空心砖墙隔声有限元数值模拟分析.pdf
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1、024摘要:为探究空心砖砌块内部孔洞数量及孔洞排布方式对隔声效果的影响,利用有限元方法分析两种常见厚度(115mm和190mm)空心砖墙的隔声效果,对比不同长度及宽度方向开孔数量对隔声量的影响,并通过模态分析对隔声低谷进行解释,旨在为空心砖砌块墙隔声设计提供参考。结果表明:在所设孔洞形式与尺寸下,190mm 厚空心砌块墙的计权隔声量比 115mm 厚的高 6dB;同尺寸的空心砖墙隔声量比实心砖墙低 6 7dB;空心砖墙隔声低谷出现的位置取决于特征频率下的振型及位移幅值大小;增加空心砌块长度或宽度方向的开孔数可以有效提高隔声低谷处的隔声量,也可提高计权隔声量,将长度方向开孔数从2孔增加到4孔,计
2、权隔声量增加6dB;将宽度方向开孔数从1孔增加到2孔,计权隔声量增加5dB;但当开孔数增加到一定值以后,继续增加则作用不再明显。Abstract:In order to explore the influence of the number of holes in hollow brick blocks and the way of hole arrangement on the sound insulation effect,the finite element method was used to analyse the sound insulation effect of two kin
3、ds of hollow brick walls with common thickness(115mm and 190mm),the influence of the number of openings in different length and width directions on sound transmission loss was compared,and the sound insulation trough was explained through modal analysis.The aim is to provide reference for sound insu
4、lation design of hollow brick block wall.The results show that the weighted sound transmission loss of 190mm thick hollow block wall is 6dB higher than that of 115mm.The sound transmission loss of hollow brick wall is 6-7dB lower than that of solid brick wall;the location of sound insulation trough
5、depends on the vibration mode and displacement amplitude of eigen frequency.Increasing the number of holes in the length or width direction can effectively improve the sound transmission loss at the trough,and also improve the weighted transmission loss.By increasing the number of holes in the lengt
6、h direction from 2 to 4,the weighted transmission loss is increased by 6dB;as the number of openings in the width direction increases from 1 to 2,the weighted sound transmission loss is increased by 5dB;however,when the number of holes increases to a certain value,the effect is no longer obvious.关键词
7、:空心砖墙;有限元;隔声Keywords:hollow brick walls;finite element;sound insulation文张红虎浙江大学建筑工程学院副教授张瑜浙江大学建筑工程学院硕士研究生(通讯作者)DOI:10.19875/ki.jzywh.2023.09.008引言空心砌块因其节能环保特性在建筑墙体中得到广泛应用。前人对空心砖墙隔声效果的研究以实验室及现场测量为主,缺少仿真研究。Ascigil 等1通过实验测量了不同空腔深度和填充物厚度的空心砖墙的隔声量。胡庆国等2通过实验室测量的方式研究了 240mm 普通混凝土空心砖墙和 190mm 陶粒混凝土墙的隔声量,发现普通
8、混凝土空心砖墙隔声性能较好,完全能达到粘土实心砖的水准。李蒙正等3通过经验公式得到了不同厚度及材质的空心砖墙的隔声量。孔洞的排布形式不同会影响砌块内部的空气层厚度、空气层层数及孔隙率,进而影响空心砖墙的隔声效果。本文采用有限元方法4-6分析不同孔洞形式对空心砖墙共 6 种工况下的隔声效果的影响,旨在为空心砌块设计及空心砖墙隔声效果研究提供参考。参照标准7,研究选取常见的砌块尺寸:长度为390mm;宽度(决定墙厚)有 2 种,分别为 190mm 与 115mm;高度为 180mm。砌块均采用矩形孔洞且满足开孔率 40%以上,砌块形式如图 1 左图所示。1 模拟方法空心砖墙模型设置如图 1 右图所
9、示8,x 方向为沿砌块宽度方向,y 方向为沿砌块长度方向,z 方向为沿砌块高度方向(图中为垂直于纸面向外)。模型忽略了砌块之间水泥砂浆的影响。声源侧设为理想的扩散场9,在接收室侧利用完美匹配层(PML)设置理想的消声终端。墙背后空气域的长和宽略大于墙的长和宽是为构建 PML 以吸收透射声,声波入射面只施加在墙面上,无侧向透射声影响。模拟频带范围为50 4000Hz 的 1/3 倍频带中心频率。1.1 数学模型扩散声场由 N 个入射角度及相位随机的、均匀分布的平面波组成,见式(1):式中:为扩散声场声压的入射分量;、和分别为入射声波的高度角、方位角及相位;分别为波矢在x、y、z方向的分量;COM
10、SOL 模型中每个n都会生成一组新的随机数。入射声场的反射分量见式(2):在空心砖墙表面,施加到结构上的总压力为扩散入射压力和反射压力的和,见式(3):入射声功率表达式如式(4):Finite Element Numerical Simulation Analysis of Sound Insulation of Hollow Brick Wall空心砖墙隔声有限元数值模拟分析式中:,为入射声场沿x方向的入射声强,*表示取共轭;,为入射声波在x方向的速度分量;为圆频率;为结构入射侧面积。空心砖墙接收室侧的透射声功率由结构位移来控制,见式(5):式中:,为透射声强;u为结构沿法线方向的位移;为总
11、声压。由式(6)计算得空心砖墙隔声量10:1.2 模型建立频率越高,所需网格数越密。为减少计算量,需对整墙模型的尺寸进行缩减。本文采用对称边界条件计算 50 2000Hz 内的隔声效果,采用周期性边界条件计算 2000 4000Hz 的隔声效果。对称边界表示几何结构的对称,因此,可以将1/4空图 1砌块及砖墙模型,左:空心砌块形式;右:空心砖墙模型设置(图片来源:作者自绘)025234|2023|09建筑学心砖墙的两个相邻边界设置为对称边界来等效整墙模型。而对于高频,采用对称边界网格数仍然过多,计算量过大,因此考虑周期性边界。当高频声波的波长远小于模型最小单元尺寸时,此时对于高频声波而言,可将
12、结构视为无限大,可采用周期性边界来等效计算。4000Hz声波的波长为85mm,因此,选取的最小单元尺寸为1170900mm(长度方向3块砖,高度方向5块砖)。采用对称边界可以将面积缩减为整墙的1/4,周期性边界将面积缩减为整墙的3/20。该简化方法与物理现实情况相符,同时大大减少计算量。首先,建立 50 2000Hz 的计算模型。建模时采用对称边界条件,按错缝砌法将19503600mm 的整墙简化为 9751800mm,同时入射声场强度设为原整墙的 1/4。砖墙内外均涂抹 15mm 水泥砂浆抹灰层。对称边界模型如图 2(a)所示。而对于 2000 4000Hz 的高频范围则采用周期性边界。周期
13、性边界应成对设置,且网格划分时,应使两边界上的网格完全一致。周期性边界模型如图 2(b)所示,周期性边界包含两个边界,对称设置,两边界上的网格完全一致。左图蓝色为两对压力声学周期性边界,右图蓝色为两对固体力学周期性边界。网格划分应保证每个波长大约有 10 或12 个节点来解析,因此,最大单元尺寸为 c0/fmax/5,最小单元尺寸为 c0/fmax/6;完美匹配层的网格设为 8 层,以保证透射声波被完全吸收11。网格划分12如图 3 所示。模拟所选取的普通混凝土空心砖材质参数如表 1 所示13。1.3 模拟验证为验证模拟的准确性,对标准图集14中190mm 厚陶粒混凝土空心砖墙的隔声量进行模拟
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