建筑屋面绿化构造的吸声实验应用

王一磊 王杰

摘  要：屋面绿化能减少透过屋面的噪音累积和城市环境中的噪音污染。实验设计使用有利方法对多个植被和非植被试验区的吸收系数进行原位测量。研究建筑屋面绿化中设计小块积土基材的吸声系数，确定构造设计是否较好影响建筑声环境。实验设置解决了对基质深度的声音吸收以及植物群落差异的影响。实验的应用可以通过这项测量的吸声数据来研究和建模，使绿化屋面作为吸收性表面减少城市建筑屋面空间上的噪音累积和混响。

关键词：吸声实验;屋面绿化;建筑构造

中图分类号：TH218        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）02-0186-03

Abstract： Roof greening can reduce the noise accumulation through the roof and the noise pollution in the urban environment. In the experimental design， the absorption coefficients of several vegetation and non vegetation experimental areas were measured in situ by using favorable methods. This paper studies the sound absorption coefficient of small plot soil base material in the design of building roof greening， and determines whether the structural design has a good impact on the building sound environment. The experimental setup solved the influence of sound absorption on the depth of substrate and the difference of plant community. The application of the experiment can be studied and modeled by the measured sound absorption data， so that the green roof can be used as the absorption surface to reduce the noise accumulation and reverberation on the roof space of urban buildings.

Keywords： sound absorption experiment; roof greening; building structure

1 目標

当下城市中建筑屋面的绿化在可持续城市与建筑设计中越来越多地被运用到实际工程当中。尝试通过表面吸收，屋面绿化能减少透过屋面的噪音累积和城市环境中的噪音污染，而材料的有效吸声和传输损耗特性具有改善建筑物内部和外部声学环境的潜力。由于能量主要由植物和基质消散，因此通常在重量较轻的声反射屋顶上放置吸音植被构造组成的屋顶材料将明显改变声音传递路径。此外，即使在没有高吸收率的情况下，在接近掠入射的情况下反射声的相变也会进一步改变在植物屋顶上传播声音效应。为了了解已建立的植被屋顶系统的吸声特性，实验在研究基质层的效果之前，首先要检查基质的吸收特性。对基材的研究增加了设计对绿化屋面潜在吸收声能的了解，并为下一步设计基材混合物构造层次提供了指导，并且还优化了基材噪声控制的吸声潜力。对建筑屋面绿化中设计小块积土基材的吸声实验应用研究，能确定构造设计是否较好影响建筑声环境。

建筑屋面绿化的基材，需确定哪些吸声特征最明显地促进了声能的吸收。植被屋顶基质具有颗粒状结构。骨料以散开的方式彼此分离。基材必须足够多孔以提供内部通气，并且在结构上能够抵抗安装期间屋顶上基材的机械压实以外的过度压实。通过声学实验室实验，以确定绿化屋顶基质的物理特性与吸声之间的关系。

2 屋面小块积土的测试设计

实验预备小尺寸1.68m见方的绿化屋顶测试区的吸收系数的现场测量。首先研究了球面解耦法在最佳原位吸收测量中的实现和应用。设计使用有利方法对多个植被和非植被试验区的吸收系数进行原位测量，这些试验区通常代表了用于目前广泛使用的绿化屋面一系列基质深度和屋面绿化植物群落。

首先在一个受控环境的消声室内完成对一个测试样块的研究。在室内胶合板地板上建立了一个具有尺寸代表性的测试图，以近似屋顶环境创建了半消声条件。接下来，在1400平米面积的屋顶顶部完成了25个屋顶测试区中的24个的现场测量。测试以25毫米的增量从50到200毫米不等的基板深度变化。七个测试区仅包含基质。现场注意需适应变化的大气条件。根据现场气象的实时数据，仅在风速小于5m/sec时才进行声学测量。并且在可测量的降水期间未进行测量。通过使用灌溉系统以提供体积水含量的通用条件，消除了可变的测试前降雨的影响。

