建筑屋面綠化構造的吸聲實驗應用

王一磊 王杰

摘 ?要：屋面綠化能減少透過屋面的噪音累積和城市環(huán)境中的噪音污染。實驗設計使用有利方法對多個植被和非植被試驗區(qū)的吸收系數(shù)進行原位測量。研究建筑屋面綠化中設計小塊積土基材的吸聲系數(shù)，確定構造設計是否較好影響建筑聲環(huán)境。實驗設置解決了對基質深度的聲音吸收以及植物群落差異的影響。實驗的應用可以通過這項測量的吸聲數(shù)據(jù)來研究和建模，使綠化屋面作為吸收性表面減少城市建筑屋面空間上的噪音累積和混響。

關鍵詞：吸聲實驗;屋面綠化;建筑構造

中圖分類號：TH218 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0186-03

Abstract： Roof greening can reduce the noise accumulation through the roof and the noise pollution in the urban environment. In the experimental design， the absorption coefficients of several vegetation and non vegetation experimental areas were measured in situ by using favorable methods. This paper studies the sound absorption coefficient of small plot soil base material in the design of building roof greening， and determines whether the structural design has a good impact on the building sound environment. The experimental setup solved the influence of sound absorption on the depth of substrate and the difference of plant community. The application of the experiment can be studied and modeled by the measured sound absorption data， so that the green roof can be used as the absorption surface to reduce the noise accumulation and reverberation on the roof space of urban buildings.

Keywords： sound absorption experiment; roof greening; building structure

1 目標

當下城市中建筑屋面的綠化在可持續(xù)城市與建筑設計中越來越多地被運用到實際工程當中。嘗試通過表面吸收，屋面綠化能減少透過屋面的噪音累積和城市環(huán)境中的噪音污染，而材料的有效吸聲和傳輸損耗特性具有改善建筑物內部和外部聲學環(huán)境的潛力。由于能量主要由植物和基質消散，因此通常在重量較輕的聲反射屋頂上放置吸音植被構造組成的屋頂材料將明顯改變聲音傳遞路徑。此外，即使在沒有高吸收率的情況下，在接近掠入射的情況下反射聲的相變也會進一步改變在植物屋頂上傳播聲音效應。為了了解已建立的植被屋頂系統(tǒng)的吸聲特性，實驗在研究基質層的效果之前，首先要檢查基質的吸收特性。對基材的研究增加了設計對綠化屋面潛在吸收聲能的了解，并為下一步設計基材混合物構造層次提供了指導，并且還優(yōu)化了基材噪聲控制的吸聲潛力。對建筑屋面綠化中設計小塊積土基材的吸聲實驗應用研究，能確定構造設計是否較好影響建筑聲環(huán)境。

建筑屋面綠化的基材，需確定哪些吸聲特征最明顯地促進了聲能的吸收。植被屋頂基質具有顆粒狀結構。骨料以散開的方式彼此分離?；谋仨氉銐蚨嗫滓蕴峁﹥炔客?，并且在結構上能夠抵抗安裝期間屋頂上基材的機械壓實以外的過度壓實。通過聲學實驗室實驗，以確定綠化屋頂基質的物理特性與吸聲之間的關系。

2 屋面小塊積土的測試設計

實驗預備小尺寸1.68m見方的綠化屋頂測試區(qū)的吸收系數(shù)的現(xiàn)場測量。首先研究了球面解耦法在最佳原位吸收測量中的實現(xiàn)和應用。設計使用有利方法對多個植被和非植被試驗區(qū)的吸收系數(shù)進行原位測量，這些試驗區(qū)通常代表了用于目前廣泛使用的綠化屋面一系列基質深度和屋面綠化植物群落。

首先在一個受控環(huán)境的消聲室內完成對一個測試樣塊的研究。在室內膠合板地板上建立了一個具有尺寸代表性的測試圖，以近似屋頂環(huán)境創(chuàng)建了半消聲條件。接下來，在1400平米面積的屋頂頂部完成了25個屋頂測試區(qū)中的24個的現(xiàn)場測量。測試以25毫米的增量從50到200毫米不等的基板深度變化。七個測試區(qū)僅包含基質?，F(xiàn)場注意需適應變化的大氣條件。根據(jù)現(xiàn)場氣象的實時數(shù)據(jù)，僅在風速小于5m/sec時才進行聲學測量。并且在可測量的降水期間未進行測量。通過使用灌溉系統(tǒng)以提供體積水含量的通用條件，消除了可變的測試前降雨的影響。

