考慮加筋效應的薄板結構低頻聲傳遞損失

歐達毅

(1. 華僑大學 建筑學院， 福建 廈門 361021；2. 華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640)

考慮加筋效應的薄板結構低頻聲傳遞損失

歐達毅1，2

(1. 華僑大學 建筑學院， 福建 廈門 361021；2. 華南理工大學 亞熱帶建筑科學國家重點實驗室， 廣東 廣州 510640)

設計一種參數可調的加筋板結構簡易實驗裝置，可根據需要對加筋板的加筋條數、加筋位置、加筋條材料、加筋條尺寸等加筋參數進行調整，研究不同加筋參數對結構整體性能的影響效果.基于該裝置，選取3種不同加筋位置對平板結構進行加筋處理，并對加筋平板結構的低頻隔聲性能進行測試，尤其對不同加筋位置的作用效果進行分析，驗證加筋參數對結構低頻隔聲性能的影響.研究結果表明：僅調整加筋位置這一參數就會對平板結構的低頻隔聲性能有所影響，尤其對聲傳遞損失曲線的谷點頻率有重要影響.

薄板結構； 加筋效應； 加筋結構； 聲傳遞損失； 低頻噪聲

Abstract： A parameter-adjustable stiffened plate structure system is experimentally studied. The stiffening parameters, including the stiffener′s number, stiffener location, stiffener material and stiffener size, can be easily adjusted in the experiment to investigate the stiffener effects on the structural property. The measurement of the low frequency sound insulation performance of the stiffened plate structure system is then carried out. Three different stiffening locations are used in the measurement to examine the effects of stiffener location on the low frequency sound insulation performance. The results show: single parameter of the stiffener′s location has significant effect on the low frequency sound insulation performances of the plate structure system, especially on the valley frequencies of the system′s low frequency sound transmission loss curve.

Keywords： thin plate structure; stiffener effect; stiffened structure; sound transmission loss; low frequency noise

長期以來，噪聲一直是影響建筑聲環境的主要問題[1].其中，低頻噪聲會造成人體的慢性損傷、對人體健康產生長遠影響[2]，而且低頻噪音的傳播距離和穿透障礙物的能力遠大于高頻噪聲，且往往與建筑結構( 樓板、門、窗等) 的共振頻率接近，容易傳入室內對居民造成干擾[3].因此,如何提高建筑結構的低頻隔聲性能成為了建筑隔聲領域的一個重要話題.出于提高結構強度等目的的考慮，對平板結構進行加筋處理(即加筋板結構)是建筑結構中常見的做法.由于加筋參數(如條數、位置、材料、尺寸等)對結構整體動力學特性具有重要作用[4-8]，它對整體結構聲振響應特性的影響也不容忽視.相關研究表明，實際加筋參數對加筋板結構的隔聲隔振性能有重要影響，尤其對結構低頻隔聲隔振性能的影響效果顯著，通過加筋位置、加筋條材料、加筋條尺寸等加筋參數的合理設計，能有效提高整體結構的隔聲隔振性能[4-5，9-10].然而,值得一提的是，該領域相關研究工作大多基于理論計算和模擬仿真結果，目前關于加筋參數對平板結構隔聲性能的影響研究的實驗工作仍非常有限.基于這一背景，本文提出一種參數可調的加筋板結構的簡易實驗裝置，并對不同加筋參數下的平板結構的低頻隔聲性能進行研究.

1 實驗裝置設計

目前,國內外用于加筋平板結構隔聲性能測試的實驗裝置和實驗研究還較為有限.邵闖等[11]在駐波管中對加筋壁板進行了聲響應實驗測試，所用加筋條材料與板材料基本一致，二者的具體連接方式并未詳細說明，但大致可以判斷，其測試結構上的加筋材料、位置和數目基本無法調整.Barrette等[12]也對加筋平板結構的振動特性進行了實驗測試，所用加筋條材料與板材料完全一致，且加筋條直接與平板鑄成整體，無法拆卸和更換.

總體而言，前人的實驗裝置為加筋平板結構的實驗研究提供了有益參考，但如果能對這些裝置進行改進，設計出可靈活調整加筋條數、加筋位置、加筋條材料、加筋條尺寸等加筋參數的加筋板結構實驗裝置，將對深入研究加筋板結構特性(尤其是探索不同加筋參數對結構整體性能的影響效果)有所幫助.

