消声水池双层板结构隔墙的隔声性能研究

罗马奇 汲长远 吴友亮 陈瑶 张权

（第七一五研究所，杭州，310023）

消声水池双层板结构隔墙的隔声性能研究

罗马奇 汲长远 吴友亮 陈瑶 张权

（第七一五研究所，杭州，310023）

为提高消声水池隔墙的隔声能力，利用双层板结构是行之有效的方法，该方法采用双层低密度的硬质泡沫板，通过调整板厚和间距来控制某频段内的隔声量。文章利用双层板隔声原理对该结构形式的隔声量进行了计算分析，并制作了样品进行水池测试，测试结果与理论值吻合较好，对隔墙的设计具有指导意义。

消声水池；隔墙；双层板；隔声

相比天然水域，室内消声水池不受自然条件影响，测量准确性和稳定性好，水声换能器电声参数的测量一般都在消声水池中进行，水下自由场远场是最适合的测量场地。通常情况下，只有换能器远场距离较大时，需要全长水池；而其他中高频段的水声换能器测试时，远场距离一般在几米到十几米以内，不需要全长水池。而由于同频声干扰的原因，同一水域内不能同时进行相同或相近频段换能器的测试，这样就大大降低了消声水池的使用效率。通常的做法是在水池的宽度方向上设置一道具有吸、隔声性能的隔墙，可将消声水池分隔成两个大小不同且互不影响的消声水池。

隔板的消声可通过在两个表面敷设吸声材料来保证，而隔墙的隔声（声波插入损失）指标要求一般都在30 dB以上，在低频段（2～5 kHz）仅靠吸声材料吸收无法满足要求。为提高隔声量，可通过在隔板的内部填充隔声材料实现。同时，为减小隔墙整体的重量，一般在隔墙的中间空隙内填充一层硬质泡沫板进行隔声。为了达到更好的隔声效果，可以借鉴空气声中的双层板隔声原理[1-3]，采用两层隔板中间充水（与水池水体连通）结构形式来提高隔声量[4]。本文基于双层板隔声原理对采用双层板隔墙（不包括表面敷设的吸声材料）进行隔声量计算，以指导隔墙的结构参数设计。

1 双层板结构隔声原理

设水（介质Ⅰ）和板材（介质Ⅱ）的特性阻抗分别为R1=ρ1c1与R2=ρ2c2，双层板各分界面的坐标分别为x=0、x=d1、x=d2和x=d3，如图1所示，一列声压为的平面波从介质Ⅰ垂直入射到分界面（x=0）上，由于分界面两边的特性阻抗不一样，有一部分声波p1r反射回去，另一部分声波p1t透射入介质Ⅱ中，同样，在x=d1、x=d2和x=d3处分界面上也存在反射波和透射波。

图1 双层板隔声原理示意图

不考虑声波通过介质时的声损耗，则在两种介质的各区域内声压分别为

相应的，在各区域两种介质中的质点速度分别为

根据声学边界条件，在x=0、x=d1、x=d2和x=d3分界面处声压连续及法向质点速度连续，则

将通过式（13）求得的声压透射系数tp代入式（14），即可求得双层板的隔声量TL：

从式（13）、（14）可以看出，双层板的隔声量不仅与两种介质的特性阻抗有关(失配)，还与两层板的板厚与其中声波的波长比值k22D1（4πD1/λ2）、以及两层板之间的距离与介质Ⅰ中声波的波长比值k1D2（2πD2/λ1）有密切关系。

2 隔声量计算及分析

作为比较，计算不同厚度的单层无限大硬质泡沫板的隔声量。设硬质泡沫材料的密度为50 kg/m3、声速为1300 m/s，结果如图2所示。从图中可以看出，厚度在30～150 mm之间的单层硬质泡沫板在2～10 kHz频段内隔声量最高约22 dB，同时80 mm厚度及以上的硬质泡沫板在该频段内存在共振，并随着厚度的增加共振频率将向低频移动，共振频率附近几乎无隔声效果。

