0 引　言

玻璃棉作为常用的吸声材料被广泛应用于汽车、动车、飞机、船舶等众多工程领域^[1]。受全球温室效应的影响，北极航道受到越来越多的重视，由于航行环境的变化，船上玻璃棉材料将不可避免地受到面临低温环境的影响。在航行过程中，环境温度和湿度的变化会对玻璃棉材料的声学性能产生重要影响。国内外许多学者都研究了材料的声学性能。TAS CAN M等^[2]证明了影响隔声和吸声性能的最重要织物参数之一是表面积；陈照峰等^[3]用驻波管以及接触角测试仪等仪器分别对棉毡的结构、声学性能以及憎水性能进行了测试；李敏敏等^[4]针对不同填充材料对其墙体结构隔声性能影响开展比较研究；龚凤海等^[5]采用实验的方法通过改变离心玻璃棉的含水率、选用不同容重的样品以及改变离心玻璃棉与罩面板之间的内衬材料以验证这些因素对吸声系数的影响,为实际应用提供了指导；MA B G等^[6]根据材料的吸声机理，介绍了隔声专用吸声材料，采用多重吸声结构可以提高材料的吸声性能；钟祥璋等^[7]通过对一些玻璃棉有无贴面材料吸声系数的测量,对比分析了它们的效果；夏兆旺等^[8]对复合隔声结构的理论模型相关研究文献进行了总结，展望了复合隔声结构的发展趋势和技术难点,为复合隔声结构设计和相关性能的研究及应用提供了参考；刘美宏等^[9]木质阻尼复合结构中填充多孔材料的隔声性能进行了研究分析；TABAN E等^[10]描述了如何利用椰枣纤维制造低成本吸声板，并评估其吸声性能；鲁灿灿等^[11]利用混响室-消声室法研究了芳纶毡体／阻尼弹性薄膜复合材料的隔声性能；张军等^[12]通过吸声系数及隔声量对机房常用的吸音材料做测试,以达到对吸音材料的分析及参数优化；上官文斌等^[13]开展了双层棉毡、ABA和dissipative三种多层平板材料的吸隔声的测试与计算分析工作；王建辉^[14]研究了粉煤灰陶粒粒径大小、级配组成、掺加材料、背后空腔对吸声隔声性能的影响。目前在低温对船用敷设玻璃棉隔声性能影响的研究上鲜有报道。

为此，本文通过试验测量敷设有铝箔玻璃棉舱室模型的典型部位的声压级，对比不同噪声源不同温度下舱室噪声控制效果，探究不同温度对声学材料隔声效果的影响，并通过仿真模拟计算与试验测量值进行对比，为船舶舱室噪声控制防护提供参考。

1 原理与内容

利用模拟舱室对声学材料进行不同温度及不同湿度下的声学性能差异测试。使用无指向声源作为发声源，分别将声源布置在模拟舱室内部和外部，模拟舱室内部敷设声学材料，模拟舱室内指定位置布置2枚传声器，用于测量模拟舱室内部声压大小，模拟舱室外指定位置布置2枚传声器，用于测量模拟舱室外部声压大小，传声器测得声压信号交由数据采集仪分析处理，将每组传声器声压值取平均即为舱室内外平均声压。声压级是度量噪声的重要指标，体积元受扰动后由声扰动产生的逾量压强就称为声压。

$ P = {P_1} - {P_0} ，$

(1)

因声振动的能量范围极其广阔，并且人耳对声强的主观感受与声强的对数成正比，基于以上两方面原因，在声学中，普遍采用对数标度来度量声压，称为声压级。

$ SPL = 20\lg (p/{p_{ref}})。$

(2)

式中： $ SPL $ 为声压级； $ {p_{ref}} $ 为参考声压，国际上取2×10⁻⁵Pa。

1900 年，W.C.Sabine为解决福阁艺术博物馆的混响问题，提出了Sabine混响公式：

$ {{{T}}_{60}}{\text{ = }}\frac{{0.163{{V}}}}{{{A}}} 。$

(3)

其中：

$ {{A = }}\sum\limits_{{n}} {{{{S}}_{{i}}}} {\alpha _{{i}}}。$

(4)

式中：V 为房间体积；A为总吸声量； $ {{{S}}_{{i}}} $ 为吸声系数为 $ {\alpha _{{i}}} $ 的面积；混响时间 $ {{{T}}_{60}} $ 为室内声能密度降低 $ {10^6} $ 倍（60 dB）的时间。

后来，Eyring 等发现Sabine混响公式只适用于α很小的情况，并给出了确切的理论推导。

声能密度的变化：

$ {{D=D}}_{0}(1-\alpha )^{Sct/4V}={{D}}_{0}\mathrm{exp}[ln(1-\alpha )Sct/4V]，$

(5)

混响时间满足：

$ {10^{ - 6}} = \exp \left[ - \left(\sum\limits_i {{S_i}} ln(1 - {\alpha _i})\right)c{T_{60}}/4V\right] ，$

(6)

则

$ {{{T}}_{60}}{{ = }}\frac{{0.163{{V}}}}{{ - \displaystyle\sum\limits_i {{S_i}} ln(1 - {\alpha _i})}} ，$

(7)

如果计入空气吸收，则混响时间公式变为：

$ {{{T}}_{60}}{\text{ = }}\frac{{0.163{{V}}}}{{ - \displaystyle\sum\limits_i {{S_i}} ln(1 - {\alpha _i}) + 4mV}} ，$

(8)

其中： $ m $ 为空气中每单位距离的能量吸收系数。

工程应用中，混响吸声系数测量采用：

$ \alpha =\frac{{0.163{\text{V}}}}{S}\left(\frac{1}{{{T_2}}} - \frac{1}{{{T_1}}}\right)。$

