基于機(jī)場噪音特性的真空玻璃降噪研究

摘要：利用隔音量為60dB、本底噪音為20dB的超靜音隔音測試箱，搭配不同配置的玻璃作為觀察窗，在抽樣機(jī)場設(shè)定位置對隔音箱內(nèi)外的噪聲進(jìn)行監(jiān)測,通過一系列對比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單真空玻璃隔聲量可達(dá)40.6dB, 而特定結(jié)構(gòu)的復(fù)合真空玻璃隔聲量可達(dá)50dB，因此，結(jié)構(gòu)合理的真空玻璃復(fù)合產(chǎn)品在機(jī)場建筑降噪方面將有廣闊的應(yīng)用前景。

1.研究背景

1.1飛機(jī)噪聲特性

飛機(jī)噪聲與飛機(jī)機(jī)型、重量、引擎類型 、起降方式緊密相關(guān), 并具有較強(qiáng)的指向性,飛機(jī)噪聲最典型的特性是具有瞬時性和間歇性[1]。

飛機(jī)噪聲具有瞬時性， 這主要由于飛機(jī)距離測試點(diǎn)的距離是不斷變化的。選擇河南某機(jī)場距離跑道中心線400m，距離起飛端3km設(shè)置測量點(diǎn)，飛機(jī)從遠(yuǎn)處飛近測量點(diǎn)時，先聽到轟隆的低頻聲，隨著飛機(jī)的接近，聲音不斷加大，中高頻聲音也增多。飛機(jī)遠(yuǎn)去時，中高頻噪聲先降低，低頻噪聲再逐漸降低至正常水平。由于多架飛機(jī)是間斷飛行的，所以飛機(jī)噪聲具有間歇性。飛機(jī)噪聲一般持續(xù)20-50 s 左右，北京機(jī)場的飛機(jī)起降頻次約3-5 min，這就是說，機(jī)場周遍地區(qū)每隔3-5 min的安靜中會出現(xiàn)一次20-50 s 的飛機(jī)噪聲[2]。

圖 1是某機(jī)場周圍某機(jī)型飛機(jī)噪聲隨時間變化曲線圖，由圖可以看出，噪音瞬時出現(xiàn)，持續(xù)時間為為25s左右，聲級先上升后下降, 可達(dá)90分貝左右。人們對安靜環(huán)境中出現(xiàn)的短時間持續(xù)噪聲非常不舒適，比持續(xù)的交通噪聲更另人煩惱。

圖 1 機(jī)場周圍測試點(diǎn)某機(jī)型飛機(jī)噪聲隨時間變化曲線圖

1.2機(jī)場周圍噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)

近年來，隨著對環(huán)保工作的重視，與噪聲控制工作相關(guān)的專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也相繼頒布執(zhí)行。目前，在噪聲控制評估標(biāo)準(zhǔn)方面，國內(nèi)環(huán)境保護(hù)部門制定的《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096-2008）和《機(jī)場周圍飛機(jī)噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》（GB 9660-88）分別適用于一般聲環(huán)境和機(jī)場周圍區(qū)域的聲環(huán)境質(zhì)量評價與管理；在既有住宅隔聲降噪改造方面，我國有多部標(biāo)準(zhǔn)，如國標(biāo)《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50118-2010）、《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50096-2011）等[3]。GB 50118-2010《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》適用于全國城鎮(zhèn)新建、改建和擴(kuò)建的住宅等六類建筑中主要用房的隔聲、吸聲、減噪設(shè)計(jì)�；凇堵暛h(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096-2008）中對民用建筑選址做出的規(guī)定，對住宅室內(nèi)允許噪聲級提出的要求，規(guī)范中的室內(nèi)允許噪聲級采用 A 聲級作為評價量。GB 50118-2010民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范中室內(nèi)允許噪聲級為關(guān)窗狀態(tài)下晝間和夜間時段的標(biāo)準(zhǔn)值，晝間對應(yīng)的時間為 6∶00~22∶00，夜間對應(yīng)的時間為22∶00~6∶00，或者按照當(dāng)?shù)匾?guī)定。規(guī)范要求臥室晝間噪聲級≤ 45dB，夜間≤ 37db；起居室（廳）不論晝夜均≤ 45dB[4]。

