混凝土薄板结构振动声辐射试验与分析_罗锟.pdf

文章编号：1673-0291（2023）01-0155-08DOI：10.11860/j.issn.1673-0291.20220085第 47 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.47 No.1Feb.2023北京交通大学学报JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY混凝土薄板结构振动声辐射试验与分析罗锟a，b，江理超a，b，姜兴a，b，雷晓燕a，b，李琼a，b（华东交通大学 a.铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心，b.轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，南昌 330013）摘要：针对低频的结构振动声辐射问题，以几何尺寸为 1.6 m1.6 m0.06 m 的混凝土薄板为研究对象，在半消声室中采用单点激励的方法，试验研究了不同荷载幅值、频率、激励位置对混凝土薄板振动声辐射特性的影响，并通过正交试验设计，分析了混凝土薄板结构辐射声压对激振荷载的敏感性.研究结果表明：随着激振力幅值的增大，混凝土薄板结构辐射的声压越大，且在激振幅值增大一倍时，结构振动加速度和声压也随之增大近一倍；第一阶模态固有频率对结构振动贡献最大，该频率下的结构噪声辐射值也最大；通过激励点位置在薄板对角线上的改变，发现激振点位置对于空间场点的声压影响明显，但远场点影响相对较小；以场点峰值声压作为指标，通过正交试验分析，确定激振频率对薄板结构声辐射的影响最大，激振幅值次之，激励位置影响最小.关键词：混凝土薄板结构；结构噪声；振动声辐射；敏感性分析；试验研究中图分类号：U24 文献标志码：AExperiment and analysis of vibration and sound radiation of concrete slab structureLUO Kuna,b,JIANG Lichaoa,b,JIANG Xinga,b,LEI Xiaoyana,b,LI Qionga,b（a.Engineering Research Center of Railway Environment Vibration and Noise Ministry of Education,b.State Key Laboratory of Performance Monitoring Protecting of Rail Transit Infrastructure,East China Jiao tong University,Nanchang 330013,China）Abstract:Aiming at the problem of acoustic radiation in low-frequency structural vibration,this paper takes the 1.6 m1.6 m0.06 m concrete slab as the research object.To experimentally study the influence of different load amplitude,frequency and excitation position on vibration acoustic radiation characteristics of concrete slab,the single-point excitation method is adopted in the semi-anechoic chamber.The sensitivity of the radiated sound pressure of concrete slab structure to the excitation load is analyzed by orthogonal test design.The results show that with the increase of the excitation force amplitude,the sound pressure radiated by the concrete slab structure is large,and when the excitation amplitude doubles,the structural vibration acceleration and sound pressure also double.The first-order inherent modal frequency contributes the most to the structural vibration,and the structural noise radiation value at this frequency is also the largest.By changing the excitation point position on 收稿日期：20220708；修回日期：20221128基金项目：国家自然科学基金（52178424，51868023）；江西省自然科学基金（20224ACB204018）；江西省教育厅科技项目（GJJ200630）Foundation items:National Natural Science Foundation of China（52178424，51868023）；Natural Science Foundation of Jiangxi Province（20224ACB204018）；Science and Technology Project of Education Department of Jiangxi Province（GJJ200630）第一作者：罗锟（1978），男，江西进贤人，副教授，博士.