利用建筑结构振动衰减率评估建筑物二次辐射噪声的方法与流程

本发明涉及噪声检测技术领域，尤其涉及一种建筑结构振动衰减率的测试及计算方法，以及利用建筑结构振动衰减率评估建筑物室内二次辐射噪声的辐射量级及降噪效果的方法。

背景技术：

目前，中国有四十多个城市正在大力开展地下铁道建设。地下铁道在方便市民出行的同时，也带来许多环境问题，其中，地铁列车运行引起的振动及噪声是主要环境问题之一。地铁线路往往从人口密集区穿越，地铁列车运行会引起沿线建筑物结构的振动，而建筑结构的振动在建筑物室内会产生二次辐射噪声，大大影响地铁沿线居民的生活。

在地铁尚未开通运营时，为了预防日后地铁运营产生的二次辐射噪声扰民，地铁规划线路两侧敏感的既有建筑物或新建建筑物可以事先采取相应措施来降低室内二次辐射噪声，例如在地板和墙壁上敷设约束阻尼层或隔声层，或采用浮置地板等。评价这些措施的降噪效果目前主要依赖于计算机数值模型仿真计算，但这种数值模型仿真方法的准确性和可靠性较低，且由于数值模型中输入参数的确定需要人为干预，受人为因素的影响较大。

另外，对于某一特定的建筑物而言，在其结构形式和建筑材料确定的条件下，如何评价此结构形式和建筑材料对该建筑物室内二次辐射噪声的辐射量级的贡献，也是人们关注的问题。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种建筑结构振动衰减率的测试及计算方法，以及利用建筑结构振动衰减率评估建筑物室内二次辐射噪声的方法。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种利用建筑结构振动衰减率评估建筑物二次辐射噪声的方法，包括：

在建筑物室内结构上设置测点和多个锤击点，在所述测点布置振动速度传感器，其中，所述振动速度传感器连接数据采集仪；

通过力锤对每个锤击点进行至少一次锤击，其中，所述力锤与所述数据采集仪连接；

通过所述力锤、振动速度传感器和数据采集仪采集并记录每次锤击时测点的振动速度和锤击点的锤击力；

根据所述振动速度、所述锤击力以及每个锤击点到测点的距离计算建筑结构振动衰减率，其中，所述建筑结构振动衰减率指在锤击作用下，锤击点产生的振动在所述建筑物室内结构中传播时衰减的速率；

根据所述建筑结构振动衰减率评估所述建筑物的二次辐射噪声。

进一步地，所述的在建筑物室内结构上设置测点和多个锤击点，包括：

在建筑物室内结构上设置一条或者多条测线，在每条测线上每间隔一个设定距离值设置一个锤击点；

在每条测线起始端的第一个锤击点旁设置测点，其中，所述第一个锤击点与所述测点处布置的振动传感器之间的距离小于或等于预设值，所有锤击点上的锤击方向相同，所述振动速度传感器的测量方向与所有锤击点上的锤击方向相同。

进一步地，所述的方法还包括：

在建筑物室内地板上设置多条测线，在每条测线起始端的第一个锤击点旁设置测点；

在建筑物室内的墙壁上设置多条测线，在每条测线起始端的第一个锤击点旁设置测点；

在建筑物室内的柱上设置一条测线，在该测线的起始端的第一个锤击点旁设置测点；

在地板的测点处布置竖直方向的振动速度传感器，在墙壁和柱的测点处布置水平方向的振动速度传感器，其中，所述振动速度传感器连接数据采集仪。

进一步地，所述的通过力锤对每个锤击点进行至少一次锤击，其中，所述力锤与所述数据采集仪连接；通过所述力锤、振动速度传感器和数据采集仪采集并记录每次锤击时测点的振动速度和锤击点的锤击力，包括：