1.3河南某機(jī)場周圍環(huán)境噪聲監(jiān)測

對河南某機(jī)場周圍的噪聲進(jìn)行了測試,對飛機(jī)噪聲按照機(jī)型進(jìn)行了噪聲量測試。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)該機(jī)場主要有5種飛機(jī)機(jī)型，選擇監(jiān)測點(diǎn)距離起飛點(diǎn)3km，距離跑道中心線400m，該區(qū)域有密集居住村莊， 測試到的每種機(jī)型對應(yīng)的噪聲量如圖2。

圖 2 不同機(jī)型噪聲量

由圖2可以看出，不同機(jī)型所造成的噪音量變化趨勢基本一致，測試點(diǎn)所監(jiān)測到的噪音量均在85~90d之間。根據(jù)GB 9660-88《機(jī)場周圍飛機(jī)噪聲環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)》中一類區(qū)域（特殊住宅區(qū)；居民、文教區(qū)）噪音量≤70dB,二類區(qū)域（除一類區(qū)域以外的生活區(qū)）噪音量≤75dB的要求，該機(jī)場普遍存在噪音超標(biāo)現(xiàn)象，超標(biāo)量高達(dá)10dB以上。

為了使室內(nèi)達(dá)到GB 50118-2010《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》中室內(nèi)噪聲要求45dB，必須要求機(jī)場噪聲影響區(qū)域使用隔聲量至少40~45dB的門窗才能滿足建筑隔聲標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 真空玻璃的應(yīng)用

基于機(jī)場周圍門窗隔聲量的要求，為了滿足門窗系統(tǒng)隔音需求，配套玻璃必須具備相匹配的隔音量即≥40dB。對于傳統(tǒng)的中空玻璃、夾層玻璃，主要通過不斷增加玻璃層數(shù)和單層玻璃厚度才能勉強(qiáng)達(dá)到該隔音量要求。我們知道，聲音不能在真空中傳播，因此對于門窗隔聲來說，真空玻璃（如圖3）成為我們的較好選擇。盡管真空玻璃誕生的初衷并不是出于其隔聲性能的考慮，而是因?yàn)槠淞己玫谋匦�，但真空玻璃在隔聲方面的�?yōu)越性越來越被人們所認(rèn)識到，并正被越來越多的學(xué)者所重視和研究。未來，利用真空技術(shù)來進(jìn)行隔聲降噪，將使建筑隔聲技術(shù)達(dá)到一個新的高度。對于降噪要求高的機(jī)場，真空玻璃有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖 3 鋼化真空玻璃

2. 真空玻璃機(jī)場降噪實(shí)測

本試驗(yàn)主要目的是通過將真空玻璃、中空玻璃、夾層玻璃、真空復(fù)合玻璃安裝于靜音試驗(yàn)箱洞口，對比分析其機(jī)場降噪噪能力。

2.1 機(jī)場測試原理

本文中靜音試驗(yàn)箱測量參考隔聲間、隔聲罩等標(biāo)準(zhǔn)測量方法，即假定飛機(jī)產(chǎn)生的外部聲場是一個擴(kuò)散聲場。建筑隔聲是描述一個封閉結(jié)構(gòu) (如隔聲間 、隔聲罩等 )降低噪聲效果的一個常用評價量，即在一個固定接受點(diǎn)測量采用該結(jié)構(gòu)前后的聲級差或在一個等效參考點(diǎn)和結(jié)構(gòu)內(nèi)測點(diǎn)同時測量的聲級差[5]。GB9660 -88中對機(jī)場周邊區(qū)域的室外環(huán)境噪聲采用 LWECPN作為評價量并作出了限值規(guī)定, 但未對室內(nèi)的計(jì)權(quán)等效連續(xù)感覺噪聲級作出標(biāo)準(zhǔn)限值 。另一方面, 其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均采用 A 計(jì)權(quán)等效聲級作為評價量, 而L WECPN和等效聲級間沒有簡單的可換算對應(yīng)關(guān)系。因此, 為和其他標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)并有效地提出降噪效果, 采用 A 計(jì)權(quán)等效聲級作為飛機(jī)噪聲對室內(nèi)噪聲影響的評價量之一[1]。

