气囊减振对比传统减振（什么叫颗粒阻尼减振）

颗粒阻尼器是一种被动减振技术。

类型一

通过在一个空腔结构内填充一定的颗粒物质，并将其附着于减振的结构体上。

类型二

直接在结构体上加工出一个空腔，并填充颗粒物质。

两种类型的减振原理都是在结构振动时利用颗粒与颗粒间和颗粒与腔体内壁之间的碰撞以及摩擦来消耗振动能量，进而达到减振的目的。

其优点有结构简单，成本低，减振频带宽，对安装体影响小、耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感（ 在颗粒金属熔点以下均可正常使用，钨粉能承受近2000℃ 高温），易用于恶劣环境等优点。

结构和颗粒数目不同时的颗粒阻尼器分类

按照结构和颗粒数目不同，颗粒阻尼器可分为单颗粒单单元、多颗粒单单元、多颗粒单单元、多颗粒多单元颗粒阻尼器。

小贴士：颗粒指的是阻尼器中的运动粒子，单颗粒即只填充了一个颗粒，而单元指的是阻尼器中填装颗粒的腔体。影响颗粒阻尼器减振效果的因素有：颗粒的材料、质量、半径，阻尼器外形、安装位置，外部激励的频率、强度等。

因粒子的运动呈现高度的非线性，我们对其运动状态的研究还比较有限，一般将颗粒间、颗粒与内壁间的切向接触简化为赫兹接触模型，切向接触简化为Minlin模型。

对颗粒阻尼器的研究也多在实验室中搭建实验台进行，一般通过在悬臂梁和振动台上安装阻尼器并施加外部激励，再由电脑分析处理来自加速度传感器收集的振动信息来探究减振效果。

颗粒阻尼的技术起源

颗粒阻尼为Pagat在研究涡轮机叶片减振问题时发明的冲击减振器(Impact Damper)。该单颗粒冲击阻尼器碰撞时会产生较大噪音与冲击力，对设计参数（ 如颗粒恢复系数， 外界激励强度等）变化敏感。 故此后的研究用许多等质量小颗粒代替单一固体质量块，因而产生了颗粒阻尼器。

颗粒阻尼的发展及应用

据单元内颗粒数目的不同,传统颗粒阻尼器可分四类，即单单元单颗粒冲击阻尼器、多单元单颗粒冲击阻尼器、单单元多颗粒阻尼器或称非阻塞性颗粒阻尼器,(Non obstructive Particle Damper)及多单元多颗粒阻尼器(Multi unit Particle Damper)。

此外，有很多颗粒阻尼器变体，如克服方向依赖性的梁式冲击阻尼器；用软质包袋将颗粒包裹的“豆包”阻尼器、用软质材料覆盖容器壁形成缓冲冲击阻尼器；带活塞的颗粒阻尼器；带颗粒减振剂的碰撞阻尼器以及颗粒碰撞阻尼动力吸振器等。

颗粒阻尼技术的耗能机理为颗粒间耗能及颗粒与主体结构间冲击耗能。利用颗粒间耗能控制振动体振动已成熟应用，如将装满颗粒的袋子压在振动体上；将颗粒材料绕在振动体周围；在金属切削机床床身用封砂结构，可提高床身阻尼8-11倍等。

实验1

质量块和颗粒阻尼器的对照实验。

第一组实验对象：在结构上某一位置安装颗粒阻尼器；第二组实验对象：在结构上同一位置安装等质量的质量块。

将实验对象固定在振动台上，做广谱宽频的随机受迫振动实验。发现在随机振动激励下，与质量块相比较，颗粒阻尼器可以显著降低结构在固有频率(共振频率，也就是自振频率)处的振幅峰值，说明颗粒阻尼器能够明显消耗振动能量，抑制结构振动幅值，起到很好的被动减振作用。

实验2

填充率实验

固定一维细长弹性杆不变，选用铁制盒，在其中装入钢珠做成颗粒阻尼器，变换颗粒填装率(即颗粒体积占铁盒容积的百分比)。

选用10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%共10种填装率，研究填装率对减振效果的影响。填装率过低时，虽然每个颗粒在振动中速度大，非常活跃，但颗粒之间的碰撞机会减少，所以不利于能量的快速耗散。而当填装率过高时，颗粒之间的碰撞机会显著增大，但每个颗粒在振动中速度低，使得相互碰撞时能量消耗不明显，所以也不利于能量耗散。

综上所述，肯定存在一个最佳填装率，使得能量耗散最为有效。在上述对照实验中，发现随着颗粒阻尼器中颗粒填装率的增加，减振效果(用对振幅的抑制程度来评价)先增大后减小；无论何种颗粒，当填装率为60％～70％的时候，颗粒阻尼器对结构的减振效果最佳；在较低填装率阶段，减振效果随颗粒填装率增大的变化速度，在填装率为20％附近处最大，即填装率从小于20％跨越 20％时，结构的振动幅值下降最快。

实验3

不同位置实验

将沙子颗粒阻尼器安装在结构上、中、下不同高度的位置上进行实验，发现当外加的随机振动激励载荷的作用位置处于结构的底端时，将颗粒阻尼器安装在结构的中端较之顶端的减振效果更好，特别是对高阶模态，这一效果更明显。

对底端固定顶端自由地竖立高瘦悬臂梁结构来说，其一阶模态在顶端的振幅最大，将阻尼器安装于此时，大幅度摆动有利于阻尼器对能量的消耗，而高阶模态的振型趋于复杂，中间位置的振幅明显增大， 所以将阻尼器安装在中间位置时，有利于对高阶模态进行减振消能。

颗粒阻尼技术的减振机理其实到目前还未被很好解释，众说纷纭：Kerwin提出颗粒材料消耗系统能量的三条途径为颗粒间摩擦、颗粒间接触点处非线性变形及颗粒材料共振；Lenzi 认为颗粒间干摩擦是阻尼产生的主要机理。

冲击阻尼理论典型代表是以刚性质量块作为冲击体的单冲击减振器，即颗粒阻尼器起源。

冲击减振机理包括：屈维德等认为冲击减振机理是基于非完全弹性碰撞产生的能量损失；Popplewell 认为冲击减振主要通过碰撞过程中动量交换实现；张济生等认为反映冲击减振本质的是冲击体作用于主系统动反力大小及相位等。

由以上各位专家讨论得知，虽对颗粒阻尼进行了诸多理论及实验研究，但都属于基础性研究，颗粒阻尼减振用于工程及声学的前景与发展潜力十分良好，需要更多专业人士进行规范化设计、深入研究及实践。

文献来源：

【1】周宏伟《颗粒阻尼及其控制的研究与应用》．南京航空航天大学，2008

【2】戴德沛．《阻尼减振降噪技术》．西安：西安交通大学出版社，1986

【3】屈维德《机械加工中的振动问题》．北京：高等教育出版社，1959

【4】邓危梧《冲击减振器的效应及其基本参数的确定》．机械工程学报，1964

【5】张济生，何康渝《关于冲击减振机理的讨论》．《中国机械工程学会机械动力学会第四届学术年会论文集》.天津：天津大学出版社，1990