橡膠緩衝材動態剛性性能實驗量測

由前可知樓板緩衝材之材料材質多樣，且其材料性質(動態剛性值)對樓板衝 擊音之隔音性能影響甚大，本研究為貼近國內建築業界材料實際現況，故優先選 用於音響實驗室進行樓板衝擊音實測試體，取用進行緩衝材進行實驗研究。試片 之材質、動態剛性量測資料、結果、與其對應之衝擊音量測結果作相關之說明 一、動態剛性試體說明

研究選取於實驗室進行樓板衝擊音之國內業界使用之緩衝材為研究試體，目 前共選取7組樣品，包含顆粒橡膠墊、纖維橡膠墊、均質橡膠墊及複合隔音墊等

類型。取樣之測試試片類型若與前面之統計結果相比對，亦可得到印證國內目前 使用之材料以橡膠墊、複合隔音墊2類為最主要之類型。本研究目前實驗選取之 試片與其特性如表4-2 所示

表 4- 2 橡膠材料之種類與特性 試 件

編號

試件材料描述 厚 度 (mm)

單位面積 重

(^𝑘𝑔⁄_𝑚2)

試件外觀

1 PU膠結橡膠顆粒，

波浪狀表面

8 4.85

2 PU膠結橡膠纖維，

波浪狀表面

8 3.7

3 膠結橡膠顆粒及聚 氨酯製成，波浪狀 表面

17 2.5

4 PU膠結細粒聚氨酯 顆粒

4-5 2.5

5 PU彈性體膠結橡膠 顆粒

2-3 3.8

6 橡膠捲材 10 7.5

7 隔音墊(PU發泡) 9 0.55

(資料來源:本研究整理)

二、動態剛性性能量測結果 (一)動態剛性試驗流程

以下就前述之試體進行動態剛性試驗，試驗方法依照 CNS 16022 方式準備 20X20 cm 平面尺寸之試體，並依試驗規範之規定於試片上方設置防水膜層後，

打設石膏整平，乾燥後將試體置於待測平台上，如圖 4-2 所示

圖 4- 2 緩衝材動態剛性試驗試體準備及製作 (資料來源:本研究整理)

當於實驗量測前須以 b&k type 4294 加速規校正器進行加速規感度校正，以維持 正確性，操作方式為首先取用一加速規底座與加速規校正器連結，如圖 4-3 所 示

圖 4- 3b&k type 4294 加速規校正器 (資料來源:本研究整理)

完成整體安裝後，開啟電腦桌面之 resonance.pls 之 pulse 軟體捷徑，按下上方有 天平符號之 icon，開啟校正功能，此時軟體會自動偵測加速規，在尚未開始校正 時，會顯示紅色，後續將加速規校正器之電源打開，系統會自動偵測進行校正，

校正完成後會顯示綠色，如圖 4-4 所示，此時即完成加速規之校正。後續各量測 用加速規依相同程序皆完成校正。

圖 4- 4 加速規校正完成後畫面 (資料來源:本研究整理)

完成校正後，接續進行試體之動態剛性量測，首先依照試驗 SOP 規劃 9 個加速規 量測點位，各點位需均勻分布於量測面(如圖 4-5 所示)，本實驗共進行 3 次量測，

每次量測 3 點，共 9 點。量測方式為選擇 resonance.pls 之 pulse 軟體中，上方之 量測 icon，系統將處於等待衝擊激發試體之狀態，此時手拿衝擊錘，依照前面所 規劃畫叉記號之衝擊點為位置，以衝擊錘敲擊後系統將會自動進行訊號之量測，

待完成此次訊號量測後，移動 3 個加速規至下一個量測點，重複上述方式

圖 4- 5 加速規量測點位配置方式 (資料來源:本研究整理)

進行衝擊及振動反應量測，即可完成整個動態反應量測。

由前面量測之數據結果，可獲得 9 條頻率反應函數(FRF)之曲線，接下來點 選 PULSE 之 EVAL 鍵，並將圖形之 Y 軸單位選取 Imaginary 顯示虛部，PULSE 軟體可由數線中抓出 FRF 峰值，並於右方顯示共振頻率、阻尼比等數值，如圖