2.1 实验方法背景

球面解耦法是一种双麦克风技术，可在任何入射角下测量反射系数，由此可得出扩散场吸收系数。此方法已用于测量声音反射特性并推论局部反射性表面和地面（例如演奏场所）的吸声性。然而，由支持球面解耦法的理论所假设，基底表面颗粒和建筑屋面绿化的植物不能提供均匀且镜面反射的表面。通过调整确定声源、麦克风和表面平面的适当几何构造，以及通过在多个表面位置进行重复测量，实验在测量方法中已经容纳了不理想的表面条件情况。球面解耦法的实验装置和测量装置的几何形状如图1所示。对于局部反射的表面，我们假定地面和绿化屋面为实，阻抗不会随入射角而变化。可以根据阻抗从而计算出扩散场吸收系数。通过已经做出的大量工作来定义用于测量频率响应的最佳几何位置，以计算接地阻抗。得出球面解耦法的有效频率极限是两个麦克风之间的距离和声源的入射角的函数关系。

2.2 實验方法的优化和验证

实验设置解决了对基质深度的声音吸收以及植物群落差异的影响。为了研究这些因素，在屋顶上构建了以塑料木复合材料边界为边界的小尺寸（1.67m×1.67m）植被测试区。在准备使用球面解耦法测量屋顶环境中小尺寸绿化屋面测试区的吸收系数时，在受控的实验室条件下进行了测量，以优化和验证实验方法。鉴于测试的应用该方法是在小尺寸的地块上，而不是大面积的地面或植被屋顶上，实验研究的目的如下：（1）确定声源和传声器相对于表面的最佳几何结构;（2）研究屋顶上理想的半自由场测试环境的潜在危害，以及它们如何影响测量精度;（3）确定所需的重复测量次数。

为了实现这些目标，在一个全消声室中进行了各种测试配置的测量，其可用尺寸为4.7m×4.1m×2.6m高。使用与屋顶样板相同的材料和细节构建了一个1.68m×1.68m的测试样板。周围的框架将屋顶上的地块彼此隔开，框架是木制的，地下是胶合板地板的层次构造。底材来自与屋顶测试区相同的批料混合物，其中混合了白色浮石，沙子，15%的有机物。在先前的实验室测试了基材有机物百分比，孔隙率百分比，粒度分布和有效水分含量，以及有关广泛植被屋顶材料的规范要求。使用了三种主要设置：胶合板地板下覆盖着50毫米的棉制挡板;非植被屋顶试验区;和一个种植的屋顶试验区。为了确定最佳的几何构型并研究对理论半自由场条件的破坏，对前两个主要设置进行了更改。在这三个主要设置中，最后一个是在植被覆盖的屋顶上种植了绿化;空中生物量的覆盖率为70%。植被在测量期间内种植;因此，根部生长尚未建立。预测水分在枯萎时近似，对实验结果无影响。

2.2.1 最佳的几何配置

为了研究设备设置的最佳配置，对几何配置（两个麦克风之间的距离;从测试表面到最近的麦克风的距离）以及声源相对于角度的位置的尺寸变化进行重复测量并且试算到麦克风探头的距离。然后需要在胶合板上的挡板，仅基材，植被屋顶测试区和种植的植被屋顶测试区上进行测量。通过研究得出的最佳几何构型包括以下内容：扬声器175厘米，垂直于测试表面;扬声器正下方的麦克风探头;基本麦克风在表面上方的高度hb（如图1）等于55毫米和25毫米麦克风间距。

2.2.2 非理想的现场测试环境

为了研究屋顶建筑特征对声场扰动的重要意义，在有和没有代表扰动的情况下，在消声室的近似半自由场条件下进行了测量和记录。在屋顶上，已知的扰动包括植被屋顶测试区的周边边缘框架，框架外部具有可变声学特性的非连续表面（吸收性和/或非吸收性表面），支撑扬声器的柱子和建筑孔径。在消声室中，根据地块在测试区域中的位置，环绕的表面可能会涉及相邻的测试地块和几何形状不同的高反射率屋顶防水构造膜。为了研究周围表面的状况，在消声室内将棉制隔板放在胶合板地板上，以模拟周边框架以外的各种表面状况。结果表明，当来自声源的声能正常入射时，测试区周围的高反射表面不会产生干扰。即随着入射角的增加，三种表面条件下的测量值之间的一致性降低。

2.2.3 测量重复性

标准建议进行四个重复测量，以适应自然地面的变化。在每次测量的波反射位置，有植被的绿化屋面可能具有各种表面特性，枝叶变化（生物量和根结构）和基质条件（暴露的成分）。使用固定的几何配置在基材测试十个不同位置进行测量，以确定所需的最小重复次数。结论是，四个重复测量足以代表表面状况。

