摘要:文章以國(guó)家大劇院錄音棚與河北工程學(xué)院建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室為原型搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái),通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究“房中房”結(jié)構(gòu)的隔振性能。實(shí)驗(yàn)顯示,由于隔振器自身質(zhì)量引起的內(nèi)部共振與基礎(chǔ)非剛性的影響,“房中房”結(jié)構(gòu)的高頻隔振性能被顯著的降低。比較金屬?gòu)椈筛粽衽c纖維材料隔振發(fā)現(xiàn),由于金屬?gòu)椈筛粽衿鞯膬?nèi)部共振更為嚴(yán)重,導(dǎo)致金屬?gòu)椈筛粽衿鞯母哳l隔振性能比纖維材料差。金屬?gòu)椈筛粽衿鲏|上橡膠墊后,可以明顯改善高頻的隔振性能。
關(guān)鍵詞:“房中房”結(jié)構(gòu) 隔振 內(nèi)部共振 金屬?gòu)椈筛粽衿?纖維材料
1. 前言:
隔振器被廣泛應(yīng)用于隔振工程中,以保護(hù)儀器、設(shè)備免受振動(dòng)的影響,或衰減機(jī)器振動(dòng)對(duì)外的傳播。經(jīng)典隔振模型如圖1-1所示,模型假設(shè)隔振器由無(wú)質(zhì)量的理想彈簧和阻尼組成,被隔振物體和基礎(chǔ)均為理想剛性體。經(jīng)典模型的理論傳遞率如圖1-2所示,當(dāng)激振頻率 大于系統(tǒng)共振頻率的倍,即 時(shí),傳遞率T<1,隔振器起到隔振的作用,理論傳遞率隨頻率的增加每倍頻程衰減12dB。當(dāng) 時(shí),傳遞率T>1,隔振器處在共振區(qū)域,隔振器會(huì)增大被隔振體的振幅。[1,2]
而實(shí)際的隔振系統(tǒng)中,基礎(chǔ)的非剛性、被保護(hù)對(duì)象的非剛性以及隔振器的質(zhì)量分布都會(huì)降低高頻的隔振性能,導(dǎo)致高頻傳遞率比理想隔振器的傳遞率大,并出現(xiàn)周期性峰值。[3,4,5,6]
考慮質(zhì)量后的隔振模型如圖1-3所示,此時(shí)隔振器具有連續(xù)分布質(zhì)量、彈性和阻尼,其傳遞率曲線如圖1-4所示。當(dāng)隔振器長(zhǎng)度與隔振器中傳播的振動(dòng)的1/2波長(zhǎng)的整數(shù)倍具有可比性,即激振頻率大于一定數(shù)值時(shí),振動(dòng)以彈性波的形式在其中傳播,隔振器自身的質(zhì)量會(huì)降低隔振器的隔振性能,這種現(xiàn)象被稱為內(nèi)部共振(Internal Resonances)或駐波效應(yīng)(wave effects),下文統(tǒng)稱為“內(nèi)部共振”。此時(shí),隔振器不再符合無(wú)質(zhì)量假設(shè),而應(yīng)視為分布質(zhì)量系統(tǒng)。由圖1-4可見(jiàn),內(nèi)部共振顯著增大高頻的傳遞率,并使得傳遞率出現(xiàn)周期性峰值。[3,4,5,6]
Mark Harrison等人[7]從理論上推導(dǎo)出內(nèi)部共振產(chǎn)生的原因,并推導(dǎo)出理論傳遞率公式,其理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合。Mark Harrison等人的研究發(fā)現(xiàn)駐波效應(yīng)可以使得隔振器高頻傳遞率降低20dB。
Y. Du等人[8]通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型研究隔振器質(zhì)量分布產(chǎn)生的內(nèi)部共振的影響。文章對(duì)比忽略質(zhì)量的理想隔振器與考慮質(zhì)量后的隔振器的傳遞率,發(fā)現(xiàn)考慮隔振器質(zhì)量后傳遞率增大20-30dB。同時(shí)他們也比較基礎(chǔ)振動(dòng)輻射的噪聲,發(fā)現(xiàn)考慮隔振器質(zhì)量后基礎(chǔ)振動(dòng)輻射的噪聲最大可提高22dB。