TW201617497A - 非線性能量庫及其隔音用途 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種建築元件，其包含一硬質材料的板材(11)及至少一非線性的能量庫(9)，其包含：一板片(1)，其具有兩個端部(2a)及一非線性彈簧功能的中間部(2b)，一質量(3)，其被固定至該板片的該非線性彈簧功能的中間部(2b)，一固定機構(4)，其允許該板片(1)的兩個端部(2a)以一種讓該非線性彈簧功能的中間部(2b)在其平衡位置或其諸平衡位置附近振動的方式被固定至一實心的支撐件，該非線性的能量庫(9)被該固定機構(4)牢牢地固定至該板材(11)。
本發明亦關於一種包含此建築元件的分隔牆及關於此能量庫或建築元件用來降低牆壁的聲音穿透性的用途。
Description
本發明係有關於一種非線性能量庫及關於該非線性能量庫用來改善被一面牆隔開的兩個空間之間的隔音的用途。
被一面牆隔開的兩間房間的隔音典型地係藉由提高該面牆的密度或藉由對該面牆添加襯裡來提供。在雙層式隔牆(two-leaf partition wall)的例子中，一隔音材料(典型地為一礦物綿墊或彈性泡綿墊)可被插入到兩片板材之間的空間內。
從聲音的觀點來看，此種雙層式隔牆(不論其是否具有一隔音材料的襯裡)係如同一質量-彈簧-質量系統在低頻下表現出來的行為一樣，在此系統中，該空間或隔音填充物係如同一將兩片板材彼此耦接在一起的彈簧般地作用。圖1顯示有或沒有隔音填料的此種雙層式隔音牆的隔音指數(sound reduction index)(NF EN ISO 140-3)是如何如聲音頻率的函數般地改變。
在低頻(約100-150Hz)被發現有一被稱為“呼吸(breathing)”頻率的第一特徵弱點(f0)其對應於該系統在反相位(phase opposition)中的運動及在高頻(介於2000至3000Hz之間)被發現有一被稱為吻合頻率(coincidence frequency)的第二特徵弱點(fc)，在此頻率時入射的聲波的波長和板材內的屈曲波(flexing wave)的波長相吻合。
本發明的一個目的是要在沒有添加額外的隔音層及沒有增加分隔牆的總厚度之下降低牆壁(尤其是雙層式隔音牆)在低頻領域(即，介於約50至150Hz之間的頻率)中的聲音穿透性。
此目的可使用一種固定至牆壁的一適當的位置的中等尺寸的裝置來達成，該裝置能夠藉由適應該牆壁的內在變異(intrinsic variation)來衰減或甚至消除該牆壁在其呼吸頻率的共振。支撐該板材的共振的此一衰減的物理現象被稱為能量泵送(energy pumping)(或非線性目標式能量傳遞)(例如，參見O.Gendelman et.al.,Energy pumping in non-linear mechanical oscillators,Part I and II,J.Appl.Mech.,68(2001)34-48)。
從一主要結構(通常是一線性振盪器)傳遞至一主要由非線性振盪器所構成的輔助結構的不可逆的振動能量傳遞被付予的名稱即為能量泵送。該輔助結構(其由一耦合至該主要結構的質量所構成，其中該質量係藉由非線
性彈簧(其可能是一減振器)耦合至該主要結構)沒有自身的共振頻率且可在任何頻率振動。超過該主要結構的振動能量的一門檻值，該主要結構的該振動能量即被傳遞至該輔助結構，因此將該主要結構的振動的振幅衰減。
該輔助結構(其被稱為非線性能量庫，縮寫為NES，且是一非線性的動態能量吸收器)較佳地在尺寸上顯著地小於該主要結構。
能量泵送已被廣泛地使用在各式應用中，譬如建築物及結構的地震防護、車輛的動態效能的改善、或船舶的穩定等。
