CN118007556B - 一种低频吸声性能非金属声屏障单元板的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频吸声性能非金属声屏障单元板的设计方法，可以高效地对单元板中水泥基吸声面板、空气层、浇筑内模和背板的厚度进行设计，实现对非金属声屏障单元板的低频吸声性能、隔声量、面密度以及吸声面板的抗弯荷载的综合优化。
Description
技术领域
本发明涉及声屏障声学技术领域，具体涉及一种低频吸声性能非金属声屏障单元板的设计方法。
背景技术
声屏障作为阻碍噪声传播路径的一项措施，在工厂、施工场地、交通场站等固定场地及公路、铁路、城市轨道交通等线性工程的噪声防治中一直承担重要角色。声屏障根据使用材料主要分为三种，金属声屏障、非金属声屏障（以混凝土为主体材料）及透明隔声屏障，相同设计标准下，非金属声屏障成本最低，同时混凝土材料的耐候性最好，但是其面密度较大，需要在运输、现场安装考虑便利的吊装及移动方案。
我国通用的非金属声屏障的结构型式采用混凝土材料浇筑形成中空腔体，面向声源一侧开孔，腔体内部填充吸声材料，吸声材料主要以岩棉等纤维类材料为主。岩棉类材料质量参差不齐，尤其是酸度系数较低的岩棉或矿渣棉，耐久性较差，容易在服役期间出现坍塌的现象；同时，由于混凝土腔体内部的钢筋保护层厚度不足，导致整体结构强度较低，存在一定的破损现象。基于以上问题，声学构件与骨架构件一体化成型的整体式非金属声屏障的研究逐步兴起，此类声屏障以预制水泥基吸声材料为吸声面板，位于面向声源一侧，通过浇筑，形成吸声面板嵌于混凝土背板中的整体结构，由于吸声材料与背板间无空气层，此类声屏障的低频吸声系数较低，同时面密度较高。
就非金属声屏障单元板设计而言，需要兼顾其声学性能及面密度（考虑运输及现场施工便利性），声学性能主要包含吸声和隔声两个方面，两方面性能往往不能兼顾，针对同一材料、同一结构的单元板而言，一定范围内，面密度越大，隔声性能越好，但不利于产品运输及现场安装。吸声材料的尺寸、吸声材料与内模板间的空气层尺寸、内模板尺寸、混凝土结构的尺寸4项指标综合影响单元板的吸声、隔声及面密度，目前设计方法无法完全落实目标导向的原则，只能先行确定其中的1~4项指标，设计验算或实验反馈后修正初始设计，存在很大的不确定性及反复性，大大降低了设计效率。
发明内容
本发明针对现有技术中的问题，公开了一种低频吸声性能非金属声屏障单元板的设计方法，可以实现对非金属声屏障单元板设计的吸声面板抗弯荷载、低频吸声性能、隔声量以及面密度的共同优化。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种非金属声屏障单元板的设计方法，所述非金属声屏障单元板包括沿声源传播方向设置的水泥基吸声面板、空气层、浇筑内模和背板，所述设计方法包括如下步骤：
S1：预设非金属声屏障单元板125Hz吸声系数α125、面密度m和计权隔声量R w、非金属声屏障单元板总厚度t 总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载F max；
S2：根据预设F max确定水泥基吸声面板厚度t 1，根据判定条件1对t 1进行判定，若满足判定条件1，则进行步骤S3，若不满足判定条件1，则返回步骤S1重新设定5个参数；
S3：根据α125及步骤S2确定的t 1,确定空气层厚度t 2；
S4：根据m、步骤S2确定的t 1、t 总以及步骤S3确定的t 2，确定浇筑内模厚度t 3的下限值；
S5：根据判定条件2对t 3下限值进行判定，若满足判定条件2，则根据预设Rw进一步确定t 3的上限值，若不满足判定条件2，则返回步骤S1重新设定5个参数；
S6：在步骤S4和S5确定的t 3下限值和上限值范围内，预设t 3值；
S7：根据t 总、步骤S2确定的t 1、步骤S3确定的t 2以及预设t 3，确定背板厚度t 4值；
S8：根据判定条件3对t 4进行判定，若满足判定条件3，则确定预设t 3为浇筑内模厚度，完成对单元板的厚度设计，若不满足判定条件3，则返回步骤S6重新预设t 3，若遍历t 3下限值和上限值范围内所有值仍不能满足判定条件3，则返回步骤S1重新预设5个参数。
