声学测量概述

时间: 2021-01-13 11:16浏览次数:
(1)声源特性测量和传声途径声学特性测量 
      声学测量是使用声学仪器对声传输系统的声学特性进行测量了解。一个声传输系统,包括产生声音的声源、声音传输的途径和声音的接收者。在建筑声学测量中,通常需要了解的是声源特性和声传输途径的特性。前者包括声源的频谱、指向性、声功率及其时间分布特性等,后者是指材料、结构和建筑空间的声学特性,如吸声特性、隔声特性、衰减过程和混响时间等。
对于声源特性的测量,声音由被测对象发出,测量时通常只需要配置声接收系统。为了排除各种不同传输途径的影响,以便于不同声源的相互比较,通常要规定标准的传输途径,最常用的是自由场和混响场,即把待测声源置于标准化的消声室或混响室中进行测量。但有时因为声源体积和重量很大或搬移安装困难等原因,不能把声源移置到试验室中测量,或者声源的特性需要结合现场环境来了解,如厅堂扩声系统、交通噪声和环境噪声等,就需要在现场进行测量。在现场测量中有时为了得到声源“本身”的特性,即相当于放置在自由场中的特性,需要从测量结果中“去除”现场环境的影响,这有时是很困难的。近年来发展起来的一些新的测量技术,如相关测量、声强测量等,有助于这方面问题的解决。    
对于声传输途径特性的测量,即材料、结构和建筑空间的声学特性的测量,被测对象本身不产生声音,测试时需要配置声源系统,并对所用的声源和声信号作出标准化的规定。当然,接收系统总是需要的。对于材料和结构的声学特性测量,为了便于不同个体和种类间的比较,也要规定一定的传输条件。然后把标准化了的试件按规定的方式纳入传输系统进行测量。这种测量通常也在试验室中进行。对建筑空间的声学特性的测量通常是在现场进行。(2)声学测量的仪器设备
      声学测量用的声源系统通常可分为两类:一类是非电子设备的声源,例如用于产生脉冲声的发令枪、爆竹、汽球(爆裂发声)、电火花发生器和产生宽带稳态噪声的气流噪声源、标准打击器等;另一类是电子设备声源,通常由信号发生器、滤波器、放大器和扬声器组成,声源系统测量仪器框图如图2.7-1所示。
      接收系统通常由传声器、放大器、滤波器、显示装置、记录装置、数据处理装置等组成。声学测量接受系统框图如图2.7-2所示。
      传声器是声学测量中接收系统的“起点”,其作用是把被测的声学物理量转换成电学物理量,而后面的仪器设备都是处理电学物理量的。基本的声学物理量是声压、质点速度和位移。因为测量声压的传声器比测量质点速度和位移的传声器制造起来简单容易,而且有很好的性能,又因为作为人接收声音的器官——耳朵,也是一个受压强作用的接收器,所以现在广泛使用的各种传声器都是把声压转换成电学量(通常是电压)。因此,声学测量的最常用的基本声学物理量是声压。
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 图 2.7-1   声源系统框图
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图2.7-2    声学测量的接收系统框图
    按传声器的构造不同,分为晶体式、动圈式、驻极体式和电容式等等。在声学测量中,使用最普遍的是电容传声器。它具有灵敏度高(即在一定的声压作用下输出的电压高),频率响应平直(即在很宽的频率范围内,在大小相同的声压作用下输出的电压保持相同),动态范围大(可以测量很低的声压到很高的声压),性能稳定等优点。对传声器除了要了解它的灵敏度、频率响应、动态范围等性能外,还要了解它的指向性和使用条件,如环境要求、极化电压等。
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图2.7-4 实际滤波器与理想滤波器的比较
 
