1、轻质屋盖雨噪声的实验研究燕 翔 【摘要】 轻质屋盖使用越来越广泛，存在的一个问题是，落雨冲击时，室内将产生雨噪声。国防部演播厅、国家大剧院、国家游泳中心、国家体育馆、北京南火车站、广州新火车站等大跨度轻质屋盖工程设计中，雨噪声问题关系到建筑的使用功能，进行了预测和降噪研究。本文通过对雨噪声的实验研究，初步探讨了预测轻质屋盖雨噪声的方法和途径。【关键词】轻质屋盖,雨噪声 EXPERIMENT RESEARCH ON RAIN NOISE FROM LIGHTWEIGHT ROOFINGYanxiangAbstract: In buildings, lightweight roofing is w
2、idly used more and more. One problem of the lightweight roofing is the rain noise. In some projects involved lightweight roofing design, such as a headquarters of the department of defense, National Grand Thearte, National Swimming Center, NationalL Gymnasium, Beijng south railway station, New Guang
3、zhou railway station etc，the rain noise is so improtant that it must be both expected and redued to satisfaction. This paper is intended to introduce the experiments of the rain noise. The measured sound power data allow comparison of products and estimation of the reverberant sound pressure level i
4、n a room due to rain noise.Key words: lightweight roofing, rain noise1 雨噪声问题雨噪声很早就受到人们的注意。国内外剧场设计规范中，有采用重屋面防止雨噪声的要求。近年来，大跨度、造型奇异的建筑增多，轻质屋盖大量使用，雨噪声问题增多。在别墅、学校校舍、体育馆、演播厅、电影院、剧场剧院等建筑中采用彩钢夹心板、膜结构、金属屋面、阳光板等轻屋盖时，常有雨噪声问题。2000 年夏季，国防部某重要的 1500m2 作战模拟指挥演播厅顶棚采用了10cm 厚的彩钢夹心板，普通中雨时室内噪声达到 78dB(A)，使作战指挥模拟受到影响。为此进
5、行的雨噪声实验研究显示，在顶棚附加荷载必须小于 8kg/m2 的要求下，采用隔声吊顶、屋顶喷聚胺脂、加防雨网等多种措施，室内噪声最多降低到 46dB(A)，仍不能满足使用要求，几千万投资的演播厅被迫拆除重建，改为混凝土重顶。2002 年秋季，进行国家大剧院 3 万 m2 钛金属轻质复合屋盖设计时，为了保证中国这一标志剧院的室内安静程度，法国设计师提出要求在二十年一遇的暴雨条件下室内雨噪声必须小于 42dB(A)。雨噪声模拟实验显示，原设计屋盖雨噪声为 47dB(A)，经 1mm 钢底板改 2mm、加橡胶弹性垫层、弧型板拼缝处密封、底板喷涂 K13 植物纤维阻尼等处理，室内噪声降低到 41(A)
6、dB，达到设计要求。2005 年春，进行国家游泳中心 ETFE 膜屋面设计时，为了防止北京奥运会期间雨噪声干扰跳水运动员比赛，要求在五十年一遇的特大暴雨条件下室内噪声小于 60dB(A)。雨噪声模拟实验显示，ETFE 膜雨噪声高达80dB(A)，必须降低 20dB 才能满足要求。后经实验确定，采用防雨网、透明聚碳酸脂隔声板、透明微孔吸声薄膜等方法可降低雨噪声至达标。2006 年夏季，进行国家体育馆铝金属屋面设计时，在以往轻质屋面雨噪声实验成果基础上，金属屋面内设计了 8mm 水泥压力板隔声层，并在底层 2mm 钢板喷涂 TC 离心玻璃绵纤维阻尼层，雨噪声实验显示，在五十年一遇的特大暴雨条件下，
