恒位移加载条件下金属橡胶恢复力信号特征分析

    金属橡胶材料是一种由细金属丝堆叠冲压制成的多孔非线性弹性阻尼材料［1，2］，具有良好的弹性和毛细多孔结构，在高低温条件下能保持很高的工作能力。金属橡胶材料是以不同规格的金属丝为原材料，经螺旋缠绕、拉伸、压等特殊制备工艺成型的，该种材料在高低温、腐蚀环境等特种工况下具有良好的阻尼隔振性能［3，4］。当前，绝大多数学术文章在论述金属橡胶研究时，都仅仅是从一个侧面论述金属橡胶的性质，而针对金属橡胶材料恢复力数据的具体分析和处理则涉及较少，根据实验中所反映出的有关现象，本文对发现的问题进行详细的分析，研究了一些常常被忽略的恢复力干扰因素，探索了提高恢复力数据精度的方法，加深了对金属橡胶材料恢复力性能的进一步认识。

    以某圆柱形金属橡胶试件产生剪弯变形为例。实验条件：电液式材料试验机，采样频率 1000Hz，谐波激励，位移控制。

    1 背景噪声分析

    分析发现在固定谐波激励条件下，金属橡胶恢复力数据具有多种频率成分，频域较宽。抽象来看，金属橡胶的作用相当于一个变换因子，对激励进行变换后获得响应，而作为一种非线性［5，6］的弹性阻尼材料，金属橡胶的变换作用相比于线性材料具有很大的差异，常常难以直接界定。为了确定原始数据中较高的频率成分是否是金属橡胶实际恢复力的组成部分，分析和对比了背景噪声的频率组成，发现排除背景噪声的干扰后，金属橡胶恢复力中仍然存在较高频率的成分，这与一般线性材料具有明显不同。

    图 1 是在实验室条件下，试验机开机无负载状态下的背景噪声时域和频域图，可以发现背景噪声是一种各态历经的平稳随机信号，频率成分主要集中在以 351.6Hz 为中心的狭窄频带内，其它频率成分基本可以看作是白噪声。

    图 2 是金属橡胶恢复力原始数据时域和频域图（位移控制的谐波参数为振幅 3mm，频率 7Hz），恢复力的频率成分主要集中在 21.48Hz 以下，相当于 3 倍频（21.48约为7的3倍）以内，和文献［7］的分析结果一致。对比图1（b），发现恢复力原始数据受背景噪声干扰明显，尤其 351.6Hz的噪声干扰十分显著，为了获得更加准确的金属橡胶恢复力信号，需要对原始信号进行滤波处理，根据大量实验证实，低通滤波上限频率选为 180Hz 比较合适。图 1（b）说明在 180Hz 以下频段内的背景噪声功率谱幅值基本不超过 50dB，但图 2（b）说明金属橡胶恢复力在此频段内的功率谱幅值很多都超过 50dB，所以可以认为此频段内的频率成分不是来源于外界干扰，而是金属橡胶微观作用机理产生的结果。