有限元法測(cè)試巖棉材料隔音性能研究

鄒 芳，陶靈平

(安徽三聯(lián)學(xué)院基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 安徽 合肥 230601)

0 引言

輕薄板墻作為一種新型墻體，能夠有效減輕墻體結(jié)構(gòu)的荷載，提高建筑的抗震性能，增加房屋的使用面積，因此在當(dāng)下的建造行業(yè)中被廣泛應(yīng)用[1]。相較于傳統(tǒng)磚墻以增加墻體厚度的方式阻隔噪聲，輕薄板墻則是通過(guò)改變墻體材料構(gòu)造而提高其隔聲性能[2]。新型建筑隔音技術(shù)利用特殊的隔音材料構(gòu)建穩(wěn)定的隔音結(jié)構(gòu)，達(dá)到墻體有效隔音的目的[3]。在隔音材料選擇上，巖棉材料有助于提升建筑物中輕薄板墻的穩(wěn)定性和超強(qiáng)隔音性，因此巖棉材料在建筑隔音中被廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)輕薄板墻中巖棉材料的隔音性能進(jìn)行有效評(píng)估，可以促進(jìn)建筑隔音技術(shù)的革新。

聲學(xué)有限元法是一種較為穩(wěn)定的音源評(píng)估方式，以直接聲振耦合的方式分析高頻率的局部阻尼效應(yīng)，以此提升聲音評(píng)估精準(zhǔn)度[4-5]。為了提升輕薄板墻的隔聲性能，本文基于聲學(xué)有限元法提出了輕薄板墻中巖棉材料隔音性能評(píng)估方法。根據(jù)板墻隔音表征范圍，設(shè)定巖棉材料隔音評(píng)估的表征目標(biāo)；利用聲學(xué)有限元法在較為真實(shí)的環(huán)境中建立復(fù)合隔音性能評(píng)估模型，采用層狀EVA法完成巖棉材料的性能評(píng)估。測(cè)試結(jié)果表明，利用聲學(xué)有限元法可以有效評(píng)估巖棉材料隔音性能；評(píng)估結(jié)果證明巖棉材料的隔音量較高，可以有效阻隔聲學(xué)噪音。

1 設(shè)定巖棉材料隔音評(píng)估表征目標(biāo)

為了有效消除輕薄板墻表面產(chǎn)生的反射聲波，減弱輕薄板墻反射回聲，提高巖棉材料隔音性能評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要設(shè)定巖棉材料隔音評(píng)估表征目標(biāo)。根據(jù)墻體材料聲音反射測(cè)定結(jié)果，設(shè)定具體且貼合實(shí)際的輕薄板墻隔音防護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 輕薄板墻隔音防護(hù)結(jié)構(gòu)圖示

由圖1可知，輕薄板墻隔音防護(hù)結(jié)構(gòu)首先要測(cè)定墻體表面產(chǎn)生的反射聲波。巖棉材料隔音性能的表征范圍需要與輕薄板墻中隔音材料的實(shí)際作用面積保持一致，將表征目標(biāo)與輕薄板墻的測(cè)定數(shù)據(jù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。然后添加巖棉材料，實(shí)際判斷輕薄板墻中巖棉材料的隔音范圍。最后根據(jù)聲音接收點(diǎn)至聲屏障的距離和聲能傳播原理，構(gòu)建巖棉材料與輕薄板墻的綜合噪音防護(hù)結(jié)構(gòu)，從而設(shè)定隔音表征目標(biāo)。

利用雙聲道的聲學(xué)分析測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)輕薄板墻的厚度及隔音效果進(jìn)行測(cè)試；同時(shí)采用SPECTR評(píng)估軟件[6]，對(duì)建筑墻體附近噪聲源的聲壓級(jí)進(jìn)行核驗(yàn)，一般將聲壓級(jí)設(shè)定在90～120 dB之間。根據(jù)噪聲傳播的聲級(jí)隨距離增加而衰減的規(guī)律，統(tǒng)計(jì)接收點(diǎn)至聲屏障距離即可得到反射系數(shù)。根據(jù)聲能傳播原理[7]，聲波在傳播過(guò)程中使傳播介質(zhì)產(chǎn)生振動(dòng)，這種振動(dòng)具有周期性規(guī)律，聲音的能量隨著傳播介質(zhì)由高能量位置向低能量位置轉(zhuǎn)移[8]。因此從能量角度看，聲波的傳播過(guò)程本質(zhì)上是機(jī)械能的傳播過(guò)程[9-10]。由此判斷輕薄板墻中巖棉材料的隔音范圍，設(shè)定巖棉材料隔音評(píng)估表征目標(biāo)，改善隔音性能。

