ProAcoustics丨室内滚动噪声预测模型的建立

结构隔声是建筑声学的一个研究领域，近几十年来得到了大量的研究。到目前为止，评估建筑物降低结构噪声性能的最常用方法是与冲击噪声有关，这主要是通过使用攻丝机来实现的。尽管有时也会使用其他方法，如行走噪音、降雨噪音等。此外，还可以预测建筑物内空气激励和结构激励产生的向上和侧向辐射。除此之外还有其他来源，如滚动噪声。

室内滚动噪声可以有多种形式：滚动办公椅、儿童玩具和手提箱等，就是几种典型产生这种结构激励源的物件。然而，最烦人的可能是滚动的手推车或送货车：用于在商业空间进行送货和移动商品，这些设备产生恒定的低频噪声，很容易通过结构传播，扰乱生活在这些城市商业空间的公寓里的居民。这种噪声是由车轮和地板之间相对较小的表面粗糙度引起的激励产生的。

与这种结构噪声作斗争的困难在于，由于其声音特征与冲击噪声截然不同，为防止冲击噪声而开发的解决方案有时对滚动噪声无效。此外，冲击噪声建模技术不能准确预测在相同环境下产生的滚动噪声水平。因此，需要一种独特的室内滚动噪声建模和预测方法。实际上，滚动噪声已经被研究了几十年，但基本上都是围绕车辆轮胎/道路和列车轮轨接触的情况和工况条件，已有预测这类噪声的模型。但由于引起这类噪声的基本现象（主要是声音向周围环境的传播）不同，这些模型不易适用于室内滚动噪声，毕竟道路、火车轨道和室内建筑之间是完全不同的。到目前为止，多层建筑中的机械激励仅限于攻丝机等冲击源，滚动噪声模型仅限于火车和汽车等室外噪声源。

本期分享法国Matelys实验室M.Edwards、F.Chevillotte、F.-X.Bécot、L.Jaouen和里昂国立应用科学学院(INSA Lyon)N.Totaro等近期发表在《Journal of Sound and Vibration》上的一篇工作《Development of a prediction model for indoor rolling noise》。本项工作提出了多层建筑内滚动噪声的预测模型，如滚动输送小车产生的滚动噪声。这项工作的主要目标是建立一个滚动噪声模型，可以捕捉室内滚动接触中存在的物理现象，以及预测在给定地板上添加地板覆盖物的声级效益。所建立的模型特别适用于多层建筑中的滚动特性，如高弹性车轮、多层地板和通过直接垂直结构传递路径的声音传播。这是一个尚未开发的领域。因此，这项工作是对室内滚动噪声问题的初步研究，为进一步探索此领域提供了一个研究平台。

创新研究

本项工作提出的模型考虑了车轮和地板的粗糙度、车轮和地板的材料和几何特性、小车的滚动速度以及小车上的载荷等影响因素，能够反映室内滚动噪声特有的物理现象。该模型可作为研究不同地板系统（包括多层系统）对滚动激励响应的工具，以期开发出能更好地应对此类噪声源的多层建筑解决方案。

由于滚动噪声的性质，实验结果表明，最大值在200–500 Hz范围内，并且很容易在多层建筑结构中传播，开发一个能够准确预测的模型将能有效引导地板材料的开发，这种材料能够有效地减少多种干扰源，而不仅仅只是冲击噪声。这种模型在建筑设计（和声学材料研究）中成为有用工具的潜力在于它能够快速分析车轮和地板的多种组合，以确定可能存在的趋势。

图文快览

图1：一个典型的滚动传送小车。

图2：经典混凝土楼板（140mm）的敲击噪声和滚动噪声的频谱比较，以及经典浮式楼板（140mm混凝土板+解耦层+40mm砂浆层）的衰减。本图显示了标准攻丝机和典型混凝土地板上的典型滚动小车产生的声激励，以及典型浮式地板的衰减。冲击噪声的频谱与滚动噪声的频谱有很大的不同，其声能大部分在低频段。此外，经典浮式地板的衰减与所述滚动噪声剖面成反比。因此，如果不进行额外处理，它本身就不能提供足够的绝缘。