研究方向为铁路环境振动与噪声评价与控制.email：.引用格式：罗锟，江理超，姜兴，等.混凝土薄板结构振动声辐射试验与分析 J.北京交通大学学报，2023，47（1）：155-162.LUO Kun，JIANG Lichao，JIANG Xing，et al.Experiment and analysis of vibration and sound radiation of concrete slab structureJ.Journal of Beijing Jiaotong University，2023，47（1）：155-162.（in Chinese）北京交通大学学报第 47 卷the diagonal of the thin slab,it is found that the excitation point position has a significant effect on the sound pressure at the spatial space field point,but the influence of far field point is relatively small.Taking the peak sound pressure of the field point as the index,through orthogonal test analysis,it is determined that the excitation frequency has the greatest influence on the sound radiation of thin slab structure,followed by the excitation amplitude value,and the excitation position has the least influence.Keywords:concrete slab structure；structural noise；vibroacoustic radiation；sensitivity analysis；experimental study随着混凝土薄板结构在轨道交通工程的广泛应用，其引起的低频结构噪声问题日益受到人们的关注，铁路沿线居民对噪声干扰的投诉也越来越多.现场调研发现，相比于高频噪声，低频结构噪声治理更加困难，也更容易给人们的身心健康带来不可逆转的危害1-3.目前，如何有效控制低频结构噪声问题，仍然是轨道交通绿色、健康发展中亟待解决的科学难题.因此，积极探索低频噪声产生机理，厘清结构振动与结构声辐射间的映射关系，探寻结构噪声的有效控制方法，对于轨道交通沿线的环境保护具有重要的理论意义和工程价值.常用的薄板结构噪声分析方法包括理论计算和数值分析等4-8.在理论计算方面，Xie 等9基于远场声强的模态求和方法，研究了点激励矩形板的平均辐射效率；Ertrk等10用 2D 幂级数表示了薄板表面振动，并利用瑞利公式推导了自由场的声压；Au 等11基于瑞利积分和板的动力响应，在时域内计算了板的周围声压分布，并且提出了计算远场声压分布的简化方法；姜哲等12通过模态方法，理论推导出了不同模态振型下辐射效率的表达式；李林凌等13通过建立薄板流固耦合系统模型及其声辐射模型，理论计算了不同媒质（大气、煤油、水）的振动声辐射特性；刘宝等14考虑板厚引起的声辐射阻抗，采用混合势计算了结构表面声压与振速，并分析了板厚对声辐射参数的影响.数值计算方面，Iuspa 等15以加筋板结构的质量作为约束条件，运用遗传算法对不同截面形式的加筋板展开了分析研究；陈美霞等16-17利用有限元法与边界元法，数值分析了不同约束、激励点位置及材料等对薄板声辐射的影响；张媛媛等18-20根据辐射模态理论，利用有限元的方法分析了作用力位置、尺寸、阻尼参数等因素对薄板声辐射的影响.综上分析可知，目前薄板结构噪声研究对象多集中于机械振动引起的金属结构噪声，而对于复杂荷载下的混凝土结构低频噪声研究相对较少.另外，研究内容多集中于结构参数对结构噪声的影响分析，且对混凝土薄板结构振动声辐射的影响鲜有文献分析，并且研究手段多采用理论分析和数值仿真，多假设理想边界条件，其与实际情况存在一定差异.鉴于此，本文通过振动与声学试验相结合的方法，研究不同的荷载幅值、荷载频率、荷载位置等条件下的薄板振动与声辐射之间关系，以期探明低频结构噪声的产生机理和影响因素，为实际工程中的低频结构噪声控制方法研究奠定基础.1 试验概况采用灌浆料制作几何尺寸为 1.6 m1.6 m0.06 m的混凝土薄板，如图 1所示.灌浆料是以水泥作为结合剂，辅以高流态、微膨胀、防离析等物质配制而成，其组成成分与混凝土相似.另选用 4 mm 钢丝作为混凝土板受力筋，待混凝土薄板达到设计强度后，实测得到混凝土薄板结构的弹性模量为 31010 N m2，密度为 2 203.7 kg/m3.混凝土薄板结构振动声辐射试验在半消声室内进 行，其 中 半 消 声 室 的 净 尺 寸 为 9 400 mm8 600 mm 6 400 mm，本底噪声15 dB（A）.试验中，混凝土薄板置于铝合金支架上，并用 AB 胶进行粘接固定.声学试验时，激振器置于板的下方，并朝上施加激励.为了防止激振连杆与混凝土板的碰撞声影响试验结果，铝合金框架四周采用 0.5 cm 厚 PP透明板密封，并在透明板内侧敷设吸声材料以形成密封的隔声小空间.图 1混凝土薄板结构模型Fig.1Concrete slab structure model156罗锟等：混凝土薄板结构振动声辐射试验与分析第 1 期主要的试验仪器包括比利时 LMS 的 24通道振动噪声数据采集仪、PCB333B32 型加速度传感器（灵敏度：100 mv/g；量程50 g）、PCB208C02 型力传感器（灵敏度 10.91 mv/N，动态范围为450 N）.声学信号采集采用德国 24通道 Head数据采集分析系 统，包 括 HEAD Recorder（HEAD acoustics）、HEAD Artemis（HEAD