與橡膠隔振器相比較,螺旋金屬?gòu)椈筛粽衿鞯膬?nèi)部共振更為顯著。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)以下三個(gè)因素顯著的影響內(nèi)部共振的頻率與振幅:(1)被隔振體與隔振器的質(zhì)量比 ;(2)隔振器的楊氏模量;(3)阻尼。(1)增大質(zhì)量比 可以減小內(nèi)部共振的影響,降低隔振器的傳遞率。(2)隔振器的楊氏模量主要與內(nèi)部共振的頻率有關(guān),降低隔振器的楊氏模量,內(nèi)部共振出現(xiàn)的頻率也隨之降低,在給定頻率范圍內(nèi)會(huì)出現(xiàn)更多的內(nèi)部共振。傳統(tǒng)的模型忽略隔振器的質(zhì)量,認(rèn)為系統(tǒng)共振頻率越低高頻隔振性能越好。實(shí)際隔振器內(nèi)部共振頻率的偏移可能使得這一結(jié)論不再成立。(3)增大阻尼,可以顯著降低內(nèi)部共振峰值的傳遞率。
熊冶平等人[5]的研究發(fā)現(xiàn),基礎(chǔ)的非剛性使得隔振器內(nèi)部共振出現(xiàn)的頻率向低頻方向偏移,基礎(chǔ)的諧振與隔振器的駐波效應(yīng)使隔振器的傳遞率的峰值密集而高聳。[page]
J. Lee等人[9]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)振動(dòng)超過(guò)某頻率時(shí),隔振器內(nèi)部共振會(huì)顯著影響金屬?gòu)椈筛粽衿鞯膹椥阅A,使得彈簧?dòng)彈性模量隨著頻率的增大而迅速增大,導(dǎo)致金屬?gòu)椈傻膬?nèi)部共振更加嚴(yán)重,降低高頻隔振能力。對(duì)于橡膠隔振器[10],動(dòng)彈性模量也隨頻率的增大而增大:對(duì)于低阻尼的橡膠材料,包括天然橡膠、碳黑強(qiáng)化橡膠、SBR(Styrene Butadiene Rubber)橡膠,在通?紤]的頻率范圍內(nèi),動(dòng)彈性模量隨頻率增大幅度很。欢咦枘岬南鹉z材料,包括聚硫橡膠(Thiokol RD rubber)、碳黑強(qiáng)化丁基橡膠、聚醋酸乙烯脂膠,動(dòng)彈性模量隨頻率增大而迅速增大。
以上研究主要應(yīng)用于工業(yè)隔振,特別是汽車等機(jī)械的隔振。在建筑中,錄音棚、演播室、聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室等對(duì)建筑聲學(xué)要求特別高的建筑以及距離交通干道等具有強(qiáng)烈振動(dòng)比較近的建筑,大量使用“房中房”結(jié)構(gòu)隔絕振動(dòng)。“房中房”隔振結(jié)構(gòu)與一般隔振系統(tǒng)在規(guī)模、材料、結(jié)構(gòu)等方面都存在很大的差異,本文以國(guó)家大劇院錄音棚和河北工程學(xué)院建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室為原型搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究不同“房中房”隔振結(jié)構(gòu)的實(shí)際隔振性能,比較不同隔振方式的優(yōu)劣。
2. 實(shí)驗(yàn)方法
金屬?gòu)椈筛粽衿鞲粽駥?shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)在清華大學(xué)建筑學(xué)院的標(biāo)準(zhǔn)隔聲實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,隔振實(shí)驗(yàn)的剖面圖與彈簧隔振器布置圖分別如圖2-1與2-2所示。本組實(shí)驗(yàn)以國(guó)家大劇院錄音棚為原型。隔振系統(tǒng)由4個(gè)金屬?gòu)椈筛粽衿鹘M成,設(shè)計(jì)系統(tǒng)共振頻率 。“房中房”樓板為300mm現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu),重量為10T,完全依靠隔振器支撐,與基礎(chǔ)無(wú)任何剛性連接。