張九紅，李 楓，陳顯華，張軼稀

(1. 東北大學(xué)，遼寧沈陽110819；2. 沈陽建筑大學(xué)，遼寧沈陽110168)

0 引 言

建筑最初是用來遮風(fēng)避雨的“遮蔽物”。隨著社會的發(fā)展，人們對建筑功能的要求越來越高，安靜的環(huán)境也成為了人們關(guān)注的焦點。雖然現(xiàn)代工業(yè)文明極大提升了人類的生活水平，但是也帶來了前所未有的噪聲干擾。安靜的環(huán)境并不是徹底消除噪聲，而是把噪聲降低到一個能夠容忍的噪聲水平。在現(xiàn)有建筑聲學(xué)設(shè)計方面，人們關(guān)注的焦點往往是影劇院、音樂廳等對聲學(xué)要求較高的建筑空間。但是對于其它附屬類型的功能空間的聲環(huán)境考慮則比較欠缺，例如換熱站、設(shè)備間等。這些空間是噪聲產(chǎn)生的主要源頭，聲學(xué)設(shè)計上又往往被忽略，導(dǎo)致使用過程中對周邊影響過大，這種現(xiàn)象亟待解決，尤其是對于存在噪聲污染的既有建筑，聲環(huán)境的改造需要進一步加強[1]。

本文對居住建筑附屬換熱站的降噪進行研究，為保證居住區(qū)住戶有一個安靜的生活環(huán)境，需要對換熱站進行噪聲處理。換熱站主要是提供24小時大水量、高水壓、恒溫的熱水，滿足建筑不同熱水、冷暖需求，同時又能消耗最少的能源。換熱站內(nèi)有大量的機械設(shè)備，設(shè)備在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生較大的噪聲，這也是換熱站的主要噪聲來源。因此降低設(shè)備運轉(zhuǎn)噪聲也就成為降低換熱站噪聲的主要手段。

1 地下?lián)Q熱站現(xiàn)狀與聲學(xué)分析

1.1 地下?lián)Q熱站聲環(huán)境現(xiàn)狀

居住建筑位于撫順市，處于嚴寒地區(qū)，為了給住戶提供舒適的生活環(huán)境，小區(qū)配備了熱泵系統(tǒng)。由于周邊環(huán)境條件的限制，換熱站放置在地下一層，緊鄰部分住戶。由于地下?lián)Q熱站產(chǎn)生很大的噪聲，且在設(shè)計與施工過程中缺乏降噪處理，導(dǎo)致出現(xiàn)了較為嚴重的噪聲問題，對該區(qū)域住戶的生活造成了一定的影響，破壞了小區(qū)良好的聲環(huán)境。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，換熱站位于地下一層的一個L型空間。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，地下?lián)Q熱站內(nèi)的噪聲主要來自4臺大型電動機，運行時每兩臺一組，兩組循環(huán)使用，以此提高電機的使用壽命。地下?lián)Q熱站內(nèi)墻面和頂棚均為混凝土材料，地面鋪設(shè)地磚，由于電動機本身噪聲比較大，且室內(nèi)所用材料吸聲性能較差，造成了室內(nèi)的噪聲值較高，也給周邊住戶帶來了嚴重的噪聲困擾[2-3]。

1.2 地下?lián)Q熱站噪聲測試與分析

針對地下?lián)Q熱站內(nèi)的實際噪聲情況進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其主要噪聲來源于電動機自身工作產(chǎn)生的噪聲。高速運動的馬達位于電動機的前端，不僅產(chǎn)生噪聲，同時也產(chǎn)生振動。測試采用Nor121聲學(xué)測試系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和實際情況布置不同組傳感器點位，傳感器均布置在電動機的周圍。噪聲測試傳感器點位如圖1所示，各點位的傳感器1～12記錄的聲壓級數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 噪聲測試傳感器點位Fig.1 Noise test sensor sites