    上述只是一个滤波器单元,通常所用的滤波器是由中心频率各不相同但互相衔接的诸多滤波单元组合而成。各中心频率和带宽满足一定的规律。声学测量中最常用的滤波器是“倍频程滤波器”和“1/3倍频程滤波器”。它们的中心频率和带宽的关系详见本手册2.2.3节。
    在声学测量系统中,加滤波器的目的主要是为了了解被测对象的频率特性和把不需要的频率成分滤除掉,以改善接收系统的信噪比,减少噪声对所需信号的干扰。
    为了在声学测量时能反映客观声音的主观感觉,需要考虑到人耳的频率响应。在接受系统中可以插入和人耳频率响应相近的计权网络,对不同频率成分作不同的计权衰减,使测得的声学量——声级能和人的主观感觉比较一致。常用的计权网络有A,C,D,L四种。L计权是对各频率成分都“一视同仁”,不加衰减,称为“线性”(档)。D计权主要用于飞机噪声测量。
    把传声器、放大器、计权网络和显示装置(电表指示或数字显示)组成一个仪器,就是声学测量中广泛应用的声级计。有时也把倍频程滤波器或1/3倍频程滤波器和声级计组合在一起,成为一件便携式仪器。各种声学测量仪器详见本手册第7章。
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        声级记录仪可以把测量结果以曲线形式记录在记录纸上;屏幕显示装置可以把测量结果直观地显示出来;磁带录音机可以把测量信号记录在磁带上保存和重放;而数据处理设备(专用或通用的电子计算机)可以对测量数据作各种运算、处理和分析,以得到所需的信息,并加以存储、显示和输出(打印或绘图)。正是因为数字处理技术的发展,产生了许多新型的声学测量仪器,使测量过程自动化,显示结果直观化,大大节省了人力,提高了精度,缩短了作业时间,甚至作到实时分析。但是传声器、放大器、滤波器仍然是各种声学测量仪器的基本装置。
建筑环境中的噪声测量
    建筑环境的噪声测量是为了了解在某个建筑环境中因为噪声源的存在而对测量点处产生的噪声影响情况:声级、频谱和时间特性等。因为噪声源的种类很多,差别很大,所以对不同的噪声源和在不同的环境中测量的方法有所不同。但总是在适当的位置,在适当的时间,测量适当的频带声压级或计权声压级。环境噪声测量的目的是为了了解噪声对人的影响,所以必须和人的主观感觉相联系。各种噪声测量方法正是根据噪声源的特性、环境的特性和对人的影响来确定测量的地点、时间和频带范围。
    从噪声的时间分布特性来看,噪声通常可分为稳态噪声、脉冲噪声和随机分布噪声。稳态噪声是指在相当长的时间内,噪声是稳定的,其强度和频谱没有太大的变化,如风机噪声、电机噪声等。脉冲噪声的持续时间很短,如冲击和撞击噪声,有的脉冲噪声以一定的间隔周期性地连续重复。随机分布噪声指声源的发声是随机的,或者发声体的出现和消失是随机的,这就使得观测点接收到的噪声是随机的,噪声级随时间起伏变化,又称“起伏噪声”,如街道交通噪声、建筑空间中的人群活动噪声等。
    对于稳态连续噪声,通常用声级计测量A计权声级,记为dB(A)。同时亦可测量C计权声级和线性档声级,以粗略估计噪声的低、中、高频成分的大致分布。如果要求作频谱分析,可配合倍频程或l/3倍频程滤波器,测量各频带声压级,得到噪声频谱。测点位置通常是在声源附近(以了解声源情况)和接收者的代表性位置(以了解噪声对人的干扰)。
    测量前要对声级计进行校准。通常用一个标准声源,如产生l000Hz、94dB纯音的声级校准器或250Hz、124dB的活塞发声器。声级计接收标准声源的声音,调节灵敏度使指示读数正好是规定的声压级。
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    对于脉冲噪声,需要用脉冲声级计来测量。这种声级计具有脉冲保持档,在脉冲声过后,可以把脉冲声的声级保持住,便于读取。如果需要进一步了解脉冲声的时间特性,如脉冲声延续时间、脉冲形状等,就需要用示波器或其他脉冲测量仪器进行分析。
    对于随机噪声,如果起伏不大,或者只要求测量一个短时间(1秒至数秒)内的值,可以用声级计慢档读取一个平均数。如果随机噪声起伏较大而又要了解较长时间内(几分钟、几小时,甚至一天)的噪声情况,显然只读取一两个测量值是不行的。这时就需要测量统计噪声级(或称累积分布声级)。
