裝配式輕質(zhì)隔墻的隔聲性能研究

呂旺陽(yáng)，謝 輝，何 益

(1.重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045；2.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400045)

0 引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，裝配式輕質(zhì)隔墻正在逐步取代傳統(tǒng)的砌塊墻體和現(xiàn)澆墻體系統(tǒng)，逐漸成為酒店、寫字樓、醫(yī)院等公共建筑中常見(jiàn)的隔墻體系。在建筑造價(jià)方面，使用裝配式輕質(zhì)隔墻可以節(jié)省成本30%左右；在施工效率上，裝配式輕質(zhì)隔墻比傳統(tǒng)砌塊隔墻可以提高施工效率近 3倍[1]。這說(shuō)明裝配式隔墻在行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景，其應(yīng)用場(chǎng)所也多為對(duì)室內(nèi)物理環(huán)境要求較高的建筑，尤其是高級(jí)辦公樓、星級(jí)酒店、醫(yī)院病房等對(duì)噪聲敏感的建筑空間?！睹裼媒ㄖ袈曉O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50118—2010)[2]中明確指出，在醫(yī)院建筑及酒店旅館中各房間之間的隔聲量需達(dá)到 50 dB，而部分裝配式輕質(zhì)隔墻往往因其隔聲性能較差而難以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的隔聲要求。因此，針對(duì)裝配式輕質(zhì)隔墻的隔聲性能研究便顯得尤為重要。

目前已有研究者針對(duì)裝配式輕質(zhì)隔墻的部分材料進(jìn)行了研究，包括了傳統(tǒng)的石膏板、纖維板等材料的隔聲性能研究[3-4]，也有針對(duì)新型復(fù)合材料的研究[5-6]。對(duì)于裝配式輕質(zhì)隔墻構(gòu)造的研究則多以輕鋼龍骨為主，如王季卿、顧檣國(guó)和許剛等均在輕鋼龍骨體系下對(duì)其隔聲性能進(jìn)行了研究[7-8]。也有學(xué)者對(duì)某些類型的裝配式輕質(zhì)隔墻的隔聲量進(jìn)行了理論計(jì)算和分析[9-11]。但上述研究仍無(wú)法得出不同材料和構(gòu)造形式對(duì)裝配式輕質(zhì)隔墻隔聲性能的具體影響。同時(shí)，在實(shí)際的建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)中，多數(shù)隔聲材料和構(gòu)造的隔聲性能也存在著一定的誤差和不確定性。因此，系統(tǒng)研究裝配式輕質(zhì)隔墻的隔聲性能很有必要。本文針對(duì)不同的材料及構(gòu)造形式，對(duì)影響裝配式輕質(zhì)隔墻隔聲性能的因素進(jìn)行了歸納總結(jié)，可為未來(lái)的隔聲設(shè)計(jì)提供多角度的思路和參考。

1 研究方法

為研究不同材料與構(gòu)造對(duì)裝配式輕質(zhì)隔墻隔聲性能的影響，本研究共進(jìn)行了 13組不同的裝配式輕質(zhì)隔墻測(cè)試。墻體的材料選取了普通石膏板、玻鎂板、水泥纖維板、阻尼隔聲板，共計(jì)4種不同的輕質(zhì)墻板；在構(gòu)造上區(qū)分了墻體內(nèi)含空氣層空腔、墻體內(nèi)填充密度為60 kg·m-3的巖棉、墻體基層上干掛墻板、墻體基層上粘貼墻板，共計(jì)4種構(gòu)造形式。隔聲測(cè)試和數(shù)據(jù)處理的方法步驟均嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲測(cè)量 第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量》(GB/T 19889.3—2005)[12]和《建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50121—2005)[13]進(jìn)行。

所有的墻體隔聲性能測(cè)試均于重慶大學(xué)建筑城規(guī)學(xué)院聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。隔聲室的平面如圖 1所示，在發(fā)聲室和接收室內(nèi)分別設(shè)置了6個(gè)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)《建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50121—2005)的要求，在100～3 150 Hz的頻率范圍內(nèi)，按1/3倍頻程選取了 18個(gè)中心頻率進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)的隔聲室溫度為24～26℃，相對(duì)濕度為67%～70%，保證了所有測(cè)試均是在近似相同的測(cè)試環(huán)境里進(jìn)行的。測(cè)試中使用了愛(ài)華6228型聲級(jí)計(jì)、B＆K 4292型多面體無(wú)指向聲源和功率放大器，如圖2所示。

