玻璃棉對輕型木結(jié)構(gòu)外墻隔聲性能的試驗研究?

李敏敏 謝文博 王 正 曹 瑜

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，噪音已成為影響人類健康和世界環(huán)境的眾多因素之一，如何降低噪音的損害已成為當今社會的一個主要問題[1]。而房屋建筑的墻體、屋頂、門等部位的隔聲對于降低房屋的噪聲是非常重要的[2-3]。

輕型木結(jié)構(gòu)房屋是由木構(gòu)架墻，木樓蓋和木屋蓋系統(tǒng)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系，適用于三層及三層以下的民用建筑。其墻體主要是由墻骨柱組成的墻體框架結(jié)構(gòu)與木基結(jié)構(gòu)板材、石膏板或其他板材復(fù)合而成，墻骨柱框架體系中適當填充保溫棉材料，能很大程度上降低室內(nèi)的噪聲，對確保房屋建筑墻體具有良好的聲學(xué)性能起到關(guān)鍵作用[4-5]。

國內(nèi)外專家學(xué)者對輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體的聲學(xué)性能研究取得較多成果。2007年，周海賓等人現(xiàn)場構(gòu)建墻體，在隔聲實驗室進行試驗，分析墻體的建造細節(jié)與隔聲性能的關(guān)系，得出影響木結(jié)構(gòu)墻體隔聲的因素并提出合理化的結(jié)構(gòu)設(shè)計建議[6]。同年，YU Hai-jun、YAO Guang-chun等人對Al-Si閉孔鋁泡沫塑料板聲衰減指數(shù)與材料厚度、密度的關(guān)系作了研究，發(fā)現(xiàn)其隔聲性能基本符合單層板隔聲理論[7]。2008年，LIU Zhihong、ZHAO Ying-kun等人根據(jù)無限分層介質(zhì)中的波傳遞理論，對水下復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)的隔聲性能進行研究，發(fā)現(xiàn)橡膠材料對結(jié)構(gòu)的隔聲性能有很大的影響，且多層橡膠復(fù)合結(jié)構(gòu)要優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)，其測量結(jié)果與理論預(yù)測具有較好的一致性[8]。2012年，陳繼浩、冀志江等人對非承重輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)及雙層輕質(zhì)復(fù)合墻體的隔聲性能進行實驗室測試研究，分析填充材料及彈簧減振件對墻體隔聲性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，吸聲填充材料對輕質(zhì)復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)隔聲具有顯著的改善作用[9]。同年，周統(tǒng)建、王志強等人采用AWA6290M雙通道型建筑聲學(xué)測量系統(tǒng)對三種不同結(jié)構(gòu)的外墻進行現(xiàn)場隔聲性能測試與評價，得到隔聲效果的單一評價值，試驗結(jié)果表明，空心刨花板復(fù)合墻體隔聲性能優(yōu)于類似填實巖棉等吸聲材料的墻體結(jié)構(gòu)，符合住宅隔聲標準要求[10]。

鑒于此，筆者依據(jù)現(xiàn)場動態(tài)測量法，采用傳感器技術(shù)，利用結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性實測輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)的隔聲量，并結(jié)合其頻譜分析頻率成分及其聲音源[11]。通過比較不同墻體填充材料對墻體結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響研究，評價其墻體結(jié)構(gòu)的隔聲性能，旨在為我國輕型木結(jié)構(gòu)建筑的聲學(xué)設(shè)計及其工程應(yīng)用提供有益借鑒。

1 測試對象與儀器

1.1 測試對象

1） 筆者測試的輕型木結(jié)構(gòu)小型木屋建筑由江蘇森之虎建筑工程有限公司建造。其墻骨柱材料為截面尺寸38 mm×89 mm的SPF規(guī)格材，墻骨柱間距為406 mm，其墻體結(jié)構(gòu)如圖1所示；2） 保溫棉填充材料2種。玻璃保溫棉A（熱阻值2.290m2K/W;密度49.38kg/m3；含水率18.4%）。玻璃保溫棉B（;熱阻值1.937 3m2K/W;密度47.62kg/m3；含水率18.7%）。