2.1 實驗方法背景

球面解耦法是一種雙麥克風技術，可在任何入射角下測量反射系數(shù)，由此可得出擴散場吸收系數(shù)。此方法已用于測量聲音反射特性并推論局部反射性表面和地面（例如演奏場所）的吸聲性。然而，由支持球面解耦法的理論所假設，基底表面顆粒和建筑屋面綠化的植物不能提供均勻且鏡面反射的表面。通過調整確定聲源、麥克風和表面平面的適當幾何構造，以及通過在多個表面位置進行重復測量，實驗在測量方法中已經(jīng)容納了不理想的表面條件情況。球面解耦法的實驗裝置和測量裝置的幾何形狀如圖1所示。對于局部反射的表面，我們假定地面和綠化屋面為實，阻抗不會隨入射角而變化?？梢愿鶕?jù)阻抗從而計算出擴散場吸收系數(shù)。通過已經(jīng)做出的大量工作來定義用于測量頻率響應的最佳幾何位置，以計算接地阻抗。得出球面解耦法的有效頻率極限是兩個麥克風之間的距離和聲源的入射角的函數(shù)關系。

2.2 實驗方法的優(yōu)化和驗證

實驗設置解決了對基質深度的聲音吸收以及植物群落差異的影響。為了研究這些因素，在屋頂上構建了以塑料木復合材料邊界為邊界的小尺寸（1.67m×1.67m）植被測試區(qū)。在準備使用球面解耦法測量屋頂環(huán)境中小尺寸綠化屋面測試區(qū)的吸收系數(shù)時，在受控的實驗室條件下進行了測量，以優(yōu)化和驗證實驗方法。鑒于測試的應用該方法是在小尺寸的地塊上，而不是大面積的地面或植被屋頂上，實驗研究的目的如下：（1）確定聲源和傳聲器相對于表面的最佳幾何結構;（2）研究屋頂上理想的半自由場測試環(huán)境的潛在危害，以及它們如何影響測量精度;（3）確定所需的重復測量次數(shù)。

為了實現(xiàn)這些目標，在一個全消聲室中進行了各種測試配置的測量，其可用尺寸為4.7m×4.1m×2.6m高。使用與屋頂樣板相同的材料和細節(jié)構建了一個1.68m×1.68m的測試樣板。周圍的框架將屋頂上的地塊彼此隔開，框架是木制的，地下是膠合板地板的層次構造。底材來自與屋頂測試區(qū)相同的批料混合物，其中混合了白色浮石，沙子，15%的有機物。在先前的實驗室測試了基材有機物百分比，孔隙率百分比，粒度分布和有效水分含量，以及有關廣泛植被屋頂材料的規(guī)范要求。使用了三種主要設置：膠合板地板下覆蓋著50毫米的棉制擋板;非植被屋頂試驗區(qū);和一個種植的屋頂試驗區(qū)。為了確定最佳的幾何構型并研究對理論半自由場條件的破壞，對前兩個主要設置進行了更改。在這三個主要設置中，最后一個是在植被覆蓋的屋頂上種植了綠化;空中生物量的覆蓋率為70%。植被在測量期間內種植;因此，根部生長尚未建立。預測水分在枯萎時近似，對實驗結果無影響。

2.2.1 最佳的幾何配置

為了研究設備設置的最佳配置，對幾何配置（兩個麥克風之間的距離;從測試表面到最近的麥克風的距離）以及聲源相對于角度的位置的尺寸變化進行重復測量并且試算到麥克風探頭的距離。然后需要在膠合板上的擋板，僅基材，植被屋頂測試區(qū)和種植的植被屋頂測試區(qū)上進行測量。通過研究得出的最佳幾何構型包括以下內容：揚聲器175厘米，垂直于測試表面;揚聲器正下方的麥克風探頭;基本麥克風在表面上方的高度hb（如圖1）等于55毫米和25毫米麥克風間距。

2.2.2 非理想的現(xiàn)場測試環(huán)境

為了研究屋頂建筑特征對聲場擾動的重要意義，在有和沒有代表擾動的情況下，在消聲室的近似半自由場條件下進行了測量和記錄。在屋頂上，已知的擾動包括植被屋頂測試區(qū)的周邊邊緣框架，框架外部具有可變聲學特性的非連續(xù)表面（吸收性和/或非吸收性表面），支撐揚聲器的柱子和建筑孔徑。在消聲室中，根據(jù)地塊在測試區(qū)域中的位置，環(huán)繞的表面可能會涉及相鄰的測試地塊和幾何形狀不同的高反射率屋頂防水構造膜。為了研究周圍表面的狀況，在消聲室內將棉制隔板放在膠合板地板上，以模擬周邊框架以外的各種表面狀況。結果表明，當來自聲源的聲能正常入射時，測試區(qū)周圍的高反射表面不會產(chǎn)生干擾。即隨著入射角的增加，三種表面條件下的測量值之間的一致性降低。