圖4 試驗(yàn)測試原理

基于以上標(biāo)準(zhǔn)要求及測量方法，本文選取距離機(jī)場起飛點(diǎn)為。。米的居民區(qū)，利用本體隔音量為60dB的靜音試驗(yàn)箱，內(nèi)部A計(jì)權(quán)噪音測量計(jì)及外部A計(jì)權(quán)噪音測量計(jì)，對試驗(yàn)箱洞口安裝玻璃進(jìn)行隔聲性能測試分析。

2.2 測試過程

(1) 選擇河南某機(jī)場距離跑道中心線400m處布置靜音測試箱，箱體門洞朝向航線。

(2) 將待測試的玻璃試樣安裝在隔音量為60dB、本體噪音為20dB的超靜音隔音測試箱（如圖5）洞口內(nèi)，四周壓緊并密封。

(3) 使用2臺AWA6228+多功能聲級計(jì)同步監(jiān)測試驗(yàn)箱內(nèi)外測點(diǎn)飛機(jī)飛過時的A計(jì)權(quán)噪聲量及噪聲頻譜。

(4) 根據(jù)不同類型玻璃安裝時試驗(yàn)箱內(nèi)外噪聲量及噪聲頻譜，分析測試玻璃的隔音特性。

圖5 隔音量60dB靜音試驗(yàn)箱

2.3測試結(jié)果

試驗(yàn)箱安裝真空玻璃、真空復(fù)合玻璃、中空玻璃、夾層玻璃時試驗(yàn)箱內(nèi)外隔聲量如表1。飛機(jī)飛過時安裝不同玻璃靜音試驗(yàn)箱內(nèi)外噪聲量如圖6所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)玻璃機(jī)場隔音測試結(jié)果

圖6 飛機(jī)飛過時靜音試驗(yàn)箱內(nèi)外噪聲量

從表1及圖6可以看出，對于相同質(zhì)量的玻璃，真空玻璃隔聲性能>夾層玻璃>夾層玻璃中空玻璃。由經(jīng)典聲學(xué)著作《The Theory of Sound》中確定的聲學(xué)基本定律“質(zhì)量定律”可知，相同質(zhì)量的相同材料隔音量相同[6]。5T+0.3V+5T、5T+12A+5T及5T+0.76P+5T三者的質(zhì)量密度基本相同，隔聲量的差異主要取決于中間層結(jié)構(gòu)差異造成聲音傳播過程中衰減量差異。

真空玻璃中間層為真空層，夾膠玻璃中間層為阻尼膠片，中空玻璃中間層為空氣或稀有氣體層。從圖6可以看出，真空玻璃5T+0.3V+5T及夾膠玻璃箱內(nèi)噪聲曲線接近，隔聲性能優(yōu)于中空玻璃。對于真空玻璃聲波在透過玻璃后，由于中間真空層的存在減弱了聲波的透射，透過聲波再傳到第二層玻璃時再次發(fā)生反射，聲能量多次衰減，造成了聲波損失。夾層玻璃5T+0.76P+5T由于中間層的存在，使得聲波在透過玻璃時，由于玻璃外側(cè)及兩層玻璃中間材料的特性阻抗不同，使聲波發(fā)生兩次反射，再加上中間阻尼材料附加吸收作用，使得聲波振動能量衰減，聲波再傳到第二層玻璃時，又發(fā)生兩次反射，聲能量再次減少，造成了更多的傳播損失。中空玻璃5T+12A+5T結(jié)構(gòu)雖然與真空玻璃5T+0.3V+5T類似，但中間層氣體層對聲波吸收作用均不明顯，因此隔聲性能低于相同質(zhì)量密度的真空玻璃及夾膠玻璃。

