегания к торцевой стенке приемной камеры 9 со стороны ее входного устья и к соответственно расположенной периферийной части исследуемого образца 8.
Многоканальный генератор белого шума 1 и многоканальный усилитель мощности 2, многоканальный частотный анализатор 13 и компьютер 14 выполнены расположенными вне приемной 9 и возбуждающей 16 камер. При этом каналы генератора белого шума 1, посредством соответствующих каналов усилителя мощности 2, выполнены гальванически соединенными с электродинамическим вибратором 3 и электродинамическим акустическим излучателем 4; измерительный микрофон 11, акселерометр 12, и датчик силы 5 выполнены гальванически соединенными с соответствующими каналами частотного анализатора 13; компьютер 14 выполнен соединенным с многоканальным частотным анализатором 13.
Работа стендовой измерительной установки и способ осуществления испытаний поясняется ниже следующим пояснением:
Возбуждающие сигналы белого шума, генерируемого в соответствующих каналах генератора белого шума 1 через соответствующие каналы усилителя мощности 2, подаются на электродинамический вибратор 3 и электродинамический акустический излучатель 4.
Электродинамический вибратор 3 через датчик силы 5 возбуждает колебания в монтажной рамке 6, которые передаются через дистанционную втулку 7, жестко зафиксированному на ней исследуемому образцу 8. Электродинамический акустический излучатель 4 возбуждает колебания в исследуемом образце 8 воздушным шумом, имитируя возбуждение кузовных панелей автомобиля воздушной составляющей виброакустической энергии. При этом электродинамический вибратор 3, возбуждаемый генератором белого шума 1, и опосредованная датчиком силы 5 обратная связь вибратора 3 с одним из каналов частотного анализатора 13, обеспечивают возбуждение колебаний монтажной рамки 6 в диапазоне частот от 25 до 400 Гц, а электродинамический акустический излучатель 4, также возбуждаемый генератором белого шума 1 (возбуждение осуществляется по второму каналу генератора 1), обеспечивают возбуждение в полости возбуждающей камеры 16 акустических колебаний в диапазоне частот 25… 10000 Гц.
Выполнение исследуемого образа 8 с выступанием его периферийных кромок за пределы выходного устья возбуждающей камеры 16 и за пределы входного устья приемной камеры 9, а также наличие первого и второго звукоизолирующих поясов 15, один из которых сформирован с возможностью прилегания к торцевой стенке возбуждающей камеры 16 со стороны ее выходного устья и к соответственно расположенной периферийной части исследуемого образца 8, другой из которых сформирован с возможностью прилегания к торцевой стенке приемной камеры 9 со стороны ее входного устья и к соответственно расположенной периферийной части исследуемого образца 8 обеспечивает защиту приемной камеры 9 от прямого, не опосредованного исследуемым образцом 8, проникновения акустического шума, генерируемого в возбуждающей камере 16.
Зарегистрированные измерительным микрофоном 11 и акселерометром 12 параметры передаются на соответствующие каналы многоканального частотного анализатора 13 и, в конечном итоге, в компьютер 14, оснащенный соответствующим программным обеспечением автоматизированной обработки экспериментальных данных и расчета значений физических параметров колебаний исследуемых образцов 8.
Способ определения вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств конструкционных материалов, реализуется следующими действиями:
- Исследуемый образец формируют с возможностью выступания, по меньшей мере, его периферийных кромок за пределы выходного устья возбуждающей камеры и за пределы входного устья приемной камеры.
- Подготовленный к испытаниям образец располагают в интервале между приемной 9 и возбуждающей 16 камерами стендовой измерительной установки, а также с выступанием его периферийных кромок за пределы выходного устья возбуждающей камеры и за пределы входного устья приемной камеры, после чего, посредством дистанционной(ых) проставки(ок) 7 неподвижно соединяют с монтажной рамкой 6.
- Затем выполняют монтаж первого и второго (нумерация условна) звукоизолирующих поясов 15. Один из поясов 15 устанавливают с прилеганием к торцевой стенке возбуждающей камеры 16 со стороны ее выходного устья и к соответственно расположенной периферийной части исследуемого образца 8, а другой с прилеганием к торцевой стенке приемной камеры 9 со стороны ее входного устья и к соответственно расположенной периферийной части исследуемого образца 8.
- Выполняют установку акселерометра 12 (или группы акселерометров) на испытываемом образце 8. Измерительный микрофон 11 (или группа микрофонов), электродинамический вибратор 3, электродинамический акустический излучатель 4, датчик силы 5, компьютер 14 и многоканальные генератор белого шума 1, усилитель мощности 2 и частотный анализатор 13 устанавливают заблаговременно. Осуществляют гальваническое соединение упомянутых электроэлементов стендовой измерительной установки.
Посредством электродинамического вибратора 3 и электродинамического акустического излучателя 4 осуществляют динамическое возбуждение колебаний в исследуемом образце 8. При этом электродинамическим вибратором 3 обеспечивают возбуждение колебаний монтажной рамки 6 в диапазоне частот от 25 до 400 Гц, а электродинамическим акустическим излучателем 4 возбуждение акустических колебаний в полости возбуждающей камеры 16 в диапазоне частот 25…10000 Гц.
- В процессе возбуждения исследуемого образца, посредством измерительного(ых) микрофона(ов) 11, расположенного(расположенных) в полости приемной камеры 9, и акселерометра(ов), расположенного (расположенных) на поверхности испытываемого образца 8, осуществляют регистрацию вибраций в испытываемом образце 8, инициируемых оборудованием возбуждающей камеры 16, а также акустических излучений, проникающих через испытываемый образец 8, формирующихся в процессе испытаний в приемной камере 9. С помощью компьютера 14 осуществляют запись полученной информации и последующую оценку вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств исследуемого образца 8.
Стендовая измерительная установка по изобретению обеспечивает имитацию реальных динамических колебаний ограждающих конструкций, в частности, кузовных панелей автомобиля.
Способ испытаний по изобретению обеспечивает высокую достоверность определения вибродемпфирующих и звукоизолирующих свойств ограждающих конструкций.