基于机场噪音特性的真空玻璃降噪研究

发布日期：2025-04-11 来源: 浏览：

摘要：利用隔音量为60dB、本底噪音为20dB的超静音隔音测试箱，搭配不同配置的玻璃作为观察窗，在抽样机场设定位置对隔音箱内外的噪声进行监测,通过一系列对比实验发现，单真空玻璃隔声量可达40.6dB, 而特定结构的复合真空玻璃隔声量可达50dB，因此，结构合理的真空玻璃复合产品在机场建筑降噪方面将有广阔的应用前景。

1.研究背景

1.1飞机噪声特性

飞机噪声与飞机机型、重量、引擎类型 、起降方式紧密相关, 并具有较强的指向性,飞机噪声最典型的特性是具有瞬时性和间歇性[1]。

飞机噪声具有瞬时性， 这主要由于飞机距离测试点的距离是不断变化的。选择河南某机场距离跑道中心线400m，距离起飞端3km设置测量点，飞机从远处飞近测量点时，先听到轰隆的低频声，随着飞机的接近，声音不断增大，中高频声音也增多，飞到距离测量点最近处，噪声达到最大，中低频均达到最大值。飞机远去时，中高频噪声先降低，低频噪声再逐渐降低至正常水平。由于多架飞机是间断飞行的，所以飞机噪声具有间歇性。飞机噪声一般持续20-50 s 左右，北京机场的飞机起降频次约3-5 min，这就是说，机场周边地区每隔3-5 min的安静中会出现一次20-50 s 的飞机噪声[2]。

图 1是某机场周围某机型飞机噪声随时间变化曲线图，由图可以看出，噪音瞬时出现，持续时间为为25s左右，声级先上升后下降, 最高可达90分贝左右。人们对安静环境中出现的短时间持续噪声非常不舒适，比持续的交通噪声更令人烦恼。

图1 机场周围测试点某机型飞机噪声随时间变化曲线图

1.2机场周围噪声控制标准

近年来，随着政府对环保工作的重视，与噪声控制工作相关的专业技术标准也相继颁布执行。目前，在噪声控制评估标准方面，国内环境保护部门制定的《声环境质量标准》（GB 3096-2008）和《机场周围飞机噪声环境标准》（GB 9660-88）分别适用于一般声环境和机场周围区域的声环境质量评价与管理；在既有住宅隔声降噪改造方面，我国有多部标准，如国标《民用建筑隔声设计规范》（GB 50118-2010）、《住宅设计规范》（GB 50096-2011）等[3]。GB 50118-2010《民用建筑隔声设计规范》适用于全国城镇新建、改建和扩建的住宅等六类建筑中主要用房的隔声、吸声、减噪设计。基于《声环境质量标准》（GB 3096-2008）中对民用建筑选址做出的规定，对住宅室内允许噪声级提出的要求，规范中的室内允许噪声级采用 A 声级作为评价量。GB 50118-2010民用建筑隔声设计规范中室内允许噪声级为关窗状态下昼间和夜间时段的标准值，昼间对应的时间为 6∶00~22∶00，夜间对应的时间为22∶00~6∶00，或者按照当地人民政府的规定。规范要求卧室昼间噪声级≤ 45dB，夜间≤ 37db；起居室（厅）不论昼夜均≤ 45dB[4]。

1.3河南某机场周围环境噪声监测

洛阳兰迪钛金属真空玻璃有限公司技术团队对河南某机场周围的噪声进行了测试,对飞机噪声按照机型进行了噪声量测试。经过统计该机场主要有5种飞机机型，选择监测点距离起飞点3km，距离跑道中心线400m，该区域有密集居住村庄， 测试到的每种机型对应的噪声量如图2。

图2 不同机型噪声量

由图2可以看出，不同机型所造成的噪音量变化趋势基本一致，测试点所监测到的最大噪音量均在85~90d之间。根据GB 9660-88《机场周围飞机噪声环境标准》中一类区域（特殊住宅区；居民、文教区）噪音量≤70dB,二类区域（除一类区域以外的生活区）噪音量≤75dB的要求，该机场普遍存在噪音超标现象，超标量高达10dB以上。

