"房中房"結(jié)構(gòu)隔振性能實驗研究

摘要：文章以國家大劇院錄音棚與河北工程學(xué)院建筑聲學(xué)實驗室為原型搭建實驗臺，通過實驗研究“房中房”結(jié)構(gòu)的隔振性能。實驗顯示，由于隔振器自身質(zhì)量引起的內(nèi)部共振與基礎(chǔ)非剛性的影響，“房中房”結(jié)構(gòu)的高頻隔振性能被顯著的降低。比較金屬彈簧隔振與纖維材料隔振發(fā)現(xiàn)，由于金屬彈簧隔振器的內(nèi)部共振更為嚴(yán)重，導(dǎo)致金屬彈簧隔振器的高頻隔振性能比纖維材料差。金屬彈簧隔振器墊上橡膠墊后，可以明顯改善高頻的隔振性能。

關(guān)鍵詞：“房中房”結(jié)構(gòu) 隔振 內(nèi)部共振 金屬彈簧隔振器 纖維材料
1. 前言：

隔振器被廣泛應(yīng)用于隔振工程中，以保護(hù)儀器、設(shè)備免受振動的影響，或衰減機(jī)器振動對外的傳播。經(jīng)典隔振模型如圖1-1所示，模型假設(shè)隔振器由無質(zhì)量的理想彈簧和阻尼組成，被隔振物體和基礎(chǔ)均為理想剛性體。經(jīng)典模型的理論傳遞率如圖1-2所示，當(dāng)激振頻率 大于系統(tǒng)共振頻率的倍，即 時，傳遞率T<1，隔振器起到隔振的作用，理論傳遞率隨頻率的增加每倍頻程衰減12dB。當(dāng) 時，傳遞率T>1，隔振器處在共振區(qū)域，隔振器會增大被隔振體的振幅。[1,2]

而實際的隔振系統(tǒng)中，基礎(chǔ)的非剛性、被保護(hù)對象的非剛性以及隔振器的質(zhì)量分布都會降低高頻的隔振性能，導(dǎo)致高頻傳遞率比理想隔振器的傳遞率大，并出現(xiàn)周期性峰值。[3,4,5,6]

考慮質(zhì)量后的隔振模型如圖1-3所示，此時隔振器具有連續(xù)分布質(zhì)量、彈性和阻尼，其傳遞率曲線如圖1-4所示。當(dāng)隔振器長度與隔振器中傳播的振動的1/2波長的整數(shù)倍具有可比性，即激振頻率大于一定數(shù)值時，振動以彈性波的形式在其中傳播，隔振器自身的質(zhì)量會降低隔振器的隔振性能，這種現(xiàn)象被稱為內(nèi)部共振(Internal Resonances)或駐波效應(yīng)(wave effects)，下文統(tǒng)稱為“內(nèi)部共振”。此時，隔振器不再符合無質(zhì)量假設(shè)，而應(yīng)視為分布質(zhì)量系統(tǒng)。由圖1-4可見，內(nèi)部共振顯著增大高頻的傳遞率，并使得傳遞率出現(xiàn)周期性峰值。[3,4,5,6]

Mark Harrison等人[7]從理論上推導(dǎo)出內(nèi)部共振產(chǎn)生的原因，并推導(dǎo)出理論傳遞率公式，其理論計算與實驗結(jié)果很好的吻合。Mark Harrison等人的研究發(fā)現(xiàn)駐波效應(yīng)可以使得隔振器高頻傳遞率降低20dB。

Y. Du等人[8]通過建立數(shù)學(xué)模型研究隔振器質(zhì)量分布產(chǎn)生的內(nèi)部共振的影響。文章對比忽略質(zhì)量的理想隔振器與考慮質(zhì)量后的隔振器的傳遞率，發(fā)現(xiàn)考慮隔振器質(zhì)量后傳遞率增大20-30dB。同時他們也比較基礎(chǔ)振動輻射的噪聲，發(fā)現(xiàn)考慮隔振器質(zhì)量后基礎(chǔ)振動輻射的噪聲最大可提高22dB。與橡膠隔振器相比較，螺旋金屬彈簧隔振器的內(nèi)部共振更為顯著。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)以下三個因素顯著的影響內(nèi)部共振的頻率與振幅：(1)被隔振體與隔振器的質(zhì)量比 ；(2)隔振器的楊氏模量；(3)阻尼。(1)增大質(zhì)量比 可以減小內(nèi)部共振的影響，降低隔振器的傳遞率。(2)隔振器的楊氏模量主要與內(nèi)部共振的頻率有關(guān)，降低隔振器的楊氏模量，內(nèi)部共振出現(xiàn)的頻率也隨之降低，在給定頻率范圍內(nèi)會出現(xiàn)更多的內(nèi)部共振。傳統(tǒng)的模型忽略隔振器的質(zhì)量，認(rèn)為系統(tǒng)共振頻率越低高頻隔振性能越好。實際隔振器內(nèi)部共振頻率的偏移可能使得這一結(jié)論不再成立。(3)增大阻尼，可以顯著降低內(nèi)部共振峰值的傳遞率。