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    等效连续声级相当于以一个稳定的连续噪声来替代随机噪声,两者在时间T内具有的能量相同。    
混响时间测量
    混响时间测量是建筑声学中最常规的测量。一方面,混响时间是目前用于评价厅堂音质的最重要的和有明确概念的客观参量;另一方面,吸声材料和结构的扩散入射吸声系数的测量、围护结构的隔声测量、声源声功率测量等项目都需要进行混响时间测量。
测量混响时间的常规设备如图2.7-5所示。
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图2.7-5  混响时间测量仪器布置框图
由信号发声器通过放大器驱动扬声器发出声音,传声器把接收到的声能转换为电能输出给放大器和滤波器,然后加到声级记录仪上。在扬声器发出的声音使房间声场激发达到稳态后的某个瞬间,用开关切断信号。通过纸带或数字采样等记录方法,绘出声压级(dB)衰减的曲线。用混响时间曲线盘就可以读取混响时间值。图2.7-6为混响曲线示例。
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图2.7-6  混响曲线和混响时间的度量
    测量混响时间常用的声源信号有两种:一种是调频的正弦信号,称为“啭音”,调制的频率约10Hz。采用啭音是为了避免单纯正弦信号会出现驻波现象。另一种是用窄带无规噪声,这是在粉红噪声发生器后面加接倍频程或l/3倍频程滤波器而得到的。在厅堂混响时间测量时,声源信号也可以用脉冲声,再采用脉冲反响积分法的方法计算混响时间。通常使用的脉冲声源有发令枪、爆竹、汽球爆裂等。
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实际上从混响圆盘上可直接读出混响时间T,见图2.7-6。
通常是从衰减曲线上稳态声级的(-5~-35)dB的范围来决定衰减斜率。
国内新开发的一些声学测量仪器已可以自动测量混响时间,以数字直接显示并打印出来,无需人工去量混响曲线。但是声级记录仪画出的混响曲线,除了可用于量出混响时间外,还包含着衰减过程的信息,有时还是很需要的。
在厅堂音质的混响测量中,声源通常是放在自然声源的位置,如舞台中央大幕线内3m,高度离舞台面1.5m左右。传声器位置选取有代表性的几个点,如观众区的池座前区、中区、楼座、挑台下等(如果平面对称,则仅布置一半即可)。在混响室内测量时,声源通常放在室内一角,传声器位置取3-5点,各点均应离开房间界面1m以上,并离开声源1m以上。
测量的频率,对于厅堂音质通常为(125—4000)Hz倍频程的中心频率,对于混响室测量也可以用1/3倍频程的中心频率。每个测点、每个频率在低频(500Hz以下)测取6条混响曲线,取其平均值,在中、高频则取3条混响曲线加以平均。
隔声测量
    (1)空气声隔声测量
空气声隔声测量的试验室由两个相邻的混响室组成,一个是声源室,一个是接收室。在这两个房间之间有一个安装待测试件的洞口,洞口的标准面积是10m2,通常为4m×2.5m。为了防止侧向传声的影响,声源室和接收室是相互脱开的,它们之间没有刚性连接。为了避免基础或地基连接的传声,减少外部振动和噪声的影响,接收室通常支承在弹簧或弹性垫层上。接收室的门也应具有良好的隔声性能。接收室的体积必须大于50m3,最好在100m3左右。声源室还可稍大一些。两个房间都要求声场有良好的扩散。在声源室可以通过尽量少的吸收以达到长混响而建立扩散声场。在接收室为了能和实际使用情况接近,不希望混响时间太长,最好不大于2s,这和要求良好的扩散是矛盾的,解决的办法是设置扩散体。
声学测量
     声学测量   
        测量的频率范围通常是(100~3150)Hz,共16个1/3倍频程中心频率。
把16个频带的值画在坐标图上,就可得到该试件的空气声隔声曲线,并可按国家标准GB/T50121《建筑隔声评价标准》求得计权隔声量Rw和C,Ctr
(2)撞击声隔声测量
声学测量
 