采用力锤按照相同的锤击方向依次在各个锤击点上进行锤击；

所述振动速度传感器与数据采集仪采集并记录每次锤击时测点的振动速度；

所述力锤与数据采集仪采集并记录每次锤击时锤击点的锤击力。

进一步地，所述的根据所述振动速度、所述锤击力以及每个锤击点到测点的距离计算建筑结构振动衰减率，包括；

对所述振动速度和锤击力进行处理，得到每次锤击对应的测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数；

当在所述建筑物室内结构上设置一条测线时，设在第一个锤击点锤击时测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数为a(x0)，在第n个锤击点锤击时测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数为a(xn)，第n个锤击点与测点之间的距离为δxn，所述测线上锤击点的数量为nmax+1，则所述建筑结构振动衰减率sdr的计算公式如下：

当在所述建筑物室内结构上设置多条测线时，设测线的数量为m，则所述建筑结构振动衰减率sdr的计算公式如下：

其中，a^m(x0)表示在第m条测线上，在第一个锤击点锤击时测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数；a^m(xn)表示在第m条测线上，在第n个锤击点锤击时测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数；表示在第m条测线上，第n个锤击点与测点之间的距离。

进一步地，所述的根据所述建筑结构振动衰减率评估所述建筑物的二次辐射噪声，包括：

设在锤击作用下，锤击点的振动速度幅值按照指数形式在建筑结构内衰减，则在所述建筑物室内结构内距测点的距离为x的点处锤击时测点处的振动速度幅值v(x)的计算公式如下：

|v(x)|＝|v(x0)e^-βx|

其中，β为振动速度频响函数的衰减系数，v(x0)为在第一个锤击点锤击时测点处的振动速度幅值；

则建筑物二次辐射噪声声功率w的计算公式如下：

其中，ρ0为空气密度，c0为声速，σ为辐射率。

进一步地，所述的根据所述建筑结构振动衰减率评估所述建筑物的二次辐射噪声，还包括：

根据测试得到的采取降噪措施前后的建筑结构振动衰减率，计算采取降噪措施前后的建筑物二次辐射噪声的声功率差；

根据所述声功率差评估所述降噪措施的降噪效果。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过在建筑物室内结构上设置测点和锤击点，在测点处布置振动速度传感器，通过力锤对每个锤击点进行至少一次锤击，根据力锤、振动速度传感器和数据采集仪采集并记录的每次锤击时测点的振动速度和锤击点的锤击力以及每个锤击点到测点的距离计算建筑结构振动衰减率，可以有效地测量出建筑结构的振动衰减率，进而可以利用建筑结构的振动衰减率指标来评价建筑物内降噪措施的降噪效果，以及评价建筑物的具体结构形式和建筑材料对该建筑物的室内二次辐射噪声辐射量级的贡献。本发明实施例提出的方法操作简便，耗时少，去除了人为因素的影响，准确性和可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种利用建筑结构振动衰减率评估建筑物二次辐射噪声的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种长方形地板的测点和锤击点的布置示意图；

图3为本发明实施例提供的一种长方形墙壁的测点和锤击点的布置示意图；

图4为本发明实施例提供的一种柱的测点和锤击点的布置示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域普通技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域普通技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步地解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例定义了建筑结构的振动衰减率指标，提出了该建筑结构振动衰减率指标的测试及计算方法，进而利用此建筑结构振动衰减率指标来评估建筑物室内降噪措施的降噪效果，以及评估建筑物的具体结构形式和建筑材料对建筑物室内二次辐射噪声辐射量级的贡献。

图1是本发明实施例提供的一种利用建筑结构振动衰减率评估建筑物二次辐射噪声的方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤。

步骤s110，在建筑物室内结构上设置测点和多个锤击点，在所述测点布置振动速度传感器，其中，所述振动速度传感器连接数据采集仪。

步骤s120，通过力锤对每个锤击点进行至少一次锤击，其中，所述力锤与所述数据采集仪连接。

步骤s130，通过所述力锤、振动速度传感器和数据采集仪采集并记录每次锤击时测点的振动速度和锤击点的锤击力。

步骤s140，根据所述振动速度、所述锤击力以及每个锤击点到测点的距离计算建筑结构振动衰减率，其中，所述建筑结构振动衰减率指在锤击作用下，锤击点产生的振动在所述建筑物室内结构中传播时衰减的速率。