1.3 存在問題

由表1可知，各測試點的聲壓級均較高，說明聲源附近具有較高的聲壓級，可以證明換熱站的主要噪聲來源于工作時的電動機。因此降低換熱站的噪聲主要是對噪聲源進行處理。

表1 傳感器記錄聲壓級Table 1 Sound pressure levels recorded by sensors

在對地下?lián)Q熱站內(nèi)部噪聲測試后，考慮到對上部辦公及居住空間的影響，對其一樓的辦公空間和二樓及以上的居住空間進行了噪聲測試。測試中發(fā)現(xiàn)，一樓的辦公空間受到地下?lián)Q熱站噪聲的影響比較明顯、不滿足噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求，二樓及以上的居住空間受噪聲影響比較小、滿足噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。

對數(shù)據(jù)進行整理分析，發(fā)現(xiàn)地下?lián)Q熱站存在以下問題：

(1) 地下?lián)Q熱站內(nèi)部的噪聲聲壓級在高、中、低頻均很高，對工作人員影響嚴重。

(2) 地下?lián)Q熱站產(chǎn)生的噪聲對一層空間影響較大，使一層空間未達到允許的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 對周邊環(huán)境也產(chǎn)生一定影響，人們經(jīng)過此處會有受到明顯的噪聲干擾[4-5]。

2 聲學(xué)改造設(shè)計理論

2.1 聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要求

綜合考慮聲學(xué)效果和施工的成本控制，附屬用房的噪聲標(biāo)準(zhǔn)都以噪聲評價曲線和單值 A聲級同時列出作為標(biāo)準(zhǔn)要求。我國對于一般建筑的噪聲(人耳聽聞)評價曲線，均以NR曲線為標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示[6]。

表2 一般建筑的允許噪聲標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Allowable noise standards for general residential buildings

2.2 降噪方法與理論

地下?lián)Q熱站具有完整的建筑圍護結(jié)構(gòu)，圍護結(jié)構(gòu)的隔聲量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB50118《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定[7]。

2.2.1 罩的隔聲原理

式中：R為隔聲量(dB)；α為罩內(nèi)表面的平均吸聲系數(shù)；τ為罩內(nèi)的平均透射系數(shù)。

2.2.2 隔聲量計算

(1) 隔聲量的理論計算公式：

(2) 隔聲量的經(jīng)驗計算公式：

式(2)、(3)中：m為構(gòu)件的面密度(kg·m-3)；f為聲音的頻率(Hz)；ΔR為空氣層的隔聲量(dB)。

2.2.3 穩(wěn)態(tài)聲壓級

當(dāng)一已知聲功率級為LW的聲源在室內(nèi)連續(xù)發(fā)聲，聲場達到穩(wěn)定狀態(tài)時，距離聲源為r處的穩(wěn)態(tài)聲壓級由直達聲與混響聲兩部分組成。在室內(nèi)距離聲源r處的聲壓級為

式中：Lp為室內(nèi)與聲源距離為r處的聲壓級(dB)；LW為聲源的聲功率級(dB)；Q為聲源的指向性因數(shù)，它與聲源的方向性和位置有關(guān)。通常把無方向性的聲源放在房間中心時，Q=1。CR為房間常數(shù)，取決于室內(nèi)總表面積S(m2)與平均吸聲系數(shù)，其計算式為

通過式(4)發(fā)現(xiàn)，降低噪聲需要從吸聲、隔聲以及消聲幾個方面進行降噪處理。

計算地下?lián)Q熱站內(nèi)部可用吸聲面積和容積時，需要考慮到工作人員對機械設(shè)備的維修和檢查，以及機械設(shè)備必要的通風(fēng)。因此需要合理地布置吸聲材料[1,8-9]。

3 地下?lián)Q熱站改造設(shè)計方案

在對地下?lián)Q熱站進行噪聲測試分析的時候，應(yīng)從以下兩個方面進行噪聲控制處理。(1) 從聲源處對噪聲進行控制：設(shè)計電動機隔聲罩；(2) 在傳播的過程中對噪聲進行控制：增加房間降噪措施。

