聲- 固耦合作用下蒸壓加氣混凝土墻隔聲性能分析

王鈞佩 陳 鑫 張曉亮 刁東明 寧惠君*

（河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

蒸壓加氣混凝土砂漿砌體,是由粉煤灰、砂漿、硅灰、發(fā)氣劑等拌和并通過蒸壓制成的。蒸壓加氣混凝土的重要優(yōu)越性是質(zhì)輕、耐壓強(qiáng)度高、保溫特性好、易加工、耐熱等特點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于建筑圍護(hù)和填充結(jié)構(gòu)中[1]，尤其被廣泛應(yīng)用于高層建筑中。目前對(duì)蒸壓加氣混凝土墻的降噪效果的研究主要為實(shí)驗(yàn)研究。錢城等[1]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和試驗(yàn)室測(cè)量2 種方法評(píng)價(jià)蒸壓加氣混凝土砌塊墻的降噪性能，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算后得出現(xiàn)場(chǎng)降噪效果和試驗(yàn)室降噪效果評(píng)估量，真實(shí)體現(xiàn)出蒸壓加氣混凝土砌塊墻的現(xiàn)場(chǎng)隔音作用；張毅[2]對(duì)各種厚度的砂加氣混凝土等墻體材料, 開展了現(xiàn)場(chǎng)空氣聲學(xué)能力試驗(yàn);并分析探討了墻體的隔音頻率特性;與國家的隔聲規(guī)范進(jìn)行了橫向比較; 給出了較為經(jīng)濟(jì)合理的建筑墻體隔聲結(jié)構(gòu)措施。以上都通過試驗(yàn)研究對(duì)了解蒸壓加氣混凝土的隔聲性能，對(duì)于理論方面研究較少。本文根據(jù)文獻(xiàn)[2]中我國住宅分戶墻最高級(jí)的要求50 分貝（當(dāng)分戶構(gòu)件的指標(biāo)在50 分貝以上時(shí)，有百分之九十以上的居住者對(duì)隔聲效果認(rèn)可）。為研究蒸壓加氣混凝土墻在實(shí)際應(yīng)用中的隔聲效果，選用滿足較高的隔聲要求的墻體設(shè)計(jì)，選用200 毫米鋼筋混凝土墻，計(jì)權(quán)隔聲量55 分貝作為基準(zhǔn)量。考慮聲-結(jié)構(gòu)物理場(chǎng)的耦合，首先對(duì)比研究了同等厚度情況下蒸壓加氣混凝土墻與鋼筋混凝土墻的隔聲性能。其次，考慮蒸壓加氣混凝土墻厚度對(duì)隔聲量的影響，對(duì)比研究了三種不同厚度的蒸壓加氣混凝土墻隔聲性能；在此基礎(chǔ)上，考慮墻體構(gòu)造措施，對(duì)比研究了三種不同空氣層厚度的雙層蒸壓加氣混凝土墻隔聲性能。

1 理論方法

聲波通過中心層的反射和透射:

設(shè)將一厚度為D、特性阻抗為R2=ρ2c2的中心層介質(zhì)置于特性阻抗為R1=ρ1c1的無限寬介質(zhì)上，如圖1 所示[3]。

圖1 聲波通過中心層

現(xiàn)有一列平面聲波垂直入射到中心層界面上時(shí)，一部分聲波被反射回介質(zhì)A 上，從而產(chǎn)生了反射波；另一部分則透進(jìn)了中心層。當(dāng)聲波行進(jìn)到中心層的另一個(gè)分界面上時(shí)，部分又被反射回中心層，其余部分透入中心層后面的介質(zhì)A 上。當(dāng)介質(zhì)A 延伸到無窮遠(yuǎn)，則透射波不反射。各列波均為描述為：

2 有限元仿真計(jì)算

2.1 理論模型設(shè)置

實(shí)測(cè)蒸壓加氣混凝土墻隔聲性能實(shí)驗(yàn)中[1]，發(fā)聲室、受聲室模型尺寸較大，導(dǎo)致計(jì)算量非常大。因此，在模擬聲傳輸損失（STL）時(shí)，為了避免對(duì)發(fā)聲室和受聲室建立模型，采用假設(shè)[4]：混凝土墻源側(cè)為理想的聲音散布場(chǎng)，接收側(cè)為理想的消聲終端；混凝土墻對(duì)源側(cè)的聲場(chǎng)影響很?。▽?duì)于具有低吸聲屬性的相對(duì)剛性的結(jié)構(gòu)來說，這是正確的）將源側(cè)（源室）的聲場(chǎng)定義為在隨機(jī)方向上運(yùn)動(dòng)的N 個(gè)不相關(guān)的平面波的總和。壁面壓力pwall作為載荷施加在混凝土墻的源側(cè)。在接收器端，使用以完美匹配層(PML) 終止的空氣域?qū)硐胂暿疫M(jìn)行建模。模型設(shè)置如圖2 所示。