为了使室内达到GB 50118-2010《民用建筑隔声设计规范》中室内噪声最低要求45dB，必须要求机场噪声影响区域使用隔声量至少40~45dB的门窗才能满足建筑隔声标准要求。

1.4 真空玻璃的应用

基于机场周围门窗隔声量的要求，为了满足门窗系统隔音需求，配套玻璃必须具备相匹配的隔音量即≥40dB。对于传统的中空玻璃、夹层玻璃，主要通过不断增加玻璃层数和单层玻璃厚度才能勉强达到该隔音量要求。我们知道，声音不能在真空中传播，因此对于门窗隔声来说，真空玻璃（如图3）成为我们的首选。尽管真空玻璃诞生的初衷并不是出于其隔声性能的考虑，而是因为其良好的保温性，但真空玻璃在隔声方面的优越性越来越被人们所认识到，并正被越来越多的学者所重视和研究。未来，利用真空技术来进行隔声降噪，将使建筑隔声技术达到一个新的高度。对于降噪要求极高的机场，真空玻璃有着广阔的应用前景。

图3 兰迪钛金属真空玻璃

2. 真空玻璃机场降噪实测

本试验主要目的是通过将真空玻璃、中空玻璃、夹层玻璃、真空复合玻璃安装于静音试验箱洞口，对比分析其机场降噪噪能力。

2.1 机场测试原理

本文中静音试验箱测量参考隔声间、隔声罩等标准测量方法，即假定飞机产生的外部声场是一个扩散声场。建筑隔声是描述一个封闭结构 (如隔声间 、隔声罩等 )降低噪声效果的一个常用评价量，即在一个固定接受点测量采用该结构前后的声级差或在一个等效参考点和结构内测点同时测量的声级差[5]。GB9660 -88中对机场周边区域的室外环境噪声采用 LWECPN作为评价量并作出了限值规定, 但未对室内的计权等效连续感觉噪声级作出标准限值 。另一方面, 其他相关标准均采用 A 计权等效声级作为评价量, 而L WECPN和等效声级间没有简单的可换算对应关系。因此, 为和其他标准协调并有效地提出降噪效果, 采用 A 计权等效声级作为飞机噪声对室内噪声影响的评价量之一[1]。

图4 试验测试原理

基于以上标准要求及测量方法，本文选取距离机场起飞点为。。米的居民区，利用本体隔音量为60dB的静音试验箱，内部A计权噪音测量计及外部A计权噪音测量计，对试验箱洞口安装玻璃进行隔声性能测试分析。

2.2 测试过程

(1) 选择河南某机场距离跑道中心线400m处布置静音测试箱，箱体门洞朝向航线。

(2) 将待测试的玻璃试样安装在隔音量为60dB、本体噪音为20dB的超静音隔音测试箱（如图5）洞口内，四周压紧并密封。

(3) 使用2台AWA6228+多功能声级计同步监测试验箱内外测点飞机飞过时的A计权噪声量及噪声频谱。

(4) 根据不同类型玻璃安装时试验箱内外噪声量及噪声频谱，分析测试玻璃的隔音特性。

图5 兰迪钛金属真空玻璃有限公司隔音量60dB静音试验箱

2.3测试结果

试验箱安装真空玻璃、真空复合玻璃、中空玻璃、夹层玻璃时试验箱内外最大隔声量如表1。飞机飞过时安装不同玻璃静音试验箱内外噪声量如图6所示。

 

图6 飞机飞过时静音试验箱内外噪声量

从表1及图6可以看出，对于相同质量的玻璃，真空玻璃隔声性能>夹层玻璃>夹层玻璃中空玻璃。由经典声学著作《The Theory of Sound》中确定的声学基本定律“质量定律”可知，相同质量的相同材料隔音量相同[6]。5T+0.3V+5T、5T+12A+5T及5T+0.76P+5T三者的质量密度基本相同，隔声量的差异主要取决于中间层结构差异造成声音传播过程中衰减量差异。

