考慮加筋效應(yīng)的薄板結(jié)構(gòu)低頻聲傳遞損失

歐達(dá)毅

(1. 華僑大學(xué) 建筑學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021；2. 華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

考慮加筋效應(yīng)的薄板結(jié)構(gòu)低頻聲傳遞損失

歐達(dá)毅1，2

(1. 華僑大學(xué) 建筑學(xué)院， 福建 廈門(mén) 361021；2. 華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 廣州 510640)

設(shè)計(jì)一種參數(shù)可調(diào)的加筋板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，可根據(jù)需要對(duì)加筋板的加筋條數(shù)、加筋位置、加筋條材料、加筋條尺寸等加筋參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，研究不同加筋參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響效果.基于該裝置，選取3種不同加筋位置對(duì)平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加筋處理，并對(duì)加筋平板結(jié)構(gòu)的低頻隔聲性能進(jìn)行測(cè)試，尤其對(duì)不同加筋位置的作用效果進(jìn)行分析，驗(yàn)證加筋參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)低頻隔聲性能的影響.研究結(jié)果表明：僅調(diào)整加筋位置這一參數(shù)就會(huì)對(duì)平板結(jié)構(gòu)的低頻隔聲性能有所影響，尤其對(duì)聲傳遞損失曲線的谷點(diǎn)頻率有重要影響.

薄板結(jié)構(gòu)； 加筋效應(yīng)； 加筋結(jié)構(gòu)； 聲傳遞損失； 低頻噪聲

Abstract： A parameter-adjustable stiffened plate structure system is experimentally studied. The stiffening parameters, including the stiffener′s number, stiffener location, stiffener material and stiffener size, can be easily adjusted in the experiment to investigate the stiffener effects on the structural property. The measurement of the low frequency sound insulation performance of the stiffened plate structure system is then carried out. Three different stiffening locations are used in the measurement to examine the effects of stiffener location on the low frequency sound insulation performance. The results show: single parameter of the stiffener′s location has significant effect on the low frequency sound insulation performances of the plate structure system, especially on the valley frequencies of the system′s low frequency sound transmission loss curve.

Keywords： thin plate structure; stiffener effect; stiffened structure; sound transmission loss; low frequency noise

長(zhǎng)期以來(lái)，噪聲一直是影響建筑聲環(huán)境的主要問(wèn)題[1].其中，低頻噪聲會(huì)造成人體的慢性損傷、對(duì)人體健康產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)影響[2]，而且低頻噪音的傳播距離和穿透障礙物的能力遠(yuǎn)大于高頻噪聲，且往往與建筑結(jié)構(gòu)( 樓板、門(mén)、窗等) 的共振頻率接近，容易傳入室內(nèi)對(duì)居民造成干擾[3].因此,如何提高建筑結(jié)構(gòu)的低頻隔聲性能成為了建筑隔聲領(lǐng)域的一個(gè)重要話題.出于提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等目的的考慮，對(duì)平板結(jié)構(gòu)進(jìn)行加筋處理(即加筋板結(jié)構(gòu))是建筑結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的做法.由于加筋參數(shù)(如條數(shù)、位置、材料、尺寸等)對(duì)結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力學(xué)特性具有重要作用[4-8]，它對(duì)整體結(jié)構(gòu)聲振響應(yīng)特性的影響也不容忽視.相關(guān)研究表明，實(shí)際加筋參數(shù)對(duì)加筋板結(jié)構(gòu)的隔聲隔振性能有重要影響，尤其對(duì)結(jié)構(gòu)低頻隔聲隔振性能的影響效果顯著，通過(guò)加筋位置、加筋條材料、加筋條尺寸等加筋參數(shù)的合理設(shè)計(jì)，能有效提高整體結(jié)構(gòu)的隔聲隔振性能[4-5，9-10].然而,值得一提的是，該領(lǐng)域相關(guān)研究工作大多基于理論計(jì)算和模擬仿真結(jié)果，目前關(guān)于加筋參數(shù)對(duì)平板結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響研究的實(shí)驗(yàn)工作仍非常有限.基于這一背景，本文提出一種參數(shù)可調(diào)的加筋板結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)不同加筋參數(shù)下的平板結(jié)構(gòu)的低頻隔聲性能進(jìn)行研究.

