3 種輕型木結(jié)構(gòu)建筑浮筑樓蓋的隔聲性能研究與應(yīng)用?

楊 靜 饒 鑫 王 正 李敏敏 黃俁劼

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院風(fēng)景園林學(xué)院，江蘇 句容 212400；2.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境質(zhì)量的要求亦不斷提升，特別是對(duì)建筑樓蓋的隔聲性能有了更高的要求。建筑樓蓋結(jié)構(gòu)材料的固有頻率、阻尼比等模態(tài)參數(shù)與樓蓋結(jié)構(gòu)的撞擊聲隔聲性能密切相關(guān)。目前，竹木材料[1-3]、軟木、石墨聚苯乙烯板（BGL板）和聚丙烯塑料發(fā)泡材料（EPP板）等新材料備受建筑[4-7]、室內(nèi)裝飾[8]、家具等諸多行業(yè)青睞[9-14]，2019 年僅葡萄牙軟木在我國(guó)的銷售量近5 萬(wàn) m2。軟木材料具有天然材料的諸多優(yōu)點(diǎn)[15-16]、優(yōu)良的隔聲性能[17-18]，Carvalho等[19]在混凝土建筑樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上增設(shè)一層軟木板，整體撞擊聲隔聲試驗(yàn)研究表明，軟木板的使用能提高隔聲量18～25 dB。邱威等[20]利用BGL彈性墊層材料對(duì)鋼筋混凝土樓蓋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了浮筑樓蓋的整體隔聲效果。本文將葡萄牙軟木板（簡(jiǎn)稱軟木板）、BGL板、EPP板3 種彈性墊層材料，分別應(yīng)用于一棟輕型木結(jié)構(gòu)建筑同一間臥室的3 種樓蓋結(jié)構(gòu)的隔聲設(shè)計(jì)，并與普通定向刨花板（OSB）樓蓋隔聲性能進(jìn)行比較。對(duì)軟木板、BGL板、EPP板材料開(kāi)展了阻尼比和彈性模量參數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，并對(duì)日常行為跳躍激勵(lì)方式下的樓蓋隔聲量進(jìn)行測(cè)試與分析比較，以期為我國(guó)輕型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋隔聲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 傳遞函數(shù)法試件

表1 傳遞函數(shù)法試件參數(shù)表Tab.1 Parameter table of specimen by transfer function method

用于本試驗(yàn)樓蓋結(jié)構(gòu)的OSB材料和3 種彈性墊層材料，直徑為100 mm的試件用于中低頻（1 600 Hz以下）范圍測(cè)試，直徑為30 mm的試件用于高頻（1 600～6 300 Hz）范圍測(cè)試。

1.1.2 阻尼比和彈性模量試件

輕型木結(jié)構(gòu)建筑樓蓋結(jié)構(gòu)的材料阻尼比ξ和彈性模量E參數(shù)是直接影響建筑結(jié)構(gòu)減振隔聲性能的重要因素。樓蓋結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2 所示。通過(guò)瞬態(tài)激勵(lì)法動(dòng)態(tài)測(cè)試試件的阻尼比ξ和彈性模量E，并對(duì)樓蓋結(jié)構(gòu)的減振隔聲性能進(jìn)行分析。

表2 樓蓋結(jié)構(gòu)材料參數(shù)表Tab.2 Material parameter table of floor structure

1.1.3 日常行為跳躍激勵(lì)方式下樓蓋隔聲量測(cè)試的4種樓蓋結(jié)構(gòu)體

研究對(duì)象為一幢二層輕型木結(jié)構(gòu)建筑內(nèi)二樓一間面積為9 m2臥房的樓蓋結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)采用4 種樓蓋結(jié)構(gòu)包括1種普通樓蓋和3 種浮筑樓蓋。3 種浮筑樓蓋是在普通樓蓋的樓面板與地板間增加了3 種不同彈性墊層構(gòu)成的樓蓋，分別為軟木板浮筑樓蓋、BGL板浮筑樓蓋和EPP聚丙烯塑料發(fā)泡板的隔聲板浮筑樓蓋。樓蓋結(jié)構(gòu)形式如圖1 所示。

圖1 輕型木結(jié)構(gòu)4 種樓蓋結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Four floor structures of light timber building

