建筑屋面綠化構(gòu)造的吸聲實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

王一磊 王杰

摘 ?要：屋面綠化能減少透過屋面的噪音累積和城市環(huán)境中的噪音污染。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)使用有利方法對(duì)多個(gè)植被和非植被試驗(yàn)區(qū)的吸收系數(shù)進(jìn)行原位測(cè)量。研究建筑屋面綠化中設(shè)計(jì)小塊積土基材的吸聲系數(shù)，確定構(gòu)造設(shè)計(jì)是否較好影響建筑聲環(huán)境。實(shí)驗(yàn)設(shè)置解決了對(duì)基質(zhì)深度的聲音吸收以及植物群落差異的影響。實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用可以通過這項(xiàng)測(cè)量的吸聲數(shù)據(jù)來研究和建模，使綠化屋面作為吸收性表面減少城市建筑屋面空間上的噪音累積和混響。

關(guān)鍵詞：吸聲實(shí)驗(yàn);屋面綠化;建筑構(gòu)造

中圖分類號(hào)：TH218 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）02-0186-03

Abstract： Roof greening can reduce the noise accumulation through the roof and the noise pollution in the urban environment. In the experimental design， the absorption coefficients of several vegetation and non vegetation experimental areas were measured in situ by using favorable methods. This paper studies the sound absorption coefficient of small plot soil base material in the design of building roof greening， and determines whether the structural design has a good impact on the building sound environment. The experimental setup solved the influence of sound absorption on the depth of substrate and the difference of plant community. The application of the experiment can be studied and modeled by the measured sound absorption data， so that the green roof can be used as the absorption surface to reduce the noise accumulation and reverberation on the roof space of urban buildings.

Keywords： sound absorption experiment; roof greening; building structure

1 目標(biāo)

當(dāng)下城市中建筑屋面的綠化在可持續(xù)城市與建筑設(shè)計(jì)中越來越多地被運(yùn)用到實(shí)際工程當(dāng)中。嘗試通過表面吸收，屋面綠化能減少透過屋面的噪音累積和城市環(huán)境中的噪音污染，而材料的有效吸聲和傳輸損耗特性具有改善建筑物內(nèi)部和外部聲學(xué)環(huán)境的潛力。由于能量主要由植物和基質(zhì)消散，因此通常在重量較輕的聲反射屋頂上放置吸音植被構(gòu)造組成的屋頂材料將明顯改變聲音傳遞路徑。此外，即使在沒有高吸收率的情況下，在接近掠入射的情況下反射聲的相變也會(huì)進(jìn)一步改變?cè)谥参镂蓓斏蟼鞑ヂ曇粜?yīng)。為了了解已建立的植被屋頂系統(tǒng)的吸聲特性，實(shí)驗(yàn)在研究基質(zhì)層的效果之前，首先要檢查基質(zhì)的吸收特性。對(duì)基材的研究增加了設(shè)計(jì)對(duì)綠化屋面潛在吸收聲能的了解，并為下一步設(shè)計(jì)基材混合物構(gòu)造層次提供了指導(dǎo)，并且還優(yōu)化了基材噪聲控制的吸聲潛力。對(duì)建筑屋面綠化中設(shè)計(jì)小塊積土基材的吸聲實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究，能確定構(gòu)造設(shè)計(jì)是否較好影響建筑聲環(huán)境。

建筑屋面綠化的基材，需確定哪些吸聲特征最明顯地促進(jìn)了聲能的吸收。植被屋頂基質(zhì)具有顆粒狀結(jié)構(gòu)。骨料以散開的方式彼此分離。基材必須足夠多孔以提供內(nèi)部通氣，并且在結(jié)構(gòu)上能夠抵抗安裝期間屋頂上基材的機(jī)械壓實(shí)以外的過度壓實(shí)。通過聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，以確定綠化屋頂基質(zhì)的物理特性與吸聲之間的關(guān)系。

2 屋面小塊積土的測(cè)試設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)預(yù)備小尺寸1.68m見方的綠化屋頂測(cè)試區(qū)的吸收系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。首先研究了球面解耦法在最佳原位吸收測(cè)量中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。設(shè)計(jì)使用有利方法對(duì)多個(gè)植被和非植被試驗(yàn)區(qū)的吸收系數(shù)進(jìn)行原位測(cè)量，這些試驗(yàn)區(qū)通常代表了用于目前廣泛使用的綠化屋面一系列基質(zhì)深度和屋面綠化植物群落。

