綠色建筑雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體隔聲性能的試驗(yàn)研究

王軍強(qiáng)

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額司的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2019年全國新開工裝配式建筑4.2億平方米，占新建建筑面積的比例約13.4%。隨著建筑工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)和建筑企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，裝配式建筑的占比逐漸增大，大量輕質(zhì)條板、板墻、輕質(zhì)干法施工類墻體被大量使用。墻體作為建筑結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件，是建筑體系重要的組成部分，如結(jié)構(gòu)墻體起承載作用，隔墻、圍護(hù)墻、分戶墻、填充墻起空間分隔作用等。工程施工人員對(duì)于建筑墻體的結(jié)構(gòu)功能、建筑功能、裝飾功能等通常比較熟悉，而對(duì)于墻體的隔聲指標(biāo)以及隔聲要求就比較陌生。人們經(jīng)常抱怨住宅、酒店等的隔聲效果不好，噪聲擾民問題日益突出。反映建筑物中建筑聲學(xué)質(zhì)量的量包括：墻體的空氣聲隔聲、樓板的撞擊聲隔聲、房間的混響時(shí)間以及噪聲源引起的噪聲級(jí)等。

綠色建筑倡導(dǎo)營造健康舒適的室內(nèi)環(huán)境，對(duì)室內(nèi)聲舒適性有明確要求[1-2]。空氣傳播的隔聲是反映建筑物聲學(xué)質(zhì)量最重要的物理量，控制建筑室內(nèi)噪聲水平已經(jīng)成為室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)的重要工作[3-5]。國內(nèi)外研究者針對(duì)墻體隔聲進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析，如Ivanova利用玻璃泡沫顆粒和硅酸鹽水泥、沸石等材料，研究新型復(fù)合墻體結(jié)構(gòu)的隔聲性能[6]；Novak采用試驗(yàn)研究和聲強(qiáng)度法對(duì)比研究了雙層石膏板墻體的隔聲性能，考慮了螺柱、面板、空腔以及緊固件等參數(shù)對(duì)墻體隔聲性能的影響，理論分析和試驗(yàn)結(jié)果在低頻段吻合度較好，但在較高頻段，存在較大偏差[7]。文獻(xiàn)[8-9]中研究了雙層面板輕質(zhì)墻體的隔聲性能，Davy結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[10]，修正了單葉墻體的隔聲量預(yù)測(cè)公式，但在低頻時(shí)的一致性較差，并且與臨界頻率和臨界頻率以上區(qū)域使用的阻尼損耗因子的值有關(guān)。有關(guān)多層墻體中龍骨間距、面層層數(shù)、龍骨剛度等對(duì)墻體隔聲的影響還有待進(jìn)一步的研究。

隨著裝配式建筑占比的逐年提升，越來越多的干法組裝施工的輕質(zhì)墻體作為填充、分隔墻體被使用。因而，研究輕質(zhì)帶空腔的多層墻體的隔聲性能，對(duì)于輕質(zhì)墻體的推廣與應(yīng)用，保證墻體聲學(xué)性能質(zhì)量，提供聲舒適的居住生活環(huán)境有重要意義。

1 雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體隔聲試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

雙葉墻板與單葉墻板在結(jié)構(gòu)構(gòu)造組成、傳聲途徑和傳聲機(jī)理等方面明顯存在不同。雙葉墻體由兩側(cè)墻板、龍骨和中間空腔組成；而單葉墻體是由龍骨和一側(cè)的墻板組成。龍骨可以采用輕鋼龍骨、木龍骨等，墻板可以采用石膏板、水泥板、定向結(jié)構(gòu)刨花板（Oriented Standard Board,OSB）、裝飾板等。雙葉墻板的復(fù)雜性包括材料的多元性、邊界連接（墻板、龍骨與周邊構(gòu)件的連接方式等）、機(jī)械連接（如龍骨與墻板之間是否存在結(jié)構(gòu)連接）、緊固件連接（如射釘或螺釘固定等）、空腔與填充體材料等。為了更好地預(yù)測(cè)雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻板的隔聲性能，通過試驗(yàn)手段分析雙葉墻板的隔聲性能是非常重要的。

雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體主要由龍骨和安裝在龍骨兩側(cè)的多層墻板組成空間結(jié)構(gòu)單元，中間為空腔，可填充纖維類吸聲材料。雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法如圖1所示。在隔聲分析中，雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻板可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)平行板，兩個(gè)平行板之間由空腔d隔開，空腔d中填充纖維類吸聲材料。聲在雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體的傳播如圖2所示，圖中Pi、Pr、Pt、P2b表示入射、反射、透射聲壓和橋接聲壓。聲音傳輸部分通過腔體，部分通過墻板間的機(jī)械連接，即所謂的聲橋傳播。兩塊板的重要參數(shù)包括其單位面積質(zhì)量m1和m2、臨界頻率 fc1和 fc2以及兩塊板的隔聲量R1和R2。

圖1 墻板結(jié)構(gòu)構(gòu)造方法示意圖Fig.1 Schematic diagram of construction method of wallboard structure

圖2 雙葉墻板中聲音傳播示意圖Fig.2 Schematic diagram of sound propagation in double leaf wallboard

雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體隔聲試驗(yàn)考慮的因素包括：墻體主龍骨（鋼龍骨、木龍骨）、墻體次龍骨或彈性條、墻體空腔大小、墻體空腔體填充材料（巖棉、玻璃棉）、墻體面板（類型、層數(shù)、厚度、質(zhì)量）等。在試驗(yàn)方案中主龍骨間距400 mm，次龍骨間距400～1 600 mm；墻體面板材料選用了輕質(zhì)墻體常用的石膏板、定向結(jié)構(gòu)刨花板 OSB等板材；空腔體內(nèi)填充材料為巖棉、玻璃棉兩種，厚度為60～90 mm，具體試驗(yàn)方案見表1。

1.2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，表1中的雙側(cè)石膏板，未注明的，其中一層為普通石膏板，一層為防火石膏板。試驗(yàn)中主要材料包括龍骨、墻板、填充材料等，其材料類型、規(guī)格、厚度、密度及單位面積質(zhì)量等見表2～表3。

表1 輕質(zhì)墻體試驗(yàn)方案Table 1 Test plan of light-weight wall

表2 龍骨及墻體組件類型和材料性能Table 2 Types and material properties of stud and wall components

表3 墻板類型與材料性能Table 3 Types and material properties of wallboard

雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體的隔聲量測(cè)量按照 GBT 19889.3—2005 《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》[11]和BS EN ISO 10140-2:2010等標(biāo)準(zhǔn)[12-14]，使用兩個(gè)聲源位置和旋轉(zhuǎn)麥克風(fēng)測(cè)量隔音效果，傳聲器位置與界面的距離為1.5 m。最后根據(jù)1/3倍頻程中心頻率在 100 Hz～5 000 kHz頻段范圍，計(jì)算計(jì)權(quán)隔聲量Rw。洞口尺寸為3 m×2.1 m，考慮到雙層輕質(zhì)板隔墻的隔聲量會(huì)受到測(cè)試洞口內(nèi)安裝條件的影響，測(cè)試洞口的深度、隔墻試件與測(cè)試洞口的周邊連接與安裝，盡量消除結(jié)構(gòu)連接造成的結(jié)構(gòu)傳聲以及縫隙空隙等引起的測(cè)試損失和偏差。