优选地，步骤S2中，若t 1不满足判定条件1，则优先重新预设S1中非金属声屏障单元板总厚度t 总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载F max。
其中，所述步骤S2中，t 1由下式确定:
；
式中，L为吸声面板沿线路方向的长度，取960mm，b为吸声面板高度，取380mm。
其中，所述步骤S2中t 1的判定条件1为30mm≤t 1≤t 总。
其中，所述步骤S3中，t 2由下式确定：
；
其中，所述步骤S4中，t 3的下限值由下式确定：
；
式中，c=0.006432t 2-2.62656，d=4.752t 总-2.04288t 1-3.50208t 2-2m。
其中，所述步骤S5中，t 3下限值的判定条件2为：t 3下限值＜t 总-t 1-t 2-10mm。
所述步骤S5中，t 3的上限值由下式确定：
；
所述步骤S6中，预设t 3时以下限值为第一次设定值，每次重新预设时增加固定的步长。
所述步骤S7中，t 4由下式确定：
t 4=t 总-t 1-t 2-t 3
所述步骤S8中，t 4的判定条件3为t 4＞10mm。
本申请设计方法S1中非金属声屏障单元板125Hz吸声系数α125、面密度m和计权隔声量R w、非金属声屏障单元板总厚度t 总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载F max依据标准TB/T3122-2019进行预设。
其中，所述非金属声屏障单元板沿声源传播方向设置有水泥基吸声面板、空气层、浇筑内模和背板，所述空气层由水泥基吸声面板和浇筑内模之间的空间形成。所述水泥基吸声面板由0.6~4.75毫米的轻质骨料、胶凝材料、水以质量比3~5:1:0.4~0.65生产而成，所述浇筑内模由批量生产的防火PVC、聚氨酯或预制纤维水泥板制成，所述背板由骨料、胶凝材料、水以质量比为1.5~3.5：1：0.3~0.35制成。
本发明的特点和有益效果为：
一种低频吸声性能非金属声屏障单元板，沿声源传播方向依次设置有水泥基吸声面板、空气层、浇筑内模和背板，其中水泥基吸声面板+空气层+背板的结构，确保了单元板整体的吸隔声性能；单元板整体结构采用混凝土一次性浇筑成型，工艺简单，结构整体性好；浇筑内模在单元板结构中起支撑作用的同时为背板提供了浇筑面，确保背板成型。本申请提供了一种优化单元板各层厚度的设计方法，将单元板总厚度、吸声面板抗弯荷载、低频吸声系数、计权隔声量和面密度作为各层厚度优化设计的初始条件，克服了现有声屏障单元板设计存在的滞后性问题，提高了设计效率，更符合铁路、公路、地铁的降噪设计需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明低频吸声性能非金属声屏障单元板结构示意图。
图2是本发明实施例1非金属声屏障单元板的结构图。
图中：1、水泥基吸声面板；2、空气层；3、浇筑内模；3-1、内模垫块；4、背板；5、主体预应力钢筋；6、侧板。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，给出了本发明的实施例，但并不因此而限制本发明的范围。
参见图1，本发明的低频吸声性能非金属声屏障单元板，包括沿声源传播方向依次设置的水泥基吸声面板1、空气层2、浇筑内模3和背板4。水泥基吸声面板1吸声材料内部颗粒之间存在较小尺寸的、连续的孔隙结构，在较宽频带范围内具有较高的吸声系数；空气层2为水泥基吸声面板1和浇筑内模3围合而成的空气夹层，可以增大声屏障单元板低频吸声性能及整体吸隔声性能；背板4作为背部封闭板，以浇筑内模3为浇筑面，进一步提升结构整体的隔声性能及强度。
本申请水泥基吸声面板1厚度、空气层2厚度、浇筑内模3厚度和背板4厚度的设计方法包括如下步骤：
S1：预设非金属声屏障单元板125Hz吸声系数α125、面密度m和计权隔声量R w、非金属声屏障单元板总厚度t 总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载F max；
