声- 固耦合作用下蒸压加气混凝土墙隔声性能分析

王钧佩 陈 鑫 张晓亮 刁东明 宁惠君*

（河南科技大学土木工程学院，河南 洛阳 471023）

蒸压加气混凝土砂浆砌体,是由粉煤灰、砂浆、硅灰、发气剂等拌和并通过蒸压制成的。蒸压加气混凝土的重要优越性是质轻、耐压强度高、保温特性好、易加工、耐热等特点，已被广泛地应用于建筑围护和填充结构中[1]，尤其被广泛应用于高层建筑中。目前对蒸压加气混凝土墙的降噪效果的研究主要为实验研究。钱城等[1]通过现场测量和试验室测量2 种方法评价蒸压加气混凝土砌块墙的降噪性能，通过对试验数据进行整理计算后得出现场降噪效果和试验室降噪效果评估量，真实体现出蒸压加气混凝土砌块墙的现场隔音作用；张毅[2]对各种厚度的砂加气混凝土等墙体材料, 开展了现场空气声学能力试验;并分析探讨了墙体的隔音频率特性;与国家的隔声规范进行了横向比较; 给出了较为经济合理的建筑墙体隔声结构措施。以上都通过试验研究对了解蒸压加气混凝土的隔声性能，对于理论方面研究较少。本文根据文献[2]中我国住宅分户墙最高级的要求50 分贝（当分户构件的指标在50 分贝以上时，有百分之九十以上的居住者对隔声效果认可）。为研究蒸压加气混凝土墙在实际应用中的隔声效果，选用满足较高的隔声要求的墙体设计，选用200 毫米钢筋混凝土墙，计权隔声量55 分贝作为基准量。考虑声-结构物理场的耦合，首先对比研究了同等厚度情况下蒸压加气混凝土墙与钢筋混凝土墙的隔声性能。其次，考虑蒸压加气混凝土墙厚度对隔声量的影响，对比研究了三种不同厚度的蒸压加气混凝土墙隔声性能；在此基础上，考虑墙体构造措施，对比研究了三种不同空气层厚度的双层蒸压加气混凝土墙隔声性能。

1 理论方法

声波通过中心层的反射和透射:

设将一厚度为D、特性阻抗为R2=ρ2c2的中心层介质置于特性阻抗为R1=ρ1c1的无限宽介质上，如图1 所示[3]。

图1 声波通过中心层

现有一列平面声波垂直入射到中心层界面上时，一部分声波被反射回介质A 上，从而产生了反射波；另一部分则透进了中心层。当声波行进到中心层的另一个分界面上时，部分又被反射回中心层，其余部分透入中心层后面的介质A 上。当介质A 延伸到无穷远，则透射波不反射。各列波均为描述为：

2 有限元仿真计算

2.1 理论模型设置

实测蒸压加气混凝土墙隔声性能实验中[1]，发声室、受声室模型尺寸较大，导致计算量非常大。因此，在模拟声传输损失（STL）时，为了避免对发声室和受声室建立模型，采用假设[4]：混凝土墙源侧为理想的声音散布场，接收侧为理想的消声终端；混凝土墙对源侧的声场影响很小（对于具有低吸声属性的相对刚性的结构来说，这是正确的）将源侧（源室）的声场定义为在随机方向上运动的N 个不相关的平面波的总和。壁面压力pwall作为载荷施加在混凝土墙的源侧。在接收器端，使用以完美匹配层(PML) 终止的空气域对理想消声室进行建模。模型设置如图2 所示。

图2 混凝土墙的模型设置

2.2 有限元模型建立

对一块均匀矩形钢筋混凝土墙，高度H=2.7m，宽度为W=3.2m，厚度T=200mm，空气层厚度t=50mm。材料参数参考文献[4-5]。各向同性损失因子采用典型值0.01。假设墙固定在其外边界处，并放置对声传输损失（STL）无贡献的理想围墙中。利用声学有限元法对其隔声量的解析过程中，间隔墙四周边界均施加固定约束，受声面施加载荷约束，消声室外表面均定义为硬声场边界条件；建立混凝土间隔墙及消声室内全部流体的实体模型，将其离散成有限元网格。在声学问题计算中，网格尺寸小于最大计算频率的六分之一才能达到计算精度，而网格密度则应达到最大计算频率为2500 Hz 的要求。对于“完美匹配层”，网格与坐标拉伸方向（吸收方向）相匹配非常重要，因此采用扫掠的方式对完美匹配层进行网格划分，并且在厚度上划分8 个网格单元。

为确保计算精度和控制计算成本，将流体模型划分为边长为0.01m 的六面体网格，对流体有限元网格赋予空气属性，密度为1.225 kg/m3，声速为340m/s。

2.3 计算工况介绍

为对比钢筋混凝土墙与蒸压加气混凝土墙对隔声量的影响，取相同厚度200mm 的墙体研究；为研究蒸压加气混凝土墙厚度对隔声量的影响，取三种不同厚度的蒸压加气混凝土墙进行研究。为研究空气层的厚度对隔声量的影响，其它参数均保持不变，即仅改变空气层的厚度，取三种空气层的厚度进行研究。计算工况如表1 所示。