1.2 測量儀器

圖1 輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch of timber-framed wall structure

1） CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)1套。該系統(tǒng)由信號調(diào)理、信號采集、Sscras信號與系統(tǒng)分析軟件及計算機組成，其信號調(diào)理部分包括抗混濾波器和信號放大器，對接收的信號先進行濾波，再經(jīng)信號放大器放大后的信號進入信號采集部分，采集到的模擬信號經(jīng)計算機進行數(shù)字信號處理，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最后利用Sscras信號與系統(tǒng)分析軟件進行處理分析[12-13]；

2） TES135-1型聲級計2只。其測量范圍：L0＝35～90 dB，頻率范圍：31.5～8 000 Hz，準確度：±1.5 dB，分辨率：0.1 dB，采用內(nèi)部94 dB位置校正，試驗主要將聲級計作傳聲器使用[14]；

3） 揚聲器1 只。

2 測量原理與方法

2.1 測量原理

筆者采用現(xiàn)場動態(tài)測量法對該外墻結(jié)構(gòu)進行隔聲量測量與分析，以判定該外墻的墻體結(jié)構(gòu)隔聲特性[15]。其聲源按國際標準ISO1405:1998（E）聲學(xué) 建筑和建筑構(gòu)件的隔聲測量 第5部分:外墻構(gòu)件和外墻空氣聲隔聲的現(xiàn)場測量規(guī)定，采用交通噪聲源及揚聲器聲源進行同步測量，以真實反映隔聲構(gòu)件的實際隔聲效果[16-17]。測量時，將2只聲級計分別放在建筑外墻的內(nèi)外兩側(cè)，并合理選擇聲級計到測試墻面的水平距離為1 m，離地面高度為1 m。測試時將揚聲器置于室外環(huán)境，盡可能接近地面安放，與地面角度呈向上45°，使測試的外墻表面各部分的聲壓級差別不超過5dB(A)[18]。測量信號采用1/3倍頻程帶寬濾波器所限制的白噪聲。測量時間采用短時間取樣的方法，分別選取上下午幾個不同的時間段進行測量。開門隔聲量測量測點布置平面圖，見圖2。

聲級計是由級化電容式麥克風(fēng)、前置放大器、衰減器、放大器、頻率計權(quán)網(wǎng)絡(luò)和有效值指示表頭等組成,其工作原理如圖3，被測聲音由傳聲器接收，傳聲器將聲波轉(zhuǎn)換成電信號，通過放大器、衰減器處理，在指示器上可獲得適度的指示。計權(quán)濾波器對通過的信號進行濾波處理，使聲級計的整機頻率響應(yīng)符合規(guī)定的頻率計權(quán)特性的要求，以便能測量計權(quán)聲級。

圖2 現(xiàn)場開門測點布置平面圖Fig.2 The layout plan of test points with opening door

圖3 聲級計工作原理示意圖Fig.3 The working principle sketch map of sound level meter

試驗運用單值評價法以計權(quán)隔聲量來衡量輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)隔聲性能[19]，測試結(jié)果用頻率在0～10 000 Hz范圍內(nèi)1/3倍頻程的隔聲量來表述。A計權(quán)聲級是用A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)測得的聲壓級，通常用LA表示，單位為dB（A）。A聲級是噪聲評價的一種單值評價量，用模擬人耳對55 dB純音的響度。當信號通過時，其低頻、中段頻有較大的衰減，是噪聲所有頻率成分的綜合反映。

