有限元法测试岩棉材料隔音性能研究

邹 芳，陶灵平

(安徽三联学院基础实验教学中心 安徽 合肥 230601)

0 引言

轻薄板墙作为一种新型墙体，能够有效减轻墙体结构的荷载，提高建筑的抗震性能，增加房屋的使用面积，因此在当下的建造行业中被广泛应用[1]。相较于传统砖墙以增加墙体厚度的方式阻隔噪声，轻薄板墙则是通过改变墙体材料构造而提高其隔声性能[2]。新型建筑隔音技术利用特殊的隔音材料构建稳定的隔音结构，达到墙体有效隔音的目的[3]。在隔音材料选择上，岩棉材料有助于提升建筑物中轻薄板墙的稳定性和超强隔音性，因此岩棉材料在建筑隔音中被广泛应用。通过对轻薄板墙中岩棉材料的隔音性能进行有效评估，可以促进建筑隔音技术的革新。

声学有限元法是一种较为稳定的音源评估方式，以直接声振耦合的方式分析高频率的局部阻尼效应，以此提升声音评估精准度[4-5]。为了提升轻薄板墙的隔声性能，本文基于声学有限元法提出了轻薄板墙中岩棉材料隔音性能评估方法。根据板墙隔音表征范围，设定岩棉材料隔音评估的表征目标；利用声学有限元法在较为真实的环境中建立复合隔音性能评估模型，采用层状EVA法完成岩棉材料的性能评估。测试结果表明，利用声学有限元法可以有效评估岩棉材料隔音性能；评估结果证明岩棉材料的隔音量较高，可以有效阻隔声学噪音。

1 设定岩棉材料隔音评估表征目标

为了有效消除轻薄板墙表面产生的反射声波，减弱轻薄板墙反射回声，提高岩棉材料隔音性能评估结果的准确性，需要设定岩棉材料隔音评估表征目标。根据墙体材料声音反射测定结果，设定具体且贴合实际的轻薄板墙隔音防护结构，如图1所示。

图1 轻薄板墙隔音防护结构图示

由图1可知，轻薄板墙隔音防护结构首先要测定墙体表面产生的反射声波。岩棉材料隔音性能的表征范围需要与轻薄板墙中隔音材料的实际作用面积保持一致，将表征目标与轻薄板墙的测定数据产生关联。然后添加岩棉材料，实际判断轻薄板墙中岩棉材料的隔音范围。最后根据声音接收点至声屏障的距离和声能传播原理，构建岩棉材料与轻薄板墙的综合噪音防护结构，从而设定隔音表征目标。

利用双声道的声学分析测试系统，对轻薄板墙的厚度及隔音效果进行测试；同时采用SPECTR评估软件[6]，对建筑墙体附近噪声源的声压级进行核验，一般将声压级设定在90～120 dB之间。根据噪声传播的声级随距离增加而衰减的规律，统计接收点至声屏障距离即可得到反射系数。根据声能传播原理[7]，声波在传播过程中使传播介质产生振动，这种振动具有周期性规律，声音的能量随着传播介质由高能量位置向低能量位置转移[8]。因此从能量角度看，声波的传播过程本质上是机械能的传播过程[9-10]。由此判断轻薄板墙中岩棉材料的隔音范围，设定岩棉材料隔音评估表征目标，改善隔音性能。

2 构建复合隔音性能评估模型

以岩棉材料隔音评估表征目标和轻薄板墙中岩棉材料隔音范围为基础，利用声学有限元法构建复合隔音性能评估模型。在有限区域中建立岩棉材料弹性变形条件，通过对岩棉材料弹性变形的不定量分析，结合岩棉材料隔音评估表征目标，构建复合隔音性能评估模型。利用模型分析墙体结构的实际负载，实现对岩棉材料的隔音性能评估。

将设定的评估目标以及评估结构添加在预设的初始模型中，关联每一个目标结构进行复合隔音量的核定，与初始隔音量对比形成具体的评估标准以及误差标准值。对不同板材层数和板材厚度的岩棉材料设立测定区域的有限元评估常数，获得准确的隔声单值评价结果，以此确保最终的复合隔音性能评估效果。采用层状EVA法在评估模型中建立层状EVA辅助评估结构，将不同的EVA层状单元关联在一起，形成最终的评估结果，实现声学有限元下的岩棉材料隔音性能评估。

