建筑外窗隔聲性能淺析

鐘鐵柱

一、前言

隔聲是建筑外窗的重要功能之一，隔聲效果良好的外窗可以有效地隔絕戶外的噪聲，給人們的工作、學(xué)習(xí)和休息創(chuàng)造良好的環(huán)境，利用建筑外窗隔聲是防治噪聲的重要手段。對(duì)于建筑物而言，門窗相對(duì)墻體來說隔聲性能要差一些，是建筑隔聲的薄弱環(huán)節(jié)，所以提高外窗的隔聲性能對(duì)提高整個(gè)建筑的隔聲性能有重要的意義。

二、建筑外窗隔聲的幾個(gè)基本概念

1、隔聲與吸聲

隔聲與吸聲是兩個(gè)不同的概念，隔聲是指屏障物阻礙聲波透射的能力，而吸聲是指屏障物阻礙聲波反射的能力。工程實(shí)際中通常采用吸聲系數(shù)來描述吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能，以α表示，定義為α=Ea/Ei，Ei為入射到材料或結(jié)構(gòu)表面的總能量，Ea表示被材料或結(jié)構(gòu)吸收的聲能。隔聲構(gòu)件透聲能力的大小，用透聲系數(shù)τ來表示，定義為τ=Wt/W，Wt為透過隔聲構(gòu)件的聲功率，W為入射到隔聲構(gòu)件上的聲功率，聲功率的單位為瓦 （W）。

一般隔聲構(gòu)件的τ值很小，約在10-1~10-5，使用很不方便，所以人們采用10lg1/τ來表示構(gòu)件本身的隔聲能力，稱為隔聲量或稱傳聲損失，記作TL，單位為dB，即TL=10lg1/τ。

2、質(zhì)量作用定律

式 （1）就是哈里斯提出的建筑聲學(xué)中常用的質(zhì)量作用定律，公式顯示，面密度M或聲音頻率f加倍，隔聲量增加6dB。值得注意的是這個(gè)公式適用于單層墻的隔聲，而窗與墻在密度、結(jié)構(gòu)上和尺寸上都有很大區(qū)別，門窗的幾何尺寸與入射波波長(zhǎng)相比，一般說并不很大，應(yīng)用質(zhì)量定律所得結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有較大偏差，對(duì)于建筑外窗來說，質(zhì)量定律是不適用的。針對(duì)面密度M對(duì)隔聲的重大影響，前蘇聯(lián)聲學(xué)家艾爾杰里推薦了兩個(gè)單值隔聲量的經(jīng)驗(yàn)公式[3]：

按式 （3）計(jì)算出的58系列木鋁復(fù)合窗的隔聲量分別為31.6dB，與實(shí)測(cè)所得500Hz隔聲量比較接近，考慮到窗自身的特點(diǎn)和檢測(cè)過程中偶然因素的影響，這個(gè)結(jié)果還是可以接受的。

另外，從隔聲構(gòu)件的隔聲特征曲線也可以看出，窗的隔聲性能并不是一直隨著聲音頻率的增加而上升，這是由于共振和吻合效應(yīng)的影響 （圖1）。中空玻璃窗的共振頻率計(jì)算式為[3]：

圖1

式中d為空氣層的厚度，單位為cm，t1、t2分別為各層玻璃厚度 （cm），計(jì)算可知58系列隔熱木鋁復(fù)合窗的共振頻率是fr=219Hz。

3、計(jì)權(quán)隔聲量

由于同一建筑構(gòu)件在不同聲音頻率下的隔聲量TL不相同，而人耳對(duì)不同頻率下同一隔聲量的主觀感受也不一樣的，這給人們對(duì)構(gòu)件本身隔聲量的理解和不同構(gòu)件間隔聲量的比較都帶來了困難，為了解決這個(gè)問題，引入了計(jì)權(quán)隔聲量 （Rw）的概念。計(jì)權(quán)隔聲量是對(duì)構(gòu)件隔聲性能的單值評(píng)價(jià)，其值是通過將構(gòu)件的隔聲頻率特性曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較來確定的。標(biāo)準(zhǔn)曲線相當(dāng)于一條“等隔聲曲線”，是一條隨頻率而變化的折線。計(jì)權(quán)隔聲量求得的方法和結(jié)果都加入了人的主觀因素，可以更加直觀地理解 “隔聲”的含意。

