王鈞佩 陳 鑫 張曉亮 刁東明 寧惠君*

（河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

蒸壓加氣混凝土砂漿砌體,是由粉煤灰、砂漿、硅灰、發(fā)氣劑等拌和并通過蒸壓制成的。蒸壓加氣混凝土的重要優(yōu)越性是質(zhì)輕、耐壓強度高、保溫特性好、易加工、耐熱等特點，已被廣泛地應(yīng)用于建筑圍護和填充結(jié)構(gòu)中[1]，尤其被廣泛應(yīng)用于高層建筑中。目前對蒸壓加氣混凝土墻的降噪效果的研究主要為實驗研究。錢城等[1]通過現(xiàn)場測量和試驗室測量2 種方法評價蒸壓加氣混凝土砌塊墻的降噪性能，通過對試驗數(shù)據(jù)進行整理計算后得出現(xiàn)場降噪效果和試驗室降噪效果評估量，真實體現(xiàn)出蒸壓加氣混凝土砌塊墻的現(xiàn)場隔音作用；張毅[2]對各種厚度的砂加氣混凝土等墻體材料, 開展了現(xiàn)場空氣聲學(xué)能力試驗;并分析探討了墻體的隔音頻率特性;與國家的隔聲規(guī)范進行了橫向比較; 給出了較為經(jīng)濟合理的建筑墻體隔聲結(jié)構(gòu)措施。以上都通過試驗研究對了解蒸壓加氣混凝土的隔聲性能，對于理論方面研究較少。本文根據(jù)文獻[2]中我國住宅分戶墻最高級的要求50 分貝（當分戶構(gòu)件的指標在50 分貝以上時，有百分之九十以上的居住者對隔聲效果認可）。為研究蒸壓加氣混凝土墻在實際應(yīng)用中的隔聲效果，選用滿足較高的隔聲要求的墻體設(shè)計，選用200 毫米鋼筋混凝土墻，計權(quán)隔聲量55 分貝作為基準量。考慮聲-結(jié)構(gòu)物理場的耦合，首先對比研究了同等厚度情況下蒸壓加氣混凝土墻與鋼筋混凝土墻的隔聲性能。其次，考慮蒸壓加氣混凝土墻厚度對隔聲量的影響，對比研究了三種不同厚度的蒸壓加氣混凝土墻隔聲性能；在此基礎(chǔ)上，考慮墻體構(gòu)造措施，對比研究了三種不同空氣層厚度的雙層蒸壓加氣混凝土墻隔聲性能。

1 理論方法

聲波通過中心層的反射和透射:

設(shè)將一厚度為D、特性阻抗為R2=ρ2c2的中心層介質(zhì)置于特性阻抗為R1=ρ1c1的無限寬介質(zhì)上，如圖1 所示[3]。

圖1 聲波通過中心層

現(xiàn)有一列平面聲波垂直入射到中心層界面上時，一部分聲波被反射回介質(zhì)A 上，從而產(chǎn)生了反射波；另一部分則透進了中心層。當聲波行進到中心層的另一個分界面上時，部分又被反射回中心層，其余部分透入中心層后面的介質(zhì)A 上。當介質(zhì)A 延伸到無窮遠，則透射波不反射。各列波均為描述為：

2 有限元仿真計算

2.1 理論模型設(shè)置

實測蒸壓加氣混凝土墻隔聲性能實驗中[1]，發(fā)聲室、受聲室模型尺寸較大，導(dǎo)致計算量非常大。因此，在模擬聲傳輸損失（STL）時，為了避免對發(fā)聲室和受聲室建立模型，采用假設(shè)[4]：混凝土墻源側(cè)為理想的聲音散布場，接收側(cè)為理想的消聲終端；混凝土墻對源側(cè)的聲場影響很?。▽τ诰哂械臀晫傩缘南鄬傂缘慕Y(jié)構(gòu)來說，這是正確的）將源側(cè)（源室）的聲場定義為在隨機方向上運動的N 個不相關(guān)的平面波的總和。壁面壓力pwall作為載荷施加在混凝土墻的源側(cè)。在接收器端，使用以完美匹配層(PML) 終止的空氣域?qū)硐胂暿疫M行建模。模型設(shè)置如圖2 所示。