3.1 電動機隔聲罩設(shè)計方案

從聲源處降低噪聲，對控制整個噪聲的影響是最有效、最積極的措施。為了使設(shè)備噪聲的聲壓級達到允許的噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求，隔聲罩設(shè)計主要從吸聲、隔聲、消聲、隔振等幾個方面采取措施。隔聲罩在外觀上起裝飾作用，在聲學(xué)上有隔絕噪聲的效果。

本隔聲罩采用復(fù)合隔聲板與鉸鏈鎖扣的組合形式來隔絕電動機的噪聲；在隔聲罩與基座以及管道接觸處鋪設(shè)彈性材料以減小振動噪聲。隔聲罩設(shè)置進、出風(fēng)口，保證了電動機正常運轉(zhuǎn)處于合適的工作溫度。電動機隔聲罩的構(gòu)造設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 電動機隔聲罩的構(gòu)造設(shè)計圖Fig.2 The structural design drawing of soundproof cover of motor

3.1.1 復(fù)合降噪板設(shè)計

(1) 構(gòu)造及材料選擇

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)地下?lián)Q熱站噪聲值均高于標(biāo)準(zhǔn)要求的允許噪聲值，這時候應(yīng)當(dāng)選擇合理的降噪構(gòu)造形式。由于電動機噪聲比較大，需要采取“質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量”系統(tǒng)對噪聲進行多層次的隔絕。通過對聲音頻率的分析，對中、高頻的噪聲主要是采用良好的吸聲材料對噪聲進行吸收，而對中、低頻的噪聲主要是采用薄板共振進行降噪。因此選用了“薄板+吸聲材料+薄板”作為隔聲罩的構(gòu)造形式。

在進行降噪材料的選擇時，經(jīng)過對市場上常見的降噪材料的降噪量進行查找，發(fā)現(xiàn)薄板主要以金屬板為主。常用的金屬板有鍍鋅鐵板、鋁板等，吸聲材料有玻璃棉和巖棉等，但是考慮到換熱站常年潮濕和施工方便，因此降噪材料要具有防火、防水、防潮的性能且便于安裝施工。在經(jīng)過對比后選擇了適合做隔聲罩的相應(yīng)的聲學(xué)材料：鋁板和鍍鋅鐵板材質(zhì)輕、耐高溫、耐腐蝕、防火、防潮、防振，吸收中低頻噪聲，且組裝簡便，可用于各類車間廠房、人防地下室等作為降噪材料[10]。水泥壓力板質(zhì)量較大，對于隔絕空氣傳聲比鋁板效果好，但比較重不如鋁板安裝方便，而玻璃棉具有較好的防火、減振、吸收中高頻噪聲的特性。因此，隔聲罩的整體采用金屬鋁板、鋼板作為薄板，中間夾雜玻璃棉，即采用鋁板和玻璃棉形成整體構(gòu)造。隔聲罩各層材料如圖3所示。

圖3 隔聲罩各層材料Fig.3 Materials of different layers of soundproof cover

(2) 隔聲吸聲復(fù)合構(gòu)造

對所選擇的材料進行分層組合，根據(jù)隔聲量計算公式結(jié)合《建筑隔聲設(shè)計》中對各種材料隔聲量的實測表對比來對隔聲罩進行設(shè)計[9]。常用金屬板隔聲量如表3所示。

雖然鋼板的隔聲量隨著密度的增加會越來越大，但是其隔聲量的增長值沒有鋁板的增長值大，并且面密度越大重量也會越大，不利于施工。鋼板的耐腐蝕、防潮性能都不如鋁板。因此選用鋁板+鍍鋅薄鋼板+鋁板的構(gòu)造形式，其中鍍鋅薄鋼板是為了在增加隔聲量的同時增加隔聲罩的整體牢固度。

