顆粒阻尼器是一種被動減振技術。

類型一

通過在一個空腔結構内填充一定的顆粒物質，并将其附着于減振的結構體上。

類型二

直接在結構體上加工出一個空腔，并填充顆粒物質。

兩種類型的減振原理都是在結構振動時利用顆粒與顆粒間和顆粒與腔體内壁之間的碰撞以及摩擦來消耗振動能量，進而達到減振的目的。

其優點有結構簡單，成本低，減振頻帶寬，對安裝體影響小、耐久性好、可靠度高、對溫度變化不敏感（ 在顆粒金屬熔點以下均可正常使用，鎢粉能承受近2000℃ 高溫），易用于惡劣環境等優點。

結構和顆粒數目不同時的顆粒阻尼器分類

按照結構和顆粒數目不同，顆粒阻尼器可分為單顆粒單單元、多顆粒單單元、多顆粒單單元、多顆粒多單元顆粒阻尼器。

小貼士：顆粒指的是阻尼器中的運動粒子，單顆粒即隻填充了一個顆粒，而單元指的是阻尼器中填裝顆粒的腔體。影響顆粒阻尼器減振效果的因素有：顆粒的材料、質量、半徑，阻尼器外形、安裝位置，外部激勵的頻率、強度等。

因粒子的運動呈現高度的非線性，我們對其運動狀态的研究還比較有限，一般将顆粒間、顆粒與内壁間的切向接觸簡化為赫茲接觸模型，切向接觸簡化為Minlin模型。

對顆粒阻尼器的研究也多在實驗室中搭建實驗台進行，一般通過在懸臂梁和振動台上安裝阻尼器并施加外部激勵，再由電腦分析處理來自加速度傳感器收集的振動信息來探究減振效果。

顆粒阻尼的技術起源

顆粒阻尼為Pagat在研究渦輪機葉片減振問題時發明的沖擊減振器(Impact Damper)。該單顆粒沖擊阻尼器碰撞時會産生較大噪音與沖擊力，對設計參數（ 如顆粒恢複系數， 外界激勵強度等）變化敏感。 故此後的研究用許多等質量小顆粒代替單一固體質量塊，因而産生了顆粒阻尼器。

顆粒阻尼的發展及應用

據單元内顆粒數目的不同,傳統顆粒阻尼器可分四類，即單單元單顆粒沖擊阻尼器、多單元單顆粒沖擊阻尼器、單單元多顆粒阻尼器或稱非阻塞性顆粒阻尼器,(Non obstructive Particle Damper)及多單元多顆粒阻尼器(Multi unit Particle Damper)。

此外，有很多顆粒阻尼器變體，如克服方向依賴性的梁式沖擊阻尼器；用軟質包袋将顆粒包裹的“豆包”阻尼器、用軟質材料覆蓋容器壁形成緩沖沖擊阻尼器；帶活塞的顆粒阻尼器；帶顆粒減振劑的碰撞阻尼器以及顆粒碰撞阻尼動力吸振器等。

顆粒阻尼技術的耗能機理為顆粒間耗能及顆粒與主體結構間沖擊耗能。利用顆粒間耗能控制振動體振動已成熟應用，如将裝滿顆粒的袋子壓在振動體上；将顆粒材料繞在振動體周圍；在金屬切削機床床身用封砂結構，可提高床身阻尼8-11倍等。

實驗1

質量塊和顆粒阻尼器的對照實驗。

第一組實驗對象：在結構上某一位置安裝顆粒阻尼器；第二組實驗對象：在結構上同一位置安裝等質量的質量塊。

将實驗對象固定在振動台上，做廣譜寬頻的随機受迫振動實驗。發現在随機振動激勵下，與質量塊相比較，顆粒阻尼器可以顯著降低結構在固有頻率(共振頻率，也就是自振頻率)處的振幅峰值，說明顆粒阻尼器能夠明顯消耗振動能量，抑制結構振動幅值，起到很好的被動減振作用。

實驗2

填充率實驗

固定一維細長彈性杆不變，選用鐵制盒，在其中裝入鋼珠做成顆粒阻尼器，變換顆粒填裝率(即顆粒體積占鐵盒容積的百分比)。

選用10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%共10種填裝率，研究填裝率對減振效果的影響。填裝率過低時，雖然每個顆粒在振動中速度大，非常活躍，但顆粒之間的碰撞機會減少，所以不利于能量的快速耗散。而當填裝率過高時，顆粒之間的碰撞機會顯著增大，但每個顆粒在振動中速度低，使得相互碰撞時能量消耗不明顯，所以也不利于能量耗散。

綜上所述，肯定存在一個最佳填裝率，使得能量耗散最為有效。在上述對照實驗中，發現随着顆粒阻尼器中顆粒填裝率的增加，減振效果(用對振幅的抑制程度來評價)先增大後減小；無論何種顆粒，當填裝率為60％～70％的時候，顆粒阻尼器對結構的減振效果最佳；在較低填裝率階段，減振效果随顆粒填裝率增大的變化速度，在填裝率為20％附近處最大，即填裝率從小于20％跨越 20％時，結構的振動幅值下降最快。

實驗3

不同位置實驗

将沙子顆粒阻尼器安裝在結構上、中、下不同高度的位置上進行實驗，發現當外加的随機振動激勵載荷的作用位置處于結構的底端時，将顆粒阻尼器安裝在結構的中端較之頂端的減振效果更好，特别是對高階模态，這一效果更明顯。

對底端固定頂端自由地豎立高瘦懸臂梁結構來說，其一階模态在頂端的振幅最大，将阻尼器安裝于此時，大幅度擺動有利于阻尼器對能量的消耗，而高階模态的振型趨于複雜，中間位置的振幅明顯增大， 所以将阻尼器安裝在中間位置時，有利于對高階模态進行減振消能。

顆粒阻尼技術的減振機理其實到目前還未被很好解釋，衆說紛纭：Kerwin提出顆粒材料消耗系統能量的三條途徑為顆粒間摩擦、顆粒間接觸點處非線性變形及顆粒材料共振；Lenzi 認為顆粒間幹摩擦是阻尼産生的主要機理。

沖擊阻尼理論典型代表是以剛性質量塊作為沖擊體的單沖擊減振器，即顆粒阻尼器起源。

沖擊減振機理包括：屈維德等認為沖擊減振機理是基于非完全彈性碰撞産生的能量損失；Popplewell 認為沖擊減振主要通過碰撞過程中動量交換實現；張濟生等認為反映沖擊減振本質的是沖擊體作用于主系統動反力大小及相位等。

由以上各位專家讨論得知，雖對顆粒阻尼進行了諸多理論及實驗研究，但都屬于基礎性研究，顆粒阻尼減振用于工程及聲學的前景與發展潛力十分良好，需要更多專業人士進行規範化設計、深入研究及實踐。

文獻來源：

【1】周宏偉《顆粒阻尼及其控制的研究與應用》．南京航空航天大學，2008

【2】戴德沛．《阻尼減振降噪技術》．西安：西安交通大學出版社，1986

【3】屈維德《機械加工中的振動問題》．北京：高等教育出版社，1959

【4】鄧危梧《沖擊減振器的效應及其基本參數的确定》．機械工程學報，1964

【5】張濟生，何康渝《關于沖擊減振機理的讨論》．《中國機械工程學會機械動力學會第四屆學術年會論文集》.天津：天津大學出版社，1990

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