远洋客船玻璃结构声学特性研究

束伟宏,王一飞

(1.中海油服湛江分公司 船舶作业公司,广东 湛江 524057;2.中船邮轮科技发展有限公司,上海 200137)

0 引言

舱室噪声性能是评价远洋客船舒适性的关键指标。室内的隔声效果更多取决于门窗结构的隔声性能;相比于客舱壁的钢结构,玻璃门窗对噪声的贡献度更大[1]。玻璃门窗广泛应用于远洋客船舱室窗户、驾驶室和阳光房等部位,因此,开展远洋客船玻璃门窗隔声性能研究具有重要意义[2-3]。

玻璃中低频的隔声量较差[4]。吻合效应和共振的存在导致玻璃隔声量减小[5]。虽然增大面密度可以有效提升玻璃的隔声性能,但会使玻璃体积急剧增大,从而大大增加成本[6]。中空玻璃的隔声效果与面密度相等的单层玻璃相比,隔声量的增加并不明显,难以改善中低频段隔声性能。当中空玻璃两侧使用不等厚度玻璃时,可提升其隔声性能,但无法明显提升低频段隔声性能。使用具有中低频响应特性的夹胶材料(透明阻尼材料)可以提升夹层复合玻璃中低频隔声性能,但是能够有效衰减中低频噪声的透明阻尼材料的种类少且成本高[7]。

本文基于隔声理论,以远洋客船舱室窗户玻璃和阳光房玻璃为研究对象,利用统计能量法建立单层玻璃、双层中空玻璃和聚乙烯醇缩丁醛(Palyvinyl Butyral,PVB)夹胶玻璃的声学模型,通过控制变量法和枚举法研究不同结构参数对这3种玻璃的隔声性能影响。利用VA One软件仿真其隔声量,结合不同频段隔声特性和平均隔声量的大小总结不同结构参数下3种玻璃的隔声规律。

1 玻璃隔声的基本理论

玻璃的隔声理论可以基于声波在玻璃中传播的特性来解释。声波在玻璃中传播时会受到玻璃本身的弹性特性和密度的影响,同时也会受到玻璃表面的反射和透射等影响。隔声方法根据声源激励特性和传播路径的不同,通常分为空气隔声和结构隔声。研究玻璃隔声时应根据各自的特点采取不同的隔声措施,同时这2种隔声措施不能相互替代。通常用传输损失、噪声衰减和插入损失描述材料隔声效果。隔声能力一般用于示明材料自身的固有隔声性能。

假设空气中存在的无限大单层均匀玻璃将空间分成两部分,平面声波以垂直于薄板的角度入射,其隔声量为

式中:R为隔声量,dB;ρ1c1为空气的特性阻抗;M为单层玻璃的面密度,kg/m2;ω为声波入射频率。

实际中,由于板件受到劲度、阻尼、吻合效应和边界条件等各种因素的影响,理论公式的隔声量计算结果往往大于板的实际隔声量。

2 普通结构玻璃隔声性能研究

常见的玻璃型式有单层玻璃、双层中空玻璃和PVB夹胶玻璃。玻璃的结构由玻璃本身和封边材料组成。本文假定玻璃封边材料具有良好的密封性且隔声性能良好,仅对玻璃本身进行隔声量分析。通过改变玻璃的不同结构参数,探究玻璃的隔声性能变化,以建立合适的玻璃结构参数选取规律。

单层玻璃的长×宽为1 000 mm×1 000 mm,利用VA One软件建立不同厚度单层玻璃模型。本文在建立分析系统模型时充分参照远洋客船运行过程中的环境特性,外部声场为无限大的空间,内部声场为有限空间。故假定外部为空间较大的混响室,其阻尼损耗因子为0.01;内部为较小空间的近似消声室,其吸声系数为0.01。该声腔计算模型见图1。

根据上文建立的SEA声腔计算模型,选取厚度分别为2、3、4 mm的3种玻璃进行声学分析,其隔声特性见图2。普通钢化玻璃材料的主要参数如下:密度2 500 kg/m3,弹性模量4.85×1010Pa,泊松比0.24,剪切模量1.956×1010Pa,阻尼损耗因子0.01。

由单层玻璃计算结果可知:2 mm厚度的隔声低谷出现在8 000 Hz附近,最低值为21.2 dB,隔声峰值出现在5 000 Hz附近,峰值为39.2 dB;3 mm厚度的隔声低谷出现在5 000 Hz附近,最低值为17.1 dB,隔声峰值出现在2 100 Hz附近,峰值为38.2 dB;4 mm厚度的隔声低谷出现在4 000 Hz附近,最低值为21.2 dB,隔声峰值出现在2 500 Hz附近,峰值为36.9 dB。

