淡江大学机械与机电工程学系.docx

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淡江大学机械与机电工程学系

淡江大學

機電與機械工程學系

專題報告

氣動手工具噪音之肇因與抑制研討

指導教授：

蔡慧駿博士

專題生：

陳敏滄

楊介甫

中華民國九十九年十二月

致謝

參與畢業專題研究報告一年以來，學習到如何蒐集資料、研究論文以及論文格式的要求注意事項，這畢業專題報告可以讓我們學到氣動手工具的種類、原理、構造，以及所對應的釘子的種類。

感謝蔡慧駿教授在專題研究期間用心指導，訓練思考能力及邏輯能力、嚴謹負責的態度，讓我們了解做研究應有的精神與態度，教授的諄諄教誨，我們將永記在心。

目錄

圖目錄…………………………………………………………………………….IV

表目錄…………………………………………………………………………….V

摘要………………………………………………………………………………..1

第一章前言………………………………………………………………………..1

研究動機…………………………………………………………………………..2

第二章緩衝器硬度如何量?

……………………………………………………....2

第三章吸音材料有哪些?

………………………………………………………....3

第四章如何量分貝?

……………………………………………………………....4

第五章田口法………………………………………………………………….…5

結論…………………………………………………………………………….…...8

儀器名稱…………………………………………………………………….……..9

參考文獻…………………………………………………………………………...9

附錄…………………………………………………………………………………10

圖目錄

圖1衝擊噪音…………………………………………………………………..1

圖2排氣噪音…………………………………………………………………..2

圖3蕭氏硬度試驗原理圖……………………………………………………...3

照片1.ST鋼釘槍（廠牌：

NTK）………………………………………………...4

照片2.緩衝器………………………………………………………………….....4

照片3.吸音材料………………………………………………………………….4

圖4國際標準化A、B、C及F權衡曲線…………………………………….5

圖5.控制因子對數據的回應圖………………………………………………..8

圖6.各因子影響程度…………………………………………………………..8

表目錄

表1實驗控制因子與水準值…………………………………………………….5

表2L9（34）直交表實驗數據……………………………………………………...7

表3控制因子對S/N比的回應表……………………………………………..7

摘要

本文在探討氣動ST釘槍的噪音之肇因，及其變化對噪音的影響。

另外也對吸音材料做出放置變化的實驗研究探討其關係，最後運用田口法，找出其最佳化之組合。

氣動手工具在日常生活中與工業發展中的應用相當廣泛，都佔有相當重要的地位。

雖然氣動手工具帶來高速、高破壞力、高轉矩等優點，但伴隨而來的卻是惱人的振動與噪音問題，進而影響工作效率與品質，長期下來更會對操作者產生傷害。

研究目標就放在振動型的「氣動ST釘槍的噪音之肇因與抑制」。

第一章

前言

氣動釘槍（PneumaticNailerTool）是藉由壓縮空氣等外界動力的幫助，用於物品的組合，修理，調整等作業，主要為木工、家俱、裝潢及建築之用途。

氣動釘槍雖然擁有了省力，快速……等優點，但是卻會帶來嚴重的噪音問題。

氣動釘槍是一氣壓動力、精密機械整合系統，因此在氣動打釘機內部包含了氣壓動力系統、精密的汽缸活塞運動及底座的輸送、承載釘子機構。

氣動釘槍的手柄內部機構負責提供打擊釘子的動力而底座機構負責承載、運送釘子及對準工作物等用途。

氣動釘槍所產生的噪音有兩種:

[1]

（1）是於打擊釘子的過程中，活塞瞬間撞擊緩衝器，所產生之噪音，稱為「衝擊噪音」。

如圖1所示。

（2）是於打擊釘子完成後，活塞回歸時瞬間帶動氣動通過排氣出口所產生之噪音，稱為「排氣噪音」。

如圖2所示。

圖1衝擊噪音

圖2排氣噪音

研究動機

氣動手工具根據工作目的而發展出不同類型，首先先了解手工具的種類。

一般而言，手工具大致上可分為三大類:

（1）振動型:

藉由震動進行作業的工具，如碎石機、釘槍等。

（2）轉動型:

用來進行扭轉、旋轉及往復運動的工具，如螺絲起子、板手、線鋸等。

（3）研磨型:

用來進行研磨、表面拋光的工具，如研磨機、拋光機等。

各類型的手工具因為工作方式不同，產生振動及噪音的原因也不盡相同，而其中以振動型手工具的振動與噪音較其他類型更為嚴重。

因此，我們研究目標就放在振動型的「氣動ST釘槍的噪音之肇因與抑制」。

第二章

緩衝器硬度如何量?

