聲振耦合分析方法在二次輻射噪聲預(yù)測中的應(yīng)用
——以廣州市云珠酒店為例

古林強(qiáng),李建軍,鄒 君,徐士偉,張東旭*

(1.廣州大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,廣東 廣州 510006; 2.廣州市交通規(guī)劃研究院有限公司,廣東 廣州 510180)

云珠酒店是廣東省重點(diǎn)建設(shè)工程,總用地面積11萬m2,總建筑面積20萬m2,包含五星酒店4棟、四星酒店1棟、特色酒店1棟及大型宴會廳1棟。酒店整體采用行列式布局,建于地鐵二號線沿線區(qū)域,與地鐵軌道的最近直線距離僅為15 m左右,受地鐵干擾較大。由于地鐵線路采用了淺埋的方式,當(dāng)?shù)罔F列車在隧道中運(yùn)行時,劇烈的輪軌接觸力引起隧道結(jié)構(gòu)振動,并通過土體傳遞至地表,最終在土體和建筑相互作用下導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的振動及建筑室內(nèi)二次輻射噪聲[1]。巨大的噪聲與振動若不加以控制地傳入酒店的建筑結(jié)構(gòu),會造成二次輻射噪聲超標(biāo),將干擾酒店客人的睡眠和休息,嚴(yán)重時還會引發(fā)其他心理或生理疾病[2]。

近年來,國內(nèi)外專家學(xué)者對地鐵振動和噪聲進(jìn)行了大量的研究,在噪聲特性分析、噪聲控制和噪聲預(yù)測方法等方面取得了較為豐碩的成果。關(guān)于地鐵列車內(nèi)以及站臺空間的噪聲特性研究,Shimokura等[3]通過在鐵路軌道和站臺上放置聲源和接收器來分析地下車站的聲場特性;遲義浩等[4]采用現(xiàn)場試驗(yàn)方法,分析列車內(nèi)及站臺空間振動噪聲情況;周杰等[5]采用問卷調(diào)查與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法,對下沉式地鐵車輛段環(huán)境噪聲的特性展開研究。關(guān)于地鐵列車沿線的周邊建筑物結(jié)構(gòu)振動和室內(nèi)二次輻射噪聲等問題,陳兆瑋等[6]研究了地鐵列車通過時TOD 建筑的振動及二次噪聲特性及分布;申道明等[7]針對地鐵列車引起的建筑物二次輻射噪聲進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究和評價(jià)量的探討分析;康波[8]通過建立隧道-土層-建筑物三維有限元模型,分析了地鐵列車通過時建筑物結(jié)構(gòu)二次輻射噪聲特性。關(guān)于控制地鐵噪聲的研究,采用浮置板軌道可以有效地降低由地鐵運(yùn)行所造成的建筑物內(nèi)的振動和二次輻射噪聲[9],降速和輪軌打磨是較為經(jīng)濟(jì)的降噪方法[10],并且采用隔聲性能更好的材料[11]和聲屏障措施[12]可以達(dá)到明顯的降噪效果。

關(guān)于噪聲預(yù)測的方法,目前國內(nèi)外學(xué)者主要采用解析法、數(shù)值法、實(shí)測法和經(jīng)驗(yàn)預(yù)測法,解析法中,Currey等[13]和Cunefare[14]用聲輻射模態(tài)的思想求解了薄板與梁結(jié)構(gòu)的聲輻射模態(tài)與效率;李全峰等[15]使用解析法對軸向磁通盤式永磁同步電動機(jī)工作時產(chǎn)生的噪聲聲強(qiáng)級進(jìn)行預(yù)測計(jì)算,結(jié)合實(shí)測結(jié)果表明該解析法的可行性。數(shù)值法中,肖永武等[16]利用數(shù)值模型研究發(fā)現(xiàn),對于多層建筑而言,建筑二層室內(nèi)的二次輻射噪聲聲壓級最大,聲壓級隨著樓層的增高而逐漸降低;劉林芽等[17]利用有限元法和聲傳遞能量法研究列車動荷載作用下的槽型梁二次輻射噪聲特性,并用響應(yīng)面法對槽型梁進(jìn)行了聲學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。實(shí)測法中,邢夢婷[18]以成都某地鐵車輛上蓋為研究對象,通過現(xiàn)場實(shí)測對建筑物內(nèi)的二次輻射噪聲響應(yīng)水平進(jìn)行了評價(jià);王祥秋等[19]通過對某高鐵線周邊建筑進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測,對高鐵列車運(yùn)行引起的室內(nèi)二次輻射噪聲進(jìn)行了分析與評估,并提出了相應(yīng)的減振降噪措施。經(jīng)驗(yàn)預(yù)測法中,Kurzweil[20]基于地鐵沿線建筑室內(nèi)振動和二次輻射噪聲水平實(shí)測數(shù)據(jù),提出了一個基于振動加速度級的二次輻射噪聲聲壓級預(yù)測公式。Billeter等[21]通過大量的實(shí)測數(shù)據(jù)和對半經(jīng)驗(yàn)公式的推導(dǎo),給出了 80～150 Hz范圍內(nèi)傳遞函數(shù)H*(f)的簡化系數(shù)。