就本案申請人的公司所知，用於降低將一建築物內的兩個空間隔開或將一建築物的內部和外面隔開的牆壁的聲音穿透性的能量泵送的應用尚未被考慮過。
本案申請人的公司因為已開發出簡單、耐用且重量輕以及可被輕易地固定至一將被用作為牆壁或分隔牆(譬如，一懸掛的天花板的元件、地磚、單層或雙層式隔牆中的一層、內襯元件等等)的板材的此種非線性能量庫而值得稱讚。
本發明的非線性的能量庫的主要元件包含一板片(blade)，它的兩個端部被建造成一支撐件(所以它的兩個端部並不是自由的)且一小的質量被固定至該二端部。在動態負載的情形中，該板片的行為如同一非線性彈簧一般，在一包含該負載頻率的頻率範圍內振動於其平衡位置附近(或其諸平衡位置附近)，因而允許從該主要共振器
(即，其上被固定了該非線性的能量庫的板材)傳遞到該非線性能量庫之振動能量的不可逆傳遞。
因此，本發明的一個目的是一種非線性的能量庫，包含：一板片，其具有兩個端部及一非線性彈簧功能的中間部，一質量，其被固定至該板片的該非線性彈簧功能的中間部，一固定機構，其允許該板片的該兩個端部以一種讓該非線性彈簧功能的中間部在其平衡位置或其諸平衡位置附近振動的方式被固定至一實心的支撐件。
本發明的該非線性的能量庫因而包含三個主要機構：一固定機構，用來將該板片固定至該主要結構，該主要結構的振動將被衰減，一板片，其具有兩個被建造於該固定機構內之非自由的固定端部，一被固定至該板片的該“自由的”中間部的小的質量，該中間部係位在該兩個固定端部之間。
當此能量庫遭受到具有足夠的能量及適當的頻率的振動負荷時，該小的質量將以一不同於該激勵頻率的頻率振盪於一個垂直於該板片的主要平面的平面內，該板片的該中間部然後表現出如一非線性彈簧般的行為，該非線性彈簧將該小的質量耦合至該固定機構及耦合至其上固
定了該能量庫的該主要結構。
該板片可用具有高楊氏模數(典型地高於50GPa，更佳地高於60GPa，尤其是高於70GPa)的任何硬質彈性材料製造。
一金屬板片是較佳的。
該質量較佳地被固定在該板片的該非線性彈簧功能的中間部的中間部分內(更具體地，在中間三分之一的部分內)，但此位置並非是唯一的位置且該質量完全可以佔據一偏心位置。
該質量可用和該板片相同的材料或不同的材料來製造。和該板片一樣，該質量較佳地是金屬材質。例如，可以想像得到的是，該質量及該板片被作成單件式，該質量相當於該板片的該中間部的一腫脹部分。
該板片較佳地遭受一應力，尤其是壓應力或扭轉應力。此應力造成該薄板形式的彈簧的剛性降低。由申請人的公司所實施的測試顯示此應力亦具有降低該能量泵送現象開始時的門檻值以及該能量庫的有效性的有利效果。
該板片較佳地未遭受拉伸應力，它會降低或甚至消除(可能係藉由提高該彈簧的剛性及泵送門檻值)該非線性的能量庫的有效性。
該壓應力或扭轉應力較佳地大到足以造成該板片彈性皺曲(elastic buckling)，這表示該皺曲是可逆的且當該應力被釋放掉時該皺曲會消失。在本發明的該非線性
的能量庫的一較佳的實施例中，該板片遭受一會造成它彈性皺曲的壓應力。
一已被皺曲的板片(這表示該板片已遭受到一在該板片的平面內的壓應力)有兩個穩定平衡的點，這和一尚未遭受壓應力的板片(其只有一個穩定平衡的點)相反。
該板片的該彈性皺曲必須不能太大。這是因為當該皺曲的程度超過一特定的量時，在兩個穩定平衡的點之間的轉變會變成太困難且該非線性的彈簧將只會在一個單一的穩定平衡的點附近振動。
該彈性皺曲小於10%是有利的，較佳地小於6%，尤其是小於4%，此百分比是以相對於該非線性的彈簧功能中間部的長度的形式來表示。
該板片的該皺曲亦可用顯示該板片的變形對厚度的比率來表示。在本發明的該非線性的能量庫中，此比率較佳地低於100，尤其是低於50且理想地低於30。
