轻型木结构建筑减振降噪试验研究∗

杨 静 饶 鑫 王 正 付海燕 丁叶蔚

（1.江苏农林职业技术学院风景园林学院，句容 212400；2.南京林业大学材料科学与工程学院，南京 210037）

随着国民经济迅速发展，国家对环保、节能、可持续发展愈发重视。轻型木结构建筑具有隔声、抗震节能等特性，符合我国发展绿色建筑的趋势[1-2]，越来越受到人们的关注。

轻型木结构建筑是由骨架构件、楼面板、墙面板及屋面板所构成的整体性结构体系。其中，木楼盖和木墙体是最常见的建筑构件结构系统。木楼盖结构系统在使用过程中，受外界作用，易产生显著的动力振动响应，造成木楼盖结构振动，影响建筑舒适性[3-5]。木墙体作为围护结构的主要组成部分，其保证建筑舒适性的关键在于对噪声的声学性能[6-7]。通常，在墙体木龙骨中适当填充多孔性材料，以提高墙体吸声性能，增强人们居住在建筑中的舒适感。近年来，国内外学者一直致力于建筑减振降噪研究，并取得了一定成果。刘中洋[8]从影响木结构建筑性能的设计因素出发，分别阐述了国内外开展其动力学特性研究的主要成果。Kim等[9]提出了一种由纤维层和碳纤维构成的复合吸声结构，采用阻抗管法对其声学性能进行相关试验研究，比较分析纤维层间孔隙对吸声的影响，提出了相关修正方程来预测声学行为。王培群[10]使用橡胶-毛毡组合材料减振装置得出振动工况下的减振特性，在模拟质量块质量不变的情况下，随着材料厚度增加减振效果明显提高。从实际应用角度进行优化处理，结果表明以3 mm的橡胶和毛毡组合较佳，该研究为类似技术问题的解决提供了数据支持和工程借鉴。

软木是使用最为悠久的隔振材料之一，同时也是一种环保产品，耐用性能优良，可达50年以上[11]，现作为一种传统的材料不断被开发出新的用途[12]。本研究利用葡萄牙软木材料对木建筑楼盖及墙体结构进行优化设计，通过对建筑楼盖振动性能和墙体隔声性能测试，探究软木对木结构建筑减振降噪性能的影响，以期为轻型木结构建筑的减振降噪优化设计工作和工程应用提供技术支撑。

1 结构设计

本研究设计的软木优化轻型木结构建筑（A建筑）与普通轻型木结构建筑（B建筑）的建筑尺寸为1 920 mm×1 920 mm，表面均采用OSB覆面板，墙骨柱采用截面为39 mm×89 mm 的SPF，材料基本参数见表1。不同之处在于，在楼盖及墙体结构设计中，B建筑楼盖龙骨和墙骨柱内均填充保温棉材料，而A建筑则填充保温棉和20 mm厚葡萄牙软木板材料。同时确保A、B建筑结构内部的填充材料厚度相同，如图1所示。两栋建筑平行放置在同一场地，以确保外部环境一致。

表1 材料基本参数Tab.1 Basic parameters of materials

图1 建筑结构剖面图Fig.1 Structural profile of building

2 试验方法

2.1 结构振动动力特性测试

2.1.1 测试对象与仪器

1）测试对象：轻型木结构A、B建筑楼盖结构，如图1（a）、（c）所示。

2）仪器：CRAS振动及动态信号采集分析系统1套，包括AZ802型信号调理箱、AZ308R型信号采集箱，CRAS软件及计算机；CA-YD-125型加速度计2只，其灵敏度因子分别为14.9 V.s2/m和15.5 V.s2/m。

2.1.2 测试方法与主要步骤

采用瞬态激励法，使用橡皮锤作为激励源，对A、B建筑楼盖测点进行敲击，加速度传感器将拾振信号转换成电信号，信号经过放大、滤波，再由CARS转化成数字信号，在频谱图中得出其一阶频率，在波形图中得到衰减振动曲线[13]。其主要步骤如下：