2 測(cè)試墻體的構(gòu)造及尺寸參數(shù)

圖1 重慶大學(xué)隔聲實(shí)驗(yàn)室平面圖及測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Plane graph of the sound insulation laboratory of Chongqing University and layout of measurement points

圖2 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.2 Photo of test site

測(cè)試墻體是基于裝配式高隔聲墻體的體系搭建而成。橫向龍骨為上下兩條“U型”的天地龍骨，分別固定于天花板和地面。豎向龍骨為多條間距相等的“M型”龍骨，其距離可以根據(jù)需求調(diào)整。本研究共選取了兩種距離尺寸，分別為 400 mm和600 mm，以探究龍骨間距對(duì)裝配式隔墻隔聲性能的影響。為了探究不同板材選擇的影響，在安裝豎向龍骨時(shí)，需利用“M型”龍骨的中心凹槽，將中間內(nèi)置的一層隔聲板預(yù)先卡入其中，其后再鋪設(shè)基層隔聲墻板。由此三層墻板形成兩道空氣層，可對(duì)其保留，也可在內(nèi)填充如巖棉一類的填充材料，以研究有無(wú)填充吸聲材料對(duì)隔聲性能的影響。此外為了研究板材層數(shù)和空氣層的影響，還可在基層隔聲墻板的基礎(chǔ)上再附加一層干掛或粘貼的墻板。如上所述，該墻體的隔聲構(gòu)造設(shè)計(jì)基于一輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變龍骨間距、各層次墻板的材料、數(shù)量、安裝方式以及巖棉吸聲材料的填充與否，研究各因素對(duì)裝配式輕質(zhì)隔墻隔聲性能的影響。該裝配式輕質(zhì)隔墻的龍骨體系示意如圖3所示。

圖3 測(cè)試的裝配式輕質(zhì)隔墻的龍骨示意圖Fig.3 Schematic diagram of the keels of tested prefabricated lightweight partition walls

為避免龍骨加工及安裝質(zhì)量等因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾，本次實(shí)驗(yàn)中使用的所有龍骨、板材及結(jié)構(gòu)配件均由同一廠家加工完成，并由專業(yè)安裝人員負(fù)責(zé)所有隔墻的安裝以及安裝后的復(fù)核工作。裝配式輕質(zhì)隔墻在實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)際完成情況如圖4所示。本次實(shí)驗(yàn)中裝配式隔墻的主要構(gòu)造參數(shù)，包括測(cè)試試件材料厚度、墻體構(gòu)造的具體方式、相關(guān)尺寸及剖面示意圖均在表1中說(shuō)明。

圖4 裝配式輕質(zhì)隔墻Fig.4 Photos of prefabricated lightweight partition walls

表1 各組裝配式輕質(zhì)隔墻的構(gòu)造參數(shù)及剖面示意圖Table 1 Structural parameters of each set of prefabricated lightweight partition walls and its section diagram

續(xù)表1

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照前文的實(shí)驗(yàn)方法及步驟對(duì) 13組裝配式輕質(zhì)隔墻進(jìn)行了隔聲量的測(cè)試，考慮到該類型裝配式隔墻的主要用途為建筑內(nèi)隔墻，故在測(cè)試結(jié)果修正時(shí)只考慮了粉紅噪聲頻譜修正量C。在外部測(cè)試環(huán)境條件相同的情況下，不同材料與構(gòu)造形式的裝配式隔墻S1至S13的隔聲量測(cè)試結(jié)果如表2所示。測(cè)試結(jié)果顯示，所有裝配式隔墻的計(jì)權(quán)隔聲量Rw均超過(guò) 45 dB，在粉紅噪聲頻譜修正后Rw+C也均超過(guò)40 dB。除了編號(hào)為S1、S2和S4的3組墻體，其余各組的Rw+C均超過(guò)了 45 dB。但由于各組裝配式隔墻的墻體材料性能和構(gòu)造形式有所不同，在隔聲性能上也有一定的差異。