首先在一個(gè)受控環(huán)境的消聲室內(nèi)完成對(duì)一個(gè)測(cè)試樣塊的研究。在室內(nèi)膠合板地板上建立了一個(gè)具有尺寸代表性的測(cè)試圖，以近似屋頂環(huán)境創(chuàng)建了半消聲條件。接下來，在1400平米面積的屋頂頂部完成了25個(gè)屋頂測(cè)試區(qū)中的24個(gè)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。測(cè)試以25毫米的增量從50到200毫米不等的基板深度變化。七個(gè)測(cè)試區(qū)僅包含基質(zhì)。現(xiàn)場(chǎng)注意需適應(yīng)變化的大氣條件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，僅在風(fēng)速小于5m/sec時(shí)才進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量。并且在可測(cè)量的降水期間未進(jìn)行測(cè)量。通過使用灌溉系統(tǒng)以提供體積水含量的通用條件，消除了可變的測(cè)試前降雨的影響。

2.1 實(shí)驗(yàn)方法背景

球面解耦法是一種雙麥克風(fēng)技術(shù)，可在任何入射角下測(cè)量反射系數(shù)，由此可得出擴(kuò)散場(chǎng)吸收系數(shù)。此方法已用于測(cè)量聲音反射特性并推論局部反射性表面和地面（例如演奏場(chǎng)所）的吸聲性。然而，由支持球面解耦法的理論所假設(shè)，基底表面顆粒和建筑屋面綠化的植物不能提供均勻且鏡面反射的表面。通過調(diào)整確定聲源、麥克風(fēng)和表面平面的適當(dāng)幾何構(gòu)造，以及通過在多個(gè)表面位置進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)在測(cè)量方法中已經(jīng)容納了不理想的表面條件情況。球面解耦法的實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量裝置的幾何形狀如圖1所示。對(duì)于局部反射的表面，我們假定地面和綠化屋面為實(shí)，阻抗不會(huì)隨入射角而變化。可以根據(jù)阻抗從而計(jì)算出擴(kuò)散場(chǎng)吸收系數(shù)。通過已經(jīng)做出的大量工作來定義用于測(cè)量頻率響應(yīng)的最佳幾何位置，以計(jì)算接地阻抗。得出球面解耦法的有效頻率極限是兩個(gè)麥克風(fēng)之間的距離和聲源的入射角的函數(shù)關(guān)系。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)化和驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)設(shè)置解決了對(duì)基質(zhì)深度的聲音吸收以及植物群落差異的影響。為了研究這些因素，在屋頂上構(gòu)建了以塑料木復(fù)合材料邊界為邊界的小尺寸（1.67m×1.67m）植被測(cè)試區(qū)。在準(zhǔn)備使用球面解耦法測(cè)量屋頂環(huán)境中小尺寸綠化屋面測(cè)試區(qū)的吸收系數(shù)時(shí)，在受控的實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了測(cè)量，以優(yōu)化和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法。鑒于測(cè)試的應(yīng)用該方法是在小尺寸的地塊上，而不是大面積的地面或植被屋頂上，實(shí)驗(yàn)研究的目的如下：（1）確定聲源和傳聲器相對(duì)于表面的最佳幾何結(jié)構(gòu);（2）研究屋頂上理想的半自由場(chǎng)測(cè)試環(huán)境的潛在危害，以及它們?nèi)绾斡绊憸y(cè)量精度;（3）確定所需的重復(fù)測(cè)量次數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，在一個(gè)全消聲室中進(jìn)行了各種測(cè)試配置的測(cè)量，其可用尺寸為4.7m×4.1m×2.6m高。使用與屋頂樣板相同的材料和細(xì)節(jié)構(gòu)建了一個(gè)1.68m×1.68m的測(cè)試樣板。周圍的框架將屋頂上的地塊彼此隔開，框架是木制的，地下是膠合板地板的層次構(gòu)造。底材來自與屋頂測(cè)試區(qū)相同的批料混合物，其中混合了白色浮石，沙子，15%的有機(jī)物。在先前的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了基材有機(jī)物百分比，孔隙率百分比，粒度分布和有效水分含量，以及有關(guān)廣泛植被屋頂材料的規(guī)范要求。使用了三種主要設(shè)置：膠合板地板下覆蓋著50毫米的棉制擋板;非植被屋頂試驗(yàn)區(qū);和一個(gè)種植的屋頂試驗(yàn)區(qū)。為了確定最佳的幾何構(gòu)型并研究對(duì)理論半自由場(chǎng)條件的破壞，對(duì)前兩個(gè)主要設(shè)置進(jìn)行了更改。在這三個(gè)主要設(shè)置中，最后一個(gè)是在植被覆蓋的屋頂上種植了綠化;空中生物量的覆蓋率為70%。植被在測(cè)量期間內(nèi)種植;因此，根部生長(zhǎng)尚未建立。預(yù)測(cè)水分在枯萎時(shí)近似，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無影響。