S2：根据预设F max确定水泥基吸声面板厚度t 1，根据判定条件1对t 1进行判定，若满足判定条件1，则进行步骤S3，若不满足判定条件1，则返回步骤S1重新设定5个参数；
S3：根据α125及步骤S2确定的t 1,确定空气层厚度t 2；
S4：根据m、步骤S2确定的t 1、t 总以及步骤S3确定的t 2，确定浇筑内模厚度t 3的下限值；
S5：根据判定条件2对t 3下限值进行判定，若满足判定条件2，则根据预设Rw进一步确定t 3的上限值，若不满足判定条件2，则返回步骤S1重新设定5个参数；
S6：在步骤S5和S6确定的t 3下限值和上限值范围内，预设t 3值；
S7：根据t 总、步骤S2确定的t 1、步骤S3确定的t 2以及预设t 3，确定背板厚度t 4值；
S8：根据判定条件3对t 4进行判定，若满足判定条件3，则确定预设t 3为浇筑内模厚度，完成对单元板的厚度设计，若不满足判定条件3，则返回步骤S6重新预设t 3，若遍历t 3下限值和上限值范围内所有值仍不能满足判定条件3，则返回步骤S1重新预设5个参数。
优选地，步骤S2中，若t 1不满足判定条件1，则优先重新预设S1中非金属声屏障单元板总厚度t 总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载F max。
其中，所述步骤S2中，t 1由下式确定:
；
式中，L为吸声面板沿线路方向的长度，取960mm，b为吸声面板高度，取380mm。该公式是由弹性力学理论，板件受力的截面内力极值及力极值计算公式反算得出吸声面板厚度t 1。
其中，所述步骤S2中t 1的判定条件1为30≤t 1≤t 总。
其中，所述步骤S3中，t 2由下式确定：
；
针对不同吸声面板厚度t 1及背部空气夹层厚度t 2组合，参照《声学 抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第1部分：驻波比法》(GBT 18696.1)进行了吸声系数测试，共测试了20种工况，得到了每个工况125Hz吸声系数，以工况的吸声面板厚度t 1及背部空气夹层厚度t 2分别为自变量，125Hz吸声系数为因变量，通过曲面拟合得到两厚度与125Hz吸声系数的关系式，反算得到背部空气夹层厚度t 2值。
其中，所述步骤S4中，t 3的下限值由下式确定：
；
式中，c=0.006432t 2-2.62656，d=4.752t 总-2.04288t 1-3.50208t 2-2m。
单元板面密度为单位面积各组件体积（与各自厚度相关）乘相应的材料密度得出，反算得到一次性浇筑内模厚度t 3。
其中，所述步骤S5中，t 3下限值的判定条件2为：t 3下限值＜t 总-t 1-t 2-10mm。
所述步骤S5中，t 3的上限值由下式确定：
；
上式基于建筑声学中的幕墙结构计权隔声量计算公式，结合阻抗管传声损失测试结果进行了参数修正，反算得到指定计权隔声量下，一次性浇筑内模厚度t 3上限值。
所述步骤S6中，预设t 3时以下限值为第一次设定值，每次重新预设时增加固定的步长。将t 3下限值和上限值内的数据平均分为50段，所述步长为：
。
所述步骤S7中，t 4由下式确定：
t 4=t 总-t 1-t 2-t 3
所述步骤S8中，t 4的判定条件3为t 4＞10mm。
上述设计过程中，以水泥基吸声材料的声学特性为基础，依据标准TB/T 3122-2019确定合理的设计参数，将吸声面板抗弯荷载、低频吸声系数、计权隔声量、面密度、单元板总厚度作为设计初始条件，实现了本申请低频吸声性能非金属声屏障单元板水泥基吸声面板1厚度、空气层2厚度、浇筑内模3厚度和背板4厚度的优化设计。
实施例1
本申请提供一个具体的实施例1结构如图2所示，水泥基吸声面板1的背侧面上设置有浇筑内模3，浇筑内模3与水泥基吸声面板1围合形成空气层2。内模垫块3-1与浇筑内模3一体成型，设置于浇筑内模3的背部外侧面的外周边缘，内模垫块3-1与浇筑内模3的背部外侧面围合形成背板4的浇筑空间，确保浇筑混凝土时，背板4一次成型。水泥基吸声面板1和浇筑内模3的外周、以及浇筑内模3的背侧面上均具有混凝土浇筑结构，位于浇筑内模3的背侧面上的混凝土浇筑结构构成背板4，位于全部水泥基吸声面板1和浇筑内模3的最外周的混凝土浇筑结构构成侧板6，侧板6内沿单元板长度方向设置有主体预应力钢筋5。