緩衝器之主要功能不外乎減低因振動或衝擊所造成之噪音及使用者之不舒適感，或是有效控制機械元件之運動速度以達到設計要求。

本實驗的緩衝器大多是橡膠做的材料，因此最適合用蕭氏硬度來量緩衝器的硬度。

當釘槍內的活塞從高度h0自由落體往下，瞬間撞擊緩衝器時，反彈的高度為h時，由下式可得蕭氏硬度Hs=（10000/65）×（h/h0），單位為HSA。

根據Shore公司之資料，標準小撞錘之直徑為6.25mm（0.25〞），長為18.75mm（0.75〞），重量為2.36公克（1.5OZ），於計測筒中，自254mm（10〞）高處落下。

該公司以淬火之純高碳鋼為試片，對h0=10〞之平均反跳高h=6.5〞，將此試件之硬度值Hs定為100，亦即Hs=100，然後再將h等分為100份，故刻度的每一刻度為0.065〞，所以可得到蕭氏硬度值之公式。

蕭氏硬度試驗屬於動態硬度試驗，採用彈性回跳原理，通過沖頭沖擊試樣表面測量硬度值的一種方法。

即將規定形狀的金鋼石沖頭從固定高度h0自由落下到試樣表面上，由於試樣的彈性變形，沖頭反彈到一定的高度h，以這兩個高h與h0的比值計算硬度值。

[2]

圖3蕭氏硬度試驗原理圖

第三章

吸音材料有哪些?

吸音是指吸收音的能量，亦即音能變為熱能而消失（Dissipation）。

吸音材料與結構轉換入射音能為熱能，由於音波所具有之能量極小，所轉換的熱能極小，能量轉換為熱能損失包含二個機構：

（1）黏滯流動損失（ViscousFlowLosses）及

（2）內部摩擦（InternalFriction）。

1.黏滯流動損失：

有效之吸音材料結構係含有很多互相連接的孔隙，音波傳入孔隙內時，音波之空氣分子速度與孔隙內之吸音材料造成相對速度，因此在孔隙內吸音材料表面產生邊界層損失（BoundaryLayerLosses）。

2.內部摩擦：

部分吸音材料具有彈性的纖維狀結構或彈性的多孔性結構，由於音波的傳入而造成纖維狀結構被壓縮、彈回，或造成多孔性結構的伸縮、鬆緊，因此在這些結構內，能量的損失除了黏滯流動損失外，尚含有吸音材料本身內部摩擦損失。

吸音材料之特性廣泛決定於孔隙的大小、孔隙互相連接程度、材料厚度等。

吸音能力大的材料則稱為吸音材料（AbsorptiveMaterial）。

有最常見的吸音材料的有多孔材料、開孔材料、板狀材料這三種。

多孔材料的代表材料是發泡棉、吸音用軟質纖維板等等；開孔材料的則有開孔合板、開孔鋁板、開孔鐵板等等；板狀材料則有石膏板、塑膠板、金屬板等等。

如照片1.ST鋼釘槍（廠牌：

NTK）

如照片2.緩衝器

如照片3.吸音材料

第四章

如何量分貝?

人類的耳朵大致上可以聽到20~20000Hz頻率範圍的聲音，基本上，同樣強度的聲音在經過人耳的接收後，對2000Hz~4000Hz頻率的聲音會產生特別強度的感覺（如圖4），此頻率範圍造成人耳產生不舒服的感覺，因此A‐weightedscaledBA就是強調此頻率範圍對人耳所造成的影響，A權衡音壓級的單位為分貝（dB），部分文獻於分貝後加A如dB（A）、dBA，其單位仍為分貝，一般不加註A、B、C、D均得視為A權衡音壓級。