2.2 測量過程

圖4 隔聲量測試框圖Fig.4 The diagram of sound insulation quantity test

在測試現(xiàn)場將儀器按測試框圖4連接。根據(jù)ISO16283—1—2014《聲學(xué)-隔音建筑和建筑元素的現(xiàn)場測量-第1部分:機載隔音》要求，在該墻體室內(nèi)和室外側(cè)各放置一只聲級計（見圖2）。兩只聲級計接收信號的表頭應(yīng)正對墻體，且在一條平行直線上；接通電源，打開測試及分析系統(tǒng)，調(diào)整頻譜及聲波顯示幅度至適中；調(diào)整相關(guān)參數(shù)設(shè)置；對測試用聲級計進行校準；先把建筑門窗關(guān)閉，開始測試獲取數(shù)據(jù)，一組數(shù)據(jù)測試完后將門打開，再進行測試獲取數(shù)據(jù)。測試時分上午、下午兩個時間段，每個時間段在關(guān)門、開門條件下分別測試3組數(shù)據(jù)。當測好玻璃棉B材料在內(nèi)的墻體結(jié)構(gòu)隔聲量后，再用玻璃棉A材料替換之，并重復(fù)上述操作。當測試結(jié)束后再對測量數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)分別含有兩種不同保溫棉材料填充的墻體結(jié)構(gòu)對其隔聲性能的影響；通過測量頻譜分析不同頻程所對應(yīng)的噪聲源，以期為噪聲源的確定及墻體隔聲優(yōu)化設(shè)計的改善提供參考。

3 結(jié)果與分析

3.1 聲壓級能量頻譜結(jié)果及其分析

以填充歐文斯玻璃棉時墻體隔聲的頻率成分及其聲壓隨頻率變化的分布情況為例，通道ch1、ch2分別測得建筑室內(nèi)、室外側(cè)聲壓級。由圖5得知，聲壓能量的頻率范圍在0～50 Hz頻率范圍內(nèi)集中均衡，低于20 Hz為次聲波，一般為固有頻率，振動頻率與初始條件無關(guān)；在50～600Hz頻率范圍內(nèi)噪聲聲壓呈線性遞增，隨著頻率的增大，隔聲聲壓能量逐漸增加，墻體隔聲效果隨之提高；在600～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)的隔聲聲壓較集中均衡，環(huán)境噪聲在600～10 000 Hz頻率段內(nèi)均勻分布，頻率在600 Hz以上，墻體隔聲量趨于穩(wěn)定，其主要原因是該頻段的環(huán)境聲源較強，隔聲聲壓較大。

圖5 聲壓級測試頻譜圖（填充玻璃棉B）Fig.5 The test spectrum of sound pressure level(Take Owens as an example)

3.2 房屋外墻隔聲量測算及其分析

隔聲測試時間為兩天，每天均選取白天上午、下午相同的時間段，對該輕型木結(jié)構(gòu)建筑分別填充玻璃保溫棉A和玻璃保溫棉B的墻體結(jié)構(gòu)進行A計權(quán)聲級測量，通過聲級計進行信號采集，測試及分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集分析，測量結(jié)果與隔聲量及其據(jù)式（1）計算的室內(nèi)外聲壓倍數(shù)關(guān)系結(jié)果如表1。

以Po為零分貝參考值，其對應(yīng)0.000 02 Pa。如：墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)置玻璃保溫棉B材料，在上午(10:00-10:10)關(guān)閉門窗的條件下進行室內(nèi)測量，測得室外平均A計權(quán)聲壓級為64.5 dB（A），室內(nèi)平均A計權(quán)聲壓級為45.0 dB（A），室內(nèi)外聲壓倍數(shù)關(guān)系[18]為:

式中：Pe室外表示室外的聲壓（Pa）；Pe室內(nèi)表示室內(nèi)的聲壓（Pa）。

為了反映該墻體結(jié)構(gòu)的隔聲效果，筆者比較了關(guān)閉門窗和開門閉窗兩種情況下的隔聲測量結(jié)果。在關(guān)閉門窗的條件下進行室內(nèi)測量，測得填充玻璃保溫棉B的外墻隔聲量是開門閉窗條件下外墻隔聲量的1～2倍，而填充玻璃保溫棉A的外墻隔聲量是開門閉窗條件下外墻隔聲量的3～4倍。測試時，選擇測量的外墻是開有門的一面墻，在開門條件下，進行環(huán)境噪聲測量，由于聲音通過門洞傳入建筑室內(nèi)，此時測得室內(nèi)外A計權(quán)聲級相差較小，外墻隔聲量相比于閉門時大為減小。因此，為了提高隔聲量，或者降低房間內(nèi)的噪聲干擾，建議關(guān)閉門窗。