4-6 所示。由前面量測之數據結果，可獲得 9 條頻率反應函數(FRF)之曲線，接下 來點選 PULSE 之 EVAL 鍵，並將圖形之 Y 軸單位選取 Imaginary 顯示虛部，PULSE 軟體可由數線中抓出 FRF 峰值，並於右方顯示共振頻率、阻尼比等數值。

圖 4- 6 實驗量測之 FRF 曲線圖 (資料來源:本研究整理)

由於實驗量測之 FRF 數據共有 9 筆，但在本實驗中所要取的振動模態為 直上直下之低階模態也就是低頻率之簡單摩態，故判斷上採以各 FRF 虛 部曲線為同方向(相同象限)為所要之共振頻率值。同時亦以此準則方式 來進行結果驗證。因本試驗之振動系統為簡單之單自由度(SDOF)，且依 據 104 年本所「浮式樓板緩衝材之動態剛性量測方法與衝擊音降低效果 研究」研究成果(報告 P.50)，量測點位以佈設於中央最佳，故系統共振 頻率取中央點位之 FRF 量測所得之共振頻率值，最後，由所得之共振頻 率代入式(4-1)中，即可得到此橡膠緩衝材之動態剛性值。

^{/ 4 2} t^/

( )

z ² z

t

m f

s

s

=

k

=



(4-1)

(二)動態剛性試驗結果

本研究就國內實際使用之樓板橡膠緩衝材取樣試件 1 至試件 7 共 7 組試件，進行

實際之動態剛性試驗量測，材料類型包含 PU 膠結橡膠顆粒、PU 膠結橡膠纖維、

圖 4- 9 試件 1 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark1-vib3)

圖 4- 11 試件 1 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark2-vib2)

圖 4- 13 試件 1 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark3-vib1)

圖 4- 15 試件 1 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark3-vib3) (資料來源:本研究整理)

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

(m/s^2)/N

頻率(Hz)

頻率反應函數曲線圖(Magnitude)

表 4- 3 緩衝材動態剛性量測結果原始資料(試件 1)

編號 共 振 頻 率

(Hz)

阻尼比(%) 動態剛性𝑠_𝑡^/(MN/𝑚³)

Mark1-vib1 30.5 0.492 7.2

Mark1-vib2 30、84 0.56、13.4 6.96、54.59 Mark1-vib3 86.25 13.8 57.56

Mark2-vib1 64.5 2.27 32.19

Mark2-vib2 44.75、41.75 0.94、1.44 15.49、13.49 Mark2-vib3 89.5 12.3 61.98

Mark3-vib1 47.5 1.22 17.46

Mark3-vib2 87、44 11.7、0.77 58.56、14.98 Mark3-vib3 86 14.9 57.23

環境溫度:29.7℃ 濕度:71.4%

(資料來源:本研究整理)

試片 1 材料為 PU 膠結橡膠顆粒，由實驗量測所得到之 9 個點頻率反應函數結果 分析後，由量測軟體計算 FRF 函數奇異點後歸納結果得到共振頻率 Peak 具有 3 個峰值，分別在 30-30.5 Hz、41.75-47.5 Hz 區間及 84 至 89.5 Hz 區間，但搭 配試驗量測之 FRF 圖形觀察後可知，FRF 曲線圖之峰值顯示為於 84-89.5 Hz 之 範圍，其他 30-30.5 Hz、41.75-47.5 Hz 區間等之共振頻率於 FRF 圖形上並不明 顯，依據單自由度震動理論可判別其應非主要之振動頻率；另由所測得之阻尼比 結果觀察後，共振頻率 30 Hz 之阻尼比約為 0.5%、41.75-47.5 Hz 區間之峰值 所測得之阻尼比約為 1.44~1.22 %，而 84-89.5 Hz 共振頻率之阻尼比則為 13.4-12.3 %，由於阻尼為緩衝材消減振動能量之主要機制，阻尼最大之數值才 是合理之材料特性，依此結果也可判別 FRF 於 80-90 Hz 共振頻率區間之峰值應 為正確之共振峰值。如依實驗中編號 mark2-vib2 之結果(位置為試體中央)，取中 央點位共振頻率之 FRF 量測所得之共振頻率值 f= 44.75 Hz 進行分析，表示方式