目前,國內(nèi)外對于建筑室內(nèi)二次輻射噪聲的預(yù)測精度仍舊較低,尚未形成穩(wěn)定可供參考的工程數(shù)據(jù)加以應(yīng)用,即無法在建筑建成之前通過簡單的圖表預(yù)測到建成環(huán)境的振動與噪聲水平[22]。解析法只能對幾何關(guān)系極為簡單的簡支梁、板、殼等建立輻射聲場方程,用相應(yīng)的特殊函數(shù)獲得解釋,云珠酒店項(xiàng)目屬于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu),不能直接使用該方法。至于實(shí)測法,是通過試驗(yàn)并在大量實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立的經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式來預(yù)估二次輻射噪聲。只有當(dāng)被分析的對象與取得數(shù)據(jù)的問題類似時,這些經(jīng)驗(yàn)、半經(jīng)驗(yàn)公式的結(jié)果才可能準(zhǔn)確,當(dāng)前很難在國內(nèi)外找到與本項(xiàng)目相類似的案例,因此,實(shí)測法也不適用。經(jīng)驗(yàn)預(yù)測法本身缺乏明確的物理含義,主要根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者通過長期的測量與統(tǒng)計(jì)分析得到的數(shù)據(jù)擬合關(guān)系,目前,以Kurzweil[20]及Billeter等[21]分別提出的二次輻射噪聲預(yù)測公式為主流,但由于影響二次輻射噪聲的因素較多,在實(shí)際中預(yù)測應(yīng)用準(zhǔn)確度欠佳,利用該公式進(jìn)行的相關(guān)預(yù)測效果不一,應(yīng)用面較窄,所以在本項(xiàng)目中僅作為參考。經(jīng)過對各類方法的綜合考慮,本文使用數(shù)值法,并發(fā)展了基于實(shí)測結(jié)果修正的耦合仿真分析方法,且實(shí)施了具體的減振降噪工程措施。

1 聲振耦合分析方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,通過數(shù)值法求解復(fù)雜振動與二次輻射噪聲的問題,可以極大地彌補(bǔ)解析法的不足,更加貼近真實(shí)的場景。在這些數(shù)值法中應(yīng)用最廣泛和最成熟的是有限元法,它仿真的成果已經(jīng)得到很多項(xiàng)目的驗(yàn)證,表明該預(yù)測方法比較可靠。對于振動與聲學(xué)系統(tǒng),捕捉波在流體-固體分界面處的行為很重要。從數(shù)學(xué)上看,聲振耦合分析的控制方程(耦合條件)如下:

FA=ptn,

其中,utt是結(jié)構(gòu)加速度,n是表面法線方向,pt是總聲壓,qd是聲偶極子域,FA是作用在結(jié)構(gòu)上的載荷(每單位面積的力)。如果能實(shí)現(xiàn)聲學(xué)-結(jié)構(gòu)邊界耦合計(jì)算,可以有效地避免采用不同軟件的配合(例如Ansys軟件與LMS Virtual.Lab軟件的配合)在分界面處產(chǎn)生的人為誤差,本項(xiàng)目采用了COMSOL Multiphysics作為仿真平臺,主要就是考慮了該平臺可以自動滿足流體-固體分界面處的流體載荷和流體所經(jīng)歷的結(jié)構(gòu)加速度耦合,在聲與振動耦合的相關(guān)項(xiàng)目中仿真結(jié)果比較準(zhǔn)確。

