輕型木結(jié)構(gòu)建筑減振降噪試驗研究?

楊 靜 饒 鑫 王 正 付海燕 丁葉蔚

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院風景園林學院，句容 212400；2.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，南京 210037）

隨著國民經(jīng)濟迅速發(fā)展，國家對環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展愈發(fā)重視。輕型木結(jié)構(gòu)建筑具有隔聲、抗震節(jié)能等特性，符合我國發(fā)展綠色建筑的趨勢[1-2]，越來越受到人們的關(guān)注。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑是由骨架構(gòu)件、樓面板、墻面板及屋面板所構(gòu)成的整體性結(jié)構(gòu)體系。其中，木樓蓋和木墻體是最常見的建筑構(gòu)件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。木樓蓋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在使用過程中，受外界作用，易產(chǎn)生顯著的動力振動響應(yīng)，造成木樓蓋結(jié)構(gòu)振動，影響建筑舒適性[3-5]。木墻體作為圍護結(jié)構(gòu)的主要組成部分，其保證建筑舒適性的關(guān)鍵在于對噪聲的聲學性能[6-7]。通常，在墻體木龍骨中適當填充多孔性材料，以提高墻體吸聲性能，增強人們居住在建筑中的舒適感。近年來，國內(nèi)外學者一直致力于建筑減振降噪研究，并取得了一定成果。劉中洋[8]從影響木結(jié)構(gòu)建筑性能的設(shè)計因素出發(fā)，分別闡述了國內(nèi)外開展其動力學特性研究的主要成果。Kim等[9]提出了一種由纖維層和碳纖維構(gòu)成的復合吸聲結(jié)構(gòu)，采用阻抗管法對其聲學性能進行相關(guān)試驗研究，比較分析纖維層間孔隙對吸聲的影響，提出了相關(guān)修正方程來預測聲學行為。王培群[10]使用橡膠-毛氈組合材料減振裝置得出振動工況下的減振特性，在模擬質(zhì)量塊質(zhì)量不變的情況下，隨著材料厚度增加減振效果明顯提高。從實際應(yīng)用角度進行優(yōu)化處理，結(jié)果表明以3 mm的橡膠和毛氈組合較佳，該研究為類似技術(shù)問題的解決提供了數(shù)據(jù)支持和工程借鑒。

軟木是使用最為悠久的隔振材料之一，同時也是一種環(huán)保產(chǎn)品，耐用性能優(yōu)良，可達50年以上[11]，現(xiàn)作為一種傳統(tǒng)的材料不斷被開發(fā)出新的用途[12]。本研究利用葡萄牙軟木材料對木建筑樓蓋及墻體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，通過對建筑樓蓋振動性能和墻體隔聲性能測試，探究軟木對木結(jié)構(gòu)建筑減振降噪性能的影響，以期為輕型木結(jié)構(gòu)建筑的減振降噪優(yōu)化設(shè)計工作和工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究設(shè)計的軟木優(yōu)化輕型木結(jié)構(gòu)建筑（A建筑）與普通輕型木結(jié)構(gòu)建筑（B建筑）的建筑尺寸為1 920 mm×1 920 mm，表面均采用OSB覆面板，墻骨柱采用截面為39 mm×89 mm 的SPF，材料基本參數(shù)見表1。不同之處在于，在樓蓋及墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，B建筑樓蓋龍骨和墻骨柱內(nèi)均填充保溫棉材料，而A建筑則填充保溫棉和20 mm厚葡萄牙軟木板材料。同時確保A、B建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的填充材料厚度相同，如圖1所示。兩棟建筑平行放置在同一場地，以確保外部環(huán)境一致。

表1 材料基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of materials

圖1 建筑結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.1 Structural profile of building

2 試驗方法

2.1 結(jié)構(gòu)振動動力特性測試

2.1.1 測試對象與儀器

1）測試對象：輕型木結(jié)構(gòu)A、B建筑樓蓋結(jié)構(gòu)，如圖1（a）、（c）所示。

2）儀器：CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)1套，包括AZ802型信號調(diào)理箱、AZ308R型信號采集箱，CRAS軟件及計算機；CA-YD-125型加速度計2只，其靈敏度因子分別為14.9 V.s2/m和15.5 V.s2/m。

2.1.2 測試方法與主要步驟

采用瞬態(tài)激勵法，使用橡皮錘作為激勵源，對A、B建筑樓蓋測點進行敲擊，加速度傳感器將拾振信號轉(zhuǎn)換成電信號，信號經(jīng)過放大、濾波，再由CARS轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，在頻譜圖中得出其一階頻率，在波形圖中得到衰減振動曲線[13]。其主要步驟如下：