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

目前,國(guó)內(nèi)外用于加筋平板結(jié)構(gòu)隔聲性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)研究還較為有限.邵闖等[11]在駐波管中對(duì)加筋壁板進(jìn)行了聲響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，所用加筋條材料與板材料基本一致，二者的具體連接方式并未詳細(xì)說(shuō)明，但大致可以判斷，其測(cè)試結(jié)構(gòu)上的加筋材料、位置和數(shù)目基本無(wú)法調(diào)整.Barrette等[12]也對(duì)加筋平板結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，所用加筋條材料與板材料完全一致，且加筋條直接與平板鑄成整體，無(wú)法拆卸和更換.

總體而言，前人的實(shí)驗(yàn)裝置為加筋平板結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究提供了有益參考，但如果能對(duì)這些裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出可靈活調(diào)整加筋條數(shù)、加筋位置、加筋條材料、加筋條尺寸等加筋參數(shù)的加筋板結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置，將對(duì)深入研究加筋板結(jié)構(gòu)特性(尤其是探索不同加筋參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響效果)有所幫助.

設(shè)計(jì)的可調(diào)參數(shù)加筋平板結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置，如圖1所示.該裝置主要包括1個(gè)平板，2個(gè)邊框和至少1個(gè)加筋單元.圖1中：螺栓通過(guò)螺孔1將兩個(gè)邊框連接起來(lái)，并將平板安裝固定于兩個(gè)邊框之間；螺栓通過(guò)螺孔2將加筋條和邊框連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)加筋條的凸起部分緊壓于平板上.其中，每個(gè)加筋單元由一對(duì)加筋條構(gòu)成，即每2個(gè)加筋條分別安裝在2個(gè)邊框的同一高度，從正反面同時(shí)施壓于平板的同一位置，從而實(shí)現(xiàn)1個(gè)加筋單元的加筋效果，如圖1(b)所示.圖1(b)中：H為加筋條距邊框下端的距離.

由圖1(a)設(shè)計(jì)可知：加筋單元為獨(dú)立部件，所用數(shù)目可以不止1個(gè)，并可根據(jù)需要安裝在螺孔2的任一位置，可以隨時(shí)進(jìn)行裝配或拆除，從而實(shí)現(xiàn)加筋單元數(shù)目可變、材料可換、位置可調(diào)的效果.其中，所用邊框的測(cè)試剛度應(yīng)遠(yuǎn)大于測(cè)試平板，使得測(cè)試過(guò)程中由邊框自身振動(dòng)所引起的聲輻射可忽略不計(jì)，從而不會(huì)對(duì)試件(平板)性能的測(cè)量結(jié)果造成影響.

(a) 安裝示意圖 (b) 結(jié)構(gòu)平面圖 (c) 實(shí)例照片圖1 加筋板結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup of stiffened plane structure

2 實(shí)際測(cè)量與結(jié)果討論

圖1實(shí)驗(yàn)裝置中各部件的材料、尺寸等參數(shù)，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行選擇.在測(cè)量實(shí)例中，測(cè)試平板為1塊正方形鋁板，邊長(zhǎng)為25.6 cm，厚度為1.5 mm；邊框?yàn)殇撝七吙颍员ＷC其結(jié)構(gòu)剛度遠(yuǎn)大于測(cè)試平板，厚度為3 mm，內(nèi)緣邊長(zhǎng)為24 cm(使得鋁板每條邊有8 mm的邊緣部分夾于兩個(gè)邊框之間)；加筋條為鋼制梁條，凸起部分的長(zhǎng)度為24 cm，寬度為5 mm，厚度為23 mm.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

為了驗(yàn)證和分析加筋參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響，將該加筋板結(jié)構(gòu)安裝于兩個(gè)相鄰房間的公共墻上，對(duì)其聲傳遞損失進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示.圖2中：兩個(gè)相鄰房間除了公共墻面外，其他表面均鋪上吸聲材料，最大限度地減少房間反射聲的干擾.1個(gè)揚(yáng)聲器單元作為聲源置于平板中心線上，距離平板40 cm，發(fā)出垂直于測(cè)試平板入射的平面聲波.2個(gè)B&K 4935型傳聲器分別置于測(cè)試平板前后兩端，位于平板中心線上距離平板20 cm位置，分別用于測(cè)量測(cè)試平板的入射聲波pi和輻射聲波pr.所有測(cè)試結(jié)果通過(guò)丹麥B&K公司的Pulse系統(tǒng)進(jìn)行采集和記錄.