步骤s150，根据所述建筑结构振动衰减率评估所述建筑物的二次辐射噪声。

根据本发明实施例，建筑物二次辐射噪声是指由建筑结构(例如梁、板、柱体系等)的振动引起的建筑物的室内噪声。建筑物室内二次辐射噪声的声功率可用来评估该室内二次辐射噪声的辐射量级。具体地，室内二次辐射噪声的声功率越大，表示室内二次辐射噪声的辐射量级越大，也就说明室内二次辐射噪声越大；室内二次辐射噪声的声功率越小，表示室内二次辐射噪声的辐射量级越小，说明室内二次辐射噪声越小。

建筑物室内二次辐射噪声的声功率与结构振动速度有如下关系：

上式中，w为室内二次辐射噪声的声功率，ρ0为空气密度，c0为声速，σ为辐射率，s为结构辐射面积，为结构辐射面积上的均方振动速度。

因为室内二次辐射噪声与结构振动之间存在上述关系，所以一方面可以通过减小结构振动来减小室内二次辐射噪声；另一方面，可以通过测试结构振动来评估室内二次辐射噪声。本发明实施例给出了测试建筑结构振动所需的建筑结构振动衰减率指标及其测试方法。

根据本发明实施例，建筑结构振动衰减率的定义如下：在外部激励作用下，激励点所产生的振动在建筑物室内结构中传播时衰减的速率。根据本发明实施例，上述外部激励可以是锤击激励，激励点即为锤击点，故所述建筑结构振动衰减率可指在锤击作用下，锤击点产生的振动在建筑物室内结构中传播时衰减的速率。

若建筑结构振动衰减率大，则表示振动在结构内衰减较快；若建筑结构振动衰减率小，则表示振动在结构内衰减较慢。如果实施某种降噪措施后，建筑结构振动衰减率增大，则表示此措施有降噪效果；建筑结构振动衰减率增大越多，则表示降噪效果越好。

建筑结构振动衰减率是结构的固有特性，只与建筑物的结构形式和材料属性有关，而与外部激励无关。如果在某一建筑物的特定结构形式和建筑材料条件下，建筑结构振动衰减率较小，则表示在此结构形式和建筑材料条件下该建筑物的室内二次辐射噪声的辐射量级会较大，也即室内二次辐射噪声会较大。

下面详述建筑结构振动衰减率的测试和计算方法。

首先，在建筑物室内结构上设置一条或者多条测线，在每条测线上每间隔一个设定距离值设置一个锤击点。本发明实施例以该设定距离值为0.2米进行举例说明。在每条测线起始端的第一个锤击点旁设置测点，第一个锤击点要紧邻测点并且该测点应尽量靠近墙壁或地板。本发明实施例以测点距离墙壁或地板0.1米为例进行说明。具体地，对于地板上的测点，该测点距离墙壁0.1米，对于墙壁或柱上的测点，该测点距离地板0.1米。在测点处布置振动速度传感器。根据本发明实施例，第一个锤击点与测点之间的紧邻关系指第一个锤击点应尽可能地紧挨着测点处的振动速度传感器，即第一个锤击点与测点处的振动速度传感器之间的距离小于或等于一个预设值，且该预设值应尽可能接近0，本发明实施例以该预设值为1厘米为例进行说明。该振动速度传感器通过有线或无线的形式与数据采集仪连接，本发明实施例对连接方式不做具体限定。所有锤击点上的锤击方向相同，上述振动速度传感器的测量方向和所有锤击点上的锤击方向相同。