為了使隔振器承重與國(guó)家大劇院錄音棚的一樣,在300mm樓板上加壓30T磚塊。“房中房”基礎(chǔ)為100mm鋼筋砼結(jié)構(gòu),為使基礎(chǔ)能夠支撐40T的重量,用腳手架支撐基礎(chǔ)于接收室之上。從圖2-1可以看出,“房中房”結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)即為接收室,也支撐在彈簧之上,并不是剛性基礎(chǔ);A(chǔ)的非剛性會(huì)影響到“房中房”結(jié)構(gòu)的隔振性能,下文會(huì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量“房中房”結(jié)構(gòu)的撞擊聲聲壓級(jí)來(lái)研究隔振性能。實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)打擊器在“房中房”樓板的一條對(duì)角線上選擇3個(gè)等間距的點(diǎn)進(jìn)行打擊,在接收室內(nèi)測(cè)量撞擊聲聲壓級(jí) ,再根據(jù)接收室的混響時(shí)間T對(duì)撞擊聲聲壓級(jí)進(jìn)行修正[11,12]:
(2-1)
式中: ——修正后撞擊聲聲壓,dB; ——撞擊聲聲壓級(jí)測(cè)量值,dB; ——標(biāo)準(zhǔn)條件下的吸聲量,規(guī)定為10m2;A——接收室的吸聲量,m2;K——與聲速有關(guān)的常數(shù),通常取0.161;V——接收室體積,m3;T——接收室混響時(shí)間,s。
文章用修正后的撞擊聲聲壓級(jí) 來(lái)評(píng)價(jià)和研究“房中房”結(jié)構(gòu)的隔振性能。很明顯,撞擊聲聲壓級(jí) 越低,傳播到接收室的振動(dòng)就越少,“房中房”隔振結(jié)構(gòu)的隔振性能越好。實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法參照《建筑隔聲測(cè)量規(guī)范》(GBJ 75-84)。測(cè)量?jī)x器為Norsonic公司的RTA840系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)打擊器。
纖維材料隔振實(shí)驗(yàn)
彈簧隔振結(jié)構(gòu)為多點(diǎn)支撐方式,而纖維材料隔振為面支撐,兩者在受力情況和設(shè)計(jì)方法上都存在很大差異。本組實(shí)驗(yàn)以河北工程學(xué)院建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室為原型。河北工程學(xué)院建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室包括一個(gè)半消聲室與一個(gè)混響室,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室均采用“房中房”結(jié)構(gòu),采用500mm容重為80kg/m3的離心玻璃棉支撐“房中房”,減振材料單位面積載荷分別為2500kg/m2和3300kg/m2。實(shí)驗(yàn)方案是在彈簧隔振實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上改造而成,在四個(gè)支撐柱子之間用水泥磚砌筑兩列面積為3m2的承重墻,在承重墻上墊減振材料進(jìn)行隔振實(shí)驗(yàn),如圖2-3所示。根據(jù)隔振材料的單位載荷情況,取消了30T加壓磚塊,使得隔振材料單位面積載荷為3300kg/m2,與實(shí)驗(yàn)原型保持一致。
測(cè)量方法同彈簧隔振實(shí)驗(yàn)。
3. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
GERB1: 彈性系數(shù) K=7.2KN/mm,阻尼比 =0.10,上下墊2mm專用橡膠墊
GERB2: 彈性系數(shù)K=9.4KN/mm, 阻尼比 =0.10,上下墊2mm專用橡膠墊
GERB3:彈性系數(shù)K=9.4KN/mm, 阻尼比 =0.10,上墊2mm專用橡膠墊,下墊10mm專用橡膠墊