則依據 CNS 16022 第 9 節之規定，「‧‧‧所有單位面積動態剛性，均修整至整 數以𝑀𝑁 𝑚⁄ ³表示」，求得動態剛性值為 47 𝑀𝑁 𝑚⁄ ³。因本試驗之振動系統為簡 單之單自由度(SDOF)，但此次實驗之共振頻率結果呈現較為分散，推斷可能為 試體乾燥時間不足，為求審慎及探討影響因素，後續進行乾燥後重新檢測。

2.試件 2-PU 膠結橡膠纖維

本緩衝材試件之動態剛性各點頻率反應函數量測結果如圖 4-16 至圖 4-24 所示，

共振頻率與阻尼比結果如表 4-4 所示

圖 4- 16 試件 2 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark1-vib1) (資料來源:本研究整理)

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

(m/s^2)/N

頻率(Hz)

頻率反應函數曲線圖(Magnitude)

圖 4- 17 試件 2 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark1-vib2) (資料來源:本研究整理)

圖 4- 18 試件 2 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark1-vib3) (資料來源:本研究整理)

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

(m/s^2)/N

頻率(Hz)

頻率反應函數曲線圖(Magnitude)

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

(m/s^2)/N

頻率(Hz)

頻率反應函數曲線圖(Magnitude)

圖 4- 19 試件 2 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark2-vib1)

圖 4- 21 試件 2 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark2-vib3)

圖 4- 23 試件 2 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark3-vib2)

Mark1-vib2 69.75、20.75 9.47、2.85 37.64、3.33

0.00

Mark1-vib3 68.25 9.95 36.04 Mark2-vib1 66.25 10.6 33.96

Mark2-vib2 70、26 9.24、3.62 37.91、5.23 Mark2-vib3 69.5、29 8.97、1.65 37.37、6.51 Mark3-vib1 70.5 9.49 38.46

Mark3-vib2 70.25、26.25 8.72、1.37 38.18、5.33 Mark3-vib3 70、31 8.8、1.01 37.91、7.44 環境溫度:30.8 ℃ 濕度:69.3 %

(資料來源:本研究整理)

試片 2 材料為 PU 膠結橡膠纖維，由實驗量測所得到之 9 個點頻率反應函數(FRF) 圖形可觀察到其共振頻率 Peak 相當一致，皆分布在 65~70 Hz 區間，另於編號 Mark1-vib2、Mark2-vib2、vib3、Mark3-vib2 等次之量測結果原始資料顯示除 65-70 Hz 區間外另於頻率 25 Hz 左右有一共振頻率，表示 FRF 函數於此頻率亦 為奇異點，但搭配試驗量測之 FRF 圖形觀察後可知，相較於原 65~70 Hz 區間之 峰值，此 25 Hz 左右有一共振頻率於 FRF 圖形上並不明顯，依據單自由度震動理 論可判別其並非主要之振動頻率；另由所測得之阻尼比結果觀察後，共振頻率 65~70 Hz 區間之峰值所測得之阻尼比約為 9~11%，而 25 Hz 左右共振頻率之阻尼 比則為 3-6%，由於阻尼為緩衝材消減振動能量之主要機制，阻尼最大之數值才 是合理之材料特性，依此結果也可判別 FRF 於 65~70 Hz 區間之峰值為正確之共 振峰值。因本試驗之振動系統為簡單之單自由度(SDOF)，且依據 104 年本所「浮 式樓板緩衝材之動態剛性量測方法與衝擊音降低效果研究」研究成果(報告 P.50)，量測點位以佈設於中央最佳，在本次實驗中為編號 mark2-vib2 之結果，

故系統共振頻率取中央點位之 FRF 量測所得之共振頻率值，另表示方式則依據

CNS 16022 第 9 節之規定，「‧‧‧所有單位面積動態剛性，均修整至整數以𝑀𝑁 𝑚⁄ ³

圖 4- 27 試件 3 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark1-vib3) (資料來源:本研究整理)