实施例1单元板通过外部模具混凝土一次性浇筑成型。混凝土采用骨料、胶凝材料、水生产而成，各组分重量比例为骨料：胶凝材料：水=2.5:1:0.32。其中骨料由细石和砂子组成，胶凝材料由水泥和掺和料组成，掺和料由硅灰、粉煤灰及其他改性材料组成，改性材料可以改善浆体的流动性，消除气泡，确保成型后的混凝土均匀平整。
其中，水泥基吸声面板1为面相声源一侧，为预制构件，采用较小粒径的轻质骨料、胶凝材料、水生产而成，各组分重量比例为轻质骨料：胶凝材料：水=3:1:0.5。其中轻质骨料粒径为2.5毫米，骨料颗粒之间形成的空隙，可以使辐射噪声（尤其是高频噪声）进入，通过与孔壁的摩擦，将声能转化为热能，达到吸声的效果；胶凝材料由水泥和掺和料组成，掺和料由硅灰、粉煤灰、少量纤维及其他改性材料组成，纤维及改性材料可以改善生产过程中浆料的拌合状态，提升成型板材的抗折强度及抗冻融性能。
其中，浇筑内模3采用批量生产的防火PVC制成，顶部与水泥基吸声面板1的接触面固定橡胶软质材料。
下面结合具体实施例1对本发明的低频吸声性能非金属声屏障单元板设计方法进行详细说明。
依据标准标准TB/T 3122-2019预设单元板总厚度t 总=133mm、吸声面板最大抗弯荷载F max=750N、125Hz吸声系数α125=0.4、面密度m=180kg/m2、计权隔声量R w=40dB。
经计算可知：水泥基吸声面板厚度t 1=50.8mm，满足判定条件1；
则空气层厚度
；
由c=0.006432×47.4-2.62656=-2.3217，
d=4.752×133-2.04288×50.8-3.50208×47.4-2×180=35.4919，
则；
t 3下限值=0.5mm＜133-50.8-47.4-10=24.8mm，满足判定条件2；
根据计权隔声量R w：
；
则预设t 3=20mm，t 4=133-50.8-47.4-20=14.8mm＞10mm，满足判定条件3，从而确定水泥基吸声面板厚度t 1=50.8mm，空气层厚度t 2=47.4mm，浇筑内模厚度t 3=20mm，背板厚度t 4=14.8mm。
实施例2
与实施例1的区别在于，预设t 3=18.5mm，t 4=133-50.8-47.4-18.5=16.3mm＞10mm，满足判定条件3，从而确定水泥基吸声面板厚度t 1=50.8mm，空气层厚度t 2=47.4mm，浇筑内模厚度t 3=18.5mm，背板厚度t 4=16.3mm。
实施例3
与实施例1的区别在于，预设t 3=17mm，t 4=133-50.8-47.4-17=17.8mm＞10mm，满足判定条件3，从而确定水泥基吸声面板厚度t 1=50.8mm，空气层厚度t 2=47.4mm，浇筑内模厚度t 3=17mm，背板厚度t 4=17.8mm。
对比例1
依据标准标准TB/T 3122-2019预设单元板总厚度t 总=133mm、吸声面板最大抗弯荷载F max=750N、125Hz吸声系数α125=0.4、面密度m=180kg/m2、计权隔声量R w=40dB。依据经验设计非金属声屏障单元板的尺寸，其中t 1=50.8mm，空气层厚度t 2=20.5mm，浇筑内模厚度t 3=20mm，背板厚度t 4=41.7mm。
对比例2
依据标准标准TB/T 3122-2019预设单元板总厚度t 总=133mm、吸声面板最大抗弯荷载F max=750N、125Hz吸声系数α125=0.4、面密度m=180kg/m2、计权隔声量R w=40dB。依据经验设计非金属声屏障单元板的尺寸，其中t 1=22.5mm，空气层厚度t 2=47.4mm，浇筑内模厚度t 3=10mm，背板厚度t 4=53.1mm。
各实施例和对比例的性能测试结果实测值见表1。
表1