圖2 混凝土墻的模型設(shè)置

2.2 有限元模型建立

對(duì)一塊均勻矩形鋼筋混凝土墻，高度H=2.7m，寬度為W=3.2m，厚度T=200mm，空氣層厚度t=50mm。材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[4-5]。各向同性損失因子采用典型值0.01。假設(shè)墻固定在其外邊界處，并放置對(duì)聲傳輸損失（STL）無貢獻(xiàn)的理想圍墻中。利用聲學(xué)有限元法對(duì)其隔聲量的解析過程中，間隔墻四周邊界均施加固定約束，受聲面施加載荷約束，消聲室外表面均定義為硬聲場(chǎng)邊界條件；建立混凝土間隔墻及消聲室內(nèi)全部流體的實(shí)體模型，將其離散成有限元網(wǎng)格。在聲學(xué)問題計(jì)算中，網(wǎng)格尺寸小于最大計(jì)算頻率的六分之一才能達(dá)到計(jì)算精度，而網(wǎng)格密度則應(yīng)達(dá)到最大計(jì)算頻率為2500 Hz 的要求。對(duì)于“完美匹配層”，網(wǎng)格與坐標(biāo)拉伸方向（吸收方向）相匹配非常重要，因此采用掃掠的方式對(duì)完美匹配層進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且在厚度上劃分8 個(gè)網(wǎng)格單元。

為確保計(jì)算精度和控制計(jì)算成本，將流體模型劃分為邊長為0.01m 的六面體網(wǎng)格，對(duì)流體有限元網(wǎng)格賦予空氣屬性，密度為1.225 kg/m3，聲速為340m/s。

2.3 計(jì)算工況介紹

為對(duì)比鋼筋混凝土墻與蒸壓加氣混凝土墻對(duì)隔聲量的影響，取相同厚度200mm 的墻體研究；為研究蒸壓加氣混凝土墻厚度對(duì)隔聲量的影響，取三種不同厚度的蒸壓加氣混凝土墻進(jìn)行研究。為研究空氣層的厚度對(duì)隔聲量的影響，其它參數(shù)均保持不變，即僅改變空氣層的厚度，取三種空氣層的厚度進(jìn)行研究。計(jì)算工況如表1 所示。

表1 計(jì)算工況

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 蒸壓加氣混凝土墻厚度對(duì)隔聲量的影響

墻體厚度作為重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，直接影響著結(jié)構(gòu)的隔聲性能。三種不同厚度（T=200mm，300mm，500mm）的蒸壓加氣混凝土墻隔聲量影響關(guān)系曲線如圖3 所示。從圖3 可知，隨著蒸壓加氣混凝土墻厚度的增大，隔聲量也將顯著增大。在低頻時(shí)，隨著混凝土墻厚度增大隔聲量增大較多，三種厚度墻體隔聲量之差在10～27dB 左右；在中頻時(shí)三種墻體厚度隔聲量都達(dá)到了波谷；在高頻時(shí)，隨著墻體厚度增大隔聲量增大較小，三種厚度墻體隔聲量之差在5dB 以內(nèi)。綜合來看，當(dāng)加氣混凝土墻厚度為200 mm 時(shí)，隔聲量最高可達(dá)50 dB，平均隔聲量可達(dá)36dB，當(dāng)加氣混凝土墻厚度為300 mm 時(shí)，隔聲量最高可達(dá)60dB，平均隔聲量為45dB，當(dāng)加氣混凝土墻厚度為500 mm 時(shí)，隔聲量最高可達(dá)72 dB，平均隔聲量為52dB。此時(shí)墻體厚度對(duì)隔聲量的影響效果已超過了極限，使用更高厚度的墻體對(duì)隔聲量影響較小，且會(huì)降低經(jīng)濟(jì)效益。因此建議在選擇通過增大墻體厚度來增大隔聲量的措施時(shí)，在設(shè)計(jì)墻體時(shí)可以選擇性價(jià)比更高的300 mm 蒸壓加氣混凝土墻。由力學(xué)理論可知，在只改變墻體厚度的條件下，墻體厚度的增加會(huì)引起面密度的增加，故出現(xiàn)圖示曲線，在低頻或中高頻范圍內(nèi)隔聲量均有所增加。