2 構(gòu)建復(fù)合隔音性能評(píng)估模型

以巖棉材料隔音評(píng)估表征目標(biāo)和輕薄板墻中巖棉材料隔音范圍為基礎(chǔ)，利用聲學(xué)有限元法構(gòu)建復(fù)合隔音性能評(píng)估模型。在有限區(qū)域中建立巖棉材料彈性變形條件，通過(guò)對(duì)巖棉材料彈性變形的不定量分析，結(jié)合巖棉材料隔音評(píng)估表征目標(biāo)，構(gòu)建復(fù)合隔音性能評(píng)估模型。利用模型分析墻體結(jié)構(gòu)的實(shí)際負(fù)載，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖棉材料的隔音性能評(píng)估。

將設(shè)定的評(píng)估目標(biāo)以及評(píng)估結(jié)構(gòu)添加在預(yù)設(shè)的初始模型中，關(guān)聯(lián)每一個(gè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合隔音量的核定，與初始隔音量對(duì)比形成具體的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)以及誤差標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)不同板材層數(shù)和板材厚度的巖棉材料設(shè)立測(cè)定區(qū)域的有限元評(píng)估常數(shù)，獲得準(zhǔn)確的隔聲單值評(píng)價(jià)結(jié)果，以此確保最終的復(fù)合隔音性能評(píng)估效果。采用層狀EVA法在評(píng)估模型中建立層狀EVA輔助評(píng)估結(jié)構(gòu)，將不同的EVA層狀單元關(guān)聯(lián)在一起，形成最終的評(píng)估結(jié)果，實(shí)現(xiàn)聲學(xué)有限元下的巖棉材料隔音性能評(píng)估。

3 測(cè)試驗(yàn)證

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

由于輕薄板墻中巖棉材料具有多層級(jí)的變化特性，在不同的溫度環(huán)境下，會(huì)變換成對(duì)應(yīng)的材料狀態(tài)。因此，測(cè)試應(yīng)依據(jù)實(shí)際的需求，先選取一處建筑物作為測(cè)試的主要目標(biāo)對(duì)象，提取部分材料樣本進(jìn)行測(cè)試與評(píng)估。利用火焰法和離心法獲取密度為150 kg/m3，面積為1.64 m2的巖棉材料；采用PSDA-20型孔徑測(cè)試儀測(cè)定巖棉材料的纖維直徑為6 μm。使用COMSOL軟件進(jìn)行有限元建模。模型如圖2所示。

圖2 隔音性能有限元模型

3.2 模型應(yīng)用

為了達(dá)到測(cè)試目的，在進(jìn)行測(cè)試分析前對(duì)復(fù)合隔音性能評(píng)估模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)估?？紤]到巖棉材料的韌性，可以采用具有浸潤(rùn)性的液體充分浸潤(rùn)多孔材料，使其具有更強(qiáng)的張力。但是需要注意的是，巖棉材料的張力也是有限的，需要在極限張力的受力范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用，以此延伸整體的效果。隔聲量的評(píng)價(jià)指標(biāo)有多種，根據(jù)應(yīng)用的環(huán)境選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)。巖棉材料吸聲率是驗(yàn)證模型隔音效果的指標(biāo)，巖棉材料吸聲率達(dá)到85%即為滿(mǎn)足測(cè)試要求。同時(shí)，還需要在所設(shè)定建筑的輕薄板墻中添加相應(yīng)體積的巖棉材料，在材料的前側(cè)設(shè)定一道具體的防護(hù)結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)的主要作用是劃定應(yīng)用區(qū)域，避免出現(xiàn)材料外泄的現(xiàn)象。