熊冶平等人[5]的研究發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)的非剛性使得隔振器內(nèi)部共振出現(xiàn)的頻率向低頻方向偏移，基礎(chǔ)的諧振與隔振器的駐波效應(yīng)使隔振器的傳遞率的峰值密集而高聳。[page]

J. Lee等人[9]的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)振動超過某頻率時，隔振器內(nèi)部共振會顯著影響金屬彈簧隔振器的彈性模量，使得彈簧動彈性模量隨著頻率的增大而迅速增大，導(dǎo)致金屬彈簧的內(nèi)部共振更加嚴(yán)重，降低高頻隔振能力。對于橡膠隔振器[10]，動彈性模量也隨頻率的增大而增大：對于低阻尼的橡膠材料，包括天然橡膠、碳黑強(qiáng)化橡膠、SBR(Styrene Butadiene Rubber)橡膠，在通�？紤]的頻率范圍內(nèi)，動彈性模量隨頻率增大幅度很小；而高阻尼的橡膠材料，包括聚硫橡膠(Thiokol RD rubber)、碳黑強(qiáng)化丁基橡膠、聚醋酸乙烯脂膠，動彈性模量隨頻率增大而迅速增大。

以上研究主要應(yīng)用于工業(yè)隔振，特別是汽車等機(jī)械的隔振。在建筑中，錄音棚、演播室、聲學(xué)實驗室等對建筑聲學(xué)要求特別高的建筑以及距離交通干道等具有強(qiáng)烈振動比較近的建筑，大量使用“房中房”結(jié)構(gòu)隔絕振動。“房中房”隔振結(jié)構(gòu)與一般隔振系統(tǒng)在規(guī)模、材料、結(jié)構(gòu)等方面都存在很大的差異，本文以國家大劇院錄音棚和河北工程學(xué)院建筑聲學(xué)實驗室為原型搭建實驗臺，研究不同“房中房”隔振結(jié)構(gòu)的實際隔振性能，比較不同隔振方式的優(yōu)劣。

2. 實驗方法

金屬彈簧隔振器隔振實驗

實驗在清華大學(xué)建筑學(xué)院的標(biāo)準(zhǔn)隔聲實驗室內(nèi)進(jìn)行，隔振實驗的剖面圖與彈簧隔振器布置圖分別如圖2-1與2-2所示。本組實驗以國家大劇院錄音棚為原型。隔振系統(tǒng)由4個金屬彈簧隔振器組成，設(shè)計系統(tǒng)共振頻率 。“房中房”樓板為300mm現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)，重量為10T，完全依靠隔振器支撐，與基礎(chǔ)無任何剛性連接。為了使隔振器承重與國家大劇院錄音棚的一樣，在300mm樓板上加壓30T磚塊。“房中房”基礎(chǔ)為100mm鋼筋砼結(jié)構(gòu)，為使基礎(chǔ)能夠支撐40T的重量，用腳手架支撐基礎(chǔ)于接收室之上。從圖2-1可以看出，“房中房”結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)即為接收室，也支撐在彈簧之上，并不是剛性基礎(chǔ)。基礎(chǔ)的非剛性會影響到“房中房”結(jié)構(gòu)的隔振性能，下文會進(jìn)行詳細(xì)介紹。

實驗通過測量“房中房”結(jié)構(gòu)的撞擊聲聲壓級來研究隔振性能。實驗使用標(biāo)準(zhǔn)打擊器在“房中房”樓板的一條對角線上選擇3個等間距的點進(jìn)行打擊，在接收室內(nèi)測量撞擊聲聲壓級 ，再根據(jù)接收室的混響時間T對撞擊聲聲壓級進(jìn)行修正[11,12]：

(2-1)

式中： ——修正后撞擊聲聲壓，dB； ——撞擊聲聲壓級測量值，dB； ——標(biāo)準(zhǔn)條件下的吸聲量，規(guī)定為10m2；A——接收室的吸聲量，m2；K——與聲速有關(guān)的常數(shù)，通常取0.161；V——接收室體積，m3；T——接收室混響時間，s。

文章用修正后的撞擊聲聲壓級 來評價和研究“房中房”結(jié)構(gòu)的隔振性能。很明顯，撞擊聲聲壓級 越低，傳播到接收室的振動就越少，“房中房”隔振結(jié)構(gòu)的隔振性能越好。實驗測量方法參照《建筑隔聲測量規(guī)范》(GBJ 75-84)。測量儀器為Norsonic公司的RTA840系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)打擊器。

纖維材料隔振實驗

彈簧隔振結(jié)構(gòu)為多點支撐方式，而纖維材料隔振為面支撐，兩者在受力情況和設(shè)計方法上都存在很大差異。本組實驗以河北工程學(xué)院建筑聲學(xué)實驗室為原型。河北工程學(xué)院建筑聲學(xué)實驗室包括一個半消聲室與一個混響室，兩個實驗室均采用“房中房”結(jié)構(gòu)，采用500mm容重為80kg/m3的離心玻璃棉支撐“房中房”，減振材料單位面積載荷分別為2500kg/m2和3300kg/m2。實驗方案是在彈簧隔振實驗的基礎(chǔ)上改造而成，在四個支撐柱子之間用水泥磚砌筑兩列面積為3m2的承重墻，在承重墻上墊減振材料進(jìn)行隔振實驗，如圖2-3所示。根據(jù)隔振材料的單位載荷情況，取消了30T加壓磚塊，使得隔振材料單位面積載荷為3300kg/m2，與實驗原型保持一致。