从表1可见，本申请实施例1-3相比对比例1-2，实现了对非金属声屏障单元板的低频吸声性能、隔声量、面密度以及吸声面板的抗弯荷载的综合优化，并且本申请实施例1-3性能实测值与预设值基本一致，因此本发明设计方法可以在满足单元板性能要求的基础上高效地对单元板中水泥基吸声面板、空气层、浇筑内模和背板的厚度进行设计。
需注意，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种非金属声屏障单元板的设计方法，所述非金属声屏障单元板包括沿声源传播方向依次设置的水泥基吸声面板（1）、空气层（2）、浇筑内模（3）和背板（4），其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：
S1：预设非金属声屏障单元板125Hz吸声系数α125、面密度m和计权隔声量R w、非金属声屏障单元板总厚度t 总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载F max；
S2：根据预设F max确定水泥基吸声面板厚度t 1，根据判定条件1对t 1进行判定，若满足判定条件1，则进行步骤S3，若不满足判定条件1，则返回步骤S1重新设定5个参数；
S3：根据α125及步骤S2确定的t 1,确定空气层厚度t 2；
S4：根据m、步骤S2确定的t 1、t 总以及步骤S3确定的t 2，确定浇筑内模厚度t 3的下限值；
S5：根据判定条件2对t 3下限值进行判定，若满足判定条件2，则根据预设Rw进一步确定t 3的上限值，若不满足判定条件2，则返回步骤S1重新设定5个参数；
S6：在步骤S4和S5确定的t 3下限值和上限值范围内，预设t 3值；
S7：根据t 总、步骤S2确定的t 1、步骤S3确定的t 2以及预设t 3，确定背板厚度t 4值；
S8：根据判定条件3对t 4进行判定，若满足判定条件3，则确定预设t 3为浇筑内模厚度，完成对单元板的厚度设计，若不满足判定条件3，则返回步骤S6重新预设t 3，若遍历t 3下限值和上限值范围内所有值仍不能满足判定条件3，则返回步骤S1重新预设5个参数；
所述步骤S2中，t 1由下式确定:
；
式中，L为吸声面板沿线路方向的长度，取960mm，b为吸声面板高度，取380mm；
所述步骤S2中t 1的判定条件1为30mm≤t 1≤t 总；
所述步骤S3中，t 2由下式确定：
；
所述步骤S4中，t 3的下限值由下式确定：
；
式中，c=0.006432t 2-2.62656，d=4.752t 总-2.04288t 1-3.50208t 2-2m；
所述步骤S5中，t 3下限值的判定条件2为：t 3下限值＜t 总-t 1-t 2-10mm；
所述步骤S5中，t 3的上限值由下式确定：
；
所述步骤S7中，t 4由下式确定：
t 4=t 总-t 1-t 2-t 3；
所述步骤S8中，t 4的判定条件3为t 4＞10mm。
2.根据权利要求1所述的非金属声屏障单元板的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，若t 1不满足判定条件1，则优先重新预设S1中非金属声屏障单元板总厚度t 总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载F max。
3.根据权利要求1所述的非金属声屏障单元板的设计方法，其特征在于，所述步骤S6中，预设t 3时以下限值为第一次设定值，每次重新预设时增加固定的步长。
4.根据权利要求1所述的非金属声屏障单元板的设计方法，其特征在于，S1中非金属声屏障单元板125Hz吸声系数α125、面密度m和计权隔声量R w、非金属声屏障单元板总厚度t 总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载F max依据标准TB/T 3122-2019进行预设。
5.权利要求1-4任一项所述的非金属声屏障单元板的设计方法设计得到的非金属声屏障单元板。
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