从图2可以看出:随着单层玻璃厚度的增加,隔声低谷对应的频率在向中低频偏移,同时其低谷隔声量整体上随厚度的增加而增加,即由吻合效应导致的隔声低谷影响因玻璃厚度的增加而减小。增加玻璃厚度即是增加玻璃的面密度,单层玻璃的整体隔声量随面密度的增加而增加。隔声峰值对应1/3倍频带中心频率随玻璃厚度的增加,向中低频偏移,但其峰值隔声量的变化却与隔声低谷隔声量的变化相反,隔声峰值随厚度的增加而减小。这使得单层玻璃隔声量曲线随着玻璃厚度的增加,中低频段逐渐趋于平缓,同时厚度对隔声量的增量影响逐渐消退。依据玻璃隔声低谷随厚度偏移的规律,可以根据工程中评估的主要噪声频段来选取合适厚度的玻璃隔声,避免主要噪声频段与隔声低谷相重合。

3 双层PVB夹胶玻璃隔声性能分析

采用SEA声腔模型计算双层PVB夹胶玻璃模型隔声量,在模型建立过程中除材料定义与单层玻璃模型不一致外,其余操作与上面模型相同。两侧玻璃材质都为普通钢化玻璃,中间层为PVB夹胶。

建立不同厚度的夹胶玻璃和单层玻璃的声学模型,对比分析两者隔声量的差异。固定PVB夹胶玻璃两侧玻璃厚度分别为4 mm和8 mm,比较中间PVB夹胶分别为1.0、1.5、2.0、3.0 mm时夹胶玻璃的隔声量,其隔声特性见图3。

图3 不同PVB夹胶厚度夹胶玻璃隔声量对比

由图3可以看出,随着PVB夹胶厚度的增加,全频段的隔声量都有所增加。其中,隔声低谷对应的频率处于1 600 Hz附近。在PVB夹胶厚度增大的过程中,其隔声低谷对应频率并未改变,但是对应的隔声量由夹胶厚度为1.0 mm的34.0 dB降低至夹胶厚度为3.0 mm的32.3 dB。

在等厚度情况下,双层PVB夹胶玻璃的隔声量在全频段内都大于等厚度的单层玻璃的隔声量。两者的隔声低谷对应频率不一致,前者的对应频率处于1 600 Hz附近,而后者的隔声低谷对应频率处于1 250 Hz附近。结合上文PVB夹胶厚度变化对玻璃隔声的影响,可以得出夹胶玻璃中间的材质会改变玻璃的隔声特性,而夹胶材料厚度的变化不会引起玻璃隔声特性的再次变化。

在材料属性确定的情况下,改变面密度是改变玻璃隔声特性的最佳方法。玻璃的厚度并非越厚越好,通过增加厚度提升面密度的效果有限,正确的做法应该是根据实际工程要求,确定目标隔声频段,然后综合考虑隔声性能、体积和成本等因素设置合适的玻璃参数。

4 远洋客船窗户玻璃结构隔声特性分析

远洋客船舱室窗户一般采用夹胶玻璃。由于玻璃组合参数和夹胶材质的差异,通过组合不同厚度的单层玻璃,可错开隔声低谷,提高隔声量。夹胶玻璃中间的膜片采用PVB膜片,其厚度一般为0.2～2.0 mm,在特定的温度和压力下能够与玻璃片材形成较好的黏结,具有良好的抗震能力和防爆性能。图4为远洋客船2种舱室窗户用玻璃结构示意图。

图4 远洋客船舱室窗户用玻璃结构

2种玻璃结构尺寸如下:结构Ⅰ的长×宽×高为2 000.00 mm×1 400.00 mm×22.52 mm,结构Ⅱ的长×宽×高为2 000.00 mm×1 400.00 mm×26.52 mm。在VA One软件中建立对应的PVB夹胶玻璃模型,使用统计能量法计算其不同频段内隔声量。远洋客船2种舱室窗户玻璃结构隔声量见图5。从图5中看出,结构Ⅱ的隔声量优于结构Ⅰ,其原因是结构Ⅱ的夹胶玻璃一侧玻璃厚度更大。通过计算得出上述2种玻璃结构100～10 000 Hz内的平均隔声量为44.75 dB和46.58 dB。

图5 远洋客船舱室窗户隔声量

保持PVB夹胶玻璃构型总厚度不变,对两侧玻璃厚度进行修改,利用VA One软件对其进行隔声量计算分析,比较其不同频段隔声效果和平均隔声量,选择隔声效果更佳的PVB夹胶玻璃组合参数。