在本發明的該非線性的能量庫的一較佳的實施例中，該固定機構由單一構件組成，其包含兩個內建的機構，用來提供該板片固定端(blade encastré)的端部。此實施例在使用一皺曲式板片時特別有利，因為它允許該板片內的壓應力可在不將該固定機構附裝至該主要結構下被調整。
然而，理論上，該固定機構可由兩個不同的構件組成，每一構件有一內建的機構，用來提供板片固定端的一端。此一實施例將需要在該非線性的能量庫被固定至
該主要結構(它的振動將被衰減)之後調整該板片內的應力。
該固定機構必須使用硬到足以將振動從該主要結構傳遞至該板片形式的非線性彈簧的材料來製造。彈性模數相當高(典型地高於1.5GPa)的聚合物材料是較佳的。
在由申請人的公司所實施的測試中，ABS(丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物)被用來作為固定所使用的非線性的能量庫的固定機構。ABS是一種具有熱塑性塑膠矩陣(丙烯晴-苯乙烯)之複雜的二相(two-phase)材料，彈性體(丁二烯)的小節結(nodule)被散佈於其中。這些小節結在該非線性的能量庫消散振動能量方面扮演了重要的角色。另一種特別適合用來形成該固定機構的二相材料是耐衝擊聚苯乙烯，一種聚(苯乙烯-b-丁二烯)塊狀聚合物，其有聚丁二烯彈性體的小節結散佈在聚苯乙烯矩陣中。
在本發明的一個有吸引力的實施例中，該固定機構因而是由一包含一硬質的熱塑性塑膠矩陣(具有高楊氏模數)及一散佈在該熱塑性塑膠矩陣中的彈性體相(具有低楊氏模數)的二相聚合物材料製成。
本發明的能量庫較佳地具有一垂直於該板片的縱長軸線的對稱平面。
在該能量庫的一特佳的實施例中，該固定機構包含兩個從一共同的基部對稱地延伸出的分支。用來提供該板片固定端的端部的該二內建的機構然後分別在兩個彼此對稱的位置處被設置在該二分支上，較佳地設置在每一
分支的末端或接近末端處。
該非線性的能量庫例如可具有U形、Y形、或V形的形狀，並在該U形、Y形、或V形的基部固定至該支撐件。
在一有利的實施例中，該二內建的機構是兩個鉗形物(jaw)。
該被固定至該中間部的質量有利地具有一介於1至200克之間，較佳地介於2至100克，更佳地介於3至50克之間且理想地係介於5至30克之間的重量。
該板片的該中間部的長度有利地介於1至50公分之間、較佳地介於3至30公分之間，及尤其是介於5至20公分之間。
該板片的該中間部的厚度0.05mm至5mm之間，較佳地介於0.1至3mm之間，尤其是介於0.5至2mm之間。
最後，該板片的該中間部的的寬度有利地介於1mm至50mm之間，較佳地介於2mm至30mm之間，尤其是介於5至20mm之間。
由申請人的公司所建造及測試並在下文中詳細描述的該非線性的能量庫包含一板片，它的中間部是12公分長，0.1mm厚及0.5公分寬且一3公克的質量被固定在它的中心。
如在上文的介紹中所說明的，本發明的非線性的能量庫被用來改善兩個被一包含至少一板材的牆壁隔開
的空間之間的隔音。此牆壁可將一建物的內部與外面隔開來，或者可將一建物、或軌道的、航海的、車輛的或航空的運輸載具內的兩個房間隔開來。
此牆壁可以是一板材形式的建築元件，或者可包含數個建築元件，每一建築元件包含至少一板材。在所有這些例子中，該非線性的能量庫係透過該固定機構而被直接固定至該建築元件的板材。
本申請案的另一發明主體因此是一建築元件，其包含：至少一用硬質材料製成的板材，及至少一如上文所述的非線性的能量庫，其被該能量庫的固定機構牢牢地固定至該板材。
本申請案的另一發明主體是一分隔牆或一牆壁，尤其是一建物、或軌道的、航海的、車輛的或航空的運輸載具的分隔牆或牆壁，其包含具有如上文所述的該非線性的能量庫的建築元件。此分隔牆或牆壁較佳地是兩層式分隔牆或兩層式牆壁。
形成該板材的該硬質材料的楊氏模數典型地高於0.1GPa，較佳地高於1GPa，尤其是大於或等於3GPa。