2.2.3 測量重復性

標準建議進行四個重復測量，以適應自然地面的變化。在每次測量的波反射位置，有植被的綠化屋面可能具有各種表面特性，枝葉變化（生物量和根結構）和基質條件（暴露的成分）。使用固定的幾何配置在基材測試十個不同位置進行測量，以確定所需的最小重復次數(shù)。結論是，四個重復測量足以代表表面狀況。

3 基材的實驗室測試

實驗室測試每種測試條件下從250至2000Hz的倍頻程中基材的平均法向入射吸收系數(shù)。在設置的五個評估狀態(tài)的每種狀態(tài)下，每種基材的測試重復都具有很高的一致性，結果表明在250至2000Hz的倍頻程中，有機物的百分比和體積水含量對基材的吸聲有最顯著的影響。構造層次底物的吸收系數(shù)與有機物的百分比呈正相關，與水分含量和增加的壓實度呈負相關。實驗同時設計了使用多變量線性回歸模型檢查了測試底物和成分的吸收率與物理性能之間的關系。底物的測量吸收系數(shù)和要預測的因變量是正態(tài)分布的，在分析之前不需要進行轉換。土壤特性和特征是可預測的獨立變量，包括有機物百分比，堆積密度，顆粒密度，孔隙率，有效水分，充氣孔隙率，體積水含量，壓實度，粒度分布以及>2mm的顆粒百分比。在雙變量分析中，考慮將具有統(tǒng)計學意義（p<0.05）的自變量納入多個線性回歸模型。多變量分析支持在測量期間進行的觀察。法向入射吸收系數(shù)與有機物的百分比呈正相關，與壓實度和含水量呈負相關。

實驗測量從季節(jié)性枯萎到植被持水量增加，吸收系數(shù)降低0.16;從非壓縮狀態(tài)發(fā)展到緊密狀態(tài)，在高于250Hz的頻率處吸收系數(shù)降低了0.10。盡管對于有機物的百分比和孔隙率的百分比，吸聲系數(shù)的單位增加是相似的，因此，有機物百分比變化的更大范圍會比孔隙率更大程度地影響吸收。

在200至5000Hz的建筑范圍內，所使用的球形去耦技術對于評估植被屋頂?shù)奈漳芰κ强尚械?。盡管低于200Hz的頻率對于在屋頂上傳播聲音也很重要，但在此實驗設置中未進行測量。在消聲室的受控環(huán)境中，當最小麥克風在表面平面上方和兩個麥克風之間的距離達到最佳時，球形去耦裝置的最佳幾何配置可用于植被屋頂?shù)臏y量。在無回聲中吸收種植的植被中這兩個地塊測量包括壓實程度，水分含量，以及表面水平的粒度分布。

在消聲室中，實驗測量該地塊中種植了均勻分布的植被。在屋頂上，覆蓋范圍不均勻。隨著時間的流逝，植物的生存力和死亡率也隨之變化。這些發(fā)現(xiàn)表明，短期實驗設置和受控實驗室條件不能準確地代表植被屋頂基質的原位屋頂特性和復雜的植物生態(tài)學，可能會夸大植被小區(qū)的吸收潛力。因此該實驗方法需解決在受控環(huán)境中避免具有模擬種植的實驗裝置缺乏通用性的問題。在不種植的情況下，底物塊的吸收率顯著大于裸露的屋頂防水薄膜。例如，在200mm的深度上，平均為0.62，而在裸露的屋頂上為0.06。（如圖2）總體而言，種植有群落的樣地的吸收率低于基質樣地。兩者的頻率變化相似。但是，吸收系數(shù)的平均差范圍從200Hz時的0.14到800Hz時的0.35。在1/3倍頻帶分析中平均下降0.24。

4 結論

在這項實驗應用研究中，阻抗管和球面解耦法已被用于發(fā)現(xiàn)各種建筑屋面綠化構造基底，基底成分和屋頂綠化的法向和隨機入射（或擴散場）吸收系數(shù)。結果表明，幾種基板的法向入射吸收系數(shù)從250Hz時的約0.03到2000Hz時的0.89有所不同，并且吸收率隨有機質的百分比而增加，而隨水分含量和壓實度而降低。隨機入射或擴散場吸收屋頂綠化系數(shù)隨底物深度的增加而增加。實驗的設計證實了一些發(fā)現(xiàn)。第一，植物屋頂?shù)奈暸c基質深度，植物群落的建立以及基質的水分含量有關。二，綠色植物屋面作為建筑圍護系統(tǒng)，具有很高的吸聲特性，并且已經(jīng)量化了最佳吸收的一些數(shù)值和相對條件。實驗的應用可以使用通過這項測量的吸聲數(shù)據(jù)來研究和建模，使植被屋頂作為吸收性表面以減少城市建筑屋面空間上的噪音累積和混響，以及擴展到包含綠色屋頂系統(tǒng)的多層建筑隔斷的聲學性能開發(fā)應用。

參考文獻：

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