表1 建筑墻體的隔聲測算值Tab.1 The actual measured and calculated value of sound insulation of building walls

隔聲測量分上午和下午兩個時間段進行，測試現(xiàn)場在下午人為活動頻繁，環(huán)境噪聲比上午大約增大9dB。由同等測試條件下（關(guān)閉門窗或開門閉窗），下午測得外墻隔聲量是上午測得的1～2倍，下午在建筑附近有工人施工噪聲及附近的交通噪聲，環(huán)境噪聲大，測得上午環(huán)境的A計權(quán)聲級在60～70 dB，下午環(huán)境的A計權(quán)聲級在70～80 dB。頻譜分析墻體對600Hz以上頻率段的隔聲效果好，增大環(huán)境聲壓能量，外墻隔聲量增大，即此外墻對70～80 dB的聲音阻隔效果好。

根據(jù)表1分析得知，玻璃保溫棉B作外墻填充材料時建筑室內(nèi)的A計權(quán)聲級比玻璃保溫棉A作外墻填充材料時建筑室內(nèi)的A計權(quán)聲級小。當關(guān)門時，測得室內(nèi)的A計權(quán)聲級在40～50 dB之間，相當于正常室內(nèi)談話，屬于正?？山邮芊秶?；當門敞開時，室內(nèi)的A計權(quán)聲級在50～60 dB之間，室內(nèi)分貝明顯比關(guān)門時大，但室內(nèi)測得總體A計權(quán)聲級符合GB 3096—1993 《城市區(qū)—環(huán)境噪聲標準》中2類標準限值規(guī)定的晝間不大于60 dB(A)。

顯而易見，在同等條件下，該輕型木結(jié)構(gòu)房屋外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)置有玻璃保溫棉B的墻體隔聲量普遍高于其內(nèi)置玻璃保溫棉A時墻體的隔聲量；但是，玻璃保溫棉B材料的市場價格是玻璃保溫棉A的4倍，該木屋主要功能是居住，位置比較偏遠，環(huán)境噪聲相對較小，其對建筑外墻的隔聲要求相對降低，因此玻璃保溫棉A材料作輕型木結(jié)構(gòu)外墻的填充材料性價比會更高。

4 結(jié)論

1)同種輕型木結(jié)構(gòu)房屋外墻結(jié)構(gòu)內(nèi)置有玻璃保溫棉B材料時的隔聲量較高，玻璃保溫棉A的隔聲量次之。選擇歐文斯科寧玻璃棉作為填充材料用于輕型木結(jié)構(gòu)外墻能更有效地提高其隔聲性能。

2 )實測的輕型木結(jié)構(gòu)房屋室內(nèi)A計權(quán)聲級小于50dB水平，符合GB 50118—2010《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的居住建筑室內(nèi)允許噪聲級三級（A計權(quán)），同時室內(nèi)A計權(quán)聲級符合GB 3096—1993中2類標準限值規(guī)定晝間不大于60 dB(A)，夜間不大于50 dB(A)要求。

3)聲壓能量的頻率范圍在0～50 Hz頻率范圍內(nèi)集中均衡，多為建筑的固有頻率；在50～600 Hz頻率范圍內(nèi)噪聲聲壓呈線性遞增，音調(diào)隨之提高，一般由人類日常生活活動產(chǎn)生；在600～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)比較集中均衡，環(huán)境噪聲在600～10 000 Hz頻率段內(nèi)均勻分布，與周圍交通、工廠建設(shè)關(guān)系密切。外墻設(shè)計過程中，可根據(jù)環(huán)境存在主要聲源頻率考慮材料及其結(jié)構(gòu)的選擇，以優(yōu)化外墻的隔聲性能。