2 研究過程

2.1 仿真類型確定

選擇固體力學(xué)和壓力聲學(xué)中“頻域”作為研究過程,可以計(jì)算給定模型受到一個或多個頻率的諧波激勵時的響應(yīng)。本項(xiàng)目中的激勵信號有實(shí)際測量結(jié)果可供進(jìn)行推測,因此,選擇頻域研究是最合適的?？紤]到計(jì)算規(guī)模的問題,在研究各個酒店梁柱框架受振動影響最大的區(qū)域時使用了“梁模塊”進(jìn)行近似分析,即僅考慮框架結(jié)構(gòu)中彈性波的傳播,樓板作為梁的附加質(zhì)量考慮;在確定二次輻射噪聲的超標(biāo)數(shù)值時僅考慮離地鐵線最近的最不利跨度,直接采用“固體力學(xué)(彈性波)”模塊與“壓力聲學(xué)(頻域)”進(jìn)行細(xì)致建模,此時樓板、墻體和幕墻按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖的厚度輸入;在研究各建筑構(gòu)件的二次輻射噪聲貢獻(xiàn)值時,同樣直接采用“固體力學(xué)(彈性波)”模塊與“壓力聲學(xué)(頻域)”進(jìn)行細(xì)致建模,此時樓板、墻體和幕墻玻璃按照剛性連接的方式與梁柱連接,各構(gòu)件的厚度和阻尼采用參數(shù)化掃描的方式,例如,樓板的厚度從0.1 m變化到0.2 m,步長為0.05 N·s/m,阻尼從0.02 N·s/m變化到0.12 N·s/m,步長為0.02 N·s/m,通過不同的組合可以看到室內(nèi)聲場的變化情況。

2.2 材料屬性與網(wǎng)格剖分設(shè)置

在建立聲學(xué)仿真模型時,按照酒店建設(shè)單位提供的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖,指定梁、柱、樓板等構(gòu)件的截面尺寸及相應(yīng)材料的密度、彈性模量及泊松比。參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50010-2010)》[23],混凝土的泊松比Vc可按0.2采用,彈性模量Ec取值如表1所示,其余參數(shù)選擇如表2所示。

表2 材料物理參數(shù)確定

在進(jìn)行有限元仿真時,按照COMSOL的技術(shù)手冊,計(jì)算單元最小尺寸的設(shè)置原則為每個波長至少有6個單元。因?yàn)榭紤]的頻率范圍為20～200 Hz,在混凝土中最小的剪切波的波速為264 m/s,因此,固體中的最小單元尺寸為

而在空氣中,脹縮波的波速為344 m/s,因此,空氣中的最小單元尺寸為

2.3 邊界與阻尼條件設(shè)置

當(dāng)彈性波傳播到模型的邊界時會被邊界阻擋并反射,對整個框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算時沒有人工截?cái)嗟倪吔?僅需要在與地面連接的柱子底部設(shè)置為固定約束邊界即可。在單跨模型和標(biāo)準(zhǔn)間模型的情況下,存在人工截?cái)?因此,在單跨和標(biāo)準(zhǔn)間模型中設(shè)置了完美匹配層(PML)以及低反射邊界層,以減少人工截?cái)鄮淼姆瓷洳?盡量貼近實(shí)際的情況。

按照COMSOL的技術(shù)手冊,在沒有明確的材料阻尼輸入的情況下,對所有構(gòu)件采用系統(tǒng)指定的瑞利阻尼,假設(shè)系統(tǒng)的阻尼矩陣、質(zhì)量矩陣和剛度矩陣為線性關(guān)系。當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)間模型仿真時,切換為人工施加參數(shù)化阻尼,如表3所示。

表3 模型中的阻尼設(shè)置

3 結(jié)果與討論

3.1 有效性校驗(yàn)