表3 常用金屬板的隔聲指數(shù)Table 3 Sound insulation of commonly used metal plate

根據(jù)計算公式，可以得出隨著空氣層厚度的增加，附加隔聲量會越來越大，但是在實驗中發(fā)現(xiàn)在厚度為100 mm時，隔聲量與厚度的比值會達到一個峰值，之后隨著厚度的增加隔聲量的增加值越來越小，資料中也驗證了這一點[10]。因此，在進行設(shè)計時將隔聲罩的空氣層厚度定在 100 mm。為了使隔聲罩的隔聲量能進一步增加，在空氣層中增加了吸聲材料。這種做法是考慮到吸聲材料的流阻特性，能進一步提高隔聲量。常見的超細玻璃棉厚度為30、50 mm，考慮到經(jīng)濟性選擇30 mm厚的超細玻璃棉，同時留出施工過程中出現(xiàn)誤差的空間。

在對隔聲罩進行隔聲計算時，分別對有、無填充吸聲材料進行了計算，發(fā)現(xiàn)填充吸聲材料時隔聲量明顯高于無填充吸聲材料時的隔聲量。對其數(shù)據(jù)進行了整理，結(jié)果如表4所示，達到了設(shè)計要求。

表4 雙層結(jié)構(gòu)的隔聲量Table 4 Sound insulation of double-layer structure

根據(jù)罩的隔聲原理公式(1)和隔聲量計算公式(2)、(3)并結(jié)合查表，對隔聲罩的復(fù)合隔聲板進行了完整的設(shè)計。從外向內(nèi)，首先外層鋪設(shè)鋁板，在鋁板內(nèi)部鋪設(shè) 30 mm厚的超細玻璃棉，其次鋪設(shè)1 mm厚的鍍鋅鐵板，之后再鋪設(shè)30 mm的超細玻璃棉，最后用玻璃布在隔聲罩內(nèi)部進行鋪設(shè)，組成復(fù)合隔聲板構(gòu)件如圖3和圖4[11]所示。

3.1.2 進出風(fēng)口消聲設(shè)計

圖4 隔聲罩構(gòu)造圖Fig.4 The structural diagram of soundproof cover

設(shè)計進出風(fēng)口是為了保證電動機的正常工作，但是這樣會破壞隔聲罩的密閉性，使隔聲罩的隔聲量降低，因此需要對進出風(fēng)口進行一定的隔聲設(shè)計。在考慮進出風(fēng)口的隔聲設(shè)計時，不能影響氣流的正常流通，因此對進出風(fēng)口使用的消聲裝置進行處理，這樣不僅能起到降低噪聲的效果，同時也能夠最大化地保證氣流的正常流通。電機產(chǎn)生的噪聲頻率較高，故采用阻型消聲器。這類消聲器的特點是對中、高頻聲能有較高的衰減。由于進風(fēng)口處孔洞比較密集，不能單獨設(shè)置消聲裝置，為了施工方便將進風(fēng)口處整體采用超細玻璃棉穿孔，在噪聲向外界傳播的過程中吸收噪聲。為了保證熱量能夠均勻快速散出，因此出風(fēng)口需要有序地分布在隔聲罩前半部分末端，同時對每個出風(fēng)口進行單獨的消聲處理。即每一個出風(fēng)口處向外伸出一小段距離的出風(fēng)管，并在伸出的出風(fēng)管上進行消聲處理。通過對進出風(fēng)口進行消聲處理，使電動機向外界傳出的噪聲被最大化的吸收，進、出風(fēng)口的消聲處理示意圖如圖5、6所示。

圖5 進風(fēng)口消聲處理Fig.5 Muffling treatment at air inlet

圖6 出風(fēng)口消聲處理Fig.6 Muffling treatment at air outlet

3.1.3 隔振設(shè)計

隔振設(shè)計的原則是降低隔振系統(tǒng)的固有頻率。從隔振原理可知，只有當(dāng)擾力頻率大于系統(tǒng)固有頻率的2倍時，隔振系統(tǒng)才能起到隔振的作用。系統(tǒng)固有頻率越低，隔振效率越高。為了避免隔聲罩安裝后被電機帶動一起振動，應(yīng)在隔聲罩與熱泵系統(tǒng)所接觸的部位安置相應(yīng)的彈性墊層。一處是在隔聲罩與電機基座相接觸的部位安置彈性墊層，另一處是在與管道接觸處用優(yōu)質(zhì)的彈性橡膠材料進行密封處理。這種做法不僅能起到隔振作用，同時也能起到隔聲的效果，示意圖如圖7、8所示[13]。