對于固態(tài)材料來說，隔聲量與聲波的頻率密切相關(guān)，低頻時的隔聲量較低，高頻時的隔聲量較高。聲波在板狀構(gòu)件中容易產(chǎn)生彎曲波，在一定頻率下會產(chǎn)生類似共振現(xiàn)象的吻合效應(yīng)，使構(gòu)件隔聲量大幅度下降。圖7是按照標(biāo)準(zhǔn)GBJ 75-1984建筑隔聲測量規(guī)范、GBT 50121-2005建筑隔聲評價標(biāo)準(zhǔn)不同玻璃隔聲頻譜圖，由圖可以看出，結(jié)構(gòu)為5T+0.3V+5T真空玻璃在160~2000Hz具有良好的隔聲性能，自2000Hz以后隔聲量出現(xiàn)緩慢下降趨勢，在400Hz及4000H出現(xiàn)吻合谷。結(jié)構(gòu)為5T+0.76P+5T夾層玻璃在160~1600Hz具有良好的隔聲性能，自1600Hz以后隔聲量出現(xiàn)快速下降趨勢，中高頻隔聲性能較差，在250Hz及2000Hz出現(xiàn)吻合谷。結(jié)構(gòu)為5T+12A+5T中空玻璃在1600Hz以內(nèi)隔聲性能遠(yuǎn)低于真空玻璃和夾層玻璃，且在500Hz出現(xiàn)吻合效應(yīng)，但其在中高頻隔聲量較高。

圖7實(shí)驗(yàn)室測試3種玻璃隔音頻譜圖

從圖7三種玻璃隔聲性能分析可知，真空玻璃5T+0.3V+5T與5T+0.76P+5T低頻隔音效果較好，這是因?yàn)榈皖l聲波主要以玻璃振動方式傳遞，由于夾膠層和真空層作為有效的減震層提高了玻璃低頻隔聲性能。中空玻璃5T+12A+5T隔聲性能取決于兩板的質(zhì)量、兩板之間空氣層的厚度，隔聲原理為質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量，低頻段形成更多振動傳播，因此其低頻隔聲效果較差，而中間空氣層對中高頻噪音衰減作用明顯，在中高頻有較好的隔聲效果。

根據(jù)對某機(jī)場4種主要機(jī)型峰值噪聲頻譜測試，頻譜如圖8，可以看出機(jī)場中不同機(jī)型整體噪聲特性曲線及噪聲量非常接近，聲源噪音高噪音量頻譜分布在3150Hz以內(nèi)。通過對真空玻璃、夾層玻璃、中空玻璃頻譜測試分析及機(jī)場實(shí)測分析可知，真空玻璃隔聲性能與機(jī)場降噪需求匹配度較高。

圖8 某機(jī)場4種主要機(jī)型峰值噪聲頻譜

2.4 真空復(fù)合玻璃A-Mute1性能測試

通過對真空玻璃的隔聲性能分析，結(jié)合機(jī)場噪聲特點(diǎn)。為了提高真空玻璃機(jī)場降噪效果，需要從以下兩個方面進(jìn)行優(yōu)化：a)提高全頻段隔聲性能同時著重提高中高頻隔聲性能；b）弱化吻合谷效應(yīng)或?qū)⑽呛瞎韧坪蟮饺硕幻舾蓄l段即4000Hz以上。

對于給定的固體構(gòu)件，相同聲源，聲波入射到玻璃上，其中一部分被反射，一部分被吸收，只有一小部分聲能透過結(jié)構(gòu)輻射出去[7]，如圖8所示。根據(jù)能量守恒原理，則有：           

其中：Wi-入射聲波的聲強(qiáng)  Wt-透射聲強(qiáng)  Wr-反射聲強(qiáng)  Wa-吸收聲強(qiáng)

圖9 聲波傳遞示意圖

圖10 吻合效應(yīng)原理

根據(jù)隔聲公式

          隔聲量  

其中透射系數(shù) 

通過公式（2）可知，對真空玻璃進(jìn)行復(fù)合阻尼層提高聲波傳遞過程中的吸收聲強(qiáng)Wa，同時減少玻璃低頻振動傳遞能量，最終達(dá)到降低透射系數(shù)τ，提高玻璃隔聲量。

從真空玻璃隔聲頻譜分析可知在2000Hz~5000Hz范圍內(nèi)出現(xiàn)的吻合谷，而機(jī)場聲源噪音高噪音量頻譜分布在3150Hz以內(nèi)，需要將真空玻璃吻合頻率后移至3150Hz以上，盡量減少吻合效應(yīng)的影響，進(jìn)而提高真空玻璃對機(jī)場的整體隔聲降噪性能。