在仿真計(jì)算中,考慮到計(jì)算的頻率較高,樓板的振動樣式非常復(fù)雜,不可能把激勵動荷載均勻加載到樓板上,只能在柱子底端施加動荷載,這樣更加接近實(shí)際情況。根據(jù)實(shí)測的振動加速度值反推激勵信號的特征,即通過“試錯-修正”(try-error)的過程不斷修正輸入信號,分別調(diào)整各頻段來逼近真實(shí)的激勵。對結(jié)構(gòu)的振動狀態(tài)進(jìn)行比較詳細(xì)的測量,可以獲得不同位置和不同時刻的振動加速度數(shù)據(jù)。選取其中的特色酒店作為測量對象,現(xiàn)場布置的測點(diǎn)如圖1所示,測點(diǎn)R1、R2、R3和R4是每個跨度的中心位置,其中,測點(diǎn)R1和R2處于同一跨度并相隔10 m,測點(diǎn)R3和R4處于另一跨度,測點(diǎn)R1和R3相隔24 m。

圖1 云珠酒店測點(diǎn)布置

單點(diǎn)(測點(diǎn)R2)對比的結(jié)果如圖2所示,預(yù)測值與7趟列車經(jīng)過時引致的振級平均實(shí)測值僅僅相差3 dB左右,預(yù)測值的頻帶能量分布同樣與實(shí)測值很接近。

圖2 單點(diǎn)R2仿真值和預(yù)測值的對比結(jié)果

同時,對比2～4層選定測點(diǎn)的仿真值與實(shí)測值,如圖3所示。由于實(shí)地測量時周圍環(huán)境中有較多的低頻干擾,導(dǎo)致20～50 Hz低頻預(yù)測值比實(shí)測值稍小,其他頻段的一致性較好,整體上的擬合程度較高。

圖3 不同層相似位置預(yù)測值與實(shí)測值的趨勢對比

研究中還比較了經(jīng)典Kurzweil預(yù)測法和Billeter預(yù)測法與真實(shí)測量值的差異,結(jié)果如圖4所示,采用Kurzweil公式的預(yù)測值在63 Hz以上與真實(shí)值相差越來越大,誤差在8 dB以上,而采用Billeter預(yù)測法的誤差更大,最大可達(dá)20 dB,已經(jīng)沒有了預(yù)測的價(jià)值,而采用聲振耦合模擬仿真的預(yù)測值與實(shí)測值相符程度最高,整體的趨勢也更協(xié)調(diào)。盡管由于實(shí)際使用時房間的家具對低頻有一定的吸聲作用,這一方面使得實(shí)際上的駐波效應(yīng)沒有那么嚴(yán)重;另一方面整體上也降低了室內(nèi)聲能密度,導(dǎo)致仿真值可能會比實(shí)測值要高,但是總的來說,采用聲振耦合模擬仿真的預(yù)測結(jié)果是比較可靠的。

圖4 不同預(yù)測方法的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比分析

3.2 二次噪聲預(yù)測

從振動測量的結(jié)果來看,離地鐵線路越近,樓層越低的測點(diǎn)振動級越大,對應(yīng)最大的二次噪聲級也會相應(yīng)位于低樓層,現(xiàn)對最靠近地鐵線的特色酒店端部跨度框架進(jìn)行二次輻射噪聲分布的仿真預(yù)測,結(jié)果如圖5所示。