圖7 基座接觸部位的彈性墊層Fig.7 Elastic cushion at base contact site

圖8 管道連接處的彈性橡膠Fig.8 Elastic rubber at pipe connections

3.2 改造后噪聲測試

在地下?lián)Q熱站工程施工完成后進行了噪聲測試。測試過程中采用聲學(xué)頻譜分析儀等聲學(xué)測試設(shè)備，對同樣的點位進行了測試，測試結(jié)果如表5所示。

由表1和表5對比可知，電機隔聲罩之后地下?lián)Q熱站的噪聲降低了3～6 dB。測試中能夠感覺到噪聲明顯減小。

表5 傳感器記錄聲壓級Table 5 Sound pressure levels recorded by sensors

本文通過對實測數(shù)據(jù)的分析，提出了針對電機降噪的聲學(xué)改造方案，并對方案進行了評估。從評估結(jié)果來看，這種電機隔聲罩至少能夠降低 3～6 dB的噪聲。測試中能夠明顯地感覺到地下?lián)Q熱站的噪聲降低了。在測試中發(fā)現(xiàn)雖然噪聲滿足要求，但電動機運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，而密閉空間內(nèi)熱量無法及時排出，會導(dǎo)致隔聲罩內(nèi)部的溫度急劇上升，使電動機處于高溫工作狀態(tài)，長時間高溫工作環(huán)境會對電動機產(chǎn)生較大的影響。整體設(shè)計的隔聲罩并不便于工人日常的檢修。針對這兩個問題對電動機隔聲罩方案進行改進。電動機及改造前安裝隔聲罩的電動機如圖9、10所示。

圖9 電動機Fig.9 Motor

圖10 改造前安裝隔聲罩的電動機Fig.10 Motor with soundproof cover before transformation

3.3 電動機隔聲罩設(shè)計方案改進

3.3.1 通風(fēng)散熱設(shè)計

在電動機的進風(fēng)口處增設(shè)了 20個直徑為10 mm的進風(fēng)口，在保證電動機所需進風(fēng)量的同時減少進風(fēng)口對噪聲的傳播。出風(fēng)口位于電動機兩廂的交接處，采用直徑為 10 mm的出風(fēng)管道有序地安置在隔聲罩的側(cè)后方，通過風(fēng)壓能夠?qū)犸L(fēng)及時排出。馬達位于電動機前半部分，馬達工作時高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量需快速進行散熱處理，但是隔聲罩將電動機封閉在一個密閉空間中，散熱需要一定的時間，因此隔聲罩與電動機前半部分之間要保持100 mm的距離，給電動機留出足夠的散熱空間。而電動機后半部分不產(chǎn)生熱量，因此不需要考慮散熱空間。在隔聲罩改進設(shè)計中，在出風(fēng)口的位置將隔聲罩分為前后兩個部分，第一部分為電動機的進風(fēng)口至出風(fēng)口的位置，第二部分則是從電動機的出風(fēng)口至末端與管道連接處。這種設(shè)計不僅能夠增大電動機工作時所需要的散熱空間，同時還能夠設(shè)置出風(fēng)口，使熱量能夠有序且快速地排出。在設(shè)置進、出風(fēng)口后的測試中發(fā)現(xiàn)，電動機的工作溫度保持在正常工作允許的溫度范圍內(nèi)。進、出風(fēng)口的位置如圖11、12所示。