2.2.1 最佳的幾何配置

為了研究設(shè)備設(shè)置的最佳配置，對(duì)幾何配置（兩個(gè)麥克風(fēng)之間的距離;從測(cè)試表面到最近的麥克風(fēng)的距離）以及聲源相對(duì)于角度的位置的尺寸變化進(jìn)行重復(fù)測(cè)量并且試算到麥克風(fēng)探頭的距離。然后需要在膠合板上的擋板，僅基材，植被屋頂測(cè)試區(qū)和種植的植被屋頂測(cè)試區(qū)上進(jìn)行測(cè)量。通過研究得出的最佳幾何構(gòu)型包括以下內(nèi)容：揚(yáng)聲器175厘米，垂直于測(cè)試表面;揚(yáng)聲器正下方的麥克風(fēng)探頭;基本麥克風(fēng)在表面上方的高度hb（如圖1）等于55毫米和25毫米麥克風(fēng)間距。

2.2.2 非理想的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境

為了研究屋頂建筑特征對(duì)聲場(chǎng)擾動(dòng)的重要意義，在有和沒有代表擾動(dòng)的情況下，在消聲室的近似半自由場(chǎng)條件下進(jìn)行了測(cè)量和記錄。在屋頂上，已知的擾動(dòng)包括植被屋頂測(cè)試區(qū)的周邊邊緣框架，框架外部具有可變聲學(xué)特性的非連續(xù)表面（吸收性和/或非吸收性表面），支撐揚(yáng)聲器的柱子和建筑孔徑。在消聲室中，根據(jù)地塊在測(cè)試區(qū)域中的位置，環(huán)繞的表面可能會(huì)涉及相鄰的測(cè)試地塊和幾何形狀不同的高反射率屋頂防水構(gòu)造膜。為了研究周圍表面的狀況，在消聲室內(nèi)將棉制隔板放在膠合板地板上，以模擬周邊框架以外的各種表面狀況。結(jié)果表明，當(dāng)來自聲源的聲能正常入射時(shí)，測(cè)試區(qū)周圍的高反射表面不會(huì)產(chǎn)生干擾。即隨著入射角的增加，三種表面條件下的測(cè)量值之間的一致性降低。

2.2.3 測(cè)量重復(fù)性

標(biāo)準(zhǔn)建議進(jìn)行四個(gè)重復(fù)測(cè)量，以適應(yīng)自然地面的變化。在每次測(cè)量的波反射位置，有植被的綠化屋面可能具有各種表面特性，枝葉變化（生物量和根結(jié)構(gòu)）和基質(zhì)條件（暴露的成分）。使用固定的幾何配置在基材測(cè)試十個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，以確定所需的最小重復(fù)次數(shù)。結(jié)論是，四個(gè)重復(fù)測(cè)量足以代表表面狀況。

3 基材的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試每種測(cè)試條件下從250至2000Hz的倍頻程中基材的平均法向入射吸收系數(shù)。在設(shè)置的五個(gè)評(píng)估狀態(tài)的每種狀態(tài)下，每種基材的測(cè)試重復(fù)都具有很高的一致性，結(jié)果表明在250至2000Hz的倍頻程中，有機(jī)物的百分比和體積水含量對(duì)基材的吸聲有最顯著的影響。構(gòu)造層次底物的吸收系數(shù)與有機(jī)物的百分比呈正相關(guān)，與水分含量和增加的壓實(shí)度呈負(fù)相關(guān)。實(shí)驗(yàn)同時(shí)設(shè)計(jì)了使用多變量線性回歸模型檢查了測(cè)試底物和成分的吸收率與物理性能之間的關(guān)系。底物的測(cè)量吸收系數(shù)和要預(yù)測(cè)的因變量是正態(tài)分布的，在分析之前不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。土壤特性和特征是可預(yù)測(cè)的獨(dú)立變量，包括有機(jī)物百分比，堆積密度，顆粒密度，孔隙率，有效水分，充氣孔隙率，體積水含量，壓實(shí)度，粒度分布以及>2mm的顆粒百分比。在雙變量分析中，考慮將具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p<0.05）的自變量納入多個(gè)線性回歸模型。多變量分析支持在測(cè)量期間進(jìn)行的觀察。法向入射吸收系數(shù)與有機(jī)物的百分比呈正相關(guān)，與壓實(shí)度和含水量呈負(fù)相關(guān)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量從季節(jié)性枯萎到植被持水量增加，吸收系數(shù)降低0.16;從非壓縮狀態(tài)發(fā)展到緊密狀態(tài)，在高于250Hz的頻率處吸收系數(shù)降低了0.10。盡管對(duì)于有機(jī)物的百分比和孔隙率的百分比，吸聲系數(shù)的單位增加是相似的，因此，有機(jī)物百分比變化的更大范圍會(huì)比孔隙率更大程度地影響吸收。