1）分別在A建筑和B建筑樓蓋上劃分網(wǎng)格，按圖2選擇布點位置[14-15]，選取角點、邊點、隨機點。

2）測試系統(tǒng)調(diào)試完成后，用雙面膠將加速度傳感器牢固粘貼于測點位置，為防止因傳感器連接線振動導致誤差，使用支架將傳感器的連接線架空。用橡膠錘敲擊傳感器周圍的樓蓋，使之產(chǎn)生自由振動。由CARS信號測試采集與分析系統(tǒng)對振動信號進行采集與分析，在電腦中得到木結(jié)構(gòu)樓蓋結(jié)構(gòu)的一階自振頻率和衰減振動波形圖。

3）根據(jù)衰減振動波形圖中的加速度幅值，按照式（1）計算墻體、屋頂結(jié)構(gòu)振動阻尼比ζ。

式中：A1、A5表示時域衰減振波曲線的第1、第5峰的加速度值, mm/s2；δ為對數(shù)減幅系數(shù)；ζ為阻尼比，%。

圖2 振動特性測試布點平面圖Fig.2 Layout of test points for vibration characteristic testing

2.2 隔聲性能測試

2.2.1 測試對象與儀器

1）測試對象：輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)，如圖1（b）、（d）所示。

2）儀器：CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)1套，包括：AZ802型信號調(diào)理箱，AZ308R型信號采集箱各1 只；TES135-1 型聲級計2 只。

2.2.2 測試方法與主要步驟

隔聲試驗采用現(xiàn)場聲壓級法。測量時，其聲源按GB/T 19889.5—2006《聲學 建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量第5部分：外墻構(gòu)件和外墻空氣聲隔聲的現(xiàn)場測量》[16]規(guī)定，采用交通噪聲源及揚聲器聲源同步測量，以真實反映隔聲構(gòu)件實際隔聲效果。按照圖3連接測試系統(tǒng)并調(diào)試，測量信號采用1/3 倍頻程帶寬濾波器所限制的白噪聲。被測聲音由傳聲器接收，傳聲器將聲波轉(zhuǎn)換成電信號，通過放大器、濾波器對通過的信號進行濾波處理，再由CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)進行分析[17]。其主要步驟如下：

圖3 隔聲測試連接框圖Fig.3 Connection diagram of sound insulation test

1）連接儀器，校準聲級計，如圖4所示布置揚聲器和ch1、ch2聲級計，將2只聲級計分別放在建筑外墻的內(nèi)外兩側(cè)，由于A、B建筑面積為3.7 m2，小于30 m2，根據(jù)GB 50118—2010《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》[14]，在被測房間中選取一個測點。選擇聲級計到測試墻面的水平距離為0.7 m，離地面高度為1.2 m，兩個聲級計的端頭應(yīng)正對在一條直線上；揚聲器距離測試對象應(yīng)大于1.5 m，根據(jù)預試驗調(diào)整到最佳距離7.5 m。

2）完成儀器的連接與放置后，接通電源，打開CRAS測試及分析系統(tǒng)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)設(shè)置；進行預試驗，若數(shù)值正常則可以進行正式試驗。

3）先測試A建筑隔聲性能。首先測試交通噪聲下的數(shù)據(jù)，分別在建筑門窗關(guān)閉情況下與門窗打開情況下各測一組數(shù)據(jù)；接著測試揚聲器作用下的數(shù)據(jù)，同樣在開關(guān)閉門窗情況下分別檢測兩組數(shù)據(jù)并記錄；然后，對B建筑的隔聲性能進行相同步驟的試驗。由于一天中不同時間段環(huán)境噪聲有很大差別，因此在一天中選取3 個時間段10：30～11：00、13：00～13：30、16：00～16：30 進行試驗。

4）根據(jù)GB/T19889.3—2005《聲學 建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量 第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實驗室測量》[15，18]，采用公式（3）、（4）計算吸聲量和隔聲量。

式（3）、（4）中：A為吸聲量，m2；V為接受室體積，m3；T為接受室混響時間，s；R為表觀隔聲量，dB；L1為聲源室內(nèi)平均聲壓級，dB；L2為接受室內(nèi)平均聲壓級，dB；S為隔墻的面積，m2。

圖4 隔聲性能測點布置平面圖Fig.4 Layout plan of measurement points for sound insulation performance

3 結(jié)果與分析

3.1 振動特性

以A、B建筑樓蓋測試點1號為例，振動測試測得一階頻率圖譜和振幅衰減波形圖，如圖5所示。其阻尼比值和峰值加速度分別如表2和表3所示。

圖5 測試點1號的一階頻率圖譜和振幅衰減波形圖Fig.5 First-order frequency spectrum and amplitude attenuation waveform of No.1

表2 建筑樓蓋阻尼比計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of damping ratio of building floor

