建筑外墙敲击声音振动特征分析

■ 王俊伟 Wang Junwei 陈 洋 Chen Yang 赵 鸿 Zhao Hong周 云 Zhou Yun 金桂华 Jin Guihua

0 引言

建筑外墙常用贴面砖、马赛克或粉刷抹灰等方式保护建筑外墙，又具美观效果。然而，由于施工工程中材料不合格、施工工艺不当或施工质量不合格[1]及正常使用过程中自然老化等因素，外墙饰面材料空鼓现象普遍存在。特别是一些高层建筑外墙的面砖、马赛克脱落造成财产损失和人员伤亡后，人们对外墙饰面空鼓问题愈发重视，上海市更是把它提高到了城市公共安全的高度。2010年上海世博会前，上海市政府投入大量财力，对全市几百幢高层，总计约1 500万m2建筑外墙饰面空鼓情况进行了检测，并根据检测情况对空鼓部位进行了修缮。

施工过程中的外墙饰面空鼓问题，可通过加强质量控制，减少或避免墙面空鼓的发生。而对既有建筑外墙饰面空鼓问题，则需要采用一定的检测方法检测，根据检测情况进行修缮，确保使用安全。传统检测方法是让有经验的工程师采用空鼓锤敲击墙面，听敲击声音辨别墙面是否空鼓。然而只是由人来敲击检测，除了存在效率低、适用范围小、依赖工程师的经验等缺点，对高层等建筑外墙显然行不通。上海“迎世博600天”高层建筑外墙饰面空鼓检测中，采用了先进的红外热成像技术，但实践中发现，红外热像技术受天气、拍摄角度、拍摄距离以及红外图像的分析判断等因素影响，时常出现误判[2]。

本文在深入分析传统敲击检测方法中敲击声音振动特性基础上，在不同外墙饰面、多种工况下进行了实验验证，结果表明，可利用墙面敲击声音振动特性判别墙面空鼓情况。

1 敲击声音振动特性[3][4]

根据相关文献对敲击过程动力学分析，在敲击过程中，敲击锤的初动能将转化为墙体饰面材料的弯曲振动能量及相互接触区域形变能量，当墙体饰面材料达到最大形变时，敲击锤的速度变为零，这时所有的初动能都转化为墙体饰面材料的弯曲振动能量和接触区域形变所产生的能量(不考虑能量损坏)。因此忽略压缩波与墙体结构变形的剪切力等成分，能量守恒方程如下：E=1/2≈Ef+Ec。其中，v0是敲击锤的初动能，Ef、 Ec代表墙体饰面材料弯曲变形的能量和接触区域的能量。接触区域的能量包括墙体形变能量和敲击球形变能量两部分，这部分能量通过反弹最后转化为敲击小球的剩余振动。

当墙体饰面材料存在空鼓时，饰面材料和黏结材料间存在空隙，像是一块空心的薄板，该处墙体饰面材料的等效厚度要比正常墙体饰面材料的等效厚度小得多，刚度显著降低。这样在敲击空鼓部位时，敲击锤的初动能转化为墙体弯曲振动能量的比率将大大高于正常墙面，这样空鼓部位的振动幅度将明显增加。墙体饰面空鼓部分与正常部位的刚度和吸收能量的明显不同，将在敲击声音中有明确的表现，即正常墙体因刚度相对较大，振动频率较高，而空鼓墙体因刚度相对较小，振动频率低，但空鼓时墙面吸收了较多的敲击能量，空鼓墙面的振动幅度将增大，表现为声音高。因此通过对敲击过程中产生的声信号特征进行分析，可判断墙体结构中是否存在空鼓。

2 墙面敲击声音振动特性分析结果

实验选取常见的三种建筑外墙饰面，分别是粉刷抹灰墙面、面砖墙面和马赛克墙面。对每种墙面选取两幢不同建筑外墙进行测试，分析其敲击声音特性。实验中录音采用三洋录音笔，音频分析采用cooledit和matlab软件。具体分析结果见图1～8。

通过不同粉刷抹灰墙面声音测试，对比结果表明：①墙面正常和空鼓时敲击声音特征明显不同，正常墙体振动振幅小，而空鼓墙体振动幅度明显增大，这与人耳听到的墙面空鼓时声音高相符(注：声音的三个基本特征为音调、响度和音色，音调由振动频率决定，而声音的高低即声音的响度则由振动幅度决定)；正常墙体振动频率高，而空鼓时振动频率低。②不同墙面空鼓时的振幅与正常时振幅的相对比值均约为3～4倍。③不同墙面敲击的振动频率频段含量不同，这主要是与不同墙面构造如找平层厚度、粉刷层厚度、粉刷层混合砂浆配合比、抹灰层厚度、施工工艺等有关。具体为：墙1正常时的振动频率基本位于2 500Hz左右，而墙2正常时的振动频率基本位于1 200Hz左右；墙1空鼓时的振动频率基本位于750Hz左右，而墙2正常时的振动频率基本位于350Hz左右。

除了对比不同的墙面，还考虑了另外两个因素，一是不同的敲击设备，二是环境噪音。因此，实验测试过程中，采用不同的敲击锤，如多棱金属球(滚动方式)、传统的敲击锤和响鼓锤(金属圆球)对同一墙面分别进行了安静环境和有噪音环境下的测试，测试分析结果表明，采用不同的敲击设备以及环境噪音均未对墙面敲击声音的振动特性产生明显的影响。

另外，针对面砖和马赛克墙面分别进行测试(图9～16)，其声音振动特征表现出与粉刷抹灰墙面相同的规律，只是因为墙面材料不同，振动频率有所差别。

3 结论

综合粉刷抹灰墙面、马赛克墙面和面砖墙面的实验分析结果有如下特征：①同一墙面空鼓时敲击声音振幅明显增大，约为正常时的3～4倍，听起来声音明显高；②同一墙面正常时敲击振动频率高，而空鼓时振动频率低；③不同材料墙面敲击时振动频率不同；④同一材料的不同墙面敲击振动频率不同，这主要与墙面粉刷层厚度、粉刷混合砂浆的配合比、抹灰层厚度和施工工艺等因素有关。综合以上分析结果，可基于墙面空鼓时敲击声音明显的振动特征来判断墙面的空鼓情况。

[1]蒋吉振.外墙饰面砖空鼓和脱落的现象分析及质量控制[J].四川建筑,2007(3) :59-60.

[2]黄新，王晓燕.用红外热成像技术检测外墙空鼓时的影响因素分析[J].红外，2012(6):38-41.

[3]孙牵宇.基于SPCE061A的嵌入式墙体空鼓声无损检测系统. 厦门大学硕士学位论文，2007.6.

[4]F. Tong， S.K. Tso， X.M. Xu.Tile-wall bonding integrity inspection based on timedomain features of impact acoustics，Sensors and Actuators A 132 (2006) 557-566.