3 基材的实验室测试

实验室测试每种测试条件下从250至2000Hz的倍频程中基材的平均法向入射吸收系数。在设置的五个评估状态的每种状态下，每种基材的测试重复都具有很高的一致性，结果表明在250至2000Hz的倍频程中，有机物的百分比和体积水含量对基材的吸声有最显著的影响。构造层次底物的吸收系数与有机物的百分比呈正相关，与水分含量和增加的压实度呈负相关。实验同时设计了使用多变量线性回归模型检查了测试底物和成分的吸收率与物理性能之间的关系。底物的测量吸收系数和要预测的因变量是正态分布的，在分析之前不需要进行转换。土壤特性和特征是可预测的独立变量，包括有机物百分比，堆积密度，颗粒密度，孔隙率，有效水分，充气孔隙率，体积水含量，压实度，粒度分布以及>2mm的颗粒百分比。在双变量分析中，考虑将具有统计学意义（p<0.05）的自变量纳入多个线性回归模型。多变量分析支持在测量期间进行的观察。法向入射吸收系数与有机物的百分比呈正相关，与压实度和含水量呈负相关。

实验测量从季节性枯萎到植被持水量增加，吸收系数降低0.16;从非压缩状态发展到紧密状态，在高于250Hz的频率处吸收系数降低了0.10。尽管对于有机物的百分比和孔隙率的百分比，吸声系数的单位增加是相似的，因此，有机物百分比变化的更大范围会比孔隙率更大程度地影响吸收。

在200至5000Hz的建筑范围内，所使用的球形去耦技术对于评估植被屋顶的吸收能力是可行的。尽管低于200Hz的频率对于在屋顶上传播声音也很重要，但在此实验设置中未进行测量。在消声室的受控环境中，当最小麦克风在表面平面上方和两个麦克风之间的距离达到最佳时，球形去耦装置的最佳几何配置可用于植被屋顶的测量。在无回声中吸收种植的植被中这两个地块测量包括压实程度，水分含量，以及表面水平的粒度分布。

在消声室中，实验测量该地块中种植了均匀分布的植被。在屋顶上，覆盖范围不均匀。随着时间的流逝，植物的生存力和死亡率也随之变化。这些发现表明，短期实验设置和受控实验室条件不能准确地代表植被屋顶基质的原位屋顶特性和复杂的植物生态学，可能会夸大植被小区的吸收潜力。因此该实验方法需解决在受控环境中避免具有模拟种植的实验装置缺乏通用性的问题。在不种植的情况下，底物块的吸收率显著大于裸露的屋顶防水薄膜。例如，在200mm的深度上，平均为0.62，而在裸露的屋顶上为0.06。（如图2）总体而言，种植有群落的样地的吸收率低于基质样地。两者的频率变化相似。但是，吸收系数的平均差范围从200Hz时的0.14到800Hz时的0.35。在1/3倍频带分析中平均下降0.24。

4 结论

在这项实验应用研究中，阻抗管和球面解耦法已被用于发现各种建筑屋面绿化构造基底，基底成分和屋顶绿化的法向和随机入射（或扩散场）吸收系数。结果表明，几种基板的法向入射吸收系数从250Hz时的约0.03到2000Hz时的0.89有所不同，并且吸收率随有机质的百分比而增加，而随水分含量和压实度而降低。随机入射或扩散场吸收屋顶绿化系数随底物深度的增加而增加。实验的设计证实了一些发现。第一，植物屋顶的吸声与基质深度，植物群落的建立以及基质的水分含量有关。二，绿色植物屋面作为建筑围护系统，具有很高的吸声特性，并且已经量化了最佳吸收的一些数值和相对条件。实验的应用可以使用通过这项测量的吸声数据来研究和建模，使植被屋顶作为吸收性表面以减少城市建筑屋面空间上的噪音累积和混响，以及扩展到包含绿色屋顶系统的多层建筑隔断的声学性能开发应用。

参考文献：

[1]Van Renterghem T， Botteldooren D. Reducing the acoustical facade load from road traffic with green roofs [J]. Build Environ，2009，44：1081.

[2]Van Renterghem T， Booteldooren D. In-situ measurements of sound propagating over extensive green roofs[J]. Build Environ，2011，46：729.

[3]Van Renterghem T， Booteldooren D. Numerical evaluation of sound propagating over green roofs[J]. Sound Vib，2008，317：781.