束偉宏,王一飛

(1.中海油服湛江分公司 船舶作業(yè)公司,廣東 湛江 524057;2.中船郵輪科技發(fā)展有限公司,上海 200137)

0 引言

艙室噪聲性能是評(píng)價(jià)遠(yuǎn)洋客船舒適性的關(guān)鍵指標(biāo)。室內(nèi)的隔聲效果更多取決于門(mén)窗結(jié)構(gòu)的隔聲性能;相比于客艙壁的鋼結(jié)構(gòu),玻璃門(mén)窗對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)度更大[1]。玻璃門(mén)窗廣泛應(yīng)用于遠(yuǎn)洋客船艙室窗戶、駕駛室和陽(yáng)光房等部位,因此,開(kāi)展遠(yuǎn)洋客船玻璃門(mén)窗隔聲性能研究具有重要意義[2-3]。

玻璃中低頻的隔聲量較差[4]。吻合效應(yīng)和共振的存在導(dǎo)致玻璃隔聲量減小[5]。雖然增大面密度可以有效提升玻璃的隔聲性能,但會(huì)使玻璃體積急劇增大,從而大大增加成本[6]。中空玻璃的隔聲效果與面密度相等的單層玻璃相比,隔聲量的增加并不明顯,難以改善中低頻段隔聲性能。當(dāng)中空玻璃兩側(cè)使用不等厚度玻璃時(shí),可提升其隔聲性能,但無(wú)法明顯提升低頻段隔聲性能。使用具有中低頻響應(yīng)特性的夾膠材料(透明阻尼材料)可以提升夾層復(fù)合玻璃中低頻隔聲性能,但是能夠有效衰減中低頻噪聲的透明阻尼材料的種類(lèi)少且成本高[7]。

本文基于隔聲理論,以遠(yuǎn)洋客船艙室窗戶玻璃和陽(yáng)光房玻璃為研究對(duì)象,利用統(tǒng)計(jì)能量法建立單層玻璃、雙層中空玻璃和聚乙烯醇縮丁醛(Palyvinyl Butyral,PVB)夾膠玻璃的聲學(xué)模型,通過(guò)控制變量法和枚舉法研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)這3種玻璃的隔聲性能影響。利用VA One軟件仿真其隔聲量,結(jié)合不同頻段隔聲特性和平均隔聲量的大小總結(jié)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下3種玻璃的隔聲規(guī)律。

1 玻璃隔聲的基本理論

玻璃的隔聲理論可以基于聲波在玻璃中傳播的特性來(lái)解釋。聲波在玻璃中傳播時(shí)會(huì)受到玻璃本身的彈性特性和密度的影響,同時(shí)也會(huì)受到玻璃表面的反射和透射等影響。隔聲方法根據(jù)聲源激勵(lì)特性和傳播路徑的不同,通常分為空氣隔聲和結(jié)構(gòu)隔聲。研究玻璃隔聲時(shí)應(yīng)根據(jù)各自的特點(diǎn)采取不同的隔聲措施,同時(shí)這2種隔聲措施不能相互替代。通常用傳輸損失、噪聲衰減和插入損失描述材料隔聲效果。隔聲能力一般用于示明材料自身的固有隔聲性能。

假設(shè)空氣中存在的無(wú)限大單層均勻玻璃將空間分成兩部分,平面聲波以垂直于薄板的角度入射,其隔聲量為

式中:R為隔聲量,dB;ρ1c1為空氣的特性阻抗;M為單層玻璃的面密度,kg/m2;ω為聲波入射頻率。

實(shí)際中,由于板件受到勁度、阻尼、吻合效應(yīng)和邊界條件等各種因素的影響,理論公式的隔聲量計(jì)算結(jié)果往往大于板的實(shí)際隔聲量。

2 普通結(jié)構(gòu)玻璃隔聲性能研究

常見(jiàn)的玻璃型式有單層玻璃、雙層中空玻璃和PVB夾膠玻璃。玻璃的結(jié)構(gòu)由玻璃本身和封邊材料組成。本文假定玻璃封邊材料具有良好的密封性且隔聲性能良好,僅對(duì)玻璃本身進(jìn)行隔聲量分析。通過(guò)改變玻璃的不同結(jié)構(gòu)參數(shù),探究玻璃的隔聲性能變化,以建立合適的玻璃結(jié)構(gòu)參數(shù)選取規(guī)律。