設計的可調參數加筋平板結構實驗裝置，如圖1所示.該裝置主要包括1個平板，2個邊框和至少1個加筋單元.圖1中：螺栓通過螺孔1將兩個邊框連接起來，并將平板安裝固定于兩個邊框之間；螺栓通過螺孔2將加筋條和邊框連接起來，實現加筋條的凸起部分緊壓于平板上.其中，每個加筋單元由一對加筋條構成，即每2個加筋條分別安裝在2個邊框的同一高度，從正反面同時施壓于平板的同一位置，從而實現1個加筋單元的加筋效果，如圖1(b)所示.圖1(b)中：H為加筋條距邊框下端的距離.

由圖1(a)設計可知：加筋單元為獨立部件，所用數目可以不止1個，并可根據需要安裝在螺孔2的任一位置，可以隨時進行裝配或拆除，從而實現加筋單元數目可變、材料可換、位置可調的效果.其中，所用邊框的測試剛度應遠大于測試平板，使得測試過程中由邊框自身振動所引起的聲輻射可忽略不計，從而不會對試件(平板)性能的測量結果造成影響.

(a) 安裝示意圖 (b) 結構平面圖 (c) 實例照片圖1 加筋板結構實驗裝置Fig.1 Experimental setup of stiffened plane structure

2 實際測量與結果討論

圖1實驗裝置中各部件的材料、尺寸等參數，可根據實際需要進行選擇.在測量實例中，測試平板為1塊正方形鋁板，邊長為25.6 cm，厚度為1.5 mm；邊框為鋼制邊框，以保證其結構剛度遠大于測試平板，厚度為3 mm，內緣邊長為24 cm(使得鋁板每條邊有8 mm的邊緣部分夾于兩個邊框之間)；加筋條為鋼制梁條，凸起部分的長度為24 cm，寬度為5 mm，厚度為23 mm.

圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

為了驗證和分析加筋參數對結構隔聲性能的影響，將該加筋板結構安裝于兩個相鄰房間的公共墻上，對其聲傳遞損失進行測量，如圖2所示.圖2中：兩個相鄰房間除了公共墻面外，其他表面均鋪上吸聲材料，最大限度地減少房間反射聲的干擾.1個揚聲器單元作為聲源置于平板中心線上，距離平板40 cm，發出垂直于測試平板入射的平面聲波.2個B&K 4935型傳聲器分別置于測試平板前后兩端，位于平板中心線上距離平板20 cm位置，分別用于測量測試平板的入射聲波pi和輻射聲波pr.所有測試結果通過丹麥B&K公司的Pulse系統進行采集和記錄.

上述聲傳遞損失測量方法借鑒了近年來國內外常用的基于兩個相鄰半消聲房間的聲傳遞損失估測方法[13-14].根據此方法，通過上述2個傳聲器的聲壓測量結果，可簡單估算出該平板結構的聲傳遞損失(具體實驗步驟和估算方法可進一步參見參考文獻[13-14]).其中，聲傳遞損失的計算式為

式(1)中:f為頻率.

由圖1(a)還可知：通過將加筋條安裝在邊框上螺孔2的不同位置，可實現不同的加筋位置.在文中的測量實例中，為方便起見，選取了3種加筋位置，分別為在測試平板邊長的10%，20%和30%位置.即將加筋單元分別置于加筋條距邊框下端的距離(H)為2.4，4.8和7.2 cm的相應位置.測試頻率范圍為50～400 Hz，測量結果如圖3，4所示.圖3，4中：STL為聲傳遞損失.

圖3 聲傳遞損失實測結果 圖4 1/3倍頻程聲傳遞損失實測結果 Fig.3 Experimental results of Fig.4 Experimental results of sound sound transmission loss transmission loss in one-third octave bands

由圖3,4可知：加筋單元置于不同位置時，平板結構的低頻聲傳遞損失曲線明顯不同，尤其曲線的谷點頻率位置有顯著差異.加筋位置H等于2.4，4.8和7.2 cm時，平板結構的聲傳遞損失曲線對應的谷點頻率分別為180，200和240 Hz.由此可見，僅調整加筋位置這一參數，就會對平板結構的低頻隔聲性能有所影響，尤其對聲傳遞損失曲線的谷點頻率有重要影響.在實際應用中，可以通過加筋位置的合理設置，讓曲線谷點盡量遠離重點降噪頻段，實現結構實際隔聲效果的有效提升.