表2 各組裝配式隔墻的計(jì)權(quán)隔聲量測(cè)試結(jié)果Table 2 Test results of weighted sound insulation for each set of prefabricated lightweight partition walls

3.1 材料性能對(duì)裝配式墻體隔聲性能的影響

3.1.1 材料自身聲學(xué)性能的影響

材料對(duì)墻體隔聲量頻率特性曲線的影響如圖 5所示。由表2及圖5(a)可知，在其他條件相同的情況下，S1、S4兩組墻體與S2墻體相比，其隔聲性能相對(duì)較差。編號(hào)為 S1、S4的兩組墻體在進(jìn)行粉紅噪聲頻譜修正后的計(jì)權(quán)隔聲量Rw+C均為42 dB，比S2墻體低2 dB，這是由于12 mm普通石膏板的隔聲性能要稍低于 12 mm玻鎂板。盡管在計(jì)權(quán)隔聲量上，墻體以玻鎂板為主的S2墻體優(yōu)于以普通石膏板為主的S1、S4墻體，但是根據(jù)頻率特性曲線可知，在低頻時(shí)，S1、S4墻體的隔聲性能略高于S2墻體。

此外，由表2及圖5(b)可知，S9墻體與S10、S12墻體相比，其隔聲性能更好，進(jìn)行粉紅噪聲頻譜修正后的計(jì)權(quán)隔聲量Rw+C分別比S10和S12高4 dB和2 dB。這是由于隔墻隔聲存在質(zhì)量定律，即單層墻體面密度越大，單位面積質(zhì)量越大，墻體隔聲性能越好。由于 S9墻體所用阻尼隔聲板的面密度大于S10墻體的普通石膏板及S12墻體的水泥纖維板，因此其隔聲性能更好。此外，受基層墻板材料自身性質(zhì)的影響，S9和S12墻體在低頻段的隔聲量略高于S10墻體，但S10墻體在中高頻時(shí)的隔聲性能則有明顯的優(yōu)勢(shì)。

以上結(jié)果表明裝配式輕質(zhì)隔墻的隔聲性能主要受到墻體板材自身的聲學(xué)性能影響。在對(duì)墻體基層材料進(jìn)行選取時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選用聲學(xué)性能較好的板材。

3.1.2 材料共振頻率對(duì)墻體隔聲性能的影響

圖5 墻板材料對(duì)墻體隔聲量頻率特性曲線的影響Fig.5 The influences of wall board materials on the frequency characteristic curve of sound insulation

由圖5(a)可知，3組裝配式隔墻(S1、S2和S4)均在低頻存在共振現(xiàn)象。根據(jù)測(cè)試得到的空氣聲隔聲量頻率特性曲線可以觀察到，低頻共振均出現(xiàn)在125 Hz處。由于低頻共振的出現(xiàn)，采用輕質(zhì)墻板時(shí)，該類裝配式隔墻在125 Hz的隔聲性能會(huì)相對(duì)薄弱。由圖5(c)可以得出，在材料不變的情況下，在僅有內(nèi)置中間層和兩側(cè)基層墻板的墻體(編號(hào)S2)的基礎(chǔ)上再附加一層干掛墻板后(編號(hào)S3)，由于干掛墻板與基層墻板之間又新增了一層空氣層，墻體在200 Hz處也存在共振現(xiàn)象。由于墻體均存在其固有的共振頻率，當(dāng)墻體與聲波的頻率相同時(shí)，則產(chǎn)生共振，導(dǎo)致該頻率下隔聲量下降。但在裝配式隔墻構(gòu)造中，由于輕質(zhì)板材的選擇和空氣層的存在，特別是當(dāng)板材的共振頻率相同時(shí)，低頻共振則更為明顯。因此，盡管 S1～S4幾組墻體分別使用了普通石膏板、玻鎂板兩種不同的材料，但由于空氣層的存在且材料本身屬于輕質(zhì)板材，均有低頻共振的情況出現(xiàn)，并且干掛的構(gòu)造方式會(huì)對(duì)低頻共振的頻率范圍產(chǎn)生更大的影響。