圖 4- 28 試件 3 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark2-vib1) (資料來源:本研究整理)

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

(m/s^2)/N

頻率(Hz)

頻率反應函數曲線圖(Magnitude)

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

(m/s^2)/N

頻率(Hz)

頻率反應函數曲線圖(Magnitude)

圖 4- 29 試件 3 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark2-vib2)

圖 4- 31 試件 3 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark3-vib1)

圖 4- 33 試件 3 之動態剛性量測 FRF 圖(量測編號:Mark3-vib3) (資料來源:本研究整理)

表 4- 5 緩衝材動態剛性量測結果原始資料(試件 3)

編號 共振頻率(Hz) 阻尼比(%) 動態剛性𝑠_𝑡^/(MN/𝑚³) Mark1-vib1 58、21.75 6.47、1.84 26.03、3.66

Mark1-vib2 60.25、31.25 7.28、1.79 28.09、7.56 Mark1-vib3 57.5、24.25 10.02、1.32 25.58、4.55 Mark2-vib1 58.5、24.5 7.55、2 26.48、4.64 Mark2-vib2 63.25、51.25 5.58、7.63 30.95、20.32 Mark2-vib3 57.75、34.75 12.6、3.38 25.8、9.34 Mark3-vib1 57.25、19.25 8.86、2.15 25.36、2.87 Mark3-vib2 64.25、53.25 7.5、8.12 31.94、21.94 Mark3-vib3 55.75、26.25 11.9、2.03 24.05、5.33 環境溫度:25.3 ℃ 濕度:65.8 %

(資料來源:本研究整理)

試片 3 材料為膠結橡膠顆粒及聚氨酯製成，由實驗量測所得到之 9 個點頻率反應

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

(m/s^2)/N

頻率(Hz)

頻率反應函數曲線圖(Magnitude)

函數結果分析後共振頻率 Peak 具有 2 個峰值，分別在 51~65 Hz 區間及 19 至 35Hz，

表示 FRF 函數於此兩頻率為奇異點，但搭配試驗量測之 FRF 圖形觀察後可知，相 較於 51~65 Hz 區間之峰值，19 至 35 Hz 之共振頻率於 FRF 圖形上並不明顯，依 據單自由度震動理論可判別其並非主要之振動頻率；另進一步由表 4-5 所測得之 結果觀察後，51~65 Hz 範圍之各共振頻率其所測得之阻尼比約為 12.6~5.58%，

而 19 至 35 Hz 範圍之各共振頻率其所測得之阻尼比則為 2-1.79 %，由於阻尼為 緩衝材消減振動能量之主要機制，阻尼最大之數值才是合理之材料特性，依此結 果也可判別 FRF 於 51~65 Hz 區間之峰值為正確之共振峰值。因本試驗之振動系 統為簡單之單自由度(SDOF)，且依據 104 年本所「浮式樓板緩衝材之動態剛性 量測方法與衝擊音降低效果研究」研究成果(報告 P.50)，量測點位以佈設於中 央最佳，在本次實驗中為編號 mark2-vib2 之結果，故系統共振頻率取中央點位 之 FRF 量測所得之共振頻率值(f=51.25 Hz，阻尼比=7.63 %)，另動態剛性值表示 方式則依據 CNS 16022 第 9 節之規定，「‧‧‧所有單位面積動態剛性，均修整 至整數以𝑀𝑁 𝑚⁄ ³表示」，故動態剛性值為 20 𝑀𝑁 𝑚⁄ ³。

4. 試件 4-PU 膠結細粒聚氨酯顆粒

本緩衝材試件之動態剛性各點頻率反應函數量測結果如圖 4-34 至圖 4-42 所示，

共振頻率與阻尼比結果如表 4-6 所示

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20 1.40 1.60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

(m/s^2)/N

頻率(Hz)

頻率(Hz)

在文檔中 樓板橡膠緩衝材動態剛性性能分析之研究 (頁 47-109)