為了修正計(jì)權(quán)隔聲量對(duì)建筑構(gòu)件隔聲的主觀影響，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中還引入了C和Ctr兩個(gè)頻譜修正量，用于對(duì)計(jì)權(quán)隔聲量的調(diào)整[6]。在門窗隔聲性能分級(jí)指標(biāo)中，外門、外窗以 “計(jì)權(quán)隔聲量和交通噪聲頻譜修正量之和（Rw+Ctr）”作為分級(jí)指標(biāo)，內(nèi)門、內(nèi)窗以計(jì)權(quán)隔聲量和粉紅噪聲頻譜修正量之和 （Rw+C）”[7]作為分級(jí)指標(biāo)，用以強(qiáng)調(diào)不同頻率環(huán)境噪聲下，對(duì)門窗隔聲性能的影響。

三、建筑外窗隔聲的特點(diǎn)

1、材料構(gòu)成對(duì)外窗隔聲性能的影響

外窗從材料上來講，對(duì)隔聲性能有影響的主要有框（包括扇）料和玻璃，基于以下幾方面原因，在隔聲方面可以不考慮框料的影響：

（1）從實(shí)際情況看，一方面，框料一般只占到外窗總面積的15%左右，所占面積遠(yuǎn)小于玻璃，對(duì)整體外窗隔聲性能的影響并不大；另一方面，框料的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同的外窗情況各異，隔聲量難于測(cè)量和計(jì)算。

（2）從質(zhì)量作用定律角度考慮，市場(chǎng)上常見的框料，不論是木框、隔熱斷橋鋁框、塑料框 （有襯鋼），其計(jì)算隔聲量與一般中空玻璃的隔聲量都非常接近，在非特別嚴(yán)格的使用環(huán)境下，其實(shí)際隔聲量與整窗的隔聲量比較接近。

（3）通過對(duì)各種系統(tǒng)窗型的實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)分析證明，外窗的隔聲性能主要取決于玻璃，在相同玻璃配置條件下，對(duì)不同框材外窗的隔聲量來講一般木框好于鋁框，但差別不明顯。

2、玻璃配置對(duì)外窗隔聲性能的影響

根據(jù)質(zhì)量定律，增加玻璃的厚度可以提高隔聲性能，但這顯然不是經(jīng)濟(jì)的做法，目前市場(chǎng)上常見的玻璃品種有單玻、中空、雙中空、夾膠玻璃、不等厚中空玻璃等，本文主要通過數(shù)值比較的方法來對(duì)幾種常見的玻璃配置方式進(jìn)行比較分析，數(shù)據(jù)來源為美國VIRACON建筑玻璃公司。

（1）6+1.14PVB+6夾膠玻璃與12mm單玻隔聲性能比較 （圖2）。兩種玻璃面密度基本相同，按質(zhì)量定律理論應(yīng)具有基本相同的隔聲效果。數(shù)據(jù)顯示，對(duì)于800Hz以內(nèi)的噪聲，夾膠玻璃與相同厚度的單玻具有相同的隔聲效果，而對(duì)于800Hz以上的噪聲，夾膠玻璃的隔聲能力略好于單玻，根據(jù)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行的計(jì)權(quán)隔聲量計(jì)算顯示，夾膠玻璃比相同厚度的單玻大1分貝。

圖2

（1） 中空玻璃 （6+12a+6） 與單玻 （12mm） 隔聲性能比較 （圖3）。從節(jié)能角度考慮，12mm的空氣層是一個(gè)比較好的選擇，但對(duì)于隔聲來講卻不是這樣，圖中顯示，從100到5000的頻率范圍內(nèi)，兩條隔聲曲線相互交叉，這是由于共振及吻合頻率不同造成的。從計(jì)權(quán)隔聲量的計(jì)算來看，中空玻璃為35dB，單玻為37dB，單玻隔聲性能優(yōu)于中空玻璃。

圖3

（3） 雙中空玻璃 （6+12a+6+12a+6） 的隔聲特點(diǎn)（圖4）。這里將雙中空玻璃與普通 （單）中空玻璃 （6+12a+6）作了對(duì)比，從圖上的比較可以看出，在中高頻段，雙中空玻璃由于質(zhì)量的增加，隔聲性能有一定的增加。雙中空的計(jì)權(quán)隔聲量達(dá)到了39dB，比普通中空玻璃增加了4dB，隔聲曲線的走向則完全相同。

圖4

（4）雙片不等厚中空玻璃 （6+12a+10） 與普通 （雙片等厚）中空玻璃 （10+12a+10）的隔聲性能方面的比較 （圖5）。從質(zhì)量定律角度考慮，后者具有更大的面密度，但從隔聲曲線可以看出，不等厚玻璃由于減弱了共振和吻和效應(yīng)的影響程度，具有更好的隔音效果。從計(jì)權(quán)隔聲量計(jì)算來看，不等厚的中空玻璃的計(jì)算值為39dB，而普通中空玻璃的計(jì)算值為37dB，不等厚中空玻璃在降低面密度的同時(shí)提高了隔聲能力，是一個(gè)比較好的選擇。