圖5 最不利跨度的二次輻射噪聲分布

仿真預(yù)測結(jié)果表明,A計(jì)權(quán)聲壓級隨樓層的變化和頻率的不同而變化,沒有明顯的一致性。當(dāng)50 Hz時,5層及5層以下的聲壓明顯出現(xiàn)了波峰和波節(jié),局部有超過30 dBA的可能,而到了5層以上,A計(jì)權(quán)聲壓級可以忽略不計(jì)。80 Hz的情況與50 Hz相差不大,也是5層以上的A計(jì)權(quán)聲壓級很小。125 Hz及160 Hz的情況主要影響在3層以下,可以認(rèn)為是由于隨著頻率的升高,沿著高度的方向衰減較快造成的。從模擬仿真中發(fā)現(xiàn),63 Hz及100 Hz的垂直影響范圍非常大,幾乎所有樓層都一樣,顯然在合成二次噪聲總聲壓級時,這兩個頻率分量的聲壓級是主要成分,可以認(rèn)為其他頻率的分布都不太重要。進(jìn)一步分析63 Hz及100 Hz的聲壓級如此大的原因,從振動理論和聲學(xué)理論可知,應(yīng)該是這兩個頻率的振動與樓板、墻體、幕墻或者空氣中的某些構(gòu)件產(chǎn)生了很強(qiáng)的耦合,產(chǎn)生共振的效應(yīng),從而輻射過量的可聽聲。但是究竟是哪個構(gòu)件產(chǎn)生的共振需要建立更精確的模型才能解釋。為此,可以著重分析在63 Hz和100 Hz的激勵下,分戶墻、樓板和幕墻3種基本構(gòu)件的振級分別是多少,只要找到這兩個頻段的主要振動源,就能有效地減低A計(jì)權(quán)總聲壓級。

為了找到這個振動源,本研究對二次輻射噪聲的貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析。已知建筑構(gòu)件的共振頻率與密度、剛度、尺寸以及邊界條件都有關(guān)系,一般說來,輕質(zhì)構(gòu)件共振頻率較高,重型構(gòu)件共振頻率較低。酒店客房中主要的建筑構(gòu)件為分戶墻、樓板和幕墻3種,因此,在聲學(xué)仿真過程中對3種構(gòu)件進(jìn)行參數(shù)化掃描,掃描的參數(shù)分別為厚度和阻尼,見表3。

參數(shù)化掃描的結(jié)果如圖6所示,無論在任何厚度和阻尼的影響下,在63 Hz的時候,分戶墻和幕墻的平均振級比樓板的小10 dB以上,而100 Hz的時候,幕墻的平均振級比其他二者高10 dB以上,所以判斷是63 Hz的激勵引起了樓板的共振,100 Hz的激勵引起了幕墻的共振(樓板的質(zhì)量相比幕墻更重,因此共振頻率更低)。

圖6 分戶墻、樓板和幕墻在不同激勵下的振動響應(yīng)

具體分析聲場分布時,可以看到63 Hz及100 Hz的聲壓級分布呈現(xiàn)典型的駐波特性,從1.5 m截面的分布數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)波峰和波節(jié)的明顯分界線,如圖7和圖8所示,這說明構(gòu)件的振動與房間的聲振動共振,也就是說產(chǎn)生了房間聲共振的情況。

圖7 63 Hz和100 Hz在室內(nèi)二次噪聲分布

圖8 63 Hz和100 Hz在1.5 m截面的二次噪聲分布

4 噪聲控制措施

4.1 可行性分析

本研究實(shí)施的聲學(xué)仿真表明,噪聲超標(biāo)主要由樓板在63 Hz共振和幕墻玻璃在100 Hz共振造成,其他頻率噪聲分量的貢獻(xiàn)量并不大,而且在針對性地處理這兩個頻率的噪聲級時,其他頻率的噪聲也有一定的衰減,因此判斷只要把63 Hz和100 Hz的噪聲降下來,總體也會相應(yīng)達(dá)標(biāo)。

對于減振降噪控制,不管聲源或振源如何,對于其導(dǎo)致的室內(nèi)噪聲控制已有成熟的理論體系和應(yīng)用體系,常用的方案包括構(gòu)筑隔振溝、增大樓板阻尼和剛度、設(shè)置樓板隔振系統(tǒng)和增加室內(nèi)吸聲量等,各類措施的減振效果如表4所示。