7、体育馆内噪声为 38dB(A)，达到奥运比赛和赛后大型文艺演出的使用要求。目前，首都机场航站楼，北京南站、广州新火车站、武汉火车站等站房设计均采用大跨度轻质屋盖，为保证室内广播和声环境质量，雨噪声是建筑设计中必须考虑的问题之一。2 国内外雨噪声研究情况建立满足声学和雨量要求人工模拟降雨实验室有一定难度，需要对降雨、声学有长期的研究和数据积累，因此，国际上只有少数实验室有能力进行这项研究。雨噪声机理也是世界范围建筑声学领域研究的前沿课题。目前已知开展这项研究的国家仅有美国、日本、加拿大、澳大利亚、英国、德国、丹麦、法国和中国，每个国家有一到两个模拟人工降雨实验室。截止目前 2006 年 11 月
8、，国内仅有清华大学建筑学院建有雨噪声模拟实验室，进行过雨噪声实验和研究。可查到的公开雨噪声实验研究文献很少，原因主要是研究的人少，难度大，成果少，另外，某些由轻质屋盖公司资助研究成果也不对外公开。相关国外信息主要来自国际大公司轻质屋盖雨噪声或降低雨噪声产品的检测报告。国际标准化组织正在编制屋盖产品雨噪声的实验室测量规范草案，用以规范雨噪声的测量方法，比较轻质屋盖产品和降噪方案的雨噪声性能。该草案为 ISO/CD-18 Acoustics- Measurement of sound insulation in buildings and of building elements-Part18:
9、Laboratory measurement of sound generated by rainfall on building elements(ISO TC43/SC2 N0751 Dated 13-1-2004)，正在世界范围声学机构讨论和征求意见中。雨噪声的研究主要针对玻璃屋面、金属屋面板、夹心金属屋面板、ETFE膜、PTFT 膜、聚碳酸酯板等轻质屋面板。3 实验室人工模拟降雨降雨是水滴从高空的云中滴落形成的，这种云称为水云。水云中有大量微小水滴，凝结或互相碰撞并合而增大，增大到一定程度时，热浮力不能维持水滴的重量，形成雨滴，出现降雨。雨滴刚降落时为加速运动，随着速度的增大，空气阻力
10、迅速增大，很快达到平衡速度。由于雨滴在降落过程中的不断破碎和组合，降落到地面时雨滴粒径分布是基本稳态的。研究表明 1，小雨时落地雨滴粒径较小，大雨或暴雨时雨滴粒径较大，雨滴粒径直径一般在 0.1mm 到6mm 之间。雨量是衡量雨强的指标，气象学中用 mm/min 表示，即在一分钟内降到地面雨水水层的厚度。根据北京气象局提供的资料，世界最猛烈的降雨在 1970年 11 月 26 日，加勒比海瓜德罗普岛的巴尔斯特,达 38.1mm/min；国内最强降雨在 1971 年 7 月 1 日,山西太原地区古交市梅洞沟,达 10.6mm/min。对于北京等华北地区，年常见短时大雨雨强在 0.25mm/min
11、，二十年一遇短时大雨雨强约为1mm/min，五十年一遇短时特大雨雨强约为 2mm/min。粒径越大的雨滴降落末速度越大，落地冲量也越大，产生的雨噪声越大。6mm 粒径时，落地时极限末速度可达 10m/s 左右 2。作为人工模拟降雨，采用最大的雨滴粒径 6mm 模拟雨噪声最大的情况，雨强在 0.5-2mm/min 范围内调节。粒径 6mm 雨滴自由降落末速度与降落高度关系如表 3.1。在 ISO/CD140-18标准中推荐人工模拟暴雨时，降雨强度采用 0.7mm/min，雨滴直径采用 5mm，降雨末速度为 7m/s。表 3.1 粒径 6mm 雨滴自由降落末速度与降落高度关系表降落时间（s ）降落
12、高度(m) 降落速度(m/s) 与极限末速度百分比0.3 1.19 4.6 50.5%0.6 1.69 5.4 59.3%0.9 3.60 7.25 79.6%1.2 5.95 8.28 90.9%1.5 8.51 8.75 96.0%1.7 10.3 8.90 97.7%2.0 13.0 9.01 98.9%3.0 22 9.07 99.6% 9.11 100%根据表 3.1，考虑到实验室层高条件，可采用落雨直径 6mm，降落 3m 进行雨噪声测量。降落 3m 末速度约极限末速度的 70%，雨滴冲击屋盖板能量为极限末速度的 50%，按能量减半噪声减 3dB 原则，实验室条件测量雨噪声增加3d
