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摘要:本项目的研究对象为振动台(噪声源),通过对振动噪声现场的测试,收集噪声数据资料,初步了解振动噪声的物理特性,并建立噪声源数据模型。根据设计图纸,模拟现场声环境,计算分析噪声在建筑室内环境中的传播及衰减,分析其对周边环境的影响,形成可视化的模型展示,从而指导建筑隔声减噪设计。
关键词:ACTRAN声学软件;工业建筑室内声环境模拟;声场的特性
1概况
选取某单位内比较有代表性的试验室环境进行模拟。试验室结构主体为钢筋混凝土结构。平面尺寸41.45m(长)×7.5m(宽)×7m(高);控制间平面尺寸30.05m(长)×3.4m(宽)×7m(高)。振台测点位于中部右侧位置,在测试时仅开启一台试验设备,振台工作面标高0.6m。由于控制间紧邻试验室,在振动台工作的时候控制室的噪声值不能过大,以保证操作人员的安全。本次计算根据振动台工作时测试得到的噪声值,模拟有、无吸声措施时控制室的噪声水平。基础数据采集设备为COCO-80便携式振动测试、数据采集、动态信号分析仪。
2声学计算
2.1计算分析软件。采用计算分析的ACTRAN软件是比利时FFT开发的声学软件,ACTRAN软件已经覆盖声学、振动声学、流动声学等方面。ACTRAN软件基于有限元和无限元技术,用统一的方法模拟流动噪声、振动噪声及声传播问题,可计算远场声学响应,获得频谱曲线和指向性曲线等。本次采用有限元的计算方式模拟工业环境声环境。
2.2有限元模型通过模型软件hypermesh创建有限元模型(结构模型计算通用软件,可直接采用结构模型进行计算)。模型中2D单元表示建筑外墙、天花板及地板,3D单元表示试验室及控制室的空气域。模型网格尺寸为0.3m,网格总数为129.6×104。
2.3材料属性设置。2.3.1轻集料混凝土砌块墙(墙围护结构)。根据GB50003—2001《砌体结构设计规范》,外墙弹性模量选取为4E9,泊松比为0.15。2.3.2钢筋混凝土(柱、梁、板主体结构)。根据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》,天花板弹性模量选取为3E10,泊松比为0.2。2.3.3岩棉吸声导纳(洁净板)。吸声材料的吸声系数和阻抗有如下关系式:通过吸声系数α0可以计算出阻抗z,吸声材料的阻抗和导纳为倒数关系,从而可以计算出吸声材料的导纳值。通过吸声系数计算得到的导纳值如表1所示。
3Actran声学计算设置
将有限元模型导入到Actran后,建立直接频响分析。声学求解的激励为现场实测的声压值,根据现场原始实测数据共有6组实测数据(分别对应第25~第30组数据),将这6组数据进行平均化处理,作为声学计算的激励值。根据平均计算后的测试声压值,也为导入到Actran中用于声源激励的值,导入到Actran后如图2所示。
4计算结果
计算当中分别考虑了厂房内部未设置和设置岩棉吸声材料这两种工况,声学计算中设置的场点与实际在控制室中的测试测点相同,其频响曲线如图3所示。图3表示控制室测点的声学仿真频响曲线,表示测点在各频率下的声压级的大小。上图中粗线为未设置岩棉吸声材料的计算结果,细线为设置岩棉吸声材料后的计算结果。通过计算结果对比可知,在试验室设置了岩棉吸声材料后,控制室测点的声压级有了显著降低,无论是单频峰值还是总声压级都可以取得较好的降噪效果。
4.1未设置岩棉吸声材料。试验室及控制室各频率下的云图计算结果如图4~5所示。图4、图5表示试验室和控制室各频率下的整体声压云图。在声学求解文件的求解设置中,需要按照各部件的属性进行相应的设置,比如根据外墙及天花板的不同材质设置相应的材料参数,根据吸声材料的吸声系数计算相应的导纳等,待各参数设置好后,将声学文件提交计算,Actran对声学模型进行整体求解,得到的结果为声学模型整体声压(级)云图分布结果,即本项目中,最终计算结果为试验室及控制室声腔的整体云图结果。可以看出,当计算频率较低时,试验室及控制室声腔的驻波现象不太明显,随着计算频率的提高,各阶模态分布密集,模态叠加现象较明显,故高阶谐波的驻波现象比较明显,且由于在计算中未考虑岩棉吸声材料,所以各声腔声压分布情况较一致,且所有声腔整体声压水平较高。
4.2设置岩棉吸声材料。试验室及控制室各频率下的云图计算结果如图6~7所示。由各频率下的云图6~7结果可以看出,当频率较低时,试验室及控制室的声腔整体声压分布较均匀,这是因为计算频率较低,空腔模态的谐波次数较少,故声腔的声压分布呈现较好的整体性。随着计算频率的提高,声腔模态出现高阶谐波,声波波长随着频率的提高而减小,故声波在声腔中的分布出现了较大的不均匀性。试验室外墙下部由于设置了吸声材料,且下部声腔与吊顶内部声腔几何尺寸相差较大,故试验室下部声腔的声压分布与试验室顶部声腔的声压分布出现了较大差异;在高频区域,由于单频的声波能量小、波长短,声波在沿试验室长度方向的衰减较快;此外,控制室与吊顶处的声腔由于几何尺寸的差异,导致声腔的空腔模态不同,故这些声腔在各频率下的声压分布情况也会有较大的不同。
5结束语
工业试验厂房内部应通过调整室内空间比例、建筑材料、隔声措施来控制室内的声环境。与测试频率相近的同种振台在200~400Hz、800~1000Hz振动频率范围内的影响最大。
作者:李尹 张敏 刘铭轩 单位:航天建筑设计研究院有限公司第二综合设计院