圖2 混凝土墻的模型設(shè)置

2.2 有限元模型建立

對一塊均勻矩形鋼筋混凝土墻，高度H=2.7m，寬度為W=3.2m，厚度T=200mm，空氣層厚度t=50mm。材料參數(shù)參考文獻[4-5]。各向同性損失因子采用典型值0.01。假設(shè)墻固定在其外邊界處，并放置對聲傳輸損失（STL）無貢獻的理想圍墻中。利用聲學(xué)有限元法對其隔聲量的解析過程中，間隔墻四周邊界均施加固定約束，受聲面施加載荷約束，消聲室外表面均定義為硬聲場邊界條件；建立混凝土間隔墻及消聲室內(nèi)全部流體的實體模型，將其離散成有限元網(wǎng)格。在聲學(xué)問題計算中，網(wǎng)格尺寸小于最大計算頻率的六分之一才能達到計算精度，而網(wǎng)格密度則應(yīng)達到最大計算頻率為2500 Hz 的要求。對于“完美匹配層”，網(wǎng)格與坐標拉伸方向（吸收方向）相匹配非常重要，因此采用掃掠的方式對完美匹配層進行網(wǎng)格劃分，并且在厚度上劃分8 個網(wǎng)格單元。

為確保計算精度和控制計算成本，將流體模型劃分為邊長為0.01m 的六面體網(wǎng)格，對流體有限元網(wǎng)格賦予空氣屬性，密度為1.225 kg/m3，聲速為340m/s。

2.3 計算工況介紹

為對比鋼筋混凝土墻與蒸壓加氣混凝土墻對隔聲量的影響，取相同厚度200mm 的墻體研究；為研究蒸壓加氣混凝土墻厚度對隔聲量的影響，取三種不同厚度的蒸壓加氣混凝土墻進行研究。為研究空氣層的厚度對隔聲量的影響，其它參數(shù)均保持不變，即僅改變空氣層的厚度，取三種空氣層的厚度進行研究。計算工況如表1 所示。

表1 計算工況

3 計算結(jié)果分析

3.1 蒸壓加氣混凝土墻厚度對隔聲量的影響

墻體厚度作為重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，直接影響著結(jié)構(gòu)的隔聲性能。三種不同厚度（T=200mm，300mm，500mm）的蒸壓加氣混凝土墻隔聲量影響關(guān)系曲線如圖3 所示。從圖3 可知，隨著蒸壓加氣混凝土墻厚度的增大，隔聲量也將顯著增大。在低頻時，隨著混凝土墻厚度增大隔聲量增大較多，三種厚度墻體隔聲量之差在10～27dB 左右；在中頻時三種墻體厚度隔聲量都達到了波谷；在高頻時，隨著墻體厚度增大隔聲量增大較小，三種厚度墻體隔聲量之差在5dB 以內(nèi)。綜合來看，當加氣混凝土墻厚度為200 mm 時，隔聲量最高可達50 dB，平均隔聲量可達36dB，當加氣混凝土墻厚度為300 mm 時，隔聲量最高可達60dB，平均隔聲量為45dB，當加氣混凝土墻厚度為500 mm 時，隔聲量最高可達72 dB，平均隔聲量為52dB。此時墻體厚度對隔聲量的影響效果已超過了極限，使用更高厚度的墻體對隔聲量影響較小，且會降低經(jīng)濟效益。因此建議在選擇通過增大墻體厚度來增大隔聲量的措施時，在設(shè)計墻體時可以選擇性價比更高的300 mm 蒸壓加氣混凝土墻。由力學(xué)理論可知，在只改變墻體厚度的條件下，墻體厚度的增加會引起面密度的增加，故出現(xiàn)圖示曲線，在低頻或中高頻范圍內(nèi)隔聲量均有所增加。

