遠洋客船玻璃結構聲學特性研究

束偉宏,王一飛

(1.中海油服湛江分公司 船舶作業公司,廣東 湛江 524057;2.中船郵輪科技發展有限公司,上海 200137)

0 引言

艙室噪聲性能是評價遠洋客船舒適性的關鍵指標。室內的隔聲效果更多取決于門窗結構的隔聲性能;相比于客艙壁的鋼結構,玻璃門窗對噪聲的貢獻度更大[1]。玻璃門窗廣泛應用于遠洋客船艙室窗戶、駕駛室和陽光房等部位,因此,開展遠洋客船玻璃門窗隔聲性能研究具有重要意義[2-3]。

玻璃中低頻的隔聲量較差[4]。吻合效應和共振的存在導致玻璃隔聲量減小[5]。雖然增大面密度可以有效提升玻璃的隔聲性能,但會使玻璃體積急劇增大,從而大大增加成本[6]。中空玻璃的隔聲效果與面密度相等的單層玻璃相比,隔聲量的增加并不明顯,難以改善中低頻段隔聲性能。當中空玻璃兩側使用不等厚度玻璃時,可提升其隔聲性能,但無法明顯提升低頻段隔聲性能。使用具有中低頻響應特性的夾膠材料(透明阻尼材料)可以提升夾層復合玻璃中低頻隔聲性能,但是能夠有效衰減中低頻噪聲的透明阻尼材料的種類少且成本高[7]。

本文基于隔聲理論,以遠洋客船艙室窗戶玻璃和陽光房玻璃為研究對象,利用統計能量法建立單層玻璃、雙層中空玻璃和聚乙烯醇縮丁醛(Palyvinyl Butyral,PVB)夾膠玻璃的聲學模型,通過控制變量法和枚舉法研究不同結構參數對這3種玻璃的隔聲性能影響。利用VA One軟件仿真其隔聲量,結合不同頻段隔聲特性和平均隔聲量的大小總結不同結構參數下3種玻璃的隔聲規律。

1 玻璃隔聲的基本理論

玻璃的隔聲理論可以基于聲波在玻璃中傳播的特性來解釋。聲波在玻璃中傳播時會受到玻璃本身的彈性特性和密度的影響,同時也會受到玻璃表面的反射和透射等影響。隔聲方法根據聲源激勵特性和傳播路徑的不同,通常分為空氣隔聲和結構隔聲。研究玻璃隔聲時應根據各自的特點采取不同的隔聲措施,同時這2種隔聲措施不能相互替代。通常用傳輸損失、噪聲衰減和插入損失描述材料隔聲效果。隔聲能力一般用于示明材料自身的固有隔聲性能。

假設空氣中存在的無限大單層均勻玻璃將空間分成兩部分,平面聲波以垂直于薄板的角度入射,其隔聲量為

式中:R為隔聲量,dB;ρ1c1為空氣的特性阻抗;M為單層玻璃的面密度,kg/m2;ω為聲波入射頻率。

實際中,由于板件受到勁度、阻尼、吻合效應和邊界條件等各種因素的影響,理論公式的隔聲量計算結果往往大于板的實際隔聲量。

2 普通結構玻璃隔聲性能研究

常見的玻璃型式有單層玻璃、雙層中空玻璃和PVB夾膠玻璃。玻璃的結構由玻璃本身和封邊材料組成。本文假定玻璃封邊材料具有良好的密封性且隔聲性能良好,僅對玻璃本身進行隔聲量分析。通過改變玻璃的不同結構參數,探究玻璃的隔聲性能變化,以建立合適的玻璃結構參數選取規律。

單層玻璃的長×寬為1 000 mm×1 000 mm,利用VA One軟件建立不同厚度單層玻璃模型。本文在建立分析系統模型時充分參照遠洋客船運行過程中的環境特性,外部聲場為無限大的空間,內部聲場為有限空間。故假定外部為空間較大的混響室,其阻尼損耗因子為0.01;內部為較小空間的近似消聲室,其吸聲系數為0.01。該聲腔計算模型見圖1。

根據上文建立的SEA聲腔計算模型,選取厚度分別為2、3、4 mm的3種玻璃進行聲學分析,其隔聲特性見圖2。普通鋼化玻璃材料的主要參數如下:密度2 500 kg/m3,彈性模量4.85×1010Pa,泊松比0.24,剪切模量1.956×1010Pa,阻尼損耗因子0.01。

由單層玻璃計算結果可知:2 mm厚度的隔聲低谷出現在8 000 Hz附近,最低值為21.2 dB,隔聲峰值出現在5 000 Hz附近,峰值為39.2 dB;3 mm厚度的隔聲低谷出現在5 000 Hz附近,最低值為17.1 dB,隔聲峰值出現在2 100 Hz附近,峰值為38.2 dB;4 mm厚度的隔聲低谷出現在4 000 Hz附近,最低值為21.2 dB,隔聲峰值出現在2 500 Hz附近,峰值為36.9 dB。