圖3 蒸壓加氣混凝土墻厚度對(duì)隔聲量的影響關(guān)系曲線

3.2 空氣層厚度對(duì)隔聲量的影響

聲壓垂直入射到蒸壓加氣混凝土墻，其它參數(shù)保持不變，僅改變空氣層的厚度（t=50mm，70mm，100mm），由此通過計(jì)算得到墻體的隔聲量隨入射聲壓頻率變化的規(guī)律，如圖4 所示。從圖4 可知，隨著空氣層厚度不斷增加，蒸壓加氣混凝土墻隔聲量顯著增大。原因在于隔聲波谷對(duì)應(yīng)于蒸壓加氣混凝土墻結(jié)構(gòu)的共振頻率，而空氣層的厚度增大，混凝土墻的共振頻率也會(huì)增大，因此隔聲波谷向高頻率移動(dòng)。同時(shí)，在雙層混凝土墻中間增加空氣層，墻體隔聲量升高且較為穩(wěn)定，同時(shí)隔聲量較高時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率在所測(cè)頻率中占比更高。

圖4 空氣層厚度對(duì)隔聲量的影響關(guān)系曲線

3.3 單層與雙層蒸壓加氣混凝土墻對(duì)隔聲量的影響

如圖5 所示，通過對(duì)比單層與雙層蒸壓加氣混凝土墻、三種厚度空氣層的雙層蒸壓加氣混凝土墻的隔聲量可知，相同厚度鋼筋混凝土墻隔聲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于蒸壓加氣混凝土；如單層墻體變?yōu)殡p層，中間夾有空氣層，可衰減部分透射聲波，如果空腔內(nèi)填充多孔吸聲材料，則會(huì)增加透射聲阻尼，進(jìn)而減弱透射聲能。如200mm 蒸壓加氣混凝土墻夾有70mm 空氣層隔聲量遠(yuǎn)高于200 mm 厚的單層加氣混凝土的隔聲量。綜上所述，在墻體構(gòu)造時(shí)，可選用雙層蒸壓加氣混凝土墻夾有一定厚度的空氣層，以達(dá)到較好的隔聲量。

圖5 單層鋼筋混凝墻、蒸壓加氣混凝土與雙層蒸壓加氣混凝土墻隔聲量關(guān)系曲線

4 結(jié)論

為研究蒸壓加氣混凝土墻在實(shí)際應(yīng)用中的隔聲效果，考慮聲-固物理場(chǎng)的耦合，首先對(duì)比研究了相同厚度情況下鋼筋混凝土墻與蒸壓加氣混凝土墻的隔聲性能。之后考慮墻體厚度對(duì)隔聲量的影響，對(duì)比研究了三種不同厚度的蒸壓加氣混凝土墻隔聲特性；在此基礎(chǔ)上，綜合考慮墻體結(jié)構(gòu)措施，對(duì)比研究了三種夾有不同空氣層厚度的雙層蒸壓加氣混凝土墻隔聲性能。得到以下結(jié)論：

4.1 相同厚度的鋼筋混凝土墻隔聲量比蒸壓加氣混凝土墻的高20dB，原因是加氣混凝土墻內(nèi)含有大量氣泡，面密度遠(yuǎn)低于鋼筋混凝土，所以若要達(dá)到相同的隔聲量，厚度必須為鋼筋混凝土的2 倍以上。

4.2 對(duì)比三種厚度蒸壓加氣混凝土墻隔聲量可知，300mm 和500mm 厚墻體的隔聲量相差較小。整體而言，當(dāng)加氣混凝土墻厚度達(dá)到300 mm 時(shí)，隔聲量就可達(dá)50 dB，此時(shí)墻體厚度對(duì)隔聲量的影響效果已超過極限，因此在墻體設(shè)計(jì)時(shí)可選用性價(jià)比更高的300 mm 蒸壓加氣混凝土墻來增大隔聲量的措施。

4.3 對(duì)比三種厚度空氣層的雙層蒸壓加氣混凝土墻隔聲量，可知隨空氣層厚度增大，蒸壓加氣混凝土墻隔聲量顯著增大。對(duì)比單層墻與雙層墻隔聲量可知，中間夾有空氣層，會(huì)減弱部分透射聲，若空腔內(nèi)填充多孔吸聲材料，會(huì)增加透射聲波阻尼，進(jìn)而衰減透射聲能。如雙層100 mm 厚加氣混凝土，中空70 mm，計(jì)權(quán)隔聲量可以達(dá)到55 dB。遠(yuǎn)高于200 mm 厚的單層加氣混凝土的隔聲量。