真空玻璃中间层为真空层，夹胶玻璃中间层为阻尼胶片，中空玻璃中间层为空气或稀有气体层。从图6可以看出，真空玻璃5T+0.3V+5T及夹胶玻璃箱内噪声曲线接近，隔声性能优于中空玻璃。对于真空玻璃声波在透过第一层玻璃后，由于中间真空层的存在减弱了声波的透射，透过声波再传到第二层玻璃时再次发生反射，声能量多次衰减，造成了声波损失。夹层玻璃5T+0.76P+5T由于中间层的存在，使得声波在透过第一层玻璃时，由于玻璃外侧及两层玻璃中间材料的特性阻抗不同，使声波发生两次反射，再加上中间阻尼材料附加吸收作用，使得声波振动能量衰减，声波再传到第二层玻璃时，又发生两次反射，声能量再次减少，造成了更多的传播损失。中空玻璃5T+12A+5T结构虽然与真空玻璃5T+0.3V+5T类似，但中间层气体层对声波吸收作用均不明显，因此隔声性能低于相同质量密度的真空玻璃及夹胶玻璃。

对于固态材料来说，隔声量与声波的频率密切相关，低频时的隔声量较低，高频时的隔声量较高。声波在板状构件中容易产生弯曲波，在一定频率下会产生类似共振现象的吻合效应，使构件隔声量大幅度下降。图7是按照标准GBJ 75-1984建筑隔声测量规范、GBT 50121-2005建筑隔声评价标准不同玻璃隔声频谱图，由图可以看出，结构为5T+0.3V+5T真空玻璃在160~2000Hz具有良好的隔声性能，自2000Hz以后隔声量出现缓慢下降趋势，在400Hz及4000H出现吻合谷。结构为5T+0.76P+5T夹层玻璃在160~1600Hz具有良好的隔声性能，自1600Hz以后隔声量出现快速下降趋势，中高频隔声性能较差，在250Hz及2000Hz出现吻合谷。结构为5T+12A+5T中空玻璃在1600Hz以内隔声性能远低于真空玻璃和夹层玻璃，且在500Hz出现吻合效应，但其在中高频隔声量最高。

图7 实验室测试3种玻璃隔音频谱图

从图7三种玻璃隔声性能分析可知，真空玻璃5T+0.3V+5T与5T+0.76P+5T低频隔音效果较好，这是因为低频声波主要以玻璃振动方式传递，由于夹胶层和真空层作为有效的减震层提高了玻璃低频隔声性能。中空玻璃5T+12A+5T隔声性能取决于两板的质量、两板之间空气层的厚度，隔声原理为质量-弹簧-质量，低频段形成更多振动传播，因此其低频隔声效果较差，而中间空气层对中高频噪音衰减作用明显，在中高频有较好的隔声效果。

根据对某机场4种主要机型峰值噪声频谱测试，频谱如图8，可以看出机场中不同机型整体噪声特性曲线及噪声量非常接近，声源噪音高噪音量频谱分布在3150Hz以内。通过对真空玻璃、夹层玻璃、中空玻璃频谱测试分析及机场实测分析可知，真空玻璃隔声性能与机场降噪需求匹配度最高。

图8 某机场4种主要机型峰值噪声频谱

2.4 真空复合玻璃A-Mute1性能测试

通过对真空玻璃的隔声性能分析，结合机场噪声特点。为了提高真空玻璃机场降噪效果，需要从以下两个方面进行优化：a)提高全频段隔声性能同时着重提高中高频隔声性能；b）弱化吻合谷效应或将吻合谷推后到人耳不敏感频段即4000Hz以上。

对于给定的固体构件，相同声源，声波入射到玻璃上，其中一部分被反射，一部分被吸收，只有一小部分声能透过结构辐射出去[7]，如图8所示。根据能量守恒原理，则有：           

其中：Wi-入射声波的声强  Wt-透射声强  Wr-反射声强  Wa-吸收声强

图9 声波传递示意图

图10 吻合效应原理

根据隔声公式

          隔声量  

                                     

其中透射系数 

 

通过公式（2）可知，对真空玻璃进行复合阻尼层提高声波传递过程中的吸收声强Wa，同时减少玻璃低频振动传递能量，最终达到降低透射系数τ，提高玻璃隔声量。

从真空玻璃隔声频谱分析可知在2000Hz~5000Hz范围内出现的吻合谷，而机场声源噪音高噪音量频谱分布在3150Hz以内，需要将真空玻璃吻合频率后移至3150Hz以上，尽量减少吻合效应的影响，进而提高真空玻璃对机场的整体隔声降噪性能。