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驻波管法:
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          声学测量                      
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需要注意的是,现场测量通过反射延迟的时间窗确定反射波和入射波,通过计算,得到的是声波接触界面后立即被反射回来那部分的能量比例,更确切地说是反射系数,再用1减去反射系数得出吸声系数。然而,吸声系数不一定就完全是1减去界面反射系数,如果入射表面的后面还有反射面,透射的声音还将有一部分比例反射出来,吸声系数是应将这部声音也扣除出去的,这一点需要注意。
建筑声学中其他常用声学测量项目
    除了上述几种声学测量外,在建筑声学中还有几种常用的声学测量,如声场分布测量、脉冲响应测量、方向性扩散测量和声源声功率及指向性测量等。
    (1)声场分布测量
在一个厅堂中,为了了解在使用(演出、讲演)时听众席上各点听到的声音大小是否相同或差别多大,可以通过声场分布测量来了解,即在声源发声时,测量听众席上各点的声压级。因为通常不可能同时测量较多点,所以要求声源发出的声音是稳定的,在每个测点测量时能相同地重放。这对自然声很难做到,所以通常是用电子设备的声源系统,信号用啭音或窄带噪声,也可以用音乐的片断。声源位置通常就是实际使用时自然声源的位置。在空场时进行测量,可以在观众席上测取很多点,甚至每个席位逐个测量。但空场测量结果往往不能反映实际使用时的情况。在听众满场测量时,限于时间,不可能测取很多的点,只能在有代表性的若干个点进行测量。
(2)脉冲响应测量
    在厅堂音质测量中,为了了解接收点的反射声的时间分布,可以进行脉冲响应测量。用一个短的脉冲声激发房间声场,脉冲宽度一般应小于20毫秒。在接收点处用高质量的传声器连接到示波器以观察声压响应。如果需要可以把示波器上的图形拍摄下来。也可以采用声频A/D转换器进行高速数据采样,获得脉冲响应的数字序列。脉冲声源通常用电火花发生器。如果要区分频率,也可以用短的突发纯音作测试信号,用扬声器系统来放音。
    房间或房间内某个位置上的一些严重声学缺陷,能够从示波器显示的脉冲响应图中发现。这些缺陷例如没有初始反射声,强反射之间的时间间隔太长,在较晚的时间内出现明显的峰,则表示存在回声等等。图2.7-8是脉冲响应的示例图
声学测量 
图2.7-8    脉冲响应示例图
(3)声场方向性扩散测量
    脉冲响应测量是为了了解接受点处反射声的时间分布结构,而方向性扩散测量是了解接受点处反射声的空间分布形态。声源仍和脉冲测量时相同,但要求是稳定的连续发射的脉冲。在接收点处用强指向性的传声器(可以把传声器放在管中,或置于抛物面的声反射镜中心),测量空间各方向传来的反射脉冲的声压级。传声器可以和极坐标声级记录仪相联,两者同步转动,可以自动测量空间某个平面上反射声的方向性分布。改换不同的平面就可以完成全空间的测量。把各方向反射声大小按方向分布画出来,其形状如同刺猬,故俗称“声刺猬”,见图2.7-9。
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图 2.7-9  声场方向性扩散测量示例
(4)声源声功率和指向性测量
    为了了解一个噪声源的特性,最好是了解它的总声功率、频带声功率和指向性。这些都是噪声源固有的不随测试条件而变化的量。
声学测量