3 結束語

設計一種參數可調的加筋板結構的簡易實驗裝置，可根據需要對加筋板的加筋條數、加筋位置、加筋條材料、加筋條尺寸等加筋參數進行調整.因此，可用于加筋板結構的實驗研究，尤其是分析不同加筋參數對結構整體性能的影響效果.以改變加筋位置的實際測量過程為例，對所提出的實驗裝置的可行性和有效性進行驗證.除了加筋位置以外，加筋條數目、加筋條材料等加筋參數對結構性能的影響均可通過該裝置進行實驗研究.該裝置可以為加筋平板結構的實驗研究提供參考，也為可調加筋參數的平板結構設計提供借鑒.

[1] 姜雨杉，歐達毅.大學生公寓聲環境調查與評價[J].華僑大學學報(自然科學版)，2017,38(4):503-508.DOI:10.11830/issn.1000-5013.201704011.

[2] BRONER N.The effects of low frequency noise on people： A review[J].Journal of Sound and Vibration，1978，58(4):483-500.DOI：10.1016/0022-460X(78)90354-1.

[3] 歐達毅.建筑窗體低頻隔聲性能綜合分析[J].建筑科學，2013，29(12):6-10.DOI:10.3969/j.issn.1002-8528.2013.12.002.

[4] 歐達毅，麥卓明，史曉峰.邊界條件和加筋參數對平板型建筑結構低頻隔聲性能的影響分析[J].建筑科學，2016，32(10):80-85.DOI:10.13614/j.cnki.11-1962/tu.2016.10.14.

[5] OU Dayi，MAK C M，DENG Shiming.Prediction of the sound transmission loss of a stiffened window[J].Building Services Engineering Research and Technology，2013，34(4):359-368.DOI:10.1177/0143624412445932.

[6] OU Dayi，MAK C M.Transient vibration and sound radiation of a stiffened plate[J].Journal of Vibration and Control，2013，19(9):1378-1385.DOI:10.1177/1077546312450731.

[7] BERRY A， LOCQUETEAU C.Vibration and sound radiation of fluid-loaded stiffened plates with consideration of in-plane deformation[J].The Journal of the Acoustical Society of America，1996，100(1):312-319.DOI:10.1121/1.415880.

[8] ZHENG Hui，WEI Zhiping.Vibroacoustic analysis of stiffened plates with nonuniform boundary conditions[J].International Journal of Applied Mechanics，2013，5(4):1350041-1350046.DOI:10.1142/S1758825113500464.

[9] JOSHI P，MULANI S B，GURAV S P，etal.Design optimization for minimum sound radiation from point-excited curvilinearly stiffened panel[J].Journal of Aircraft，2010，47(4):1100-1110.DOI:10.2514/1.44778.

[10] INOUE K，YAMANAKA M，KIHARA M.Optimum stiffener layout for the reduction of vibration and noise of gearbox housing[J].Journal of Mechanical Design，2002，124(3):518-523.DOI:10.1115/1.1480817.

[11] 邵闖，陳先民，葛森.加筋壁板聲響應分析與試驗研究[J].強度與環境，2009，36(6):1-7.DOI:10.3969/j.issn.1006-3919.2009.06.001.

[12] BARRETTE M，BERRY A，BESLIN O.Vibration of stiffened plates using hierarchical trigonometric functions[J].Journal of Sound and Vibration，2000，235(5):727-747.DOI:10.1006/jsvi.2000.2978.

[13] XIN F X，LU T J.Analytical and experimental investigation on transmission loss of clamped double panels: Implication of boundary effects[J].Journal of the Acoustical Society of America，2009，125(3):1506-1517.DOI:10.1121/1.3075766.

[14] OU Dayi，MAK C M.Experimental validation of the sound transmission of rectangular baffled plates with general elastic boundary conditions[J].Journal of the Acoustical Society of America，2011，129(6):L274-L279.DOI:10.1121/1.3591053.

(責任編輯： 陳志賢英文審校： 方德平)

LowFrequencySoundTransmissionLossofThinPlatesConsideringStiffenerEffects

OU Dayi1,2

(1. College of Architecture， Huaqiao University， Xiamen 361021， China；2. State Key Laboratory of Subtropical Architecture Science， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China)

10.11830/ISSN.1000-5013.201611056

2016-11-16

歐達毅(1982-)，男，副教授，博士，主要從事建筑隔聲、建筑(城市)聲環境等的研究.E-mail:oudayi_hqu@126.com.

國家自然科學基金資助項目(51578252)； 福建省高等學校杰出青年科研人才培育計劃資助(2016年度)； 華南理工大學亞熱帶建筑科學國家重點實驗室開放研究項目(2016ZB06)

TU 112

A

1000-5013(2017)05-0649-04