該板材可由例如選自於玻璃、混凝土、金屬、石膏板、塑膠、木材或複合材料的材料所製成。
在一較佳的實施例中，該建築元件將包含至少一片石膏板。
在另一較佳的實施例中，該建築元件形成一兩層式分隔牆的一部分，這表示它包含兩片彼此平行且被一中間空間(其亦被稱為空間)隔開來的板材。就是這種包含兩片被一空間耦合在一起的板材的雙分隔牆在低頻領域(相當於該系統的“呼吸”頻率)中產生相當高的聲音穿透性的問題。此一關於聲音穿透性的問題在該二板材是石膏板(其通常被固定至較佳地以金屬製成的軌條及/或立柱(uprights)的骨架)的板材時特別嚴重。
界定在兩片板材之間的該中間的空間較佳地被至少部分填充隔音材料。
大致上，該非線性的能量庫較佳地以一種該能量庫的該板片的平面實質地平行於該板材的平面的方式被固定至該板材。
該建築元件可包含一或多個非線性的能量庫。因為顯而易見的美觀上的原因，當該建築元件形成雙層式分隔牆的一部分時，該非線性的能量庫較佳地被固定在面向該雙層式分隔牆的內部的表面的至少一表面上。
然而，就一既有的牆壁的隔音方案而言，該能量庫可被固定至該牆壁的一可被看到且方便接近的表面上。
為了要將該非線性的能量庫的有效性最適化，該非線性的能量庫必須被安裝在該板材上的一個板材振動最大的位置點。這是因為能量泵送在振動能量的一特定的門檻值被超過之前是不會開始的，且使用非線性的能量庫
來隔音的主要困難在於將此能量泵送的門檻值儘可能地降低。因此，該非線性的能量庫必須被安裝在該板材上板材振動最大的位置點。此位置點通常是該板材的表面的一半處，即離被固定的邊緣最遠的地方。
當該雙層式分隔牆的該中間的空間被填充隔音材料時，該非線性的能量庫可被容納在一凹入到該板材的內表面內的凹陷中或一凹入到該隔音材料內的凹陷中，使得它不會與之接觸。在另一種形式中，該中間的空間用隔音材料進行的填充可以只是部分填充且該非線性的能量庫可被安裝在未被填充的部分中。
本發明的最後一個主體是下文所描述的非線性的能量庫或包含此一非線性的能量庫的建築元件用來降低牆壁的聲音穿透性的用途。
例如，此用途包含一種用來降低一將一建築物的兩個房間分隔開或將建築物的內部和外面分隔開的牆壁的聲音穿透性的方法，該方法包含將依據本發明的非線性的能量庫固定至該牆壁，較佳地固定至該牆壁的一板材。
當然，上文中提到的關於非線性的能量庫或包含非線性的能量庫的建築元件的所有實施例亦適用於至些發明主體用於降低牆壁的聲音穿透性的用途。
1‧‧‧板片
2a‧‧‧端部
2b‧‧‧中間部
3‧‧‧質量
4‧‧‧固定機構
5‧‧‧內建的機構
6‧‧‧分支
7‧‧‧基部
8‧‧‧中間空間
9‧‧‧非線性的能量庫
10‧‧‧隔音材料
11‧‧‧板材
本發明現將參照附圖更詳細地加以描述，其中圖1是一圖表，其顯示雙層式分隔牆的隔音指數如該
將被防止穿過該分隔牆的聲音的頻率的函數般地改變；圖2是依據本發明的非線性的能量庫的立體圖；圖3是依據圖2的發明的能量庫的俯視圖，其顯示該非線性彈簧功能板片的兩個穩定平衡的位置；圖4顯示一包含依據本發明的非線性的能量庫的雙層式分隔牆的剖面。
圖1已在介紹中被討論。它顯示本發明要克服的技術問題，即雙層式牆在被稱為“呼吸(breathing)”頻率的低頻(約100-150Hz)的大的聲音穿透性(f0)，其對應於雙層式牆壁的兩片板材在反相位(phase opposition)中的共振。
示於圖2中的本發明的非線性的能量庫9具有一扁平的Y形狀的固定機構4。此固定機構是由一基部7及兩個由該基部對稱地延伸出的分支6所構成。在每一分支6的端部有一內建的機構5，此內建的機構的夾鉗可用螺絲來調整。該二內建的機構5固持一金屬板片1的兩個端部(圖中看不到)。該板片的中間部2b當被主共振器(未示出)(該非線性的能量庫9將被固定於其上)的振動觸動時可自由地振動。一小的質量3被固定至該板片1的中央。