單層玻璃的長(zhǎng)×寬為1 000 mm×1 000 mm,利用VA One軟件建立不同厚度單層玻璃模型。本文在建立分析系統(tǒng)模型時(shí)充分參照遠(yuǎn)洋客船運(yùn)行過(guò)程中的環(huán)境特性,外部聲場(chǎng)為無(wú)限大的空間,內(nèi)部聲場(chǎng)為有限空間。故假定外部為空間較大的混響室,其阻尼損耗因子為0.01;內(nèi)部為較小空間的近似消聲室,其吸聲系數(shù)為0.01。該聲腔計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

根據(jù)上文建立的SEA聲腔計(jì)算模型,選取厚度分別為2、3、4 mm的3種玻璃進(jìn)行聲學(xué)分析,其隔聲特性見(jiàn)圖2。普通鋼化玻璃材料的主要參數(shù)如下:密度2 500 kg/m3,彈性模量4.85×1010Pa,泊松比0.24,剪切模量1.956×1010Pa,阻尼損耗因子0.01。

由單層玻璃計(jì)算結(jié)果可知:2 mm厚度的隔聲低谷出現(xiàn)在8 000 Hz附近,最低值為21.2 dB,隔聲峰值出現(xiàn)在5 000 Hz附近,峰值為39.2 dB;3 mm厚度的隔聲低谷出現(xiàn)在5 000 Hz附近,最低值為17.1 dB,隔聲峰值出現(xiàn)在2 100 Hz附近,峰值為38.2 dB;4 mm厚度的隔聲低谷出現(xiàn)在4 000 Hz附近,最低值為21.2 dB,隔聲峰值出現(xiàn)在2 500 Hz附近,峰值為36.9 dB。

從圖2可以看出:隨著單層玻璃厚度的增加,隔聲低谷對(duì)應(yīng)的頻率在向中低頻偏移,同時(shí)其低谷隔聲量整體上隨厚度的增加而增加,即由吻合效應(yīng)導(dǎo)致的隔聲低谷影響因玻璃厚度的增加而減小。增加玻璃厚度即是增加玻璃的面密度,單層玻璃的整體隔聲量隨面密度的增加而增加。隔聲峰值對(duì)應(yīng)1/3倍頻帶中心頻率隨玻璃厚度的增加,向中低頻偏移,但其峰值隔聲量的變化卻與隔聲低谷隔聲量的變化相反,隔聲峰值隨厚度的增加而減小。這使得單層玻璃隔聲量曲線隨著玻璃厚度的增加,中低頻段逐漸趨于平緩,同時(shí)厚度對(duì)隔聲量的增量影響逐漸消退。依據(jù)玻璃隔聲低谷隨厚度偏移的規(guī)律,可以根據(jù)工程中評(píng)估的主要噪聲頻段來(lái)選取合適厚度的玻璃隔聲,避免主要噪聲頻段與隔聲低谷相重合。

3 雙層PVB夾膠玻璃隔聲性能分析

采用SEA聲腔模型計(jì)算雙層PVB夾膠玻璃模型隔聲量,在模型建立過(guò)程中除材料定義與單層玻璃模型不一致外,其余操作與上面模型相同。兩側(cè)玻璃材質(zhì)都為普通鋼化玻璃,中間層為PVB夾膠。

建立不同厚度的夾膠玻璃和單層玻璃的聲學(xué)模型,對(duì)比分析兩者隔聲量的差異。固定PVB夾膠玻璃兩側(cè)玻璃厚度分別為4 mm和8 mm,比較中間PVB夾膠分別為1.0、1.5、2.0、3.0 mm時(shí)夾膠玻璃的隔聲量,其隔聲特性見(jiàn)圖3。

圖3 不同PVB夾膠厚度夾膠玻璃隔聲量對(duì)比

由圖3可以看出,隨著PVB夾膠厚度的增加,全頻段的隔聲量都有所增加。其中,隔聲低谷對(duì)應(yīng)的頻率處于1 600 Hz附近。在PVB夾膠厚度增大的過(guò)程中,其隔聲低谷對(duì)應(yīng)頻率并未改變,但是對(duì)應(yīng)的隔聲量由夾膠厚度為1.0 mm的34.0 dB降低至夾膠厚度為3.0 mm的32.3 dB。

在等厚度情況下,雙層PVB夾膠玻璃的隔聲量在全頻段內(nèi)都大于等厚度的單層玻璃的隔聲量。兩者的隔聲低谷對(duì)應(yīng)頻率不一致,前者的對(duì)應(yīng)頻率處于1 600 Hz附近,而后者的隔聲低谷對(duì)應(yīng)頻率處于1 250 Hz附近。結(jié)合上文PVB夾膠厚度變化對(duì)玻璃隔聲的影響,可以得出夾膠玻璃中間的材質(zhì)會(huì)改變玻璃的隔聲特性,而夾膠材料厚度的變化不會(huì)引起玻璃隔聲特性的再次變化。