上述聲傳遞損失測(cè)量方法借鑒了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外常用的基于兩個(gè)相鄰半消聲房間的聲傳遞損失估測(cè)方法[13-14].根據(jù)此方法，通過(guò)上述2個(gè)傳聲器的聲壓測(cè)量結(jié)果，可簡(jiǎn)單估算出該平板結(jié)構(gòu)的聲傳遞損失(具體實(shí)驗(yàn)步驟和估算方法可進(jìn)一步參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[13-14]).其中，聲傳遞損失的計(jì)算式為

式(1)中:f為頻率.

由圖1(a)還可知：通過(guò)將加筋條安裝在邊框上螺孔2的不同位置，可實(shí)現(xiàn)不同的加筋位置.在文中的測(cè)量實(shí)例中，為方便起見(jiàn)，選取了3種加筋位置，分別為在測(cè)試平板邊長(zhǎng)的10%，20%和30%位置.即將加筋單元分別置于加筋條距邊框下端的距離(H)為2.4，4.8和7.2 cm的相應(yīng)位置.測(cè)試頻率范圍為50～400 Hz，測(cè)量結(jié)果如圖3，4所示.圖3，4中：STL為聲傳遞損失.

圖3 聲傳遞損失實(shí)測(cè)結(jié)果 圖4 1/3倍頻程聲傳遞損失實(shí)測(cè)結(jié)果 Fig.3 Experimental results of Fig.4 Experimental results of sound sound transmission loss transmission loss in one-third octave bands

由圖3,4可知：加筋單元置于不同位置時(shí)，平板結(jié)構(gòu)的低頻聲傳遞損失曲線明顯不同，尤其曲線的谷點(diǎn)頻率位置有顯著差異.加筋位置H等于2.4，4.8和7.2 cm時(shí)，平板結(jié)構(gòu)的聲傳遞損失曲線對(duì)應(yīng)的谷點(diǎn)頻率分別為180，200和240 Hz.由此可見(jiàn)，僅調(diào)整加筋位置這一參數(shù)，就會(huì)對(duì)平板結(jié)構(gòu)的低頻隔聲性能有所影響，尤其對(duì)聲傳遞損失曲線的谷點(diǎn)頻率有重要影響.在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)加筋位置的合理設(shè)置，讓曲線谷點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離重點(diǎn)降噪頻段，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)實(shí)際隔聲效果的有效提升.

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)一種參數(shù)可調(diào)的加筋板結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置，可根據(jù)需要對(duì)加筋板的加筋條數(shù)、加筋位置、加筋條材料、加筋條尺寸等加筋參數(shù)進(jìn)行調(diào)整.因此，可用于加筋板結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究，尤其是分析不同加筋參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響效果.以改變加筋位置的實(shí)際測(cè)量過(guò)程為例，對(duì)所提出的實(shí)驗(yàn)裝置的可行性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證.除了加筋位置以外，加筋條數(shù)目、加筋條材料等加筋參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響均可通過(guò)該裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.該裝置可以為加筋平板結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究提供參考，也為可調(diào)加筋參數(shù)的平板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒.

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(責(zé)任編輯： 陳志賢英文審校： 方德平)

LowFrequencySoundTransmissionLossofThinPlatesConsideringStiffenerEffects

OU Dayi1,2

(1. College of Architecture， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；2. State Key Laboratory of Subtropical Architecture Science， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China)

10.11830/ISSN.1000-5013.201611056

2016-11-16

歐達(dá)毅(1982-)，男，副教授，博士，主要從事建筑隔聲、建筑(城市)聲環(huán)境等的研究.E-mail:oudayi_hqu@126.com.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578252)； 福建省高等學(xué)校杰出青年科研人才培育計(jì)劃資助(2016年度)； 華南理工大學(xué)亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究項(xiàng)目(2016ZB06)

TU 112

A

1000-5013(2017)05-0649-04