4)采用玻璃保溫棉A材料作為本次測試的輕型木結(jié)構(gòu)外墻填充材料的性價比較高，聲學(xué)性能亦達到了GB 50118—2010及GB 3096—1993的規(guī)定要求。

[1] Zhao J, Wang X M, Chang J M, et al. Sound Insulation Property of Wood-Waste Tire Rubber Composite [J].Composites Science and Technology ,70,2010:2033-2038

[2] Valtteri H, Maria M, Maija S.Satisfaction with Sound Insulation in Residential Dwellings——The Effect of Wall Construction[J]. Building and Environment, 2015, 85:309-320.

[3] 王軍強, 黃新, 陳雪涌. 高品質(zhì)住宅樓板隔聲施工技術(shù)[J]. 建筑技術(shù), 2011, 42(3):224-227.

[4] 徐磊, 張學(xué)飛, 王瑞乾, 等. 隔聲材料排布順序?qū)?fù)合板材隔聲特性的影響[J]. 噪聲與振動控制, 2016, 36(4):58-63.

[5] 詹沛, 白國鋒, 牛軍川, 等. 含空氣層與多孔材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲特性研究[J]. 應(yīng)用聲學(xué), 2014, 33(5):426-433.

[6] 周海賓, 江澤慧, 費本華. 木結(jié)構(gòu)墻體建造細節(jié)對其隔聲性能的影響[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2007, 29(3):159-164.

[7] Yu H J, Yao G C, Wang X L, et al. Sound Insulation Property of Al-Si Closed-Cell Aluminum Foam Bare Board Material[J]. Transaction of Nonferrous Metals Society of China, 2007,17(1):93-98.

[8] Liu Z H, Zhao Y K, Sheng M P. Numerical analysis and experimental study of sound insulation performance of underwater viscoelastic coated compound structures[J]. Technical Acoustics, 2008, 27(6):835-845.

[9] 陳繼浩, 冀志江, 王靜, 等. 輕質(zhì)復(fù)合墻體隔聲性能研究[J]. 環(huán)境工程, 2012(S1):9-12.

[10] 周統(tǒng)建, 王志強, 徐才峰, 等. 銀杏木空心刨花板復(fù)合墻體隔聲性能[J].林產(chǎn)工業(yè), 2012 (6):11-14.

[11] 第16屆國際噪聲控制工程會議[J]. 聲學(xué)學(xué)報, 1987, 12(5):335-406.

[12] 高子震, 王正, 張鮮, 等. 西加云杉木材音板剪切模量的頻率法測試分析[J]. 林產(chǎn)工業(yè), 2016, 43(2):23-26.

[13] 王正, 王智恒, 饒鑫, 等. SPF規(guī)格材彈性模量的頻率法測試及其評價[J].實驗力學(xué), 2013, 28(5):642-649.

[14] 王正, 朱捷. 木工圓鋸片固有頻率的聲學(xué)測量[J]. 木材加工機械,2007, 18(3):13-15.

[15] 崔承勛.雙層輕質(zhì)板結(jié)構(gòu)隔聲量的實驗研究[J].建筑科學(xué),2011,27(10):63-70.

[16] 陳衛(wèi)松, 邱小軍, 劉嘉俊. 隔聲現(xiàn)場測量的揚聲器聲源法改進[J]. 噪聲與振動控制, 2007 (3):138-141.

[17] Carl H. Revision of International Standards on Field Measurements of Airborne, Impact and Facade Sound Insulation to Form the ISO 16283 Series[J]. Building and Environment, 2015, (92):703-712.

[18] 陳克安, 曾向陽, 楊有糧.聲學(xué)測量[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2008:8.

[19] 黃險峰. 樓板撞擊聲計權(quán)隔聲量的確定[J]. 實驗技術(shù)與管理, 2010,27(12):27-29.