表4 聲振控制方案對比

本項(xiàng)目在建設(shè)前期主動采取了重型筏板地基、地下隔振墻和浮筑樓板等一系列處理措施,為當(dāng)前的減振降噪工作爭取到一定的主動權(quán)。從降低源強(qiáng)的角度看,63 Hz及100 Hz的振動屬于高頻振動,而且臨近的地鐵線路采用了淺埋的方式,采用隔振溝是一個因地制宜的方法,這是因?yàn)闇\埋地鐵產(chǎn)生的環(huán)境振動中,表面波占主要地位,其中,瑞利波占比近67%、S波占比26%、P波占比7%,而隔振溝的深度直接影響瑞利波的傳播效率[24]。而且在進(jìn)行本研究時,剛好處于基礎(chǔ)泥土回填的階段,也就不必深挖一條明溝,在施工難度和施工成本方面均有優(yōu)勢。根據(jù)世界各國的研究,采用足夠深度的隔振溝,可以獲得2～3 dB的隔振量。因此,本項(xiàng)目應(yīng)優(yōu)先采用隔振溝的方式,如果需要進(jìn)一步降噪,還可以采用增加室內(nèi)吸聲等辦法。

4.2 隔振溝方案模擬

對本項(xiàng)目擬采用的隔振溝的多種組合進(jìn)行隔振效果仿真分析,建模如圖9所示。

圖9 各測點(diǎn)與主要連接面的位置關(guān)系及網(wǎng)格剖分示意

根據(jù)前期的仿真和測量結(jié)果,63 Hz和100 Hz時地鐵引致的振動加速度級最大,因此,加速度頻率可以取63 Hz也可以取100 Hz,在本文中模擬的邊界加速度頻率設(shè)為100 Hz,仿真時加速度的幅值設(shè)為1 m/s,仿真得到結(jié)果的絕對值是無意義的,不能反映真實(shí)的情況,需要參考的是相對結(jié)果,即各個測點(diǎn)在無隔振溝的加速度值與存在不同隔振溝情況下的加速度值之差。這個相對值反映的是隔振溝的隔振性能,是隔振溝固有的物理特性,不會隨著初始條件的改變而改變。

研究中設(shè)置10個測點(diǎn),每個測點(diǎn)距離地下室的側(cè)壁距離為10 m的整數(shù)倍,首先,選擇15 m深度的隔振溝,模擬隔振溝離地下室側(cè)壁1 m、6 m和11 m時的隔振情況,見圖10。

圖10 隔振溝離地下室1 m、6 m和11 m示意圖

另外,本文還模擬了隔振溝距離地下室外墻1 m時,15 m、12 m、9 m和6 m 4種不同深度變化對隔振能力的影響,4種隔振溝的寬度均為0.6 m,并與無隔振溝的情況做對比,此相對比較值即為隔振溝的隔聲能力,仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如圖11所示。

圖11 測點(diǎn)R5～R8在不同深度的情況下的加速度級

模擬結(jié)果表明:①深度越深,隔振效果越好,大約是3 m的增量可以提高2～3 dB的隔聲能力;②與無隔振溝的情況相比,即使是6 m的隔振溝的隔聲能力也高達(dá)5～8 dB;③9 m深度的隔振溝隔聲能力可達(dá)8～11 dB。值得注意的是,目前模擬的情況與真實(shí)情況還是有所區(qū)別,例如隔振溝不太可能是完全空洞的,里面總有橫向支撐的構(gòu)件,這些都是削弱隔振能力,同時本次仿真也沒有考慮剪切波及體波在不同土層之間的反射,因此算出來的隔振能力可能偏高。

如果遇到地下土層較硬,難以挖掘較深的溝槽,可以利用雙重隔振溝來彌補(bǔ)單個隔振溝深度不夠的問題。圖12仿真了雙重溝的隔振效果,結(jié)果表明:①相距10 m的雙隔振溝比相距5 m的雙隔振溝效果更好,大約提升了3～5 dB;②當(dāng)兩個深度為9 m的隔振溝相距10 m時,它的隔振效果與12 m深的單溝隔振效果相當(dāng),大約有12～13 dB的隔振能力。

