《振動噪音科普專欄》「緩衝材」的「動態剛性」和「彈簧常數」,有甚麼不一樣?

這個單元是緩衝材「動態剛性」系列的第3篇。要來探討的主題是:「緩衝材」的「動態剛性」和「彈簧常數」,有甚麼不一樣?

 

首先,來看一下「緩衝材」是甚麼?本單元所探討的「緩衝材」,是指安裝於住宅浮式樓板下之緩衝材料(Materials used under floating floors in dwellings)。

 

建築樓板的緩衝材組成,可以參閱圖示左下方的樓板「實際結構」示意圖,由上而下為:混凝土板+緩衝材+RC樓板,加入「緩衝材」的目的,主要在降低樓板的衝擊噪音。

 

在前一個單元:#233,【緩衝材「動態剛性」的定義?】,已知「建築技術規則建築設計施工編」法規,第 46-1 條,本節建築技術用詞,「動態剛性」s’的定義如下:指「緩衝材」受「動態力」時,其「動態應力」與「動態變形量」之比值,其單位為百萬牛頓/立方公尺。

 

「動態剛性」(Dynamic Stiffness):慣用符號:s’,單位:MN/m^3,其中M是million百萬,所以慣用單位是:百萬牛頓/立方公尺。

 

由以上的文字敘述定義,可寫出如圖示右方的方程式:𝒔’= (𝑭/𝑺)/∆𝒅,真正的單位:N/m^3。其中,𝑭:「動態力」(N),𝑺 :「緩衝材」表面積(m^2),所以,𝑭/𝑺就是「動態應力」,單位:N/m^2。∆𝒅:「緩衝材」的「動態變形量」(m)。

 

這個單元要來區別:「緩衝材」的「動態剛性」和「彈簧常數」,有甚麼不一樣?

 

在前一個單元:#233,【緩衝材「動態剛性」的定義?】,也有介紹了根據ISO 9052-1的測試設定。參閱圖示左下方的樓板「實際結構」示意圖,實際上是一個大面積的樓板結構,根據ISO 9052-1的規定,可參閱圖示中間下方的示意圖,由下而上,說明如下:

 

1.      基座:模擬實際的「RC樓板」。

2.      「緩衝材」試體(specimen):將「緩衝材」裁切成20 cm X 20 cm的「試體」,相當於表面積 𝑺 = 0.04 m^2,可參閱圖示右上方的「試體」照片。需要將「試體」放置到基座上。

3.      荷重板:「荷重板」放置在「緩衝材」試體的上方,需有對應相同表面積的「荷重板」,並在「荷重板」上,施予「動態力」𝑭。

 

其次,就可以參照ISO 9052-1的測試步驟,取得「緩衝材」的「動態剛性」。如何測定「緩衝材」的「動態剛性」𝒔’,我們再另闢單元討論。

 

這個單元要討論的重點是:「緩衝材」的「動態剛性」和「彈簧常數」,有甚麼關係?

 

針對ISO 9052-1的測試設定,有其「測試系統」的基礎架構。可以對此「測試系統」進行「數學模型化」(mathematical modeling),取得如圖示右下方的「數學模型」(mathematical model),是基於「單自由度系統」(Single Degree-of-Freedom, SDOF)的假設,可以說:此「單自由度系統」等效於ISO 9052-1測試設定的「測試系統」。

 

此「單自由度系統」的等效模型(equivalent model)和系統參數(system parameters),說明如下:

 

1.      m:質量(mass) (kg),以「質量塊」模擬「荷重板」

2.      c:「黏滯阻尼係數」(viscous damping coefficient) (N / m/s),代表「緩衝材」的阻尼性質。

3.      k:「彈簧常數」(spring constant) (N/m),代表「緩衝材」的剛性(stiffness)。

4.      固定邊界:模擬「基座」是固定不動的。

 

引用先前單元:#207,【SDOF簡諧激振系列(1):甚麼是簡諧激振(harmonic excitation)?】,對此「單自由度系統」,進行「理論模態分析」(theoretical modal analysis, TMA),可以得到兩個「模態參數」(modal parameters),在此「單自由度系統」的「模態參數」為:

 

1.          「自然頻率」(natural frequency),ωn = 2 π𝒇𝒏 =( 𝒌/𝒎)^0.5,𝒇𝒏=𝟏/𝟐𝝅 (𝒌/𝒎)^0.5。𝒇𝒏 的單位是Hz。

2.          「阻尼比」(damping ratio),𝝃 =c/Cc。其中,c是「黏滯阻尼係數」,Cc = 𝟐(𝒎 𝒌)^0.5 = 𝟒𝝅𝒎𝒇𝒏,是「臨界黏滯阻尼係數」(critically viscous damping coefficient)。

 

所以,由「系統參數」:m、c、k,就可以求得「自然頻率」𝒇𝒏以及「阻尼比」𝝃。

 

知道了以上等效「數學模型」的「單自由度系統」,就可以來說明「彈簧常數」,慣用符號:𝒌,慣用單位:N/m。

 

接下來,再觀察「動態剛性」𝒔’定義的方程式,接續如圖示右方,做移項處理,可以得到 𝒔’= (𝑭/∆𝒅)/𝑺 = 𝒌/𝑺,其單位可以得知:(N ⁄m)/m^𝟐 = N /m^3。因為,𝒌 = 𝑭/∆𝒅,所以,可以得到「動態剛性」𝒔’和「彈簧常數」𝒌 的關係:𝒔’= 𝒌/𝑺。

 

最後,綜合本單元的討論:「緩衝材」的「動態剛性」𝒔’和「彈簧常數」𝒌,有甚麼不一樣?

 

1.      「動態剛性」𝒔’和「彈簧常數」𝒌,兩者的關係:𝒔’= 𝒌/𝑺。「動態剛性」𝒔’是「單位面積」𝑺 的「彈簧常數」𝒌,所以,本質上是相同。

2.      「動態剛性」𝒔’和「彈簧常數」𝒌,兩者單位的差異:𝒔’是(N ⁄m)/m^𝟐 = N /m^3,而 𝒌 是N ⁄m,主要差異就是「單位面積」𝑺。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2021.09.22






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