有限元法測試巖棉材料隔音性能研究

鄒 芳，陶靈平

(安徽三聯學院基礎實驗教學中心 安徽 合肥 230601)

0 引言

輕薄板墻作為一種新型墻體，能夠有效減輕墻體結構的荷載，提高建筑的抗震性能，增加房屋的使用面積，因此在當下的建造行業中被廣泛應用[1]。相較于傳統磚墻以增加墻體厚度的方式阻隔噪聲，輕薄板墻則是通過改變墻體材料構造而提高其隔聲性能[2]。新型建筑隔音技術利用特殊的隔音材料構建穩定的隔音結構，達到墻體有效隔音的目的[3]。在隔音材料選擇上，巖棉材料有助于提升建筑物中輕薄板墻的穩定性和超強隔音性，因此巖棉材料在建筑隔音中被廣泛應用。通過對輕薄板墻中巖棉材料的隔音性能進行有效評估，可以促進建筑隔音技術的革新。

聲學有限元法是一種較為穩定的音源評估方式，以直接聲振耦合的方式分析高頻率的局部阻尼效應，以此提升聲音評估精準度[4-5]。為了提升輕薄板墻的隔聲性能，本文基于聲學有限元法提出了輕薄板墻中巖棉材料隔音性能評估方法。根據板墻隔音表征范圍，設定巖棉材料隔音評估的表征目標；利用聲學有限元法在較為真實的環境中建立復合隔音性能評估模型，采用層狀EVA法完成巖棉材料的性能評估。測試結果表明，利用聲學有限元法可以有效評估巖棉材料隔音性能；評估結果證明巖棉材料的隔音量較高，可以有效阻隔聲學噪音。

1 設定巖棉材料隔音評估表征目標

為了有效消除輕薄板墻表面產生的反射聲波，減弱輕薄板墻反射回聲，提高巖棉材料隔音性能評估結果的準確性，需要設定巖棉材料隔音評估表征目標。根據墻體材料聲音反射測定結果，設定具體且貼合實際的輕薄板墻隔音防護結構，如圖1所示。

圖1 輕薄板墻隔音防護結構圖示

由圖1可知，輕薄板墻隔音防護結構首先要測定墻體表面產生的反射聲波。巖棉材料隔音性能的表征范圍需要與輕薄板墻中隔音材料的實際作用面積保持一致，將表征目標與輕薄板墻的測定數據產生關聯。然后添加巖棉材料，實際判斷輕薄板墻中巖棉材料的隔音范圍。最后根據聲音接收點至聲屏障的距離和聲能傳播原理，構建巖棉材料與輕薄板墻的綜合噪音防護結構，從而設定隔音表征目標。

利用雙聲道的聲學分析測試系統，對輕薄板墻的厚度及隔音效果進行測試；同時采用SPECTR評估軟件[6]，對建筑墻體附近噪聲源的聲壓級進行核驗，一般將聲壓級設定在90～120 dB之間。根據噪聲傳播的聲級隨距離增加而衰減的規律，統計接收點至聲屏障距離即可得到反射系數。根據聲能傳播原理[7]，聲波在傳播過程中使傳播介質產生振動，這種振動具有周期性規律，聲音的能量隨著傳播介質由高能量位置向低能量位置轉移[8]。因此從能量角度看，聲波的傳播過程本質上是機械能的傳播過程[9-10]。由此判斷輕薄板墻中巖棉材料的隔音范圍，設定巖棉材料隔音評估表征目標，改善隔音性能。

2 構建復合隔音性能評估模型

以巖棉材料隔音評估表征目標和輕薄板墻中巖棉材料隔音范圍為基礎，利用聲學有限元法構建復合隔音性能評估模型。在有限區域中建立巖棉材料彈性變形條件，通過對巖棉材料彈性變形的不定量分析，結合巖棉材料隔音評估表征目標，構建復合隔音性能評估模型。利用模型分析墻體結構的實際負載，實現對巖棉材料的隔音性能評估。

將設定的評估目標以及評估結構添加在預設的初始模型中，關聯每一個目標結構進行復合隔音量的核定，與初始隔音量對比形成具體的評估標準以及誤差標準值。對不同板材層數和板材厚度的巖棉材料設立測定區域的有限元評估常數，獲得準確的隔聲單值評價結果，以此確保最終的復合隔音性能評估效果。采用層狀EVA法在評估模型中建立層狀EVA輔助評估結構，將不同的EVA層狀單元關聯在一起，形成最終的評估結果，實現聲學有限元下的巖棉材料隔音性能評估。