然后，采用力锤按照相同的锤击方向依次在各个锤击点上进行锤击。该力锤与前述的数据采集仪连接。每次锤击时，所述振动速度传感器和数据采集仪协同工作来采集并记录测点的振动速度，所述力锤和数据采集仪协同工作来采集并记录锤击点的锤击力。

对上述振动速度和锤击力数据进行处理，得到每次锤击对应的测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数。根据本发明实施例，三分之一倍频程振动速度频响函数指在三分之一倍频程内单位锤击力作用下测点的振动速度响应。

根据本发明实施例，建筑结构振动衰减率的计算公式可推导如下。

设在建筑物室内结构上设置有一条测线，假设在锤击作用下，结构振动波幅值从锤击点开始在结构内按照指数衰减，设在第一个锤击点锤击时测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数为a(x0)，则在距测点的距离为x的点处锤击时测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数a(x)可以表示为：

a(x)≈a(x0)e^-βx(2)

其中，β为振动速度频响函数的衰减系数，将该系数转换为建筑结构振动衰减率的形式，则有：

sdr＝20log10(e^β)＝8.686β(3)

其中，sdr为建筑结构振动衰减率。

建筑结构辐射振动能量与β的关系可以表示为：

根据本发明实施例，锤击点可为若干个离散点，设该条测线上锤击点的数量为nmax+1，则式(4)可以表示成如下形式：

其中，δxn为第n个锤击点与测点之间的距离，a(xn)为在第n个锤击点锤击时测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数。

结合式(3)和式(5)，可以得到：

式(6)为在建筑物室内结构上设置一条测线时的建筑结构振动衰减率的计算公式。若在建筑物室内结构上设置有多条测线，则先分别计算每条测线对应的建筑结构振动衰减率，再计算多条测线对应的建筑结构振动衰减率的平均值，该平均值即为该结构最终的建筑结构振动衰减率。具体地，设测线的数量为m，则建筑结构振动衰减率可表示为：

其中，a^m(x0)表示在第m条测线上，在第一个锤击点锤击时测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数；a^m(xn)表示在第m条测线上，在第n个锤击点锤击时测点处的三分之一倍频程振动速度频响函数；表示在第m条测线上，第n个锤击点与测点之间的距离。

此外，假设在锤击作用下，锤击点的振动速度幅值按照指数形式在建筑结构内衰减，则在建筑结构内距测点的距离为x的点处锤击时测点处的振动速度幅值为：

|v(x)|＝|v(x0)e^-βx|(8)

其中，v(x0)为在第一个锤击点锤击时测点处的振动速度幅值。则式(1)可以表示为：

式(9)表示了建筑物室内二次辐射噪声声功率w与建筑结构振动衰减率sdr的关系，即sdr越大，w越小；sdr越小，w越大。根据本发明实施例，可采用室内二次辐射噪声声功率来衡量室内二次辐射噪声的辐射量级，即声功率越大，表示室内二次辐射噪声的辐射量级越大。同时，由于建筑结构振动衰减率是建筑结构的固有特征，只与建筑物的具体结构形式和建筑材料有关，所以可以利用建筑结构振动衰减率来评估在具体结构形式和建筑材料条件下建筑物室内二次辐射噪声的辐射量级，即通过sdr计算出w，再利用w评估室内二次辐射噪声的辐射量级。

此外，如果在建筑物结构上采用了某种降噪措施，如在地板上敷设约束阻尼层，则可以利用建筑结构振动衰减率来评估此种措施的降噪效果。根据本发明实施例，首先通过测试分别得到采取该降噪措施前后的建筑结构振动衰减率，然后计算采取该降噪措施前后的建筑物室内二次辐射噪声的声功率差，再根据所述采取降噪措施前后的建筑物室内二次辐射噪声的声功率差评估所述降噪措施的降噪效果。具体地，在采用降噪措施前，测量建筑结构振动衰减率sdr1，根据sdr1可以计算出室内二次辐射噪声的声功率w1：