1）分别在A建筑和B建筑楼盖上划分网格，按图2选择布点位置[14-15]，选取角点、边点、随机点。

2）测试系统调试完成后，用双面胶将加速度传感器牢固粘贴于测点位置，为防止因传感器连接线振动导致误差，使用支架将传感器的连接线架空。用橡胶锤敲击传感器周围的楼盖，使之产生自由振动。由CARS信号测试采集与分析系统对振动信号进行采集与分析，在电脑中得到木结构楼盖结构的一阶自振频率和衰减振动波形图。

3）根据衰减振动波形图中的加速度幅值，按照式（1）计算墙体、屋顶结构振动阻尼比ζ。

式中：A1、A5表示时域衰减振波曲线的第1、第5峰的加速度值, mm/s2；δ为对数减幅系数；ζ为阻尼比，%。

图2 振动特性测试布点平面图Fig.2 Layout of test points for vibration characteristic testing

2.2 隔声性能测试

2.2.1 测试对象与仪器

1）测试对象：轻型木结构建筑墙体结构，如图1（b）、（d）所示。

2）仪器：CRAS振动及动态信号采集分析系统1套，包括：AZ802型信号调理箱，AZ308R型信号采集箱各1 只；TES135-1 型声级计2 只。

2.2.2 测试方法与主要步骤

隔声试验采用现场声压级法。测量时，其声源按GB/T 19889.5—2006《声学 建筑和建筑构件隔声测量第5部分：外墙构件和外墙空气声隔声的现场测量》[16]规定，采用交通噪声源及扬声器声源同步测量，以真实反映隔声构件实际隔声效果。按照图3连接测试系统并调试，测量信号采用1/3 倍频程带宽滤波器所限制的白噪声。被测声音由传声器接收，传声器将声波转换成电信号，通过放大器、滤波器对通过的信号进行滤波处理，再由CRAS振动及动态信号采集分析系统进行分析[17]。其主要步骤如下：

图3 隔声测试连接框图Fig.3 Connection diagram of sound insulation test

1）连接仪器，校准声级计，如图4所示布置扬声器和ch1、ch2声级计，将2只声级计分别放在建筑外墙的内外两侧，由于A、B建筑面积为3.7 m2，小于30 m2，根据GB 50118—2010《民用建筑隔声设计规范》[14]，在被测房间中选取一个测点。选择声级计到测试墙面的水平距离为0.7 m，离地面高度为1.2 m，两个声级计的端头应正对在一条直线上；扬声器距离测试对象应大于1.5 m，根据预试验调整到最佳距离7.5 m。

2）完成仪器的连接与放置后，接通电源，打开CRAS测试及分析系统，调整相关参数设置；进行预试验，若数值正常则可以进行正式试验。

3）先测试A建筑隔声性能。首先测试交通噪声下的数据，分别在建筑门窗关闭情况下与门窗打开情况下各测一组数据；接着测试扬声器作用下的数据，同样在开关闭门窗情况下分别检测两组数据并记录；然后，对B建筑的隔声性能进行相同步骤的试验。由于一天中不同时间段环境噪声有很大差别，因此在一天中选取3 个时间段10：30～11：00、13：00～13：30、16：00～16：30 进行试验。

4）根据GB/T19889.3—2005《声学 建筑和建筑构件隔声测量 第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量》[15，18]，采用公式（3）、（4）计算吸声量和隔声量。

式（3）、（4）中：A为吸声量，m2；V为接受室体积，m3；T为接受室混响时间，s；R为表观隔声量，dB；L1为声源室内平均声压级，dB；L2为接受室内平均声压级，dB；S为隔墙的面积，m2。

图4 隔声性能测点布置平面图Fig.4 Layout plan of measurement points for sound insulation performance

3 结果与分析

3.1 振动特性

以A、B建筑楼盖测试点1号为例，振动测试测得一阶频率图谱和振幅衰减波形图，如图5所示。其阻尼比值和峰值加速度分别如表2和表3所示。

图5 测试点1号的一阶频率图谱和振幅衰减波形图Fig.5 First-order frequency spectrum and amplitude attenuation waveform of No.1