3 測試驗證

3.1 測試準備

由于輕薄板墻中巖棉材料具有多層級的變化特性，在不同的溫度環境下，會變換成對應的材料狀態。因此，測試應依據實際的需求，先選取一處建筑物作為測試的主要目標對象，提取部分材料樣本進行測試與評估。利用火焰法和離心法獲取密度為150 kg/m3，面積為1.64 m2的巖棉材料；采用PSDA-20型孔徑測試儀測定巖棉材料的纖維直徑為6 μm。使用COMSOL軟件進行有限元建模。模型如圖2所示。

圖2 隔音性能有限元模型

3.2 模型應用

為了達到測試目的，在進行測試分析前對復合隔音性能評估模型的準確性進行評估。考慮到巖棉材料的韌性，可以采用具有浸潤性的液體充分浸潤多孔材料，使其具有更強的張力。但是需要注意的是，巖棉材料的張力也是有限的，需要在極限張力的受力范圍內進行應用，以此延伸整體的效果。隔聲量的評價指標有多種，根據應用的環境選擇評價指標。巖棉材料吸聲率是驗證模型隔音效果的指標，巖棉材料吸聲率達到85%即為滿足測試要求。同時，還需要在所設定建筑的輕薄板墻中添加相應體積的巖棉材料，在材料的前側設定一道具體的防護結構，此結構的主要作用是劃定應用區域，避免出現材料外泄的現象。

3.3 測試結果

3.3.1 不同板材層數的巖棉材料隔音效果分析

輕薄板墻的層數一般在3～13層之間且板材的層數一般為奇數，奇數的板材可以讓相鄰的兩層單板纖維呈現垂直狀態，提高板材的吸聲效果。因此，本文選擇3、6、9、11、13層的輕薄板墻作為測試對象，在輕薄板墻中填充厚75 mm的80 K巖棉作為夾芯材料，不同板材層數的隔聲單值評價量如圖3所示。

圖3 隔聲單值評價結果

根據圖3可知，輕薄板墻巖棉材料的隔聲單值評價量隨墻板層數的增加有所提高，隔聲增量的頻譜特性存在明顯的不同，板材層數每增加1層提高1 dB。在不同板材層數和板材厚度的巖棉材料測定區域內，計算線性有限元評估常數：

式中：iχ表示聲源室第i個測量點的聲壓級，ψ表示第i個測量點的板材層數，S表示第i個測量點的板墻厚度。通過公式（1）換算得到3、6、9、11、13層的有限元評估常數為8.9、7.4、6.7、5.3、4.2，由此表明巖棉材料的隔音效果隨輕薄板墻層數的增加而逐漸緩慢下降。

3.3.2不同板材厚度的巖棉材料隔音效果分析

一般情況下輕薄板墻的規格尺寸為1220 mm×2440 mm（長×寬），本文選擇厚度規格為3、5、9、12、15、18 mm的輕薄板墻作為測試對象，填充厚75 mm的80 K巖棉作為夾芯材料，不同板材厚度的吸聲率如圖4所示。

圖4 吸聲率結果

根據圖4可知，輕薄板墻巖棉材料的隔音效果較好，所有板材厚度的吸聲率均高于90%，其中板材厚度在12 mm時其吸聲率效果最優為95%。同時也能證明本文方法能夠有效測試不同板材厚度的巖棉材料隔音效果。分析原因為本文評估方法關聯隔音目標與輕薄板墻的測定數據，基于聲能傳播原理，構建綜合噪音防護結構，根據板墻隔音表征范圍，從而設定隔音表征目標。利用聲學有限元法在較為真實的環境中建立復合隔音性能評估模型，采用層狀EVA法完成巖棉材料的性能評估，總體提高了測量分析數據的有效性。

4 結語

輕薄板墻在現今的建造行業中被廣泛應用，但隔音效果還有提升的必要，輕薄板墻中加入巖棉材料能夠增強隔音效果。為了增強隔音性能評估效果，本文提出了基于聲學有限元法的輕薄板墻中巖棉材料隔音性能評估方法。根據板墻隔音表征范圍，設定巖棉材料的隔音評估表征目標，保證隔音性能的針對性。將表征目標與板墻的實際測定數據產生關聯；基于聲能傳播原理，構建巖棉材料與輕薄板墻的綜合噪音防護結構，判斷輕薄板墻中巖棉材料隔音范圍，設定巖棉材料隔音評估表征目標，利用聲學有限元法建立復合隔音性能評估模型，采用層狀EVA法實現巖棉材料的性能評估。該方法在聲學有限元法的輔助下更具靈活性，所覆蓋的評估面積更廣泛，增加了建筑隔音結果最終的精準性與可靠性，為隔音技術開拓了更為廣袤的前景，具有實際應用價值。