图2 不同厚度单层泡沫板的隔声量

下面计算不同板厚和间距的双层泡沫板结构的隔声量。设板的厚度为50 mm，不同间距下双层结构的隔声量计算结果如图3所示。从图中可以看出，两层板间距过小时，隔声量较单层无明显提高，同时靠低频存在凹点，而当间距过大时，对提高隔声量无明显作用，并随着间距的增加，有向低频移动共振频率，间距在50～100 mm之间是比较合适的，若侧重低频段隔声效果，则可以选择100 mm的间距。

图3 板厚为50 mm的双层泡沫板结构在不同间距下的隔声量

确定间距后，再计算不同板厚的双层泡沫板结构的隔声量，结果如图4所示。从图中可以看出随着板厚的增加低频段的隔声量有明显提高，当超过80 mm，作用将不明显。同时随着板厚的增加，共振频率向低频移动会影响隔声效果，在50～80 mm之间是比较合适的，可根据隔墙总体设计要求选择间距和板厚。

图4 间距为100 mm的双层泡沫板结构在不同板厚下的隔声量

通过以上计算及分析可以看出，采用双层泡沫板结构并选择合适的间距和板厚，较单层板在特定频段隔声量有明显的提高。

3 样品测量

根据上述隔声量的计算及分析结果，制作了一个双层隔板结构的试样，如图5所示。选取硬质泡沫板的厚度为48 mm（实测值）、间距为105 mm（实测值），每层有四块600 mm×600 mm的硬质泡沫板拼接而成，固定在由角钢焊接而成的支架上。

图5 双层泡沫板结构试样实物图

该试样在水池中进行了隔声性能的测量，结果如图6所示。隔声量的实测值从趋势上看与理论值吻合的比较好，但整体上隔声量偏低，这应该与硬质泡沫板有些变形、板之间的拼接部位不规整导致局部留有缝隙有较大的关系，同时泡沫板上的安装孔也会影响隔声效果。另外试样边框的衍射声波也可能对结果产生影响。

图6 双层泡沫板结构试样水池测量结果

在实际工程运用中，应综合考虑所关注频段的隔声量、隔墙的厚度、以及水中隔墙总体重量的控制要求，选择合适密度和声速的硬质泡沫板进行设计。同时实际安装受硬质泡沫板上的安装孔、以及板之间缝隙等因素的影响，隔声量将有所降低，若因声泄露导致声压透射系数增加一倍，则隔声量将降低6 dB，因此，为保证隔声量，安装过程中应加强质量控制。

4 结论

通过隔声量的理论计算和分析，并与实测值进行比较，我们可以得出以下结论：

（1）在不考虑隔声材料本身吸声性能的情况下，相对于单层板，双层板结构在2～5 kHz低频段内的隔声量可以达到30 dB以上，具备工程使用价值。

（2）根据指标要求选取合适材料密度和声速，采用双层板隔声原理进行理论计算和分析，以确定板的厚度和间距，对隔声墙设计具有指导意义。

（3）在工程运用过程中，为了安装施工的方便，隔板是由一定尺寸大小的泡沫板拼接而成，各相邻板之间的缝隙将影响整体隔声性能，同时泡沫板上的安装孔也会产生声泄露，另外隔墙中间金属桁架也可能会有一定的影响，综合各因素实际隔声效果将比理论值要低，在工程设计及实施过程中需注意。

[1]何琳,朱海潮.声学理论与工程应用[M].北京:科学出版社,2006.

[2]JI M 布列霍夫斯基赫.分层介质中的波[M].北京:科学出版社,1985.

[3]王佐民,姜在秀.双层板结构隔声性能阻抗法分析[J].同济大学学报（自然科学版）,2011,(9):1383-1386.

[4]陈灵鸽,尹绪超,黄圣波,等.消声水池用吸声隔墙声学结构设计[C].15届船舶水下噪声学术讨论会,2015.