3.2 構(gòu)造形式對(duì)隔聲性能的影響

3.2.1 空氣層填充巖棉對(duì)隔聲性能的影響

空氣層填充巖棉對(duì)墻體計(jì)權(quán)隔聲量頻率特性曲線的影響如圖6所示。由表2及圖6(a)、6(b)可知，在其他條件相同的情況下，在龍骨和外掛墻板之間填充厚度 50 mm、密度 60 kg·m-3的巖棉后，S7和S8墻體在經(jīng)過(guò)粉紅噪聲頻譜修正后的計(jì)權(quán)隔聲量Rw+C分別達(dá)到了 49 dB和 59 dB，相較于未填充巖棉的 S4和 S6，其計(jì)權(quán)隔聲量分別增加了7 dB和9 dB，有了明顯的提升。再根據(jù)空氣隔聲量頻率特性曲線的對(duì)比可知，在兩側(cè)空氣層增設(shè)了厚度50 mm、密度60 kg·m-3的巖棉后，S7和S8墻體相較于S4和S6，在100～3 150 Hz整個(gè)頻段上的隔聲性能都有了明顯的提升。這是由于聲能通過(guò)巖棉時(shí)，會(huì)通過(guò)摩擦、空氣黏滯阻力等轉(zhuǎn)化為熱能。特別值得注意的是，S7墻體與 S4墻體相比，在125 Hz處的共振效應(yīng)得到了一定的改善，而S8墻體與S6墻體相比，在125 Hz處幾乎不受共振的影響。這是由于當(dāng)存在空氣層時(shí)，輕質(zhì)板材對(duì)于低頻聲的阻隔能力弱，易產(chǎn)生共振，在一定程度削弱了墻體在低頻處的隔聲性能。這說(shuō)明在裝配式墻體中填充巖棉材料能明顯提升墻體在各個(gè)頻段的隔聲性能，并且有助于減弱低頻段共振的影響。

圖6 空氣層填充巖棉對(duì)墻體計(jì)權(quán)隔聲量頻率特性曲線的影響Fig.6 The influences of air layer filled rock wool on the frequency characteristic curve of weighted sound insulation

3.2.2 雙層墻板構(gòu)造對(duì)隔聲性能的影響

雙層墻板構(gòu)造對(duì)墻體計(jì)權(quán)隔聲量頻率特性曲線的影響如圖 7所示。由圖 7(a)、7(b)可知，在100～3 150 Hz的頻率范圍內(nèi)，除S6墻體外，其余三組墻體均在低頻125 Hz處存在共振現(xiàn)象。由表2可得，在其他條件相同的情況下，S6、S8墻體相比于 S4、S7墻體其實(shí)測(cè)的隔聲量均有提高，前兩者在經(jīng)過(guò)粉紅噪聲頻譜修正后的計(jì)權(quán)隔聲量Rw+C分別比后兩者提高了3 dB和5 dB。這說(shuō)明在材料相同的情況下，將雙層相同的板材疊合使用，增大墻體單位面積質(zhì)量，能夠有效提升裝配式隔墻的隔聲性能，符合質(zhì)量定律。在使用雙層疊合的構(gòu)造形式后，S6和S8墻體相比于S4和S7墻體，在低頻段的隔聲性能均有一定提升，特別是 S8墻體相較于S7墻體在100～160 Hz頻段的隔聲性能有了顯著的提高。這是由于通過(guò)雙層疊合處理，增加了墻板的剛度，減弱了板材在低頻處產(chǎn)生的共振，使得其在低頻處的隔聲量得到提高。但使用雙層疊合的構(gòu)造形式并未能充分發(fā)揮材料的聲學(xué)性能，性價(jià)比不高。

圖7 雙層墻板構(gòu)造對(duì)墻體計(jì)權(quán)隔聲量頻率特性曲線的影響Fig.7 The influence of double-layer wall panel structure on the frequency characteristic curve of the weighted sound insulation