由吻合效应公式可知影响吻合效应临界频率

 

 

-C0为空气中声速                     

 -ρ为构件密度                 

 -H为构件厚度                            

 -B为弯曲劲度。

 

根据分离薄板双层墙的声能透射系数表达式：

                                       

 图11 声波在双层板中的透射

  

式中：

-K0为入射声波的波数   -d为两板之间空气层的厚度      -C0为空气中声速

-ρ为构件密度          -H为构件厚度                 -B为弯曲劲度。

-θ入射角      -ω声波角频率       -f声波频率        -τ透射系数

根据公式（4）（5）分析可知，需要对真空玻璃复合中空层及调整玻璃厚度调整玻璃吻合频率及提高中高频隔声量。

 

图12 机场最大噪声A-Mute1复合真空玻璃实测隔声频谱图

综上诉述，通过对真空玻璃复合阻尼材料、复合中空层、调整玻璃总厚度及优化多层玻璃板厚度排布方式，优选出了适用于机场降噪的最佳配置真空复合玻璃A-Mute1。从表1及图12可以看出，该配置实测平均隔声量可达51dB，能够保证试验箱内最大噪声量不超过40dB，满足了标准要求的白天室内≤45dB要求。

3. 结语

本文针对机场噪声特点，对隔音量为60dB、本体噪音为20dB的超静音隔音测试箱，在其洞口搭配不同配置的真空玻璃作为观察窗，在距离抽样机场起飞点3km，距离跑道中心线400m的密集居住区附近，对隔音箱内外的噪声进行隔声性能测试分析。研究结果表明：

(1) 对于机场周围不同机型所造成的噪音量变化趋势基本一致，最大噪音量均在85~90d之间，声源噪音高噪音量频谱分布在3150Hz以内。

(2) 经过对不同玻璃隔声频谱测试分析，真空玻璃隔声性能与机场降噪需求匹配度最高。对于机场噪声，相同质量玻璃结构隔声性能真空玻璃(5T+0.3V+5T)>夹胶玻璃(5T+0.76P+5T)>中空玻璃(5T+12A+5T)，实测最大隔声量分别为40.6dB、36.3dB、31.5dB。

(3) 为提高真空玻璃机场降噪能力，可以从以下两个方面进行优化：a)提高全频段隔声性能同时着重提高中高频隔声性能；b)弱化吻合谷效应或将吻合谷推后到人耳不敏感频段即4000Hz以上。通过对真空玻璃复合阻尼材料、复合中空层、调整玻璃总厚度及优化多层玻璃板厚度排布方式，优选出了适用于机场降噪的最佳配置真空复合玻璃A-Mute1。距离抽样机场起飞点3km，距离跑道中心线400m的密集居住区附近，实测平均隔声量可达50dB，能够保证试验箱内最大噪声量不超过40dB，满足了建筑标准要求的白天室内≤45dB要求。

基于本文的研究结果，针对对机场周围建筑的降噪，采用结构合理的真空复合产品，配合高静音门窗，将在机场建筑降噪方面将有广阔的应用前景。

 

 

参考文献

[1]俞悟周,王佐民.飞机噪声对办公楼室内的影响评价和降低[J].环境工程,2008,26(S1):279-282.

[2]张青，闫国华，方括． 机场附近的噪声环境和住宅的隔声改造［J］． 振动与噪声控制，2011( 2) : 75-80

[3]王英,陈洋,郭戈.既有住宅建筑隔声降噪改造标准解读及案例[J].住宅科技,2017,37(10):24-28.

[4]中华人民共和国国家标准，民用建筑隔声设计规范 GB 50118-2010，北京 ：中国建筑工业出版社 ，2010，8-18.

[5]中华人民共和国国家标准，建筑隔声测量规范 GBJ75- 84，北京 ：中国建筑工业出版社 ，1985，3-16.

[6]Lord  Rayleigh.  Theory of  Sound[M].  2nd  edition.  Cambridge： The  Cambridge University Press,1896: 273-295

[7]王卓. 真空玻璃隔热隔声性能研究[D].东北大学,2012.