13、B 修正可得到实际降雨条件下的雨噪声数值。如下图 3.1 是清华大学建筑学院设计采用的模拟雨噪声实验装置。水管（排）穿孔自由滴出 6mm 左右直径的水滴，通过供水水箱水位高度调节滴水压力，控制雨量，在屋盖板下面的接收室（混响室）测量雨噪声。图 3.1 模拟雨噪声实验装置图4 轻质屋盖材料实验室雨噪声实测值在清华大学进行的雨噪声测试时，将 12m2 左右测试屋面构件安装在接收室作为顶棚，接收室为“房中房”浮筑结构，有效防止侧向传声，保证接收室内测量的声能均来自于屋盖构件受雨滴冲击所产生的声音。垂直落雨面积为 10 m2，根据接收室测量的声压级按 ISO37416 计算可获得屋盖每平米雨噪声声功率
14、级，该数值可用作屋面构造雨噪声比较，也可预测房间室内噪声。表 4.1 是几种屋盖构造的实验室实测值。表 4.1 几种屋盖构造的实验室实测值屋盖构造 所应用工程实验雨量mm/min雨噪声功率级 dB(A)/m20.6mm 波纹彩钢板（图 4.1.1） 用于研究 1.0 74.80.6mm 波纹彩钢板，底贴 0.8mm 厚静香毡（图 4.1.2） 用于研究 1.0 63.8100mm 厚聚苯彩钢夹心板（图 4.1.3） 国防部演播厅 0.5 70.1100mm 厚聚苯彩钢夹心板上设轻质隔声层（图 4.1.4） 国防部演播厅 0.5 38.6钛金属屋面板，底喷 25mm 厚 K13 吸声纤维层（图4
15、.1.5）国家大剧院 1.0 37.0金属屋面板，底喷 25mm 厚 TC 吸声纤维层（图 4.1.6） 国家体育馆 2.0 37.8双层 ETFE 薄膜气枕（图 4.1.7） 国家游泳中心 2.0 74.6双层 ETFE 薄膜气枕，上铺 TEXLON 防雨网（图4.1.8）国家游泳中心 2.0 64.0图 4.1.1 图 4.1.2图 4.1.3 图 4.1.4图 4.1.5 图 4.1.6图 4.1.7 图 4.1.85 应用实验室数计算实际建筑室内的雨噪声在实际工程中，最关心的是预测轻质屋盖的房间中雨噪声的数值。实验室测量值为 1m2 屋盖正投影受雨冲击产生的噪声声功率，可以计算在某建筑
16、屋顶受雨面积条件下室内总噪声声功率级，再通过房间容积和房间吸声量修正可计算的室内声压级 56。计算步骤如下：步骤 1： 通过公式 5.1 将实验室测量值转换为实际受雨面积条件下的屋盖的总声功率值 Lw。 5.1)1log(02mSLlabw其中，Lw 为实际建筑屋盖产生的声功率， Llab 为实验室测量平米声功率值，S 为建筑屋盖受雨垂直总面积。步骤 2： 通过公式 5.2 计算房间吸声量 A。 5.2 TVA16.0其中，A 为房间吸声量，V 为房间容积，T 为房间预测混响时间。步骤 3： 通过公式 5.3 计算房间室内声压级 Lp。 5.3)4log(10ALwp其中，Lp 为室内声压级，
17、Lw 为屋盖总噪声声功率级，A 为室内吸声量。参考文献（Reference）1 吕宏兴等，雨滴降落速度的数值模拟J， 土壤侵蚀与水土保持学报1997 年第 3 卷第 2 期，P6.2 刘雅君,雨滴下落的收尾速度J大学物理2001 年第 20 卷第 12 期，P3.3 Suga, H.; Tachibana, H.” Sound power level of rain noise radiated from lightweight roofs”A, Proceedings of the 1994 International Congress on Noise Control Engineerin
18、g, Aug 29-31 1994 ,Yokohama, Jpn.4C Hopkins, PhD, BEng, CEng, FIOA,“Rain noise from glazed and lightweight roofing“ A,BRE Environment,Feb 20065GB/T6881.2-2002 声学- 声压法测定噪声声源声功率级混响室精密法S6ISO3741:1999 “Acoustics- Determination of sound power levels of noise sources using sound pressurePrecision method for reverbration rooms”