圖5

3、其他影響玻璃隔聲的因素

（1）采用不平行的兩片玻璃也是常提到的做法，但由于玻璃和門窗的加工難度大、視覺效果受影響等原因，很少采用。而且相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，采用不平行玻璃時(shí)的隔聲量，近似等于采用這兩片玻璃近端和遠(yuǎn)端的平均值的普通中空玻璃的隔聲量[7]，比如不平行玻璃的一側(cè)間距為12mm，另一側(cè)為36mm，則其隔聲量與一個(gè)間距為24mm的中空玻璃相當(dāng)?？梢?，采用不平行中空玻璃并無優(yōu)勢(shì)。

（2）兩片玻璃間距對(duì)隔聲性能的影響

對(duì)于聲波來說，兩片玻璃間的空氣層相當(dāng)于一個(gè)緩沖層，如果緩沖層很薄，鋼性很強(qiáng)，就起不到很好的緩沖作用。相應(yīng)試驗(yàn)表明，中空層每增加一倍，隔聲量大約增加3dB。

（3）兩片玻璃間墻面內(nèi)壁鋪設(shè)吸音材料對(duì)隔聲也有一定影響，這種做法的作用是利用吸聲材料降低了兩片玻璃內(nèi)部空間的聲壓，有效果的前提是一方面兩片玻璃之間要有一定空間 （推薦100mm以上），另一方面周邊的總面積與玻璃的面積比不能太小。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)高頻噪聲的隔聲效果更好一點(diǎn)，一般來講，可以增加2-5dB的隔聲量。

4、窗框扇間密封與安裝方式對(duì)外窗隔聲性能的影響

我們都有這樣的生活體驗(yàn)：窗戶剛開一小縫，噪聲就撲面而來。由于孔洞的透聲系數(shù)為1，隔聲量為零，所以哪怕窗框扇間一個(gè)很小的密封不嚴(yán)的位置，都會(huì)對(duì)外窗整體的隔聲量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。例如，當(dāng)孔洞面積為整片圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積的1%時(shí)，結(jié)構(gòu)隔聲量不會(huì)超過20dB。外窗的開啟方式不同，所采用的密封方式也不一樣，一般而言，氣密性好的門窗相對(duì)隔聲效果也會(huì)好一些，例如采用三元乙丙或硅橡膠做為密封材料并進(jìn)行多道密封處理的內(nèi)平開窗的隔聲效果要好于以密封毛條為主要密封材料的推拉窗。

安裝方式對(duì)外窗的隔聲也有很大的影響，安裝不利的外窗的隔聲性能會(huì)大打折扣。一般在外窗安裝時(shí)，洞口墻體與窗邊會(huì)留一條10mm左右的縫隙，里面使用發(fā)泡劑填塞，室內(nèi)外兩側(cè)打密封膠。不論是發(fā)泡劑還是密封膠，都屬于輕質(zhì)材料，本身的隔聲性能都比較差，要保證外窗的隔聲性能，還需要做一些特別的處理。這里推薦一種做法：室外側(cè)安裝時(shí)洞口的上、左、右采用墻體壓窗邊的做法，下側(cè)采用導(dǎo)水板；室內(nèi)側(cè)包套處理 （圖6、圖7），可以有效解決安裝間隙傳聲的問題。

圖6

圖7

四、門窗隔聲設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

1、隔聲設(shè)計(jì)應(yīng)注意與噪聲特點(diǎn)、建筑性質(zhì)和房間使用功能相結(jié)合，要有針對(duì)性。

這就要求門窗隔聲設(shè)計(jì)者不僅要掌握一定的門窗隔聲知識(shí)，還應(yīng)對(duì)聲學(xué)、建筑等知識(shí)有相當(dāng)?shù)牧私?，全面考慮。舉個(gè)例子，如果一個(gè)房間的噪聲污染來源于一家工廠，而工廠的噪聲頻率集中在某一頻段，那么在外窗的隔聲設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)選擇共振頻率遠(yuǎn)離該頻段的產(chǎn)品，降低由于共振帶來的不利影響。