從圖2可以看出:隨著單層玻璃厚度的增加,隔聲低谷對應的頻率在向中低頻偏移,同時其低谷隔聲量整體上隨厚度的增加而增加,即由吻合效應導致的隔聲低谷影響因玻璃厚度的增加而減小。增加玻璃厚度即是增加玻璃的面密度,單層玻璃的整體隔聲量隨面密度的增加而增加。隔聲峰值對應1/3倍頻帶中心頻率隨玻璃厚度的增加,向中低頻偏移,但其峰值隔聲量的變化卻與隔聲低谷隔聲量的變化相反,隔聲峰值隨厚度的增加而減小。這使得單層玻璃隔聲量曲線隨著玻璃厚度的增加,中低頻段逐漸趨于平緩,同時厚度對隔聲量的增量影響逐漸消退。依據玻璃隔聲低谷隨厚度偏移的規律,可以根據工程中評估的主要噪聲頻段來選取合適厚度的玻璃隔聲,避免主要噪聲頻段與隔聲低谷相重合。

3 雙層PVB夾膠玻璃隔聲性能分析

采用SEA聲腔模型計算雙層PVB夾膠玻璃模型隔聲量,在模型建立過程中除材料定義與單層玻璃模型不一致外,其余操作與上面模型相同。兩側玻璃材質都為普通鋼化玻璃,中間層為PVB夾膠。

建立不同厚度的夾膠玻璃和單層玻璃的聲學模型,對比分析兩者隔聲量的差異。固定PVB夾膠玻璃兩側玻璃厚度分別為4 mm和8 mm,比較中間PVB夾膠分別為1.0、1.5、2.0、3.0 mm時夾膠玻璃的隔聲量,其隔聲特性見圖3。

圖3 不同PVB夾膠厚度夾膠玻璃隔聲量對比

由圖3可以看出,隨著PVB夾膠厚度的增加,全頻段的隔聲量都有所增加。其中,隔聲低谷對應的頻率處于1 600 Hz附近。在PVB夾膠厚度增大的過程中,其隔聲低谷對應頻率并未改變,但是對應的隔聲量由夾膠厚度為1.0 mm的34.0 dB降低至夾膠厚度為3.0 mm的32.3 dB。

在等厚度情況下,雙層PVB夾膠玻璃的隔聲量在全頻段內都大于等厚度的單層玻璃的隔聲量。兩者的隔聲低谷對應頻率不一致,前者的對應頻率處于1 600 Hz附近,而后者的隔聲低谷對應頻率處于1 250 Hz附近。結合上文PVB夾膠厚度變化對玻璃隔聲的影響,可以得出夾膠玻璃中間的材質會改變玻璃的隔聲特性,而夾膠材料厚度的變化不會引起玻璃隔聲特性的再次變化。

在材料屬性確定的情況下,改變面密度是改變玻璃隔聲特性的最佳方法。玻璃的厚度并非越厚越好,通過增加厚度提升面密度的效果有限,正確的做法應該是根據實際工程要求,確定目標隔聲頻段,然后綜合考慮隔聲性能、體積和成本等因素設置合適的玻璃參數。

4 遠洋客船窗戶玻璃結構隔聲特性分析

遠洋客船艙室窗戶一般采用夾膠玻璃。由于玻璃組合參數和夾膠材質的差異,通過組合不同厚度的單層玻璃,可錯開隔聲低谷,提高隔聲量。夾膠玻璃中間的膜片采用PVB膜片,其厚度一般為0.2～2.0 mm,在特定的溫度和壓力下能夠與玻璃片材形成較好的黏結,具有良好的抗震能力和防爆性能。圖4為遠洋客船2種艙室窗戶用玻璃結構示意圖。

圖4 遠洋客船艙室窗戶用玻璃結構

2種玻璃結構尺寸如下:結構Ⅰ的長×寬×高為2 000.00 mm×1 400.00 mm×22.52 mm,結構Ⅱ的長×寬×高為2 000.00 mm×1 400.00 mm×26.52 mm。在VA One軟件中建立對應的PVB夾膠玻璃模型,使用統計能量法計算其不同頻段內隔聲量。遠洋客船2種艙室窗戶玻璃結構隔聲量見圖5。從圖5中看出,結構Ⅱ的隔聲量優于結構Ⅰ,其原因是結構Ⅱ的夾膠玻璃一側玻璃厚度更大。通過計算得出上述2種玻璃結構100～10 000 Hz內的平均隔聲量為44.75 dB和46.58 dB。

圖5 遠洋客船艙室窗戶隔聲量

保持PVB夾膠玻璃構型總厚度不變,對兩側玻璃厚度進行修改,利用VA One軟件對其進行隔聲量計算分析,比較其不同頻段隔聲效果和平均隔聲量,選擇隔聲效果更佳的PVB夾膠玻璃組合參數。