圖2 輕型木結(jié)構(gòu)4 種樓蓋結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Site drawings of four floor structures of light timber building

1.2 設(shè)備

試驗(yàn)主要儀器與設(shè)備：BSWA SW422 510045 型阻抗管，大、小管徑為100 mm和30 mm；室內(nèi)溫濕度計(jì)，北京聲望聲電技術(shù)有限公司。CRAS振動(dòng)與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)，南京安正軟件工程有限責(zé)任公司； CA YD-125 型壓電式加速度計(jì)，揚(yáng)州市巨豐科技有限公司；TES1350B型聲級(jí)計(jì)，泰仕電子工業(yè)股份有限公司；AWA6221A聲級(jí)校準(zhǔn)器，杭州愛(ài)華儀器有限公司；HK 30 木材含水率儀，上海婉源電子科技有限公司；TG328B電光分析天平（0.1 g），南京聯(lián)創(chuàng)分析儀器制造有限公司。臺(tái)虎鉗、橡膠錘、鋼卷尺（0～5 m）、游標(biāo)卡尺（0～150 mm）等常用實(shí)驗(yàn)室工具。

1.3 測(cè)試原理與主要步驟

1.3.1 材料隔聲測(cè)試

采用基于傳遞函數(shù)理論的四傳聲器法測(cè)試軟木板、BGL板、EPP板、OSB板試件隔聲量[21-23]。其測(cè)試原理如圖1所示。通道1和通道2測(cè)得的P1和P2分別用入射聲壓Pi、反射聲壓Pr表示，材料隔聲量、聲壓透射系數(shù)和透射聲壓分別用TL、τP和Pti表示。

首先，按圖3 連接系統(tǒng)并放置好試件；然后校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行中頻-大管（100 mm）、高頻-小管（30 mm）和樣品厚度t（m）等參數(shù)設(shè)置；采用傳遞函數(shù)測(cè)試法，通過(guò)加端蓋與無(wú)端蓋方式交替進(jìn)行隔聲循環(huán)測(cè)試；最后得到材料隔聲結(jié)果與曲線圖。

圖3 基于傳遞函數(shù)法的隔聲測(cè)量原理Fig.3 Sound insulation measurement principle based on transfer function method

1.3.2 動(dòng)力特性參數(shù)測(cè)試

式中：E為試件彈性模量，MPa；ρ為試件密度，kg/m；l為試件長(zhǎng)度，mm；f1為試件一階彎曲頻率，Hz；h為試件厚度，mm。

主要測(cè)試步驟：首先按圖4 實(shí)現(xiàn)自由板支撐方式，并連接儀器，在試件一端安裝好加速度計(jì)；然后用橡膠錘錘擊試件另一端進(jìn)行激振，識(shí)別其一階彎曲頻率值，得到試件彈性模量E。

圖4 自由板瞬態(tài)激勵(lì)法測(cè)試試件彈性模量示意圖Fig.4 Schematic diagram of elastic modulus of specimen tested by free plate transient excitation method

1.3.3 日常行為跳躍激勵(lì)方式下樓蓋隔聲量測(cè)試

跳躍為日常生活中較為常見(jiàn)的活動(dòng)方式之一，試驗(yàn)在關(guān)閉門窗條件下，采用瞬態(tài)激勵(lì)法實(shí)測(cè)4 種樓蓋跳躍方式的撞擊聲隔聲量[26]，以研究其撞擊聲隔聲特性，其測(cè)試框圖見(jiàn)圖5。

圖5 跳躍撞擊聲隔聲特性測(cè)試框圖Fig.5 Test block diagram of sound insulationcharacteristics of jumping impact sound

在實(shí)際測(cè)量中，被測(cè)房間內(nèi)的計(jì)權(quán)撞擊平均聲壓級(jí)表達(dá)式為：

式中：L為計(jì)權(quán)撞擊平均聲壓級(jí)，dB；Lj為室內(nèi)n個(gè)不同測(cè)點(diǎn)的計(jì)權(quán)聲壓級(jí)（從L1到Ln），dB。