在采用降噪措施后，再测量建筑结构振动衰减率sdr2，根据sdr2再计算室内二次辐射噪声的声功率w2：

则采用该降噪措施前后建筑物室内二次辐射噪声声功率的差可计算如下：

δw＝w1-w2(12)

根据本发明实施例，可用δw来评估该降噪措施的降噪效果，即δw越大，说明该降噪措施的降噪效果越好。

此外，以建筑物室内的地板、墙壁和柱等结构为例，本发明实施例还给出了采用锤击激励现场测试建筑结构振动衰减率的方法。本领域普通技术人员可以理解，此处所述的建筑结构可以是地板、墙壁、柱，也可以是其它建筑物内的结构，比如梁，本发明实施例对此不作具体限定。根据本发明实施例，上述采用锤击激励现场测试建筑结构振动衰减率的方法可包括如下处理过程。

步骤1，确定测点和锤击点的位置。

在建筑物室内地板上设置多条测线，在每条测线起始端的第一个锤击点旁设置测点；在建筑物室内的墙壁上设置多条测线，在每条测线起始端的第一个锤击点旁设置测点；在建筑物室内的柱上设置一条测线，在测线的起始端的第一个锤击点旁设置测点。其中，测点和锤击点的布置原则如前所述，在此不再赘述。

根据本发明实施例，测点及锤击点分为地板、墙壁、柱三种工况来布置。对于地板，本发明实施例给出长方形地板的测点及锤击点的布置示例，其他形状的地板可在具体分析后参考长方形地板的布置原则进行测点和锤击点布置，本发明实施例在此不再赘述。长方形地板的测点和锤击点布置如图2所示，其中包括测点位于长方形地板的长边一侧的布置图以及测点位于长方形地板的短边一侧的布置图。墙壁的测点和锤击点布置如图3所示。柱的测点和锤击点布置如图4所示。

另外，在图2和图3给出的示例中多条测线相交于测点，这样布置有利于减小总的测试时间。根据本发明实施例，多条测线可相交也可不相交，本发明实施例对此不做具体限定。

步骤2，在测点处布置振动速度传感器，该振动速度传感器连接数据采集仪。

根据本发明实施例，在地板测点处布置竖直方向的振动速度传感器，在墙壁和柱的测点处布置水平方向的振动速度传感器。

步骤3，采用力锤对每个锤击点进行锤击，该力锤与步骤2中的数据采集仪连接。

振动速度传感器与数据采集仪可采集和记录每次锤击时测点的振动速度数据，力锤与数据采集仪可采集和记录每次锤击时锤击点的锤击力数据。

步骤4，所有锤击点的锤击完毕后，拆除振动速度传感器、力锤、数据采集仪等设备。进行数据处理，按照公式(7)计算得到建筑结构的振动衰减率。

综上所述，本发明实施例提出的方法可以有效地测量建筑结构振动衰减率，进而可以利用建筑结构振动衰减率指标来评估建筑物内降噪措施的降噪效果，以及评估建筑物在具体结构形式和建筑材料条件下室内二次辐射噪声的辐射量级。

目前，当地铁列车尚未开通运营时，对于在建筑结构上采取措施来降低建筑物室内二次辐射噪声的降噪效果的评价以及在建筑物具体结构形式和建筑材料情况下对建筑物室内二次辐射噪声辐射量级的评估，主要依赖于计算机数值模型仿真方法。这种数值模型仿真方法需要建立复杂的数值模型并进行大量的计算，耗时较多，准确性和可靠性较低；而且由于数值模型中输入参数的确定需要人为干预，所以这种数值模型仿真方法受人为因素的影响较大。而本发明实施例提出的建筑结构振动衰减率指标可以用于评估建筑物内降噪措施的降噪效果以及评估在建筑物具体结构形式和建筑材料条件下建筑物室内二次辐射噪声的辐射量级。该建筑结构振动衰减率指标概念清晰，可以通过现场实验的方法测定。本发明实施例提出的方法操作简便，耗时少，去除了人为因素的影响，准确性和可靠性高。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。