結構Ⅱ固定其厚度為26.52 mm,采用枚舉法選取4種不同厚度組合的PVB夾膠玻璃,分別為22-1.52-3、19-1.52-6、16-1.52-9、12.5-1.52-12.5(結構組合見圖4(b)),對其進行隔聲量分析。從圖6中的隔聲量對比中可以看出,隨著艙室窗戶玻璃結構Ⅱ兩側厚度逐漸接近,高頻段的隔聲量隨之減小,隔聲低谷附近隔聲量也有明顯降低。當兩側玻璃厚度為22 mm和3 mm時,PVB夾膠玻璃的平均隔聲量為47.02 dB,相較原結構Ⅱ(19-1、52-6)提升約0.5 dB。

圖6 不同厚度組合構型Ⅱ夾膠玻璃隔聲量

對艙室窗戶玻璃的2種結構進行多種厚度組合方案對比,結合不同頻段內的隔聲效果和全頻段內的平均隔聲量優化出以下結構參數:對于玻璃結構Ⅰ總厚度為22.52 mm,由15 mm的普通鋼化玻璃、1.52 mm的PVB夾膠層和6 mm的吸熱鋼化玻璃組合而成,其平均隔聲量為44.75 dB。對于玻璃結構Ⅱ,保持原有參數。雖然22-1.52-3結構的隔聲量優于原有構型,但是其中一側玻璃厚度僅為3 mm,綜合考慮其強度和安全性,故保留原結構參數,即原結構Ⅱ總厚度為26.52 mm,由19 mm普通鋼化玻璃、1.52 mmPVB夾膠層和6 mm普通鋼化玻璃組合而成,平均隔聲量為46.58 dB。

5 遠洋客船陽光房玻璃聲學特性研究

遠洋客船陽光房玻璃門結構圖見圖7。陽光房玻璃門的尺寸為2 150 mm×1 440 mm×30 mm。陽光房玻璃門采用總厚度30 mm的雙層中空玻璃,在控制總厚度不變的情況下,分配空氣層和兩側玻璃的厚度。考慮到該玻璃門的保溫作用,中間空氣層的厚度不宜過小,故選取2組空氣層厚度為8 mm和16 mm的雙層中空玻璃,記為A、B組。2組各自對應4種不同厚度組合的玻璃,具體參數見表1。利用VA One軟件對A、B組的玻璃結構進行隔聲量計算,繪制2組隔聲量對比曲線,見圖8。

圖8 不同厚度組合的陽光房玻璃門隔聲量

從圖8可以看出,隨著兩側玻璃厚度差值的逐漸減小,中低頻段的隔聲量逐漸增大。當兩側玻璃厚度相等時,曲線的隔聲峰值達到最大。但是,隨之而來的就是隔聲低谷,兩側玻璃厚度越是接近,隔聲低谷對應隔聲量則越小。如:B組中,當兩側玻璃厚度都為7 mm時,隔聲低谷值降至36.0 dB,使得2 000 Hz附近頻段的隔聲量遠低于其他厚度組合;當玻璃組合厚度為4 mm和10 mm時,出現二次隔聲低谷現象,其中較小值為48.2 dB,隔聲量提升了近34%。綜合考慮全頻段的隔聲效果,A組中4-8-18和6-8-16這2種厚度組合的隔聲性能更好;B組中,4-16-10和5-16-9的隔聲性能更好。

根據上述A、B 2組的仿真分析結果,將原陽光房玻璃門結構參數組合優化,最終確定:玻璃組合厚度為6 mm和16 mm,中間空氣層厚度為8 mm,平均隔聲量為56.04 dB。

6 結論

(1)增加玻璃的厚度,其隔聲量在全頻段都有提升,且隔聲低谷值逐漸增大,對應的頻率向著中低頻段偏移。但是,當厚度增加至14 mm后,全頻段隔聲量的提升微乎其微。

(2)對于遠洋客船艙室窗戶玻璃,采用PVB夾膠玻璃。選定PVB膠層厚度為1.52 mm,當兩側玻璃差值越大時,隔聲效果越好,并且發現夾膠玻璃的隔聲特性與其總厚度相關,而與其玻璃和PVB夾膠厚度的分配無關。

(3)綜合考慮全頻段玻璃的隔聲特性和結構強度,遠洋客船選取結構Ⅰ結構參數為:總厚度22.52 mm,由15 mm的普通鋼化玻璃、1.52 mm的PVB夾膠層和6 mm的吸熱鋼化玻璃組合而成,其平均隔聲量為44.75 dB;結構Ⅱ結構參數為:總厚度26.52 mm,由19 mm普通鋼化玻璃、1.52 mmPVB夾膠層和6 mm普通鋼化玻璃組合而成,其平均隔聲量為46.58 dB。