表3 建筑樓蓋峰值加速度表Tab.3 Peak accelerometer of building floor

1）在振動對人體的影響因素中, 起主要作用的是振動頻率。目前，國內(nèi)標準尚無針對木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋加速度、速度等相關(guān)的限值規(guī)定。有研究表明[19]，對于辦公室、居民樓、教堂，其樓板自振頻率高于4.5 Hz時，通常振動峰值加速度能滿足其舒適度的要求。人體能夠感知的振動頻率范圍為1～1 000 Hz, 其中對1～80 Hz的振動特別敏感, 人體各器官的共振頻率集中在該值范圍內(nèi)，尤其對4～8 Hz豎向振動以及1～2 Hz的水平振動最為敏感[20-22]。由圖5可知，本試驗中A建筑的一階頻率約為101 Hz，而B建筑則為39.5 Hz，自振頻率都高于8 Hz，可滿足建筑舒適度要求。A建筑的振動比B建筑更不易被人類感知。

2）人們對于不同試驗峰值加速度的狀態(tài)，在12.5～300 mm/s2之間可以感覺到；90～220 mm/s2之間可明顯感覺到；150～3 000 mm/s2之間感覺不舒服；感覺無法忍受的下限值為800 mm/s2[11]。通過表3可得，A建筑的峰值加速度為76.8 mm/s2，B建筑的峰值加速度為46.0 mm/s2，都處于能感覺到振動的范圍。

3）表2中，A建筑的平均阻尼比B建筑大1.6%，這說明A建筑減振性能優(yōu)于B建筑。

3.2 隔聲性能

以A建筑在交通噪聲源和揚聲器下關(guān)閉門窗時為例，所測頻譜如圖6所示。兩棟建筑墻體隔聲量數(shù)值見表4。

1）根據(jù)GB 50118—2010標準，白天建筑內(nèi)的噪聲級應(yīng)小于50 dB(A)。由表4可知，在交通噪聲源作用下，A、B建筑關(guān)閉門窗時平均聲壓值1（建筑內(nèi)部聲壓值）分別為46.2 dB(A)、47.1 dB(A)符合標準[10]。

圖6 交通噪聲源和揚聲器下關(guān)閉門窗時A建筑頻譜圖（10:30～11:00）Fig.6 Spectrum diagram of building A when doors and windows are closed under the action of the traffic noise source and the loudspeaker sound source (10:30～11:00)

表4 在關(guān)閉門窗情況下建筑A和B墻體內(nèi)外隔聲量表Tab.4 Internal and external sound reduction index of building A and building B walls with doors and windows closed

2）A建筑和B建筑墻體頻率在70～500 Hz時噪聲聲壓呈線性遞增，500～8 000 Hz相對穩(wěn)定，兩個建筑墻體在中高頻均表現(xiàn)良好。A建筑和B建筑均對600 Hz以上頻率段的隔聲效果較好，A、B建筑隔聲的主要頻率范圍均在600～10 000 Hz。

3）由表4可知，關(guān)閉門窗時，在交通噪聲源作用下，A建筑比B建筑的隔聲量大0.2 dB(A)，隔聲量相近；在交通噪聲源和揚聲器噪聲源共同作用的情況下,A建筑比B建筑的隔聲量大4.6 dB(A)。

3.3 減振降噪分析

通過對比A建筑和B建筑的振動特性和隔聲性能試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：A、B建筑的峰值加速度都小于300 mm/s2，符合舒適度要求，同時A建筑的平均阻尼比參數(shù)比B建筑大1.6%，表明A建筑的減振效果優(yōu)于B建筑；A、B建筑隔聲效果表現(xiàn)良好的頻率段均處于600～10 000 Hz，白天隔聲量都符合標準，在關(guān)閉門窗，交通噪聲源和揚聲器噪聲源共同作用的情況下A建筑比B建筑的隔聲量大4.6 dB(A)。由此可以推測，由于A建筑阻尼比大，減振效果更好，振動減少使得建筑的噪聲減少，因此A建筑降噪性能較B建筑更為優(yōu)越。

4 結(jié)論

1）采用軟木的輕型木結(jié)構(gòu)建筑和普通輕型木結(jié)構(gòu)建筑的振動峰值加速度均小于300 mm/s2，符合舒適度要求。

2）在關(guān)閉門窗的情況下，軟木優(yōu)化輕型木結(jié)構(gòu)與普通輕型木結(jié)構(gòu)建筑平均聲壓值1（建筑內(nèi)部聲壓值）分別為46.2 dB(A)、47.1 dB(A)，平均聲壓值2（建筑外部聲壓值）分別為55.8 dB(A)、56.4 dB(A)，符合標準[10]。兩棟建筑隔聲的主要頻率段均為600～10 000 Hz。在關(guān)閉門窗，交通噪聲源和揚聲器噪聲源共同作用的情況下，軟木優(yōu)化輕型木結(jié)構(gòu)建筑比普通輕型木結(jié)構(gòu)建筑的隔聲量大4.6 dB(A)。