表2 建筑楼盖阻尼比计算结果Tab.2 Calculation results of damping ratio of building floor

表3 建筑楼盖峰值加速度表Tab.3 Peak accelerometer of building floor

1）在振动对人体的影响因素中, 起主要作用的是振动频率。目前，国内标准尚无针对木结构建筑楼盖加速度、速度等相关的限值规定。有研究表明[19]，对于办公室、居民楼、教堂，其楼板自振频率高于4.5 Hz时，通常振动峰值加速度能满足其舒适度的要求。人体能够感知的振动频率范围为1～1 000 Hz, 其中对1～80 Hz的振动特别敏感, 人体各器官的共振频率集中在该值范围内，尤其对4～8 Hz竖向振动以及1～2 Hz的水平振动最为敏感[20-22]。由图5可知，本试验中A建筑的一阶频率约为101 Hz，而B建筑则为39.5 Hz，自振频率都高于8 Hz，可满足建筑舒适度要求。A建筑的振动比B建筑更不易被人类感知。

2）人们对于不同试验峰值加速度的状态，在12.5～300 mm/s2之间可以感觉到；90～220 mm/s2之间可明显感觉到；150～3 000 mm/s2之间感觉不舒服；感觉无法忍受的下限值为800 mm/s2[11]。通过表3可得，A建筑的峰值加速度为76.8 mm/s2，B建筑的峰值加速度为46.0 mm/s2，都处于能感觉到振动的范围。

3）表2中，A建筑的平均阻尼比B建筑大1.6%，这说明A建筑减振性能优于B建筑。

3.2 隔声性能

以A建筑在交通噪声源和扬声器下关闭门窗时为例，所测频谱如图6所示。两栋建筑墙体隔声量数值见表4。

1）根据GB 50118—2010标准，白天建筑内的噪声级应小于50 dB(A)。由表4可知，在交通噪声源作用下，A、B建筑关闭门窗时平均声压值1（建筑内部声压值）分别为46.2 dB(A)、47.1 dB(A)符合标准[10]。

图6 交通噪声源和扬声器下关闭门窗时A建筑频谱图（10:30～11:00）Fig.6 Spectrum diagram of building A when doors and windows are closed under the action of the traffic noise source and the loudspeaker sound source (10:30～11:00)

表4 在关闭门窗情况下建筑A和B墙体内外隔声量表Tab.4 Internal and external sound reduction index of building A and building B walls with doors and windows closed

2）A建筑和B建筑墙体频率在70～500 Hz时噪声声压呈线性递增，500～8 000 Hz相对稳定，两个建筑墙体在中高频均表现良好。A建筑和B建筑均对600 Hz以上频率段的隔声效果较好，A、B建筑隔声的主要频率范围均在600～10 000 Hz。

3）由表4可知，关闭门窗时，在交通噪声源作用下，A建筑比B建筑的隔声量大0.2 dB(A)，隔声量相近；在交通噪声源和扬声器噪声源共同作用的情况下,A建筑比B建筑的隔声量大4.6 dB(A)。

3.3 减振降噪分析

通过对比A建筑和B建筑的振动特性和隔声性能试验结果发现：A、B建筑的峰值加速度都小于300 mm/s2，符合舒适度要求，同时A建筑的平均阻尼比参数比B建筑大1.6%，表明A建筑的减振效果优于B建筑；A、B建筑隔声效果表现良好的频率段均处于600～10 000 Hz，白天隔声量都符合标准，在关闭门窗，交通噪声源和扬声器噪声源共同作用的情况下A建筑比B建筑的隔声量大4.6 dB(A)。由此可以推测，由于A建筑阻尼比大，减振效果更好，振动减少使得建筑的噪声减少，因此A建筑降噪性能较B建筑更为优越。

4 结论

1）采用软木的轻型木结构建筑和普通轻型木结构建筑的振动峰值加速度均小于300 mm/s2，符合舒适度要求。

2）在关闭门窗的情况下，软木优化轻型木结构与普通轻型木结构建筑平均声压值1（建筑内部声压值）分别为46.2 dB(A)、47.1 dB(A)，平均声压值2（建筑外部声压值）分别为55.8 dB(A)、56.4 dB(A)，符合标准[10]。两栋建筑隔声的主要频率段均为600～10 000 Hz。在关闭门窗，交通噪声源和扬声器噪声源共同作用的情况下，软木优化轻型木结构建筑比普通轻型木结构建筑的隔声量大4.6 dB(A)。