圖3 蒸壓加氣混凝土墻厚度對隔聲量的影響關(guān)系曲線

3.2 空氣層厚度對隔聲量的影響

聲壓垂直入射到蒸壓加氣混凝土墻，其它參數(shù)保持不變，僅改變空氣層的厚度（t=50mm，70mm，100mm），由此通過計算得到墻體的隔聲量隨入射聲壓頻率變化的規(guī)律，如圖4 所示。從圖4 可知，隨著空氣層厚度不斷增加，蒸壓加氣混凝土墻隔聲量顯著增大。原因在于隔聲波谷對應(yīng)于蒸壓加氣混凝土墻結(jié)構(gòu)的共振頻率，而空氣層的厚度增大，混凝土墻的共振頻率也會增大，因此隔聲波谷向高頻率移動。同時，在雙層混凝土墻中間增加空氣層，墻體隔聲量升高且較為穩(wěn)定，同時隔聲量較高時所對應(yīng)的頻率在所測頻率中占比更高。

圖4 空氣層厚度對隔聲量的影響關(guān)系曲線

3.3 單層與雙層蒸壓加氣混凝土墻對隔聲量的影響

如圖5 所示，通過對比單層與雙層蒸壓加氣混凝土墻、三種厚度空氣層的雙層蒸壓加氣混凝土墻的隔聲量可知，相同厚度鋼筋混凝土墻隔聲量遠遠高于蒸壓加氣混凝土；如單層墻體變?yōu)殡p層，中間夾有空氣層，可衰減部分透射聲波，如果空腔內(nèi)填充多孔吸聲材料，則會增加透射聲阻尼，進而減弱透射聲能。如200mm 蒸壓加氣混凝土墻夾有70mm 空氣層隔聲量遠高于200 mm 厚的單層加氣混凝土的隔聲量。綜上所述，在墻體構(gòu)造時，可選用雙層蒸壓加氣混凝土墻夾有一定厚度的空氣層，以達到較好的隔聲量。

圖5 單層鋼筋混凝墻、蒸壓加氣混凝土與雙層蒸壓加氣混凝土墻隔聲量關(guān)系曲線

4 結(jié)論

為研究蒸壓加氣混凝土墻在實際應(yīng)用中的隔聲效果，考慮聲-固物理場的耦合，首先對比研究了相同厚度情況下鋼筋混凝土墻與蒸壓加氣混凝土墻的隔聲性能。之后考慮墻體厚度對隔聲量的影響，對比研究了三種不同厚度的蒸壓加氣混凝土墻隔聲特性；在此基礎(chǔ)上，綜合考慮墻體結(jié)構(gòu)措施，對比研究了三種夾有不同空氣層厚度的雙層蒸壓加氣混凝土墻隔聲性能。得到以下結(jié)論：

4.1 相同厚度的鋼筋混凝土墻隔聲量比蒸壓加氣混凝土墻的高20dB，原因是加氣混凝土墻內(nèi)含有大量氣泡，面密度遠低于鋼筋混凝土，所以若要達到相同的隔聲量，厚度必須為鋼筋混凝土的2 倍以上。

4.2 對比三種厚度蒸壓加氣混凝土墻隔聲量可知，300mm 和500mm 厚墻體的隔聲量相差較小。整體而言，當加氣混凝土墻厚度達到300 mm 時，隔聲量就可達50 dB，此時墻體厚度對隔聲量的影響效果已超過極限，因此在墻體設(shè)計時可選用性價比更高的300 mm 蒸壓加氣混凝土墻來增大隔聲量的措施。

4.3 對比三種厚度空氣層的雙層蒸壓加氣混凝土墻隔聲量，可知隨空氣層厚度增大，蒸壓加氣混凝土墻隔聲量顯著增大。對比單層墻與雙層墻隔聲量可知，中間夾有空氣層，會減弱部分透射聲，若空腔內(nèi)填充多孔吸聲材料，會增加透射聲波阻尼，進而衰減透射聲能。如雙層100 mm 厚加氣混凝土，中空70 mm，計權(quán)隔聲量可以達到55 dB。遠高于200 mm 厚的單層加氣混凝土的隔聲量。