撞擊聲改善量ΔL（dB）為：

主要測(cè)試步驟：首先設(shè)置9 個(gè)聲級(jí)計(jì)固定測(cè)點(diǎn)；然后一位體重60 kg的成人在各點(diǎn)以跳躍高度為（150±10） mm的定點(diǎn)跳躍方式撞擊樓蓋，如圖6 所示，并通過(guò)瞬態(tài)激勵(lì)法測(cè)試成人分別對(duì)4 種樓蓋的撞擊隔聲量，其單人跳躍激勵(lì)撞擊點(diǎn)布置如圖7 所示。

圖7 單人跳躍撞擊點(diǎn)與聲級(jí)計(jì)布置圖Fig.7 Layout of impact point and sound level meter of single person jumping

2 結(jié)果與分析

2.1 材料隔聲

4 種材料板試件的隔聲曲線如圖8 所示。

圖8 材料板試件的隔聲曲線Fig.8 Sound insulation curve of material plate specimen

由圖8 可知，厚度為20 mm的軟木板在500～1 000 Hz頻率段上的隔聲性能較好；而厚度為30 mm軟木板在高于1 000 Hz頻率段上的隔聲效果較佳。這是因?yàn)槁暡ㄔ谲浤景鍍?nèi)傳遞時(shí)產(chǎn)生共振，使其隔聲曲線呈現(xiàn)出隔聲低谷特征。擠塑發(fā)泡型材料BGL板和EPP板在1 000 Hz時(shí)均產(chǎn)生明顯的隔聲低谷現(xiàn)象。此處的隔聲低谷由板整體的共振引起，泡沫結(jié)構(gòu)提供阻尼，減小板的振幅與板向透射側(cè)輻射的聲能，從而一定程度上改善了共振時(shí)的隔聲性能。在低于1 000 Hz頻率段時(shí)，BGL板和EPP板的隔聲性能出現(xiàn)隨其頻率增高而逐漸降低的現(xiàn)象。BGL板在2 000～3 000 Hz頻率段內(nèi)隔聲性能較好，而EPP板在1 000～4 000 Hz頻率段上隨其頻率增高呈下降趨勢(shì)。BGL板和EPP板在高頻段上的隔聲性能均相對(duì)較低。OSB板的空氣聲隔聲性能在中高頻段上呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的特征，這與OSB材料較好的密實(shí)性密切相關(guān)。

2.2 材料阻尼比和彈性模量

2.2.1 阻尼比

通過(guò)瞬態(tài)激勵(lì)法對(duì)本試驗(yàn)輕型木結(jié)構(gòu)浮筑樓蓋的彈性墊層材料——軟木板、BGL板和EPP板進(jìn)行阻尼比ξ的動(dòng)態(tài)測(cè)試，彈性墊層材料阻尼比均值ξ見(jiàn)表3，軟木板時(shí)域譜如圖9 所示。

圖9 20 mm 軟木板時(shí)域譜Fig.9 Time domain spectrum of 20 mm soft board

由表3 可知，相同厚度條件下軟木板的阻尼值最高，具有最好的減振性。這是因?yàn)檐浤景鍍?nèi)部結(jié)構(gòu)中纖維間通過(guò)樹(shù)脂彼此粘連，同時(shí)其細(xì)胞腔內(nèi)含有大量空氣，單個(gè)細(xì)胞猶如空氣彈簧，使其在振動(dòng)能量經(jīng)過(guò)軟木時(shí)可達(dá)到較好減振效果。

表3 彈性墊層材料的阻尼比測(cè)試值Tab.3 Damping ratio test value of elastic cushion material

同理，當(dāng)EPP板和BGL板受振時(shí)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部氣泡構(gòu)成了空氣彈簧，通過(guò)分子間摩擦運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)消能、減振功效。

2.2.2 彈性模量

圖10 為OSB、軟木板、BGL板和EPP板材料的動(dòng)態(tài)測(cè)試頻譜。由頻譜和公式（2）測(cè)算獲得樓蓋結(jié)構(gòu)材料的彈性模量分別為：松木掛板12 366.61 MPa，實(shí)木地板10 276.7 MPa，OSB板6 078.8 MPa，軟木板0.375 MPa，EPP板0.055 MPa，BGL板0.011 MPa。在相同厚度條件下，BGL板材料的彈性模量最小，彈性最好，即減振性能強(qiáng)。