表1 计算工况

3 计算结果分析

3.1 蒸压加气混凝土墙厚度对隔声量的影响

墙体厚度作为重要的结构参数，直接影响着结构的隔声性能。三种不同厚度（T=200mm，300mm，500mm）的蒸压加气混凝土墙隔声量影响关系曲线如图3 所示。从图3 可知，随着蒸压加气混凝土墙厚度的增大，隔声量也将显著增大。在低频时，随着混凝土墙厚度增大隔声量增大较多，三种厚度墙体隔声量之差在10～27dB 左右；在中频时三种墙体厚度隔声量都达到了波谷；在高频时，随着墙体厚度增大隔声量增大较小，三种厚度墙体隔声量之差在5dB 以内。综合来看，当加气混凝土墙厚度为200 mm 时，隔声量最高可达50 dB，平均隔声量可达36dB，当加气混凝土墙厚度为300 mm 时，隔声量最高可达60dB，平均隔声量为45dB，当加气混凝土墙厚度为500 mm 时，隔声量最高可达72 dB，平均隔声量为52dB。此时墙体厚度对隔声量的影响效果已超过了极限，使用更高厚度的墙体对隔声量影响较小，且会降低经济效益。因此建议在选择通过增大墙体厚度来增大隔声量的措施时，在设计墙体时可以选择性价比更高的300 mm 蒸压加气混凝土墙。由力学理论可知，在只改变墙体厚度的条件下，墙体厚度的增加会引起面密度的增加，故出现图示曲线，在低频或中高频范围内隔声量均有所增加。

图3 蒸压加气混凝土墙厚度对隔声量的影响关系曲线

3.2 空气层厚度对隔声量的影响

声压垂直入射到蒸压加气混凝土墙，其它参数保持不变，仅改变空气层的厚度（t=50mm，70mm，100mm），由此通过计算得到墙体的隔声量随入射声压频率变化的规律，如图4 所示。从图4 可知，随着空气层厚度不断增加，蒸压加气混凝土墙隔声量显著增大。原因在于隔声波谷对应于蒸压加气混凝土墙结构的共振频率，而空气层的厚度增大，混凝土墙的共振频率也会增大，因此隔声波谷向高频率移动。同时，在双层混凝土墙中间增加空气层，墙体隔声量升高且较为稳定，同时隔声量较高时所对应的频率在所测频率中占比更高。

图4 空气层厚度对隔声量的影响关系曲线

3.3 单层与双层蒸压加气混凝土墙对隔声量的影响

如图5 所示，通过对比单层与双层蒸压加气混凝土墙、三种厚度空气层的双层蒸压加气混凝土墙的隔声量可知，相同厚度钢筋混凝土墙隔声量远远高于蒸压加气混凝土；如单层墙体变为双层，中间夹有空气层，可衰减部分透射声波，如果空腔内填充多孔吸声材料，则会增加透射声阻尼，进而减弱透射声能。如200mm 蒸压加气混凝土墙夹有70mm 空气层隔声量远高于200 mm 厚的单层加气混凝土的隔声量。综上所述，在墙体构造时，可选用双层蒸压加气混凝土墙夹有一定厚度的空气层，以达到较好的隔声量。

图5 单层钢筋混凝墙、蒸压加气混凝土与双层蒸压加气混凝土墙隔声量关系曲线

4 结论

为研究蒸压加气混凝土墙在实际应用中的隔声效果，考虑声-固物理场的耦合，首先对比研究了相同厚度情况下钢筋混凝土墙与蒸压加气混凝土墙的隔声性能。之后考虑墙体厚度对隔声量的影响，对比研究了三种不同厚度的蒸压加气混凝土墙隔声特性；在此基础上，综合考虑墙体结构措施，对比研究了三种夹有不同空气层厚度的双层蒸压加气混凝土墙隔声性能。得到以下结论：

4.1 相同厚度的钢筋混凝土墙隔声量比蒸压加气混凝土墙的高20dB，原因是加气混凝土墙内含有大量气泡，面密度远低于钢筋混凝土，所以若要达到相同的隔声量，厚度必须为钢筋混凝土的2 倍以上。

4.2 对比三种厚度蒸压加气混凝土墙隔声量可知，300mm 和500mm 厚墙体的隔声量相差较小。整体而言，当加气混凝土墙厚度达到300 mm 时，隔声量就可达50 dB，此时墙体厚度对隔声量的影响效果已超过极限，因此在墙体设计时可选用性价比更高的300 mm 蒸压加气混凝土墙来增大隔声量的措施。

4.3 对比三种厚度空气层的双层蒸压加气混凝土墙隔声量，可知随空气层厚度增大，蒸压加气混凝土墙隔声量显著增大。对比单层墙与双层墙隔声量可知，中间夹有空气层，会减弱部分透射声，若空腔内填充多孔吸声材料，会增加透射声波阻尼，进而衰减透射声能。如双层100 mm 厚加气混凝土，中空70 mm，计权隔声量可以达到55 dB。远高于200 mm 厚的单层加气混凝土的隔声量。