由吻合效應(yīng)公式可知影響吻合效應(yīng)臨界頻率

-C0為空氣中聲速                     

 -ρ為構(gòu)件密度                 

 -H為構(gòu)件厚度                            

 -B為彎曲勁度。

根據(jù)分離薄板雙層墻的聲能透射系數(shù)表達(dá)式：

圖11 聲波在雙層板中的透射

式中：

-K0為入射聲波的波數(shù)   -d為兩板之間空氣層的厚度      -C0為空氣中聲速

-ρ為構(gòu)件密度          -H為構(gòu)件厚度                 -B為彎曲勁度。

-θ入射角      -ω聲波角頻率       -f聲波頻率        -τ透射系數(shù)

根據(jù)公式（4）（5）分析可知，需要對真空玻璃復(fù)合中空層及調(diào)整玻璃厚度調(diào)整玻璃吻合頻率及提高中高頻隔聲量。

圖12 機(jī)場噪聲A-Mute1復(fù)合真空玻璃實(shí)測隔聲頻譜圖

綜上訴述，通過對真空玻璃復(fù)合阻尼材料、復(fù)合中空層、調(diào)整玻璃總厚度及優(yōu)化多層玻璃板厚度排布方式，優(yōu)選出了適用于機(jī)場降噪的真空復(fù)合玻璃A-Mute1配置。從表1及圖12可以看出，該配置實(shí)測平均隔聲量可達(dá)51dB，能夠保證試驗(yàn)箱內(nèi)噪聲量不超過40dB，滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求的白天室內(nèi)≤45dB要求。

3. 結(jié)語

本文針對機(jī)場噪聲特點(diǎn)，對隔音量為60dB、本體噪音為20dB的超靜音隔音測試箱，在其洞口搭配不同配置的真空玻璃作為觀察窗，在距離抽樣機(jī)場起飛點(diǎn)3km，距離跑道中心線400m的密集居住區(qū)附近，對隔音箱內(nèi)外的噪聲進(jìn)行隔聲性能測試分析。研究結(jié)果表明：

(1) 對于機(jī)場周圍不同機(jī)型所造成的噪音量變化趨勢基本一致，噪音量均在85~90d之間，聲源噪音高噪音量頻譜分布在3150Hz以內(nèi)。

(2) 經(jīng)過對不同玻璃隔聲頻譜測試分析，真空玻璃隔聲性能與機(jī)場降噪需求匹配度較高。對于機(jī)場噪聲，相同質(zhì)量玻璃結(jié)構(gòu)隔聲性能真空玻璃(5T+0.3V+5T)>夾膠玻璃(5T+0.76P+5T)>中空玻璃(5T+12A+5T)，實(shí)測隔聲量分別為40.6dB、36.3dB、31.5dB。

(3) 為提高真空玻璃機(jī)場降噪能力，可以從以下兩個方面進(jìn)行優(yōu)化：a)提高全頻段隔聲性能同時著重提高中高頻隔聲性能；b)弱化吻合谷效應(yīng)或?qū)⑽呛瞎韧坪蟮饺硕幻舾蓄l段即4000Hz以上。通過對真空玻璃復(fù)合阻尼材料、復(fù)合中空層、調(diào)整玻璃總厚度及優(yōu)化多層玻璃板厚度排布方式，優(yōu)選出了適用于機(jī)場降噪的玻璃配置為真空復(fù)合玻璃A-Mute1。距離抽樣機(jī)場起飛點(diǎn)3km，距離跑道中心線400m的密集居住區(qū)附近，實(shí)測平均隔聲量可達(dá)50dB，能夠保證試驗(yàn)箱內(nèi)噪聲量不超過40dB，滿足了建筑標(biāo)準(zhǔn)要求的白天室內(nèi)≤45dB要求。

基于本文的研究結(jié)果，針對對機(jī)場周圍建筑的降噪，采用結(jié)構(gòu)合理的真空復(fù)合產(chǎn)品，配合高靜音門窗，將在機(jī)場建筑降噪方面將有廣闊的應(yīng)用前景。

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