图3：滚动噪声模型概述。

 图4：用于估算车轮和地板之间接触应力的接触模型。

 图5：车轮/地板接触的动力学模型。

图6：理想的圆形平轮的几何形状。

 图7：简单楼板连接的几何图形。

 图8：用于滚动噪声实验的两轮试验车。此处显示的是平轮和20 kg的附加负载。

 图9：不同地板覆盖物的接待室标准化声压级：模型与实验(a）光轮，（b）理想平轮，（c）圆形平轮。图1模型、光滑混凝土地板、图5实验、光滑混凝土地板、图2模型、粗糙PVC地板、图6实验、粗糙PVC地板、图3模型、光滑PVC地板、图7实验、光滑PVC地板、图4模型、接缝混凝土地板。

 图10：应用粗糙光滑的PVC地板覆盖物的好处：模型与实验(a）光轮，（b）理想平轮，（c）圆形平轮。图2模型，粗糙PVC地板，图6实验，粗糙PVC地板，图3模型，光滑PVC地板，图7实验，光滑PVC地板。

 图11：车轮/地板相贯剖面的一维近似值：（a）光轮，光滑混凝土地板，（b）理想平轮，光滑混凝土地板，（c）圆形平轮，光滑混凝土地板，（d）光轮，接缝混凝土地板。

图12：车轮/地板相贯剖面的一维近似频谱。图1光轮，光面混凝土地板，图2理想平轮，光面混凝土地板，图3圆形平轮，光面混凝土地板，图4光轮，接缝混凝土地板。

图18：车轮通过单个理想车轮平面时的响应。

图19：车轮通过单个圆形扁平车轮时的响应。

图20：车轮通过单地板接头时的响应。

图22：用滚动噪声模型计算车轮阻抗谱。

总结

本文提出了一种预测建筑物滚动噪声的时域模型。该模型能够预测多层建筑环境中室内滚动噪声的辐射声压级，以及地板覆盖物提供的相对效益。对于建筑物的整体性能而言，重点是辐射声压级。在开发新的地板系统时，重点是相对良好的效益。该模型考虑了地板和车轮的粗糙度、地板和车轮的弹性参数、小车的速度、小车的载荷等影响因素，准确地反映了室内滚动噪声的物理现象。该模型还能够考虑离散的不规则性，如车轮平点和地板接缝。像这样的模型可以作为现有地板冲击噪声模型的补充，以便测试不同的车轮/地板材料组合，以确定哪些组合能够最大程度地降低噪声。它也可以用来确定趋势，以指导开发新的振动声学材料，这些材料可以有效地降低冲击噪声和滚动噪声。

贡献声明

此项工作是作为一个由5名学术人员和7名非学术人员组成的创新培训网络的一部分完成的。该联盟由建筑声学内外的各个学科和部门组成，促进跨部门、跨学科和创新的培训以及项目内研究人员的流动性。该项目获得了欧盟地平线2020研究与创新计划（欧盟地平线2020研究与创新计划）的资助。这项工作也在Labex CeLyA of UniversitȨ de Lyon框架内进行，由法国国家研究机构（ANR-10-LABX-0060/ANR-11-IDEX-0007）运营。

M.Edwards：概念化、方法论、软件、验证，形式分析，研究、数据整理、写作 - 原稿，写作 - 评论和编辑、可视化。F.Chevillotte：软件、资源、写作 - 评论和编辑、指导。F.-X.Bécot：写作 - 审查和编辑、指导、项目管理、资金获取。L. Jaouen：指导、项目管理。N. Totaro：写作 - 评论和编辑、指导。

此项工作全篇可点击阅读原文参考。

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