3.2.3 干掛墻板構(gòu)造對(duì)隔聲性能的影響

由表2可知，在其他條件相同的情況下，無(wú)論墻體內(nèi)的空氣層中是否填充巖棉，在墻體兩側(cè)分別干掛1層14 mm厚的玻鎂板后，其隔聲性能都有較好的提升。S3、S5和S11墻體的隔聲性能分別都明顯優(yōu)于S2、S4和S10墻體，其經(jīng)過(guò)粉紅噪聲頻譜修正后的計(jì)權(quán)隔聲量Rw+C分別提高了 3 dB，5 dB和8 dB。干掛墻板構(gòu)造對(duì)墻體計(jì)權(quán)隔聲量頻率特性曲線的影響如圖 8所示。根據(jù)圖 5(c)和圖8(a)、8(b)可知，S3、S5墻體在中頻和低頻段的隔聲性能相較于 S2、S4墻體有了明顯的提升，S11墻體相較于S10墻體在低頻段的隔聲性能也有了明顯提升。一方面是由于干掛板材，增大了墻體單位面積的質(zhì)量，另一方面是由于干掛的構(gòu)造方式產(chǎn)生了附加空氣層，空氣層的減振作用增強(qiáng)了墻體的隔聲性能。但是由于干掛產(chǎn)生的空氣層，與前文的結(jié)果類似，這使得S3和S11的墻體都在200 Hz處產(chǎn)生了另一個(gè)低頻共振點(diǎn)。

圖8 干掛墻板構(gòu)造對(duì)墻體計(jì)權(quán)隔聲量頻率特性曲線的影響Fig.8 The influence of dry wall panel structure on the frequency characteristic curve of weighted sound insulation

3.2.4 粘貼墻板構(gòu)造對(duì)隔聲性能的影響

粘貼墻板構(gòu)造對(duì)墻體計(jì)權(quán)隔聲量頻率特性曲線的影響如圖9所示。從表2和圖9可知，在其他條件相同的情況下，在墻體兩側(cè)分別外貼 1層5.5 mm厚的玻鎂板后，S13墻體經(jīng)過(guò)粉紅噪聲頻譜修正后的計(jì)權(quán)隔聲量達(dá)到了51 dB，在S12墻體的基礎(chǔ)上提高了3 dB。外貼板材后，隔墻在低頻和高頻段上的隔聲性能都有了一定的提升，符合質(zhì)量定律，但是中頻段的隔聲性能相較之前有所降低。由于采用了外貼構(gòu)造形式，消除了板與板之間的空氣層，這使得其低頻處的共振現(xiàn)象相比于S12墻體也有了明顯的改善。

圖9 粘貼墻板構(gòu)造對(duì)墻體計(jì)權(quán)隔聲量頻率特性曲線的影響Fig.9 The influence of pasted wall panel structure on the frequency characteristic curve of weighted sound insulation

4 結(jié) 論

本文通過(guò)一系列隔聲實(shí)驗(yàn)，研究了不同墻板材料和構(gòu)造形式對(duì)裝配式輕質(zhì)隔墻的隔聲性能的影響，旨在為未來(lái)裝配式輕質(zhì)墻的實(shí)際工程提供參考案例及新的應(yīng)對(duì)思路。

運(yùn)用本文的裝配式輕質(zhì)隔墻構(gòu)造和材料，其計(jì)權(quán)隔聲量Rw均達(dá)到45 dB，經(jīng)粉紅噪聲頻譜修正后的計(jì)權(quán)隔聲量Rw+C均超過(guò) 40 dB，部分經(jīng)特殊構(gòu)造處理的墻體，其Rw+C超過(guò) 50 dB。相較于傳統(tǒng)輕質(zhì)隔墻，其具有更良好的隔聲性能，能滿足多數(shù)使用場(chǎng)合的要求；在安裝上易于操作且更加系統(tǒng)，有利于推廣使用；在構(gòu)造、材料選擇上更加靈活，更具實(shí)際工程適應(yīng)性。

裝配式輕質(zhì)隔墻的隔聲性能受墻體板材自身聲學(xué)性能影響較大；在墻體的構(gòu)造形式上，通過(guò)增加墻板層數(shù)，在墻體兩側(cè)加掛或外貼玻鎂板，均能有效提升隔聲性能。但相同條件下，單純加掛板材易產(chǎn)生低頻共振，導(dǎo)致低頻隔聲量下降，而外貼板材則能有效改善這一現(xiàn)象。通過(guò)在龍骨和墻板之間填充巖棉，不僅能顯著提升墻體在全頻段的隔聲性能，還能減小低頻共振對(duì)隔聲性能的不利影響。