2、在具體隔聲方案設(shè)計(jì)中，應(yīng)多種方案相結(jié)合，在適用的基礎(chǔ)上做到經(jīng)濟(jì)、合理。

對(duì)于同一座建筑而言，按慣常的做法，會(huì)全部采用相同的外窗產(chǎn)品。而從隔聲角度考慮，不同方向、不同高度的房間所受噪聲的影響不同，房間的功能也不相同，在做隔聲設(shè)計(jì)中也應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，采取相應(yīng)的隔聲措施，不能一概而論。例如，對(duì)于一棟用于賓館的建筑，走廊的一面臨街，另一面是居民區(qū)，臨街一側(cè)的客房就要重點(diǎn)考慮交通噪聲 （中低頻）的影響，而另一側(cè)應(yīng)重點(diǎn)考慮生活噪聲 （中高頻）的影響，從而采用不同隔聲效果的外窗產(chǎn)品。

3、對(duì)隔聲要求比較高的場(chǎng)所，建議采用雙層窗的方式，并盡量增加框材的面密度。

雙層窗在隔聲中的作用類似于雙層墻，通過界面層的多次反射及空氣層的彈性和附加吸收作用提高隔聲量。為達(dá)到隔聲效果，一般要求兩層窗之間的距離應(yīng)控制在150mm以上 （越大越好），兩層窗在玻璃配制上也要有所區(qū)別以降低共振和吻合效應(yīng)的影響，兩層窗之間的洞口側(cè)面周邊還可以鋪設(shè)吸聲材料，以進(jìn)一步提高隔聲量。在隔絕以中低頻為主的噪聲時(shí)，應(yīng)在安全和法律法規(guī)許可范圍內(nèi)盡量加大一側(cè)玻璃的厚度，同時(shí)使用容重較大的吸聲材料 （比如礦棉）并增加其厚度，以增加在該頻段的隔聲量。

在對(duì)隔聲要求比較高的場(chǎng)所，框材的傳聲作用也要重視，冷軋鋼材制成的鋼窗框具有面密度大、隔聲性能好的特點(diǎn)，是個(gè)比較好的選擇，而且通過技術(shù)處理也可能達(dá)到非常好的保溫和密封效果。

4、應(yīng)注意低頻噪聲的危害。

低頻噪聲是指頻率在500Hz以下的噪聲，由于相對(duì)于中高頻噪聲來講，人耳對(duì)低頻噪聲不敏感，所以不論是在我們測(cè)量中經(jīng)常采用的A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)還是隔聲的單值評(píng)價(jià)指標(biāo)——計(jì)權(quán)隔聲量中，都對(duì)聲音的低頻段進(jìn)行了大幅度的衰減，但國內(nèi)外的研究結(jié)果證明：低頻噪聲相對(duì)來講對(duì)人體健康具有更大的危害和更長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響。

低頻噪聲波長(zhǎng)較長(zhǎng)，衰減慢，可以輕易穿越障礙物，所以又被稱為 “隔不住的噪聲”。在日常生活中，交通、電梯、空調(diào)、高樓水泵等都是常見的低頻噪聲源，這類噪聲往往在空氣傳聲的同時(shí)都伴有結(jié)構(gòu)傳聲，在測(cè)量時(shí)由于采用了對(duì)低頻表現(xiàn)不利的A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)，其等效聲級(jí)大多并不超過標(biāo)準(zhǔn)中限值的規(guī)定，但對(duì)人們正常生活卻帶來非常大的影響，所以在建筑設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)充分考慮低頻噪聲的隔離問題，提出綜合解決方案。

五、結(jié)束語

正如很多專家所說，聲學(xué)是一門 “既古老又迅速發(fā)展著的”學(xué)科，而門窗隔聲技術(shù)的研究在我國更是發(fā)展較晚的邊緣分支，還處于起步階段。但無庸置疑，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量關(guān)注度的增加，對(duì)門窗的隔聲性能必然會(huì)提出更高的要求，就會(huì)促進(jìn)人們對(duì)門窗隔聲性能的關(guān)注和研究。本文旨在通過總結(jié)國內(nèi)外聲學(xué)專家研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)及多年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，提出一些個(gè)人觀點(diǎn)，供業(yè)內(nèi)人士參考。

[1]陳克安，曾向陽，楊有糧.聲學(xué)測(cè)量，機(jī)械工業(yè)出版社，2010

[2]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學(xué)基礎(chǔ)，南京大學(xué)出版社，2010

[3]康玉成.建筑隔聲設(shè)計(jì)——空氣聲隔聲技術(shù)，中國建筑工業(yè)出版社，2004

[4]盛美萍，王敏慶，孫進(jìn)才.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)基礎(chǔ)，科學(xué)出版社，2007

[5]GB/T50121-2005建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，中國建筑工業(yè)出版社，2005

[6]GB/T8485-2008建筑門窗空氣聲隔聲性能及檢測(cè)方法，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009

[7]SOUNDTRANSMISSIONTHROUGHWINDOWS I,byJ.D.Quirt,1982

[8]GB3096-2008聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境科學(xué)出版社，2008