3 测试验证

3.1 测试准备

由于轻薄板墙中岩棉材料具有多层级的变化特性，在不同的温度环境下，会变换成对应的材料状态。因此，测试应依据实际的需求，先选取一处建筑物作为测试的主要目标对象，提取部分材料样本进行测试与评估。利用火焰法和离心法获取密度为150 kg/m3，面积为1.64 m2的岩棉材料；采用PSDA-20型孔径测试仪测定岩棉材料的纤维直径为6 μm。使用COMSOL软件进行有限元建模。模型如图2所示。

图2 隔音性能有限元模型

3.2 模型应用

为了达到测试目的，在进行测试分析前对复合隔音性能评估模型的准确性进行评估。考虑到岩棉材料的韧性，可以采用具有浸润性的液体充分浸润多孔材料，使其具有更强的张力。但是需要注意的是，岩棉材料的张力也是有限的，需要在极限张力的受力范围内进行应用，以此延伸整体的效果。隔声量的评价指标有多种，根据应用的环境选择评价指标。岩棉材料吸声率是验证模型隔音效果的指标，岩棉材料吸声率达到85%即为满足测试要求。同时，还需要在所设定建筑的轻薄板墙中添加相应体积的岩棉材料，在材料的前侧设定一道具体的防护结构，此结构的主要作用是划定应用区域，避免出现材料外泄的现象。

3.3 测试结果

3.3.1 不同板材层数的岩棉材料隔音效果分析

轻薄板墙的层数一般在3～13层之间且板材的层数一般为奇数，奇数的板材可以让相邻的两层单板纤维呈现垂直状态，提高板材的吸声效果。因此，本文选择3、6、9、11、13层的轻薄板墙作为测试对象，在轻薄板墙中填充厚75 mm的80 K岩棉作为夹芯材料，不同板材层数的隔声单值评价量如图3所示。

图3 隔声单值评价结果

根据图3可知，轻薄板墙岩棉材料的隔声单值评价量随墙板层数的增加有所提高，隔声增量的频谱特性存在明显的不同，板材层数每增加1层提高1 dB。在不同板材层数和板材厚度的岩棉材料测定区域内，计算线性有限元评估常数：

式中：iχ表示声源室第i个测量点的声压级，ψ表示第i个测量点的板材层数，S表示第i个测量点的板墙厚度。通过公式（1）换算得到3、6、9、11、13层的有限元评估常数为8.9、7.4、6.7、5.3、4.2，由此表明岩棉材料的隔音效果随轻薄板墙层数的增加而逐渐缓慢下降。

3.3.2不同板材厚度的岩棉材料隔音效果分析

一般情况下轻薄板墙的规格尺寸为1220 mm×2440 mm（长×宽），本文选择厚度规格为3、5、9、12、15、18 mm的轻薄板墙作为测试对象，填充厚75 mm的80 K岩棉作为夹芯材料，不同板材厚度的吸声率如图4所示。

图4 吸声率结果

根据图4可知，轻薄板墙岩棉材料的隔音效果较好，所有板材厚度的吸声率均高于90%，其中板材厚度在12 mm时其吸声率效果最优为95%。同时也能证明本文方法能够有效测试不同板材厚度的岩棉材料隔音效果。分析原因为本文评估方法关联隔音目标与轻薄板墙的测定数据，基于声能传播原理，构建综合噪音防护结构，根据板墙隔音表征范围，从而设定隔音表征目标。利用声学有限元法在较为真实的环境中建立复合隔音性能评估模型，采用层状EVA法完成岩棉材料的性能评估，总体提高了测量分析数据的有效性。

4 结语

轻薄板墙在现今的建造行业中被广泛应用，但隔音效果还有提升的必要，轻薄板墙中加入岩棉材料能够增强隔音效果。为了增强隔音性能评估效果，本文提出了基于声学有限元法的轻薄板墙中岩棉材料隔音性能评估方法。根据板墙隔音表征范围，设定岩棉材料的隔音评估表征目标，保证隔音性能的针对性。将表征目标与板墙的实际测定数据产生关联；基于声能传播原理，构建岩棉材料与轻薄板墙的综合噪音防护结构，判断轻薄板墙中岩棉材料隔音范围，设定岩棉材料隔音评估表征目标，利用声学有限元法建立复合隔音性能评估模型，采用层状EVA法实现岩棉材料的性能评估。该方法在声学有限元法的辅助下更具灵活性，所覆盖的评估面积更广泛，增加了建筑隔音结果最终的精准性与可靠性，为隔音技术开拓了更为广袤的前景，具有实际应用价值。