工業(yè)建筑隔聲墻結構設計與應用

尹緒超，陳 濤，萬葉青

（1.洛陽雙瑞橡塑科技有限公司 河南省減振降噪材料工程研究中心，河南 洛陽471003；2.中國汽車工業(yè)工程有限公司，天津300113）

隨著工業(yè)、交通經濟的迅速發(fā)展,工業(yè)噪聲污染也成為重要的污染源，危害著人們的正常生活和工作。特別是工廠或車間長時間持續(xù)性的噪聲污染，影響工人的聽力、神經等系統(tǒng)，對工人健康造成不可避免的危害[1]。在大型工業(yè)車間內部，動力機械設備如打磨切割設備、沖壓裁剪設備、旋轉設備等產生的噪聲不可避免地會影響到相鄰工段區(qū)域甚至整個車間區(qū)域。工業(yè)噪聲的處理方法多種多樣，其中在噪聲源傳播途徑設置一道隔聲屏障，將高噪聲設備與相對安靜工作區(qū)域隔離開來，實現(xiàn)動靜工作區(qū)域的分割，避免強噪聲源的干擾，是實現(xiàn)噪聲治理的有效治理措施之一[2-3]。目前，在車間廠房中常采用復合巖棉板或輕質石膏板墻體作為空間的分割，但其隔聲能力有限，而且由于兩者均不具有很好的吸聲效果，可能引起聲波的多次反射反而會加劇室內混響，不能明顯改善工人的聲舒適度。而具備吸、隔聲一體的復合隔聲屏障結構廣泛應用于動力機械設備、公路、鐵路等的噪聲治理，但其高度以及跨度均有限，屏障的鋼結構支撐柱必須搭建在牢固的混凝土基礎上[4-5]，并不適用本文研究對象。因此，本文根據(jù)某車間現(xiàn)場情況及設計要求，設計了長×高為300 m×11 m 的復合吸、隔聲雙層墻結構，并對其隔聲能力進行了實驗測試。

1 隔聲墻概況

某工廠車間為多跨輕鋼結構廠房，縱向長約300 m，相鄰縱軸之間距離為24 m，橫截面結構形式為高、低跨分布，在C、D、E 軸線上分布等間隔的H型鋼立柱，鋼立柱縱向間隔7.5 m，如圖1。

圖1 車間廠房橫剖面

在D、E 軸縱向區(qū)域，集中布置有多臺大型沖壓機設備，其中三臺設備布置位置見圖2。

圖2 沖床設備布置區(qū)域

C、D 軸之間區(qū)域為其它小型設備的工作區(qū)域，噪聲相對較為安靜。多臺沖床在相對封閉的車間內部，同時運轉過程中產生的沖裁噪聲和運轉噪聲，不可避免影響干擾到相鄰工作區(qū)域。由于以鋼結構為主體構造的車間吸聲性能不佳，聲反射較強，導致在車間內部產生不同程度的混響，附近現(xiàn)場作業(yè)人員均會感受到不同聲源的疊加噪聲干擾。通過在沖壓機附近約1 m 處隨機布置3 個測點進行現(xiàn)場噪聲測試，發(fā)現(xiàn)最大總聲壓級可達到82 dB，見圖3。

圖3 沖壓機現(xiàn)場測試噪聲頻譜曲線

噪聲頻譜在整個頻段較為平穩(wěn)，能量多集中的315 Hz至5 000 Hz的中高頻段。

2 隔聲墻結構設計

為改善工人的現(xiàn)場作業(yè)條件，結合現(xiàn)場的工程實際情況，決定在高低跨縱向分界線上建立一道隔墻，使之與相對低噪聲的工作區(qū)域隔離開來，同時兼?zhèn)湮暪δ?，減少車間內部雜亂噪聲的相互干擾。隔聲墻體依托原有H 型立柱結構上建造，布置在H立柱翼板內部之間區(qū)域。這樣既可以具備隔聲功能，又因整體結構緊湊，可充分合理利用空間。整個隔墻長度約為300 m，分為等間隔的40跨，每跨隔墻寬度等同每個H立柱之間的距離（約7.5 m），高度為11 m。為盡量避免漏聲現(xiàn)象的發(fā)生，在隔墻頂部做成倒L 型結構形式，即隔墻頂端水平伸出一定距離延伸至低跨屋面，形成封閉墻體面，見圖4。隔聲墻體上另外設有采光透明隔聲玻璃，部分位置設有隔聲門。