在材料屬性確定的情況下,改變面密度是改變玻璃隔聲特性的最佳方法。玻璃的厚度并非越厚越好,通過(guò)增加厚度提升面密度的效果有限,正確的做法應(yīng)該是根據(jù)實(shí)際工程要求,確定目標(biāo)隔聲頻段,然后綜合考慮隔聲性能、體積和成本等因素設(shè)置合適的玻璃參數(shù)。

4 遠(yuǎn)洋客船窗戶玻璃結(jié)構(gòu)隔聲特性分析

遠(yuǎn)洋客船艙室窗戶一般采用夾膠玻璃。由于玻璃組合參數(shù)和夾膠材質(zhì)的差異,通過(guò)組合不同厚度的單層玻璃,可錯(cuò)開(kāi)隔聲低谷,提高隔聲量。夾膠玻璃中間的膜片采用PVB膜片,其厚度一般為0.2～2.0 mm,在特定的溫度和壓力下能夠與玻璃片材形成較好的黏結(jié),具有良好的抗震能力和防爆性能。圖4為遠(yuǎn)洋客船2種艙室窗戶用玻璃結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 遠(yuǎn)洋客船艙室窗戶用玻璃結(jié)構(gòu)

2種玻璃結(jié)構(gòu)尺寸如下:結(jié)構(gòu)Ⅰ的長(zhǎng)×寬×高為2 000.00 mm×1 400.00 mm×22.52 mm,結(jié)構(gòu)Ⅱ的長(zhǎng)×寬×高為2 000.00 mm×1 400.00 mm×26.52 mm。在VA One軟件中建立對(duì)應(yīng)的PVB夾膠玻璃模型,使用統(tǒng)計(jì)能量法計(jì)算其不同頻段內(nèi)隔聲量。遠(yuǎn)洋客船2種艙室窗戶玻璃結(jié)構(gòu)隔聲量見(jiàn)圖5。從圖5中看出,結(jié)構(gòu)Ⅱ的隔聲量?jī)?yōu)于結(jié)構(gòu)Ⅰ,其原因是結(jié)構(gòu)Ⅱ的夾膠玻璃一側(cè)玻璃厚度更大。通過(guò)計(jì)算得出上述2種玻璃結(jié)構(gòu)100～10 000 Hz內(nèi)的平均隔聲量為44.75 dB和46.58 dB。

圖5 遠(yuǎn)洋客船艙室窗戶隔聲量

保持PVB夾膠玻璃構(gòu)型總厚度不變,對(duì)兩側(cè)玻璃厚度進(jìn)行修改,利用VA One軟件對(duì)其進(jìn)行隔聲量計(jì)算分析,比較其不同頻段隔聲效果和平均隔聲量,選擇隔聲效果更佳的PVB夾膠玻璃組合參數(shù)。

結(jié)構(gòu)Ⅱ固定其厚度為26.52 mm,采用枚舉法選取4種不同厚度組合的PVB夾膠玻璃,分別為22-1.52-3、19-1.52-6、16-1.52-9、12.5-1.52-12.5(結(jié)構(gòu)組合見(jiàn)圖4(b)),對(duì)其進(jìn)行隔聲量分析。從圖6中的隔聲量對(duì)比中可以看出,隨著艙室窗戶玻璃結(jié)構(gòu)Ⅱ兩側(cè)厚度逐漸接近,高頻段的隔聲量隨之減小,隔聲低谷附近隔聲量也有明顯降低。當(dāng)兩側(cè)玻璃厚度為22 mm和3 mm時(shí),PVB夾膠玻璃的平均隔聲量為47.02 dB,相較原結(jié)構(gòu)Ⅱ(19-1、52-6)提升約0.5 dB。