 
在工程级测量时,测试室可以是专用混响室,也可以是吸收较少、混响较长的大房间。Lp可以是A计权平均声压级,得到A计权声功率级。
声学测量

 
           声学测量 
       散射系数是房间声学的一个非常重要的参数(例如音乐厅、歌剧院、录音室、排练室和混响室等),它对室内听闻起着显著的影响。散射不良不仅会导致声场不均匀,而且会引起声染色和声像定位不准等问题;相反地,房间内散射充分的表面是良好声场的重要保障。另外,对于计算机声场模拟与预测工作,获得准确的散射系数也是非常必要的。图2.7-11为混响室“脉冲声响应转动平均法”测量材料散射系数的照片。
国际标准化组织(ISO)针对无规入射散射系数的测量提出了标准ISO17497-1。在此标准中,给出了在混响室内采用脉冲响应同步平均法测量无规入射散射系数的方法,据此测量得到的无规入射散射系数具有实用意义,也适合于作为计算机厅堂音质模拟与预测的输入参数。

                         声学测量                 

②无规入射散射系数的测量原理
由式(2.7-19)可知,为了得到散射系数s,需要测量得到aspec与as的值。as的测量可以采用常规的混响室吸声系数测量方法,而aspec的测量成为测试方法的关键,这可以采用脉冲响应平均法巧妙地获得。
通过在时域图上观察声波在界面的反射和散射情况可以有助于直观地理解该方法。图2.7-12是三个经过带通滤波后的脉冲响应(经同步锁相)叠加的时域示意图,这三个脉冲响应是在固定声源和传声器位置的情况下,散射试件处于三种不同方向的测试结果。很显然,脉冲响应的早期反射(重叠部分)是高度相关的。这些重叠部分是试件反射中的镜面反射分量。相反的,脉冲响应的后部相位是不一致的,与试件所处的方向是相关的,这些“尾部”的反射声包含了散射部分。
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图2.7-12    三个脉冲响应同步叠加示意图
测试方法的原理是从脉冲响应中将镜面反射能量部分提取出来。这一点可以通过对试件不同方向的脉冲响应采用同步(锁相)平均法来实现。
这种方法可以直接应用在混响室中。除了传统的吸声系数测量以外,在一可旋转圆形转盘上安放试件,测量试件在不同方向下的脉冲响应,将这些脉冲响应同步平均后,镜面反射成分被同相叠加,而散射成分被去除掉了,从而可以计算得到aspec。如图2.7-13所示。
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图2。7-13   不同次数的脉冲响应采用同步平均后反向积分得到的衰减曲线
③无规入射散射系数的测量实例
根据ISO17497-1,我们对一种散射成品试件在混响室内进行了散射系数足尺测试。测量时,首先在混响室内安装一可旋转圆形转盘,在转盘上没有试件(空场)和有试件(满场)的情况下测量脉冲响应从而得到混响时间T1(空场)和T2(满场)。在全部测试中,至少要有两个声源位置和三个传声器位置,共六次测量。混响时间为各次测量的算术平均值。
当进行aspec的测量时,分别在转盘上安放和不安放试件,针对每一组声源-传声器位置,离散测量n个脉冲响应,每次测量后转动试件360°/n。我们在测试中取n=72,即每次转动试件5°。将全部测量结果采用脉冲响应同步平均法处理后可以得到混响时间T3(空场,只有转盘转动)和T4(满场,转盘和试件一起转动)。

无规入射吸声系数as由式(2.7-20)计算:
声学测量 (2.7-20)
式中,V为混响室体积,S为试件表面积,c1和c2分别是测量T1和T2时的声速,m1和m2分别是测量T1和T2时的空气吸收系数。
无规入射镜面吸声系数aspec由式(2.7-21)计算:
声学测量 (2.7-21)
式中,c3和c4分别是测量T3和T4时的声速,m3和m4分别是测量T3和T4时的空气吸收系数。
据此,由式(2.7-19)可计算得到无规入射散射系数s。结果见图2.7-14。
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图2.7-14  实测试件无规入射散射系数s
(6)人工雨模拟雨噪声测量
雨噪声很早就受到人们的注意。国内外剧场设计规范中,有采用重屋盖隔绝室内雨噪声的要求。近年来,大跨度、造型奇异的建筑增多,轻质屋盖大量使用,雨噪声问题增多。在别墅、讲堂、体育馆、演播厅、电影院、剧场、剧院等噪声敏感建筑中采用彩钢夹心板、膜结构、金属屋面、阳光板等轻屋盖时,常有雨噪声问题发生。尤其在我国南部降水较多地区,轻质屋盖雨噪声问题的影响更加突出。
国际标准化组织编制了屋盖产品雨噪声的实验室测量规范,用以规范雨噪声的测量方法、比较轻质屋盖产品和降噪方案的雨噪声性能。该标准为ISO140-18:2006 Acoustics- Measurement of Sound Insulation in Buildings and of Building Elements-Part18。
①降落雨滴的模拟
采用滴流法可以近似模拟落雨现象。即在水管或水槽底部钻小孔,水因重力下流,由于表面张力先形成水滴,重量超过极限后将自然下落。
雨滴的直径取决于钻孔直径,钻孔直径不能太大,否则将形成水流而不是水滴。通过实验反复尝试,在合适的钻孔直径条件下,可获得5-6mm直径的模拟雨滴。如在PVC水管上钻直径为0.8mm的孔,可稳定地获得6mm直径的雨滴。
另一种可行的方法是,钻较大的孔,在孔中插入同直径的钢钉,由于钢钉根部为楔型,水流会从钢钉与孔壁之间的间隙流出,并在钢钉末端钉尖处形成滴流。选择合适的钢钉,可形成6mm直径的雨滴。
对于自然雨来讲,既有大雨滴,也有直径小一些的雨滴,常见于0.1-6mm之间,雨强越大,大雨滴越多 。因为,雨噪声模拟主要考虑大雨甚至暴雨的情况,而且雨噪声主要以大雨滴的贡献为主,所以,采用6mm直径的雨滴进行模拟是合适的。
②降雨高度的影响
自然雨是从高空下落的,落地时为极限末速度。人工降雨采用的雨滴自由落体高度受到实验室的条件的限制,对普通建筑改造的人工实验室,设计高度可采用3m。6mm直径的雨滴,理论极限末速度为=9.1m/s左右,自由下落h=3m时,末速度约=6.8m/s,不同高度雨滴自由降落末速度实测值见表2.7-1。根据研究,3m降落雨滴与高空降落的自然雨相比,雨噪声L声级降低约5dB。
表2.7-1  6mm直径雨滴降落末速度实测值