3.3 測(cè)試結(jié)果

3.3.1 不同板材層數(shù)的巖棉材料隔音效果分析

輕薄板墻的層數(shù)一般在3～13層之間且板材的層數(shù)一般為奇數(shù)，奇數(shù)的板材可以讓相鄰的兩層單板纖維呈現(xiàn)垂直狀態(tài)，提高板材的吸聲效果。因此，本文選擇3、6、9、11、13層的輕薄板墻作為測(cè)試對(duì)象，在輕薄板墻中填充厚75 mm的80 K巖棉作為夾芯材料，不同板材層數(shù)的隔聲單值評(píng)價(jià)量如圖3所示。

圖3 隔聲單值評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)圖3可知，輕薄板墻巖棉材料的隔聲單值評(píng)價(jià)量隨墻板層數(shù)的增加有所提高，隔聲增量的頻譜特性存在明顯的不同，板材層數(shù)每增加1層提高1 dB。在不同板材層數(shù)和板材厚度的巖棉材料測(cè)定區(qū)域內(nèi)，計(jì)算線性有限元評(píng)估常數(shù)：

式中：iχ表示聲源室第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的聲壓級(jí)，ψ表示第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的板材層數(shù)，S表示第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的板墻厚度。通過(guò)公式（1）換算得到3、6、9、11、13層的有限元評(píng)估常數(shù)為8.9、7.4、6.7、5.3、4.2，由此表明巖棉材料的隔音效果隨輕薄板墻層數(shù)的增加而逐漸緩慢下降。

3.3.2不同板材厚度的巖棉材料隔音效果分析

一般情況下輕薄板墻的規(guī)格尺寸為1220 mm×2440 mm（長(zhǎng)×寬），本文選擇厚度規(guī)格為3、5、9、12、15、18 mm的輕薄板墻作為測(cè)試對(duì)象，填充厚75 mm的80 K巖棉作為夾芯材料，不同板材厚度的吸聲率如圖4所示。

圖4 吸聲率結(jié)果

根據(jù)圖4可知，輕薄板墻巖棉材料的隔音效果較好，所有板材厚度的吸聲率均高于90%，其中板材厚度在12 mm時(shí)其吸聲率效果最優(yōu)為95%。同時(shí)也能證明本文方法能夠有效測(cè)試不同板材厚度的巖棉材料隔音效果。分析原因?yàn)楸疚脑u(píng)估方法關(guān)聯(lián)隔音目標(biāo)與輕薄板墻的測(cè)定數(shù)據(jù)，基于聲能傳播原理，構(gòu)建綜合噪音防護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)板墻隔音表征范圍，從而設(shè)定隔音表征目標(biāo)。利用聲學(xué)有限元法在較為真實(shí)的環(huán)境中建立復(fù)合隔音性能評(píng)估模型，采用層狀EVA法完成巖棉材料的性能評(píng)估，總體提高了測(cè)量分析數(shù)據(jù)的有效性。

4 結(jié)語(yǔ)

輕薄板墻在現(xiàn)今的建造行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，但隔音效果還有提升的必要，輕薄板墻中加入巖棉材料能夠增強(qiáng)隔音效果。為了增強(qiáng)隔音性能評(píng)估效果，本文提出了基于聲學(xué)有限元法的輕薄板墻中巖棉材料隔音性能評(píng)估方法。根據(jù)板墻隔音表征范圍，設(shè)定巖棉材料的隔音評(píng)估表征目標(biāo)，保證隔音性能的針對(duì)性。將表征目標(biāo)與板墻的實(shí)際測(cè)定數(shù)據(jù)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)；基于聲能傳播原理，構(gòu)建巖棉材料與輕薄板墻的綜合噪音防護(hù)結(jié)構(gòu)，判斷輕薄板墻中巖棉材料隔音范圍，設(shè)定巖棉材料隔音評(píng)估表征目標(biāo)，利用聲學(xué)有限元法建立復(fù)合隔音性能評(píng)估模型，采用層狀EVA法實(shí)現(xiàn)巖棉材料的性能評(píng)估。該方法在聲學(xué)有限元法的輔助下更具靈活性，所覆蓋的評(píng)估面積更廣泛，增加了建筑隔音結(jié)果最終的精準(zhǔn)性與可靠性，為隔音技術(shù)開(kāi)拓了更為廣袤的前景，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。