圖6 不同厚度組合構(gòu)型Ⅱ夾膠玻璃隔聲量

對(duì)艙室窗戶玻璃的2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行多種厚度組合方案對(duì)比,結(jié)合不同頻段內(nèi)的隔聲效果和全頻段內(nèi)的平均隔聲量?jī)?yōu)化出以下結(jié)構(gòu)參數(shù):對(duì)于玻璃結(jié)構(gòu)Ⅰ總厚度為22.52 mm,由15 mm的普通鋼化玻璃、1.52 mm的PVB夾膠層和6 mm的吸熱鋼化玻璃組合而成,其平均隔聲量為44.75 dB。對(duì)于玻璃結(jié)構(gòu)Ⅱ,保持原有參數(shù)。雖然22-1.52-3結(jié)構(gòu)的隔聲量?jī)?yōu)于原有構(gòu)型,但是其中一側(cè)玻璃厚度僅為3 mm,綜合考慮其強(qiáng)度和安全性,故保留原結(jié)構(gòu)參數(shù),即原結(jié)構(gòu)Ⅱ總厚度為26.52 mm,由19 mm普通鋼化玻璃、1.52 mmPVB夾膠層和6 mm普通鋼化玻璃組合而成,平均隔聲量為46.58 dB。

5 遠(yuǎn)洋客船陽(yáng)光房玻璃聲學(xué)特性研究

遠(yuǎn)洋客船陽(yáng)光房玻璃門(mén)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖7。陽(yáng)光房玻璃門(mén)的尺寸為2 150 mm×1 440 mm×30 mm。陽(yáng)光房玻璃門(mén)采用總厚度30 mm的雙層中空玻璃,在控制總厚度不變的情況下,分配空氣層和兩側(cè)玻璃的厚度?？紤]到該玻璃門(mén)的保溫作用,中間空氣層的厚度不宜過(guò)小,故選取2組空氣層厚度為8 mm和16 mm的雙層中空玻璃,記為A、B組。2組各自對(duì)應(yīng)4種不同厚度組合的玻璃,具體參數(shù)見(jiàn)表1。利用VA One軟件對(duì)A、B組的玻璃結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲量計(jì)算,繪制2組隔聲量對(duì)比曲線,見(jiàn)圖8。

圖8 不同厚度組合的陽(yáng)光房玻璃門(mén)隔聲量

從圖8可以看出,隨著兩側(cè)玻璃厚度差值的逐漸減小,中低頻段的隔聲量逐漸增大。當(dāng)兩側(cè)玻璃厚度相等時(shí),曲線的隔聲峰值達(dá)到最大。但是,隨之而來(lái)的就是隔聲低谷,兩側(cè)玻璃厚度越是接近,隔聲低谷對(duì)應(yīng)隔聲量則越小。如:B組中,當(dāng)兩側(cè)玻璃厚度都為7 mm時(shí),隔聲低谷值降至36.0 dB,使得2 000 Hz附近頻段的隔聲量遠(yuǎn)低于其他厚度組合;當(dāng)玻璃組合厚度為4 mm和10 mm時(shí),出現(xiàn)二次隔聲低谷現(xiàn)象,其中較小值為48.2 dB,隔聲量提升了近34%。綜合考慮全頻段的隔聲效果,A組中4-8-18和6-8-16這2種厚度組合的隔聲性能更好;B組中,4-16-10和5-16-9的隔聲性能更好。

根據(jù)上述A、B 2組的仿真分析結(jié)果,將原陽(yáng)光房玻璃門(mén)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合優(yōu)化,最終確定:玻璃組合厚度為6 mm和16 mm,中間空氣層厚度為8 mm,平均隔聲量為56.04 dB。

6 結(jié)論

(1)增加玻璃的厚度,其隔聲量在全頻段都有提升,且隔聲低谷值逐漸增大,對(duì)應(yīng)的頻率向著中低頻段偏移。但是,當(dāng)厚度增加至14 mm后,全頻段隔聲量的提升微乎其微。

(2)對(duì)于遠(yuǎn)洋客船艙室窗戶玻璃,采用PVB夾膠玻璃。選定PVB膠層厚度為1.52 mm,當(dāng)兩側(cè)玻璃差值越大時(shí),隔聲效果越好,并且發(fā)現(xiàn)夾膠玻璃的隔聲特性與其總厚度相關(guān),而與其玻璃和PVB夾膠厚度的分配無(wú)關(guān)。

(3)綜合考慮全頻段玻璃的隔聲特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,遠(yuǎn)洋客船選取結(jié)構(gòu)Ⅰ結(jié)構(gòu)參數(shù)為:總厚度22.52 mm,由15 mm的普通鋼化玻璃、1.52 mm的PVB夾膠層和6 mm的吸熱鋼化玻璃組合而成,其平均隔聲量為44.75 dB;結(jié)構(gòu)Ⅱ結(jié)構(gòu)參數(shù)為:總厚度26.52 mm,由19 mm普通鋼化玻璃、1.52 mmPVB夾膠層和6 mm普通鋼化玻璃組合而成,其平均隔聲量為46.58 dB。