降落高度m 2 3 5 10 30 40 50
末速度m/s 6.2 6.8 7.6 8.6 9.1 9.2 9.1
③人工降雨水系统的设计
利用楼板撞击声隔声实验室,建立了人工雨模拟雨噪声实验室。实验室设计降雨高度3m,降雨粒径6mm,通过液面高度控制,可控制降雨强度。进行雨噪声测试时,将12m2左右测试屋面构件安装在接收室上部作为顶棚,接收室为“房中房”浮筑结构,可有效防止侧向传声,保证接收室内测量的声能均为来自于屋盖构件受雨滴冲击所产生的声音。
上水系统采用自来水,可人工控制地流入高处的水箱。与水箱连接有间距100的40根直径30mm的PVC水平管排,每根水管底部钻孔,孔距80mm,孔径0.7mm,从水箱中流出的水可均匀地进入水管,并在试件上方形成10 m2的模拟降雨。该滴水系统是在不断调整、试验的基础上最终确定的。
试验构件上根据实际屋面的倾斜角度确定散水的倾斜角度,在试件的周边通过水槽收集滴落的雨水,并通过管道排出实验室外。图2.7-15为位于清华大学建筑学院的雨噪声实验装置示意图及实验室实景照片。
垂直落雨面积为10 m2,根据接收室测量的声压级按ISO3741 计算可获得屋盖每平米雨噪声声功率级,该数值可用作屋面构造雨噪声比较,也可用于预测房间室内噪声。
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图2.7-15   清华大学的人工模拟降雨雨噪声实验室
2007年以来,清华大学对雨噪声进行了深入研究,通过调查、测试、分析、计算,积累了大量数据,在雨噪声研究方面已有所突破。表2.7-2列出了不同屋盖构造、不同雨强下的平米雨噪声声功率级,可供设计参考。
表2.7-2  屋盖构件雨噪声实测数据表
 
                                                                         (续)

屋盖构造 应用工程 实验雨强
mm/min
 平米雨噪声声功率级
dB(A)/m2
0.6mm波纹彩钢板 用于研究 1.0 74.8
0.6mm波纹彩钢板,底贴0.8mm厚静音毡 用于研究 1.0 63.8
100mm厚聚苯彩钢夹心板 用于研究 0.5 68.7
100mm厚聚苯彩钢夹心板 国防部演播厅 0.5 70.1
100mm厚聚苯彩钢夹心板上设轻质隔声层 国防部演播厅 0.5 38.6
钛金属屋面板,底喷25mm厚K13吸声纤维层 国家大剧院 1.0 37.0
金属屋面板,底喷25mm厚TC吸声纤维层 国家体育馆 2.0 37.8
双层ETFE薄膜气枕 国家游泳中心 2.0 74.6
双层ETFE薄膜气枕,上铺TEXLON防雨网 国家游泳中心 2.0 64.0
①注:实验采用固体颗粒物模拟雨噪声,与雨滴作为冲击源相比,测量数值可能偏大。

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