圖11 進風(fēng)口位置Fig.11 Air inlet position

圖12 出風(fēng)口位置Fig.12 Air outlet position

3.3.2 便捷檢修與安裝設(shè)計

為了減少現(xiàn)場施工，隔聲罩的尺寸可以提前在工廠預(yù)制好，并按順序在每塊板子上標(biāo)記，然后再用鉸鏈鎖扣安裝在每塊隔聲板的四周，運抵施工現(xiàn)場后再按照順序依次固定鎖扣，將其連為一個整體組裝成為隔聲罩。在電動機檢修口安置一塊可開啟的單獨吸聲板材，方便工作人員每日的例行檢查。

3.4 房間內(nèi)部降噪

在對電動機隔聲罩改進完成后，對上層使用空間內(nèi)部的噪聲值進行測試，測試結(jié)果顯示房間噪聲級仍較高，為 46 dB。根據(jù)《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》臥室、起居室(廳)內(nèi)的允許噪聲級的規(guī)定(如表6所示)，未達到要求。

根據(jù)規(guī)范中的規(guī)定，進一步降低對地下?lián)Q熱站內(nèi)部噪聲，降噪方案從以下幾個方面進行考慮：

(1) 圍護結(jié)構(gòu)頂棚及墻面處理：頂棚和墻面均可以鋪設(shè)鋁穿孔板和多孔吸聲材料。加強門的密閉措施，或更換為隔聲門。

表6 臥室、起居室(廳)內(nèi)的允許噪聲級Table 6 Permissible noise levels in bedroom and living room (hall)

(2) 通風(fēng)口的消聲處理：由于地下?lián)Q熱站機器運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的溫度較高，根據(jù)熱壓作用，設(shè)置通風(fēng)口,但是噪聲也會沿著通風(fēng)口傳到外界，因此需要對通風(fēng)口處做消聲處理。在設(shè)計中，考慮到地下?lián)Q熱站內(nèi)溫度、濕度較高，因此在通風(fēng)口處應(yīng)采用防火、防水、防潮、強度高的吸聲材料做成百葉，并在內(nèi)表面處粘貼玻璃棉進行吸聲處理，在保證正常通風(fēng)的同時吸收噪聲。

(3) 對地下?lián)Q熱站內(nèi)部的管道用吸聲材料進行包裹，減少因電動機的振動帶動管道振動產(chǎn)生的噪聲。

在對地下?lián)Q熱站進行內(nèi)部降噪處理后，根據(jù)式(4)中的穩(wěn)態(tài)聲壓級公式計算并測得上層使用空間的內(nèi)部的噪聲值為40.5 dB，滿足《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》中的要求。經(jīng)過對方案的不斷改進和整合，最終形成了完整的針對地下?lián)Q熱站降噪的設(shè)計方案。

4 結(jié) 語

本文通過對既有居住建筑附屬用房地下?lián)Q熱站室內(nèi)噪聲實測數(shù)據(jù)進行分析，提出了對該房間改造的可行性方案，并對方案進行了測試評估。測試結(jié)果表明，降噪效果完全達到了改造的預(yù)期值。

通過對比研究發(fā)現(xiàn)，對居住區(qū)附屬用房的降噪設(shè)計過程中，首先要找出主要的噪聲源并分析其頻譜，制定合理的降噪設(shè)計方案。如果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求則按照設(shè)計方案實施，如果未滿足標(biāo)準(zhǔn)要求則需要根據(jù)噪聲的傳播途徑進行進一步的降噪方案的深化設(shè)計。這種方法不僅能夠有效地降低噪聲產(chǎn)生的影響，同時還能最大化地節(jié)約改造成本，符合既有建筑改造的要求。

對地下?lián)Q熱站降噪改造設(shè)計，應(yīng)在綜合考慮居民和工作人員健康、舒適的基礎(chǔ)上，提出合理的綜合降噪處理技術(shù)。保證改造后居住空間噪聲明顯降低，聲環(huán)境指標(biāo)達到標(biāo)準(zhǔn)要求，減少附屬用房產(chǎn)生的噪聲對居民生活的影響，有效地改善居住建筑的聲環(huán)境。本文提出的方案為制定民用建筑附屬用房聲學(xué)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供了技術(shù)支撐。