LPI: 彈性系數(shù)K=3.4KN/mm, 阻尼比 =0.00,上墊3mm專用橡膠墊,下墊14mm專用橡膠墊
圖3-1為不同彈性系數(shù)與阻尼的彈簧隔振器墊上橡膠墊后的撞擊聲聲壓級(jí)Lpn曲線,其中GERB1至GERB3由隔而固(青島)隔振技術(shù)有限公司提供,LPI由北京市勞動(dòng)保護(hù)研究所提供。從曲線可以看出,撞擊聲聲壓級(jí)Lpn并沒(méi)有隨著頻率的增加而降低,而是一直保持在較高的水平,并且周期性起伏。說(shuō)明彈簧隔振器的高頻隔振性能并沒(méi)有隨著頻率的增大而增大,隔振器在高頻時(shí)候已不再符合經(jīng)典的隔振模型。此時(shí)不能忽略隔振器的質(zhì)量與基礎(chǔ)的非剛性,隔振器分布質(zhì)量引起的內(nèi)部共振和隔振基礎(chǔ)的非剛性顯著的降低了高頻的隔振能力,并使得高頻撞擊聲聲壓級(jí)出現(xiàn)周期性起伏。
比較GERB1、GERB2與GERB3曲線可以看出,在彈簧在隔振器下墊較厚的橡膠墊,即減小橡膠墊的彈性系數(shù),可明顯改善彈簧隔振器的高頻隔振性能。
巖棉1:容重 =140kg/m3,靜態(tài)下沉度 ;
巖棉2:容重 =140kg/m3, 靜態(tài)下沉度 ;
玻璃棉:容重 =96kg/m3, 靜態(tài)下沉度 ;
圖3-2為不同纖維材料隔振時(shí)的撞擊聲聲壓級(jí)Lpn曲線,纖維材料由北新集團(tuán)提供。從圖3-2的曲線也可以看出,撞擊聲聲壓級(jí)Lpn并沒(méi)有一直隨著頻率的增大而不斷降低,同樣出現(xiàn)周期性起伏。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明纖維材料在高頻也不符合經(jīng)典隔振模型,纖維材料內(nèi)部共振和基礎(chǔ)非剛性也顯著降低高頻的隔振能力。
比較圖3-1與圖3-2可以發(fā)現(xiàn),高頻時(shí),金屬?gòu)椈筛粽衿鞯淖矒袈暵晧杭?jí)Lpn一直保持較高的水平,而纖維隔振器的撞擊聲聲壓級(jí)Lpn則逐漸降低。說(shuō)明金屬?gòu)椈筛粽衿鞲哳l的內(nèi)部共振比纖維隔振器更為嚴(yán)重。文獻(xiàn)[6]的研究表明,由于內(nèi)部共振的作用,金屬?gòu)椈稍诟哳l的動(dòng)彈性系數(shù)隨頻率的增大而迅速增大,彈簧隔振器的傳遞率隨動(dòng)彈性系數(shù)增大而增大,使得金屬?gòu)椈筛粽衿鞯膫鬟f率一直保持在較高的水平。這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。低頻時(shí),比較圖3-1與圖3-2可以發(fā)現(xiàn)金屬?gòu)椈筛粽衿鞯母粽裥阅鼙壤w維材料更好,這是由于內(nèi)部共振彈簧隔振器彈性系數(shù)比玻璃纖維小,系統(tǒng)共振頻率低。
4. 總結(jié)
文章以國(guó)家大劇院錄音棚和河北工程學(xué)院建筑聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室為原型建立實(shí)驗(yàn)臺(tái),通過(guò)測(cè)量不同“房中房”結(jié)構(gòu)的撞擊聲聲壓級(jí)Lpn研究“房中房”結(jié)構(gòu)的隔振性能,獲得如下結(jié)論:
(1) 實(shí)驗(yàn)顯示,由于隔振器的內(nèi)部共振與基礎(chǔ)的非剛性的影響, “房中房”結(jié)構(gòu)的高頻隔振性能被顯著的降低。
(2) 金屬?gòu)椈筛粽衿鲀?nèi)部共振比纖維材料更為嚴(yán)重,導(dǎo)致金屬?gòu)椈筛哳l隔振性能不如纖維材料的隔振性能好。墊橡膠墊后可以明顯改善彈簧隔振器的高頻隔振性能。
致謝:
本實(shí)驗(yàn)得到國(guó)家大劇院業(yè)主委員會(huì)、隔而固(青島)隔振技術(shù)有限公司、北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所以及北新集團(tuán)的大力支持,特此致謝。
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