測量方法同彈簧隔振實驗。

3. 實驗結(jié)果與分析

GERB1: 彈性系數(shù) K=7.2KN/mm,阻尼比 =0.10,上下墊2mm專用橡膠墊

GERB2: 彈性系數(shù)K=9.4KN/mm, 阻尼比 =0.10,上下墊2mm專用橡膠墊

GERB3：彈性系數(shù)K=9.4KN/mm, 阻尼比 =0.10,上墊2mm專用橡膠墊，下墊10mm專用橡膠墊

LPI: 彈性系數(shù)K=3.4KN/mm, 阻尼比 =0.00，上墊3mm專用橡膠墊，下墊14mm專用橡膠墊


圖3-1為不同彈性系數(shù)與阻尼的彈簧隔振器墊上橡膠墊后的撞擊聲聲壓級Lpn曲線，其中GERB1至GERB3由隔而固(青島)隔振技術(shù)有限公司提供，LPI由北京市勞動保護(hù)研究所提供。從曲線可以看出，撞擊聲聲壓級Lpn并沒有隨著頻率的增加而降低，而是一直保持在較高的水平，并且周期性起伏。說明彈簧隔振器的高頻隔振性能并沒有隨著頻率的增大而增大，隔振器在高頻時候已不再符合經(jīng)典的隔振模型。此時不能忽略隔振器的質(zhì)量與基礎(chǔ)的非剛性，隔振器分布質(zhì)量引起的內(nèi)部共振和隔振基礎(chǔ)的非剛性顯著的降低了高頻的隔振能力，并使得高頻撞擊聲聲壓級出現(xiàn)周期性起伏。

比較GERB1、GERB2與GERB3曲線可以看出，在彈簧在隔振器下墊較厚的橡膠墊，即減小橡膠墊的彈性系數(shù)，可明顯改善彈簧隔振器的高頻隔振性能。

巖棉1：容重 =140kg/m3,靜態(tài)下沉度 ;

巖棉2：容重 =140kg/m3, 靜態(tài)下沉度 ;

玻璃棉：容重 =96kg/m3, 靜態(tài)下沉度 ;


圖3-2為不同纖維材料隔振時的撞擊聲聲壓級Lpn曲線，纖維材料由北新集團(tuán)提供。從圖3-2的曲線也可以看出，撞擊聲聲壓級Lpn并沒有一直隨著頻率的增大而不斷降低，同樣出現(xiàn)周期性起伏。實驗說明纖維材料在高頻也不符合經(jīng)典隔振模型，纖維材料內(nèi)部共振和基礎(chǔ)非剛性也顯著降低高頻的隔振能力。

比較圖3-1與圖3-2可以發(fā)現(xiàn)，高頻時，金屬彈簧隔振器的撞擊聲聲壓級Lpn一直保持較高的水平，而纖維隔振器的撞擊聲聲壓級Lpn則逐漸降低。說明金屬彈簧隔振器高頻的內(nèi)部共振比纖維隔振器更為嚴(yán)重。文獻(xiàn)[6]的研究表明，由于內(nèi)部共振的作用，金屬彈簧在高頻的動彈性系數(shù)隨頻率的增大而迅速增大，彈簧隔振器的傳遞率隨動彈性系數(shù)增大而增大，使得金屬彈簧隔振器的傳遞率一直保持在較高的水平。這與實驗結(jié)果相吻合。低頻時，比較圖3-1與圖3-2可以發(fā)現(xiàn)金屬彈簧隔振器的隔振性能比纖維材料更好，這是由于內(nèi)部共振彈簧隔振器彈性系數(shù)比玻璃纖維小，系統(tǒng)共振頻率低。



4. 總結(jié)

文章以國家大劇院錄音棚和河北工程學(xué)院建筑聲學(xué)實驗室為原型建立實驗臺，通過測量不同“房中房”結(jié)構(gòu)的撞擊聲聲壓級Lpn研究“房中房”結(jié)構(gòu)的隔振性能，獲得如下結(jié)論：

(1) 實驗顯示，由于隔振器的內(nèi)部共振與基礎(chǔ)的非剛性的影響， “房中房”結(jié)構(gòu)的高頻隔振性能被顯著的降低。

(2) 金屬彈簧隔振器內(nèi)部共振比纖維材料更為嚴(yán)重，導(dǎo)致金屬彈簧高頻隔振性能不如纖維材料的隔振性能好。墊橡膠墊后可以明顯改善彈簧隔振器的高頻隔振性能。

致謝：

本實驗得到國家大劇院業(yè)主委員會、隔而固(青島)隔振技術(shù)有限公司、北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所以及北新集團(tuán)的大力支持，特此致謝。

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