由于隔聲墻模塊兩端跨度及高度均較大，其支撐結構形式必須保證足夠的強度及穩(wěn)定性。一般插板式聲屏障多采用H 型立柱作為支撐，通過錨固螺栓與混凝土基礎固接，高度約在2 m～4 m。若尺度進一步增加，就必須加強混凝土基礎的牢固程度，甚至需在外立面搭建斜支撐鋼架[5]。若按照此結構方案進行設計，需對現(xiàn)有室內的地面基礎進行升級改造，不僅明顯增加工程量，占地空間大，而且外形美觀度較差。因此，通過綜合權衡考慮，決定采用水平冷彎薄壁C 型鋼為主要支撐構件，并將支撐骨架隱藏內嵌在吸聲層內部。支撐鋼結構可完全不外漏，整體美觀度大幅提高。水平C型鋼檁條豎向距離間隔1.2 m，兩端與H 型立柱通過檁托板連接，檁托板焊接固定在H型立柱上。

圖4 吸聲結構頂部橫剖面圖

由于結構跨度大，為保持整體撓度變形的穩(wěn)定性，頂部第一層增設斜拉條及套筒結構支撐，其余水平龍骨之間增設支撐拉條，見圖5。

圖5 隔墻骨架結構圖

隔墻聲學部件為雙層對稱結構，最外一層采用鋁合金穿孔吸聲板，穿孔率30%，通過三角龍骨固定在C 型鋼外表面。相對不穿孔板如彩鋼板，鋁合金穿孔板可增加聲波的透射及吸聲能力，降低廠房室內聲波反復反射帶來的混響干擾。隔墻中心采用帶有薄阻尼層的復合隔聲板，主要起到隔聲作用。復合隔聲板內面板為4 mm厚高密度菱鎂板，外面板采用6 mm 高密度FC 水泥板，通過阻尼膠粘接復合而成，兩側板材厚度及密度不一可避免聲音吻合效應的產生，整體板材面密度為11 kg/m2。阻尼隔聲板和鋁合金穿孔板之間加有50 mm厚容重32 kg/m3的超細玻璃棉，并留有空腔，以提高吸聲效果。

3 現(xiàn)場隔聲測試分析

3.1 工況設置及測點布置

整個隔墻工程施工完畢后，整體外形如圖6所示。

圖6 隔墻外立面

此時沖床設備在正常生產運轉過程中，隔墻對立面工作人員幾乎感受不到來自沖床設備噪聲干擾，聲舒適度明顯改善，噪聲指標滿足工廠噪聲標準要求。由于吸隔聲墻兩側均有產生噪聲的動力設備且數(shù)量眾多，不同時間段測量的隔聲效果受周圍噪聲源影響較大。為準確評估該隔聲墻結構能夠達到的最大隔聲能力，決定在設備全部關停（工人休息）狀態(tài)下，采用人工聲源（12面體無指向聲源）發(fā)出強噪聲源，同時在隔墻兩側布置傳感器，比較兩側聲壓級差值，測點布置示意圖如圖7。

圖7 測點布置示意圖

3.2 測試結果及分析

選取任意跨隔墻，在距其中心5 m 處放置人工聲源，聲源球心距地面高度為2 m，傳感器沿長度方向等間隔布置。測試時，軟件輸出白噪聲信號，通過功率放大器放大后輸入到無指向性聲源裝置發(fā)出強噪聲，傳感器對聲壓信號進行拾取并通過采集儀進行數(shù)據(jù)采集分析，設置傳感器每次采樣時間約為30 s，重復3次，數(shù)據(jù)處理時對3次測試結果取平均。

通過比較隔墻兩側前、后測點的聲壓級差，可以獲取隔聲量大小。信號分析頻段取250 Hz～5 000 Hz，此頻段人工聲源輸出功率高，信噪比高，數(shù)據(jù)可靠性好。

圖8給出了測點1 至6 測點前后兩點的噪聲頻譜曲線，其中前測點1至3位于聲源一側，可見：

（1）強噪聲源傳遞過程中通過吸聲隔墻后，對立面測點聲壓級明顯降低，特別是中高頻段，噪聲衰減效果明顯。

圖8 不同位置測點噪聲頻譜曲線

（2）表1給出了隔墻前、后測點的總聲壓級及對應聲壓級差，總聲壓級差最小可達到29 dB，最大為31 dB。

4 結語

針對某車間的噪聲水平分析狀態(tài)，綜合權衡考慮現(xiàn)場實際狀況，在設備噪聲源頭上無法進行消聲或隔聲處理后，決定采用建立一道吸隔聲墻的噪聲處理方法，實現(xiàn)動靜區(qū)域的隔離。在未對現(xiàn)有結構做出大的改動情況下，設計了一種高尺度的吸聲隔墻結構。該隔墻兼?zhèn)湮暫透袈暪δ埽畲蟾袈暷芰蛇_到31 dB（A），實現(xiàn)了車間不同功能作業(yè)區(qū)域的動、靜分隔。從實際應用效果來看，該設計結構不僅滿足兼具隔聲、吸聲功能的聲學要求，亦滿足了廠方在結構強度、美觀度及造價等多方面的要求。本文為車間噪聲治理提供了工程實際案例，可為同類噪聲治理提供參考。

表1 隔墻兩側聲壓級/dB