圖12 測點(diǎn)R5～R8雙重隔振溝情況下的加速度級

4.3 實(shí)施過程與降噪效果

通過對云珠酒店聲場的聲振耦合仿真分析,采用的減振降噪方法最終確定如下:①為整個酒店群的建筑設(shè)置6 m深度的減振溝;②每個房間的玻璃幕墻必須通過在幕墻與墻體的連接螺栓處施加減振措施來實(shí)現(xiàn)減振效果,采用了具有彈性的一平墊一彈墊的掛載方法,如圖13所示;③在地板的減振方面,采用了在原有樓板的基礎(chǔ)上增加約束阻尼層的做法,其中,阻尼層由5 mm的復(fù)合隔振墊提供,約束層由40 mm的加筋水泥砂漿提供,盡管此構(gòu)造最初是用來解決樓板撞擊噪聲的,但從降低樓板二次輻射噪聲的效率來說同樣有效;④6層以下的低樓層還考慮了室內(nèi)吸聲降噪的方法,增加了63 Hz和100 Hz的吸聲構(gòu)造,用于控制混響聲,主要的方法是通過打褶程度超過200%的厚重棉布作為窗簾,提供低頻的吸聲。

圖13 幕墻減振措施示意圖

在云珠酒店的室內(nèi)裝修工程完工后,筆者依照《住宅建筑室內(nèi)振動限值及其測量方法標(biāo)準(zhǔn)(GB50355-2018)》[25]在列車經(jīng)過時進(jìn)行了振動測量(在云珠酒店的北塔、南塔、四星酒店和特色酒店各選擇兩個房間進(jìn)行實(shí)測,所選房間均為靠近地鐵線路的不利位置),結(jié)果如表5所示,二次輻射結(jié)構(gòu)噪聲測量結(jié)果如表6所示,測量結(jié)果均與臥室一級限值進(jìn)行對比。因?yàn)闇y量時22：00之后地鐵的列車趟數(shù)較少,不滿足夜間測量的條件,研究中采用了晝間時段的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。

表5 室內(nèi)Z振級測量結(jié)果與限值比較(晝間)

表6 室內(nèi)二次輻射噪聲與限值比較(晝間)

從測量結(jié)果來看,本項(xiàng)目采用的模擬方法和工程措施均有效,降噪質(zhì)量較高,前期預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)是酒店房間滿足臥室二級標(biāo)準(zhǔn),最終的工程效果是優(yōu)于臥室一級標(biāo)準(zhǔn),基本達(dá)到了高級酒店對安靜聲環(huán)境的要求。

5 結(jié) 論

由于地鐵運(yùn)行引起的建筑物振動和二次輻射噪聲的影響因素較多,且過程比較復(fù)雜,如何選擇最合適的減振降噪方法必須基于準(zhǔn)確的預(yù)判及具有針對性的措施。盡管在模型的建立過程中不可避免地要做一些近似和簡化,但除了數(shù)值法外,目前還沒有別的辦法可以全面而準(zhǔn)確地模擬地鐵周圍大型項(xiàng)目的振動與二次輻射噪聲。在使用數(shù)值法時,模型的物理場選擇、物理邊界設(shè)置、內(nèi)部連接條件設(shè)置和初始值設(shè)置都至關(guān)重要。在模型確定后,預(yù)測的結(jié)果應(yīng)該在某些特定點(diǎn)與實(shí)測值相吻合,并在大的趨勢上與實(shí)測值保持一致。本文采用聲學(xué)-固體邊界聲振耦合計(jì)算的有限元方法預(yù)測了廣州市云珠酒店室內(nèi)二次輻射噪聲值,結(jié)果表明,典型的測點(diǎn)實(shí)測值與仿真值結(jié)果比較接近,除了20～50 Hz低頻預(yù)測值比實(shí)測值稍小外,其他頻段的一致性都比較好,誤差在3 dB以內(nèi)。本項(xiàng)目模擬得出的預(yù)測值與實(shí)測值的擬合程度要遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)模擬方法得出的預(yù)測值,因此,可以認(rèn)為這種聲振耦合分析的模擬仿真方法能夠在類似的大型項(xiàng)目上推廣使用。

本文的不足之處在于沒有全面地考慮和分析由地鐵運(yùn)行引起的二次輻射噪聲的影響因素,包括多種建筑結(jié)構(gòu)的振動分布、建筑材料吸聲屬性、模型的精確度和房間長寬比等,在后續(xù)的研究中可以加入其他影響因素,進(jìn)一步提高對二次輻射噪聲預(yù)測的準(zhǔn)確度。