在200至5000Hz的建筑范圍內(nèi)，所使用的球形去耦技術(shù)對(duì)于評(píng)估植被屋頂?shù)奈漳芰κ强尚械摹１M管低于200Hz的頻率對(duì)于在屋頂上傳播聲音也很重要，但在此實(shí)驗(yàn)設(shè)置中未進(jìn)行測(cè)量。在消聲室的受控環(huán)境中，當(dāng)最小麥克風(fēng)在表面平面上方和兩個(gè)麥克風(fēng)之間的距離達(dá)到最佳時(shí)，球形去耦裝置的最佳幾何配置可用于植被屋頂?shù)臏y(cè)量。在無回聲中吸收種植的植被中這兩個(gè)地塊測(cè)量包括壓實(shí)程度，水分含量，以及表面水平的粒度分布。

在消聲室中，實(shí)驗(yàn)測(cè)量該地塊中種植了均勻分布的植被。在屋頂上，覆蓋范圍不均勻。隨著時(shí)間的流逝，植物的生存力和死亡率也隨之變化。這些發(fā)現(xiàn)表明，短期實(shí)驗(yàn)設(shè)置和受控實(shí)驗(yàn)室條件不能準(zhǔn)確地代表植被屋頂基質(zhì)的原位屋頂特性和復(fù)雜的植物生態(tài)學(xué)，可能會(huì)夸大植被小區(qū)的吸收潛力。因此該實(shí)驗(yàn)方法需解決在受控環(huán)境中避免具有模擬種植的實(shí)驗(yàn)裝置缺乏通用性的問題。在不種植的情況下，底物塊的吸收率顯著大于裸露的屋頂防水薄膜。例如，在200mm的深度上，平均為0.62，而在裸露的屋頂上為0.06。（如圖2）總體而言，種植有群落的樣地的吸收率低于基質(zhì)樣地。兩者的頻率變化相似。但是，吸收系數(shù)的平均差范圍從200Hz時(shí)的0.14到800Hz時(shí)的0.35。在1/3倍頻帶分析中平均下降0.24。

4 結(jié)論

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究中，阻抗管和球面解耦法已被用于發(fā)現(xiàn)各種建筑屋面綠化構(gòu)造基底，基底成分和屋頂綠化的法向和隨機(jī)入射（或擴(kuò)散場(chǎng)）吸收系數(shù)。結(jié)果表明，幾種基板的法向入射吸收系數(shù)從250Hz時(shí)的約0.03到2000Hz時(shí)的0.89有所不同，并且吸收率隨有機(jī)質(zhì)的百分比而增加，而隨水分含量和壓實(shí)度而降低。隨機(jī)入射或擴(kuò)散場(chǎng)吸收屋頂綠化系數(shù)隨底物深度的增加而增加。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)證實(shí)了一些發(fā)現(xiàn)。第一，植物屋頂?shù)奈暸c基質(zhì)深度，植物群落的建立以及基質(zhì)的水分含量有關(guān)。二，綠色植物屋面作為建筑圍護(hù)系統(tǒng)，具有很高的吸聲特性，并且已經(jīng)量化了最佳吸收的一些數(shù)值和相對(duì)條件。實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用可以使用通過這項(xiàng)測(cè)量的吸聲數(shù)據(jù)來研究和建模，使植被屋頂作為吸收性表面以減少城市建筑屋面空間上的噪音累積和混響，以及擴(kuò)展到包含綠色屋頂系統(tǒng)的多層建筑隔斷的聲學(xué)性能開發(fā)應(yīng)用。

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