其中，A：

最接近人耳之加權；B：

極少使用；C：

通常用在工業機器或產品之噪音量測定用；D：

於測定飛機噪音時用；F：

平坦[Flat，就是對於一固定輸入噪音計的相對指定讀數決定於麥克風的音頻，若指示讀數與頻率範圍之頻率無關，這種噪音計回應（Response）特性稱為平坦（Flat）]，它特性使用於測量音壓量，精密噪音計有此規格。

B權衡音壓級較少被使用，C權衡音壓級在30至8,000赫極為平坦，當噪音組成集中於此範圍內時，用以測定音壓級。

平坦回應普通係用於噪音計輸出電訊至其他儀器。

圖4.國際標準化A、B、C及F權衡曲線

（資料來源：

張錦松、韓光榮，「噪音振動控制」，高立圖書有限公司。

）

因此本實驗是以dBC做為測量釘槍之噪音單位。

[3]

第五章

田口法

假設實驗作完而且數據都有的情況下，本研究之目標函數為各參數組合之氣動打釘機所產生的總SPL值，而總SPL（聲壓級）值愈小則代表氣動打釘機品質愈佳，故選擇望小特性（SmallertheBest）為品質計量特性。

控制因子

Level1

Level2

Level3

A

硬度值（HSA）

70

80

90

B

撞擊面積

（mm2）

114

774

950

C

吸音材料

無

加排氣蓋

加排氣蓋及吸音材料

表1實驗控制因子與水準值

公式為：

S/N

-10log[（Σni=1yi2）/n]=-10log（y2+Sn2）

其中yi：

第i組的實驗數據，n：

實驗組數，y：

平均值，Sn：

標準偏差（standarddeviation），公式為：

Sn=[Σni=1（yi-y）2/n]0.5

本實驗的田口法參數（即控制因子controlfactor，是指設計者可任意指定其設定值的參數為控制因子）有緩衝器硬度值（HSA）、緩衝器撞擊面積（mm2）、吸音材料放置這三個參數，水準值就把三個參數各分成三個水準值（緩衝器硬度值：

70HSA、80HSA、90HSA；緩衝器的撞擊面積：

114mm2、774mm2、950mm2；吸音材料放置：

沒有放、加排氣蓋、加排氣蓋及吸音材料）。

一般直交表以La（bc）來表示，其中L：

為直交表的代號；a：

代表實驗總次數，在直交表中以列數表示實驗的次數；b：

水準數，表示設計參數有b個不同的值，在設計水準數之前，需視設計參數的數量而定，以最少的實驗次數分析出各個設計參數對目標函數之影響程度；c：

設計參數或因子，當製作表格時，以行表示設計參數。

直交表的目的是在於減少實驗次數，而且獲得沒有偏差的數據。

我們用L9（34）直交表：

3個因子，3個水準值，需要實驗9次。

直交表L9（34），L27（313）稱為「純」3水準的直交表，因為它們都符合Ln（3（n-1）/2）的形式。

一個Ln（3（n-1）/2）的直交表，其中n=3p，可以讓我們評估p個因子效應及所有交互作用，包含2因子間或2個以上因子間的交互作用。

譬如L27（313）直交表可以評估3個因子（A，B，C）的因子效應、2因子間的交互作用（A×B，B×C，C×A）、以及3因子的交互作用（A×B×C）。

從自由度（一組數據的自由度是指這組數據最多所能提供的獨立資訊個數）的觀點來討論，上述「純」3水準的直交表都符合Ln（3（n-1）/2），所以都是屬於「飽和直交表」。

因為每個3水準的直行都佔用了2個自由度，（n-1）/2行就佔了n-1個自由度，再加上總平均值，剛好是n個自由度。

[4]