(9)

其中： $ {T_2} $ 为满场混响时间； $ {T_1} $ 为空场混响时间。

混响室法适用于测量大型试件的吸声性能，测试成本高，测量周期长，不宜作为试验研究的参考测量方法。测量结构示意图如图1所示。

2 恒定湿度下舾装材料隔声性能研究

试验分别在环境湿度恒定为50%（正常湿度环境）与90%（高湿度环境）中进行温度分别为18℃，5℃，−10℃，−15℃，−20℃，−25℃时的声学性能测试，为确保试验数据可靠性，根据声源的位置设置了2种工况。声源布置于模拟舱室内，无指向性声源通过分别发生随机频率的白噪声和风机作为噪声激励，模拟舱室内布置2个传声器，朝向无指向性声源，模拟舱室外布置2个传声器朝向垂直于舱壁的方向，用以采集舱室内外空气噪声，传声器通过支架固定，经处理后最终模拟舱室内外的隔声量。

为对比不同温度在正常湿度环境和高湿度环境隔声材料的隔声性能，将声源在舱内进行舱室空气噪声测试，具体实验工况如表1所示。

2.1 声源白噪声激励

以无指向性声源作为试验系统的载荷输入，声源在4种工况对应位置发出频率范围在100 Hz～20 kHz频段内白噪声激励，分别测得在18℃，5℃，−10℃，−15℃，−20℃，−25℃温度时4种工况的舱室内、外指定测点的标准化声压级，并依据采集的背景噪声和混响时间，对采集数据进行背景噪声和混响时间修正，最终得到不同温度下舱室内外隔声量。测试结果如图2和图3所示。

由图2和图3可知，声源白噪声激励下，10 ～20 kHz频段范围内，湿度为50%与90%时温度对模拟舱室隔声量的影响比较大，在1～20 kHz高频段的影响效果比100 Hz～1 kHz中低频段的影响效果大。分析4种工况可知在中低频段中低温有利于提升玻璃棉的隔声性能，在2 kHz以上高频段中温度在−15℃时玻璃棉的隔声性能最佳，温度过低时由于空气中水蒸气凝结成小冰晶和雾导致玻璃棉隔声性能呈下降趋势。

2.2 声源风机激励

由于实船设备噪声激励主要集中于中低频范围，以实船风机实测噪声作为试验系统的载荷输入，利用无指向声源发出频率范围在100 Hz～3.15 kHz频段内风机噪声激励，分别测得在18℃，5℃，−10℃，−15℃，−20℃，−25℃温度下的舱室内、外指定测点的标准化声压级，并依据采集的背景噪声和混响时间，对采集数据进行背景噪声和混响时间修正，最终得到不同温度舱室内隔声量。测试结果如图4和图5所示。

典型风机激励下，100 Hz～3.15 kHz频段范围内，低温环境能有效提高模拟舱室隔声量。在100 ～200 Hz频段范围内，舱壁在斜入射声波激发下产生的受迫弯曲波的传播速度等于舱壁固有的自由弯曲波传播速度，发生了“吻合效应”。吻合效应使入射声能大量透射到另一侧去，导致隔声量随频率增加呈下降趋势或者上升趋势骤减。当船用设备的频率控制在700 Hz左右时，玻璃棉的隔声效果达到最佳，温度在−10℃ ～ −15℃时隔声效果最佳。在风机激励下，湿度并没有对玻璃棉的隔声量产生明显的影响。

3 仿真验证

针对当前方法实际应用于舱室铺设玻璃棉的隔声性能评估问题，开展模拟舱室敷设玻璃棉模型试验，以验证当前方法在实际应用中的可行性。试验模型选取了船舶典型舱室为研究对象，舱室结构相关参数如表2所示。

模拟舱室试验模型内辐射玻璃棉材料（40 mm玻璃棉），无指向性声源发出10 Hz～20 kHz白噪声激励，测量模拟舱室1 m处的平均声压值及当前敷设情况下舱室内外隔声量。

基于统计能量法对评估模型进行噪声预报，舱室内声压考核点选取距舱壁0.5 m，高度1 m处，舱室外的考核点选取距舱壁1 m，高度1 m处，激励源为典型白噪声，计算在湿度为50%，温度为18℃，5℃，−10℃，−15℃，−20℃，−25℃工况下舱室内噪声水平，板壳子系统模型如图6所示，得到的舱室内外隔声量计算结果如图7所示。

由计算结果表明，应用本文方法考虑玻璃棉表面铺层后对模拟舱室隔声量预报结果较仅考虑声学层的结果更接近试验值，且与试验结果曲线趋势基本一致，在3.15～20 kHz，温度为5℃隔声性能最差，比其他温度下低5 dB左右；−15℃时，隔声性能最好。针对在敷设声学材料的船舶舱室隔声量预报中，应用船舶舾装声学材料噪声控制效果方法，使实际舾装的舱室预报结果更为有效。

4 结　语

1）在低温环境中玻璃棉材料的隔声效果随着频率的升高整体呈上升趋势，相对风机激励，白噪声激励下玻璃棉的隔声效果受低温影响较大。

2）在−10℃～−15℃左右低温环境下玻璃棉的隔声性能最好。当温度进一步下降后空气中形成大量冰、霜使得玻璃棉隔声量效果下降。

3）当船舶在北极航道行驶时，低温环境并不会较低玻璃棉的隔声性能，但是应当适当控制舱室内的湿度防止大量小冰晶和雾的出现，保证船舶舱壁的隔音效果。