基于Helmholtz共振结构的轻型木建筑墙体声学性能研究及分析

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kyunlong
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近年来,噪声污染严重地影响了人们的居住舒适度。轻型木建筑墙体结构作为一种重要的围护结构,其声学性能是保障建筑舒适性、衡量居住质量的关键。为此,文中针对轻型木结构建筑在中低段频存在的吸声性能较差等一系列问题,依据Helmholtz共振结构在中低频声波范围内的高效吸声性能,结合建筑环境噪声和轻型木建筑墙体结构特性情况,对轻型木结构建筑的内墙开展结构设计和研究分析,探索一种解决轻型木结构建筑墙体在中低频声波范围内声学问题的有效方法。本次研究以轻型木建筑墙体结构为研究对象,基于Helmholtz共振结构原理对其进行结构优化设计和声学性能研究。首先,对现存一座建筑进行实地调研,调查记录建筑基本情况,分别对以交通噪声、家用设备噪声为主的噪声源的室内环境噪声进行了测试及其分析;其次,尝试将具有中低频高效吸声性能的Helmholtz共振结构应用于轻型木墙体结构中,对墙体单元体进行结构设计、阻抗管试验测试和COMSOL MULTIPHYSICS软件模拟,以此得到墙体单元体中孔径嵌入式结构的吸声性能变化规律;再次,通过阻抗管试验法对不同规格的试件进行吸声性能测试,探究影响孔径嵌入式结构墙体吸声性能的影响因素,并将孔径嵌入式墙体单元结构应用于实际墙体结构中,对轻型木建筑墙体进行了结构设计,为今后的现场实测和结构优化提供理论依据和试验支持;最后,依据前期试验研究结论和墙体结构初步设计,对墙体组合结构进行了结构设计与制作,并通过混响室吸声法实测墙体组合结构试件的吸声系数。通过研究结果与分析,其主要结论如下:(1)在室内环境噪声测试频率段内,交通噪声因素在中高频率段影响较为明显,而设备噪声因素则在中低频率段影响较为明显。交通噪声对于0-500 Hz以及5000-7000 Hz频率范围的室内环境噪声影响基本可忽略,其主要影响中高频段,特别是1000-3000 Hz频率范围时的室内环境噪声;而设备噪声对于0-150Hz以及5000-10000 Hz频率范围的室内环境噪声影响基本可忽略,其主要影响中低频段,特别是200 Hz频率附近和1000-2000 Hz频率范围的室内环境噪声。(2)在90-1600 Hz测试频率段内,墙体单元体中孔径嵌入式结构整体的声学性能有显著提高。对比于普通结构,孔径嵌入式结构的隔声性能虽在数值上并没有明显变化,但整体稳定性有增强;而孔径嵌入式结构的吸声性能明显优于普通结构,尤其是在低频入射声波范围内更为显著。(3)在90-1600 Hz测试频率段内,除100 Hz、200 Hz和630 Hz频率点的误差较大外,整体模拟结果与试验测量结果基本吻合。相较于试验吸声系数曲线,模拟吸声系数曲线向低频段移动,模拟结果的吸声峰值位于90 Hz频率段以内。(4)通过调节嵌入式小孔孔径和孔长,可在一定程度上调节墙体单元结构在某一段入射声波频率范围内的吸声峰值、共振频率以及吸声频带宽。在保持嵌入式小孔孔长不变的情况下,随孔径的变小,整条曲线向低频移动,吸声峰值相对应的共振频率降低,第一阶吸声峰值增大,孔径为2 mm的试件在104 Hz处产生的第一吸声峰值可达0.984;在保持嵌入式小孔孔径不变的情况下,随孔长的增大,整个曲线向低频移动,吸声峰值相对应的共振频率降低至趋于稳定,第一阶吸声峰值增大,孔长为20 mm的试件在104 Hz处产生的第一吸声峰值可达0.996。(5)墙体组合体中孔径嵌入式结构在低频范围具有良好吸声性能,特别是在100 Hz频率处基本达到了完美吸声,但在中高频范围结构基本不吸声。对比于普通结构,孔径嵌入式结构在测试频率范围内吸声性能有一定的增强,在低频范围内吸声系数数值提高的同时吸声频带宽也有一定程度的增宽,且其平均吸声系数和降噪系数(Noise Reduction Coefficient,简称NRC)两个性能指标也均有提高,分别提高42.9%和100%。但就结构本身而言,吸声频带仍较窄,针对特定频率具有良好的吸声性能,而整体吸声性能不满足要求,需进一步进行优化。综上所述,本次研究通过将孔径嵌入式Helmholtz共振结构应用到轻型木结构建筑墙体结构的优化设计中。经测试和模拟分析表明,孔径嵌入式Helmholtz共振结构与轻型木墙体结构的结合,在不影响墙体隔声性能的同时较好地改善了墙体在低频入射声波段具有的高效吸声性能。上述研究有利于改善木结构建筑的声环境,提升人们居住环境舒适度和生活质量水平,以期为轻型木建筑墙体结构的吸声降噪技术工作提供基础支撑,对促进我国轻型木建筑墙体结构声学性能优化设计与工程应用工作,及其推动我国现代木结构建筑市场可持续健康发展具有较高的推广价值和现实意义。
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