行號

（1）

（2）

（3）

（4）

要因

記號

實驗

號碼

A

B

A

×

B

A

×

B2

1

A1

B1

1

C1

2

A1

B2

2

C2

3

A1

B3

3

C3

4

A2

B1

2

C3

5

A2

B2

3

C1

6

A2

B3

1

C2

7

A3

B1

3

C2

8

A3

B2

1

C3

9

A3

B3

2

C1

因子的配置

因子A

因子B

因子C

實驗號碼

控制因子

實驗數據

（y）

信號雜訊比

（S/N）

A

B

C

dBC

1

1

1

1

102.2

-40.18901792

2

1

2

2

99

-39.91270389

3

1

3

3

97.6

-39.78899635

4

2

1

2

99.3

-39.93898497

5

2

2

3

97.4

-39.77117914

6

2

3

1

104.1

-40.34901459

7

3

1

3

97.5

-39.78009231

8

3

2

1

103.3

-40.28200643

9

3

3

2

102.3

-40.19751267

AVG

100.3

-40.0232787

表2L9（34）直交表實驗數據

A

B

C

Level-1

-39.9636

-39.9694

-40.2733

Level-2

-40.0197

-39.9886

-40.0164

Level-3

-40.0865

-40.1118

-39.7801

effect

0.122964

0.142476

0.493257

最佳參數組

1

1

3

表3控制因子對S/N比的回應表

圖5.控制因子對數據的回應圖

圖6.各因子影響程度

結論

本研究目的主要在探討ST鋼釘槍緩衝器硬度大小、ST鋼釘槍活塞與緩衝器接觸面積大小與ST鋼釘槍增加排氣蓋及吸音材料來測試對噪音的影響，求出各種影響噪音之因子，並用田口法設計分析來找出最佳參數組合。

目標是希望ST鋼釘槍的總SPL（聲壓級）值愈小越好，故選擇望小特性（使用於品質特性越小越好的情況）為品質計量特性來分析，找出最佳組合。

經過分析以及計算S/N比之後所得到的控制因子對S/N比的回應表和控制因子對數據的回應圖。

由控制因子對S/N比的回應表以及控制因子對數據的回應圖可知，S/N比值越大，所對應的噪音值相對越小，故最佳參數組合為A1（緩衝器硬度70HSA）、B1（緩衝器撞擊面積114mm2）、C3（增加排氣蓋及吸音材料），達到減噪的效果。

儀器名稱

儀器廠牌與型號

數量

ST鋼釘槍－NTK

一台

空壓機

一台

無音響箱

一套

橡膠緩衝器樣品

70HSA、80HSA、90HSA三個不同硬度值、撞擊面積分別為114mm2、774mm2、950mm2這三個不同緩衝器

排氣蓋及吸音材料

吸音材料一個、塑膠排氣蓋一個

分貝計

一台

參考文獻

[1]郭倫鴻“利用田口式參數設計方法於氣動打釘機噪音減低之研究”大同大學碩士論文，2007。

[2]機械材料實驗方國治、江可達、林本源、林啟瑞、林進誠、謝忠祐等編著新科技書局。

[3]陳信陽“風力發電機運轉條件對噪音影響之研究”大同大學碩士論文，2008。

[4]田口方法品質設計的原理與實務李輝煌著高立圖書有限公司。

附錄

yAVG平均值：

（102.2+99+97.6+99.3+97.4+104.1+97.5+103.3+102.3）/9=902.7/9=100.3dB

第一個S/N比為-10log102.22=-40.18901792

第二個S/N比為-10log992=-39.91270389

第三個S/N比為-10log97.62=-39.78899635

第四個S/N比為-10log99.32=-39.93898497

第五個S/N比為-10log97.42=-39.77117914

第六個S/N比為-10log104.12=-40.34901459

第七個S/N比為-10log97.52=-39.78009231

第八個S/N比為-10log103.32=-40.28200643

第九個S/N比為-10log102.32=-40.19751267

S/N比的平均值：

-40.0232787

A因子：

Level-1

（-40.18901792-39.91270389-39.78899635）/3

=-39.96357272

Level-2

（-39.93898497-39.77117914-40.34901459）/3

=-40.01972623

Level-3

（-39.78009231-40.28200643-40.19751267）/3

=-40.08653714

effect=-39.96357272-（-40.08653714）

=0.12296442

B因子：

Level-1

（-40.18901792-39.93898497-39.78009231）/3

=-39.96936507

Level-2

（-39.91270389-39.77117914-40.28200643）/3

=-39.98862982

Level-3

（-39.78899635-40.34901459-40.19751267）/3

=-40.1118412

effect=-39.96936507-（-40.1118412）

=0.1424761333

C因子：

Level-1

（-40.18901792-40.34901459-40.28200643）/3

=-40.27334631

Level-2

（-39.91270389-39.93898497-40.19751267）/3

=-40.01640051

Level-3

（-39.78899635-39.77117914-39.78009231）/3

=-39.78008927

effect=-39.78008927-（-40.27334631）

=0.4932570433