圖3顯示同一非線性的能量庫，它的板片1受到一沿著該板片的對稱縱軸施加的壓應力。此壓應力是因為被夾在兩個固定端部2a(其被內建在該內建的機構5內)
之間的該板片的該中間部2b比該二內建的機構5相隔的距離還長所造成的結果。此壓應力造成該板片1皺曲。圖3中的兩個圖的每一個圖係顯示該皺曲的板片1的穩定平衡位置。在操作時，這表示當依據本發明的非線性的能量庫被牢牢地固定至一受到夠大的振動的板材時，該板片會從一穩定平衡的位置轉移至另一穩定平衡的位置。
最後，圖4示意地顯示依據本發明的非線性的能量庫9，其被固定在構成一依據本發明的建築元件的一部分的板材11內的凹陷中。在此例子中，該建築元件是一由兩片板材11所構成的雙層式分隔牆，在兩片板材之間界定了一中間空間8，其填入了隔音材料10。該非線性的能量庫以一種該板片(圖中看不到)的平面係實質平行於該板材11的整體平面的方式被固定至該板材。
1‧‧‧板片
2b‧‧‧中間部
3‧‧‧質量
4‧‧‧固定機構
5‧‧‧內建的機構
6‧‧‧分支
7‧‧‧基部
9‧‧‧非線性的能量庫
Claims (15)
- 一種包含至少一硬質材料的板材(11)及至少一非線性的能量庫(9)的建築元件，其包含：一板片(1)，其具有兩個端部(2a)及一非線性彈簧功能的中間部(2b)，一質量(3)，其被固定至該板片的該非線性彈簧功能的中間部(2b)，一固定機構(4)，其允許該板片(1)的該二端部(2a)以一種讓該非線性彈簧功能的中間部(2b)在其平衡位置或其諸平衡位置附近振動的方式被固定至一實心的支撐件，該非線性的能量庫(9)被該固定機構(4)牢牢地固定至該板材(11)。
- 如申請專利範圍第1項之建築元件，其中該板片受到一應力，較佳地為壓應力或扭轉應力。
- 如申請專利範圍第2項之建築元件，其中該板片受到一造成該板片彈性皺曲的應力，較佳地受到一造成它彈性皺曲的壓應力。
- 如申請專利範圍第3項之建築元件，其中該彈性皺曲小於10%，較佳地小於6%，尤其是小於4%，此百分比係以相對於該非線性的彈簧功能中間部的長度來表示。
- 如申請專利範圍第1、2或3項之建築元件，其中該質量(3)被固定至該板片的該非線性的彈簧功能中間部(2b)的中央部分內。
- 如申請專利範圍第1項之建築元件，其中該板片是 金屬板片。
- 如申請專利範圍第1項之建築元件，其中該固定機構(4)由單一構件組成，其包含兩個內建的機構(5)，其提供該板片固定端的端部(2a)。
- 如申請專利範圍第7項之建築元件，其中該固定機構(4)包含兩個從一共同的基部(7)對稱地延伸出的分支(6)，該二內建的機構(5)係分別設置在該二分支上，較佳地設置在每一分支的末端或接近末端處。
- 如申請專利範圍第1項之建築元件，其中該非線性的能量庫係以一種該能量庫的該板片(1)的平面實質平行於該板材的平面的方式被固定至該板材。
- 如申請專利範圍第1項之建築元件，其中該板材(11)或至少一板材是一片石膏板。
- 如申請專利範圍第1項之建築元件，其中該建築元件包含兩片板材(11)，其彼此平行且被一中間空間(8)隔開來。
- 如申請專利範圍第11項之建築元件，其中該兩片板材(11)是石膏板，其較佳地被固定至軌條及/或立柱的骨架。
- 如申請專利範圍第11或12項之建築元件，其中介於該兩片板材(11)之間的該中間空間(8)被填充隔音材料(10)。
- 一種建築物的牆壁，其包含如申請專利範圍第1至13項中任一項之建築元件。
- 一種如申請專利範圍第1至13項中任一項之建築元件在降低牆壁的聲音穿透性方面的用途。
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