结构Ⅱ固定其厚度为26.52 mm,采用枚举法选取4种不同厚度组合的PVB夹胶玻璃,分别为22-1.52-3、19-1.52-6、16-1.52-9、12.5-1.52-12.5(结构组合见图4(b)),对其进行隔声量分析。从图6中的隔声量对比中可以看出,随着舱室窗户玻璃结构Ⅱ两侧厚度逐渐接近,高频段的隔声量随之减小,隔声低谷附近隔声量也有明显降低。当两侧玻璃厚度为22 mm和3 mm时,PVB夹胶玻璃的平均隔声量为47.02 dB,相较原结构Ⅱ(19-1、52-6)提升约0.5 dB。

图6 不同厚度组合构型Ⅱ夹胶玻璃隔声量

对舱室窗户玻璃的2种结构进行多种厚度组合方案对比,结合不同频段内的隔声效果和全频段内的平均隔声量优化出以下结构参数:对于玻璃结构Ⅰ总厚度为22.52 mm,由15 mm的普通钢化玻璃、1.52 mm的PVB夹胶层和6 mm的吸热钢化玻璃组合而成,其平均隔声量为44.75 dB。对于玻璃结构Ⅱ,保持原有参数。虽然22-1.52-3结构的隔声量优于原有构型,但是其中一侧玻璃厚度仅为3 mm,综合考虑其强度和安全性,故保留原结构参数,即原结构Ⅱ总厚度为26.52 mm,由19 mm普通钢化玻璃、1.52 mmPVB夹胶层和6 mm普通钢化玻璃组合而成,平均隔声量为46.58 dB。

5 远洋客船阳光房玻璃声学特性研究

远洋客船阳光房玻璃门结构图见图7。阳光房玻璃门的尺寸为2 150 mm×1 440 mm×30 mm。阳光房玻璃门采用总厚度30 mm的双层中空玻璃,在控制总厚度不变的情况下,分配空气层和两侧玻璃的厚度。考虑到该玻璃门的保温作用,中间空气层的厚度不宜过小,故选取2组空气层厚度为8 mm和16 mm的双层中空玻璃,记为A、B组。2组各自对应4种不同厚度组合的玻璃,具体参数见表1。利用VA One软件对A、B组的玻璃结构进行隔声量计算,绘制2组隔声量对比曲线,见图8。

图8 不同厚度组合的阳光房玻璃门隔声量

从图8可以看出,随着两侧玻璃厚度差值的逐渐减小,中低频段的隔声量逐渐增大。当两侧玻璃厚度相等时,曲线的隔声峰值达到最大。但是,随之而来的就是隔声低谷,两侧玻璃厚度越是接近,隔声低谷对应隔声量则越小。如:B组中,当两侧玻璃厚度都为7 mm时,隔声低谷值降至36.0 dB,使得2 000 Hz附近频段的隔声量远低于其他厚度组合;当玻璃组合厚度为4 mm和10 mm时,出现二次隔声低谷现象,其中较小值为48.2 dB,隔声量提升了近34%。综合考虑全频段的隔声效果,A组中4-8-18和6-8-16这2种厚度组合的隔声性能更好;B组中,4-16-10和5-16-9的隔声性能更好。

根据上述A、B 2组的仿真分析结果,将原阳光房玻璃门结构参数组合优化,最终确定:玻璃组合厚度为6 mm和16 mm,中间空气层厚度为8 mm,平均隔声量为56.04 dB。

6 结论

(1)增加玻璃的厚度,其隔声量在全频段都有提升,且隔声低谷值逐渐增大,对应的频率向着中低频段偏移。但是,当厚度增加至14 mm后,全频段隔声量的提升微乎其微。

(2)对于远洋客船舱室窗户玻璃,采用PVB夹胶玻璃。选定PVB胶层厚度为1.52 mm,当两侧玻璃差值越大时,隔声效果越好,并且发现夹胶玻璃的隔声特性与其总厚度相关,而与其玻璃和PVB夹胶厚度的分配无关。

(3)综合考虑全频段玻璃的隔声特性和结构强度,远洋客船选取结构Ⅰ结构参数为:总厚度22.52 mm,由15 mm的普通钢化玻璃、1.52 mm的PVB夹胶层和6 mm的吸热钢化玻璃组合而成,其平均隔声量为44.75 dB;结构Ⅱ结构参数为:总厚度26.52 mm,由19 mm普通钢化玻璃、1.52 mmPVB夹胶层和6 mm普通钢化玻璃组合而成,其平均隔声量为46.58 dB。