圖10 樓蓋結(jié)構(gòu)材料動(dòng)態(tài)測(cè)試頻譜圖Fig.10 Spectrum of dynamic test for floor structure material

2.3 日常行為跳躍激勵(lì)方式下的樓蓋隔聲

2.3.1 跳躍激勵(lì)隔聲量

在門窗關(guān)閉條件下，通過(guò)瞬態(tài)激勵(lì)法測(cè)算的BGL、EPP、軟木板和普通OSB的樓蓋撞擊聲改善量ΔL分別為22.2、20.3、15.9 dB和12.6 dB。顯然，這是由于軟木板、BGL板和EPP板阻尼比值較高，彈性模量值較小，從而達(dá)到了上述減振隔聲效果。

2.3.2 跳躍激勵(lì)隔聲頻譜分析

圖11 為4 種樓蓋結(jié)構(gòu)在門窗關(guān)閉條件下實(shí)測(cè)的頻譜。通道Ch1 表示實(shí)測(cè)建筑聲源室計(jì)權(quán)撞擊聲壓級(jí)的頻率分布特性，通道Ch2 表示實(shí)測(cè)建筑接收室計(jì)權(quán)撞擊聲壓級(jí)的頻率分布特性。由圖可見(jiàn)，跳躍激勵(lì)對(duì)樓蓋結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)沖擊能量集中，在800～6 000 Hz內(nèi)的聲壓明顯提高；高頻范圍，其撞擊激勵(lì)的聲壓大，聲效亦較為明顯。BGL、EPP和軟木板浮筑樓蓋比普通OSB樓蓋更能有效改善結(jié)構(gòu)中、低頻段的撞擊聲隔聲性能，與用傳遞函數(shù)法得到的BGL板、EPP板和軟木板在高頻段上的隔聲性能均相對(duì)較低結(jié)果相吻合。因此，BGL、EPP和軟木板等具有較好彈性和阻尼性能的彈性墊層材料可以用于減振降噪。

圖11 4 種樓蓋跳躍激勵(lì)撞擊隔聲頻譜圖（跳躍激勵(lì)-關(guān)門窗）Fig.11 Spectrum of impact sound insulation of four floor under jump excitation (jump excitation - closed window)

2.3.3 跳躍激勵(lì)撞擊聲壓倍數(shù)對(duì)比

測(cè)試時(shí)，建筑室內(nèi)空間的聲壓計(jì)算為P=P010L/20，其中，P0=0.000 02 Pa為零分貝參考值，L為建筑室內(nèi)測(cè)得計(jì)權(quán)撞擊平均聲壓級(jí)。在撞擊激勵(lì)條件下，普通OSB、軟木板、BGL板、EPP板的樓蓋分隔建筑聲源室和接收室的撞擊聲壓倍數(shù)計(jì)算值分別為4.27、6.24、12.88、10.35。

3 結(jié)論

本文對(duì)葡萄牙軟木板、BGL板、EPP板3 種彈性墊層材料與普通定向刨花板（OSB）的樓蓋隔聲性能進(jìn)行比較研究，結(jié)果表明：軟木板材料阻尼比值最高，EPP板次之，BGL板再次之，OSB最低；而OSB材料彈性模量最高，軟木板次之，EPP再次之，BGL板最低。BGL、EPP和軟木板3 種彈性墊層材料的減振隔聲性能較強(qiáng)。在跳躍激勵(lì)方式下，實(shí)測(cè)的BGL、EPP和軟木板3 種浮筑樓蓋的撞擊聲隔聲量比普通OSB樓蓋隔聲量提高了3～10 dB。BGL樓蓋的隔聲性能最好，EPP和軟木板樓蓋較次之，而普通OSB樓蓋最低。此外，跳躍激勵(lì)方式下，由于人對(duì)樓蓋結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)沖擊能量集中，在高頻范圍內(nèi)其撞擊激勵(lì)的聲壓大，聲效較為明顯。BGL、EPP和軟木板3 種浮筑樓蓋能有效改善結(jié)構(gòu)中、低頻段的撞擊聲隔聲性能，可提高用戶居住舒適度要求。