表4 墻體空腔內(nèi)填充材料的性能Table 4 Performance of filling material in wall cavity

2 結(jié)果與分析

2.1 龍骨對(duì)墻體隔聲的影響

2.1.1 龍骨間距影響

試驗(yàn)中，為了分析龍骨間距對(duì)墻體隔聲的影響，采用輕鋼龍骨輕質(zhì)墻體為研究對(duì)象，墻體中主龍骨間距、腔體深度和填充材料以及墻板層數(shù)厚度保持一致，研究次龍骨間距從400、800 mm增加到1 600 mm時(shí)，龍骨間距變化對(duì)墻體隔聲的影響，分別對(duì)應(yīng)表1中墻體編號(hào)LPW7、LPW8、LPW9，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從計(jì)權(quán)隔聲量的綜合測(cè)試結(jié)果來看，次龍骨的間距從 400、800 mm增加到1 600 mm時(shí)，其隔聲量分別提高了 1.5、3.2 dB。次龍骨通常用于隔離主龍骨和墻板的結(jié)構(gòu)連接，增加次龍骨之間的間隔距離，增大了獨(dú)立面板的面積，有利于減少了結(jié)構(gòu)聲傳輸，并且傳輸損耗增加，在頻率125～1 000 Hz的范圍，改善效果比較明顯，而在較高頻段，改善效果變?nèi)?，這與結(jié)構(gòu)傳輸路徑不再是最重要的聲傳播路徑有關(guān)。

圖3 次龍骨間距對(duì)墻體隔聲量的影響Fig.3 Effect of secondary stud spacing on wall sound insulation

2.1.2 龍骨種類對(duì)墻體隔聲的影響

試驗(yàn)中對(duì)比分析了輕鋼龍骨、木龍骨兩種主要龍骨類型，對(duì)雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體結(jié)構(gòu)隔聲的影響。墻體編號(hào)對(duì)應(yīng)表 1中的 LPW10、LPW11，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。根據(jù)墻體的計(jì)權(quán)隔聲量單值評(píng)價(jià)指標(biāo)看，編號(hào)LPW11的鋼龍骨與編號(hào)LPW10的木龍骨雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體，其隔聲量非常相近，在50～125 Hz以及2 000～3 150 Hz頻段范圍，鋼龍骨的隔聲量相對(duì)較好，而在125～2 000 Hz頻段范圍，木龍骨的隔聲量稍好，兩種墻體的計(jì)權(quán)隔聲量非常接近，相差僅0.4 dB左右。因而，試驗(yàn)中選用的鋼龍骨完全可以代替木龍骨作為輕質(zhì)墻體的主龍骨，對(duì)于綠色施工有積極意義。

圖4 木龍骨和輕鋼龍骨對(duì)墻體隔聲量的影響Fig.4 Effect of wood stud and light steel stud on wall sound insulation

2.2 空腔和腔體填充對(duì)墻體隔聲的影響

試驗(yàn)中，對(duì)比分析了空腔內(nèi)無填充與填充了玻璃棉的墻體的隔聲效果。腔體內(nèi)無填充，墻體空腔為空氣層，對(duì)應(yīng)試驗(yàn)編號(hào)為表1中的LPW3，墻體空腔內(nèi)完全填充玻璃棉的對(duì)應(yīng)試驗(yàn)編號(hào)為LPW4，兩種墻體的隔聲測(cè)試結(jié)果如圖5所示。編號(hào)LPW3、LPW4的墻體計(jì)權(quán)隔聲量分別為51.8、57.1 dB，全填充玻璃棉的雙葉輕質(zhì)墻體結(jié)構(gòu)比帶空腔的雙葉墻體結(jié)構(gòu)隔聲量提高了約5.3 dB，改善隔聲量的效果比較顯著。從圖5中可以看出，填充玻璃棉的墻體，其在低頻范圍的隔聲改善效果不是很明顯，當(dāng)頻率在 100 Hz 以上時(shí)，其隔聲改善效果就比較突出。墻體空腔中填充玻璃棉或者巖棉，會(huì)增加聲傳播在空腔中的衰減量，空腔深度與填充材料的多少

圖5 填充玻璃棉對(duì)墻體隔聲量的影響Fig.5 Effect of glass wool on wall sound insulation

對(duì)于聲衰減有積極效果?？諝饴暩袈暤母纳剖且粋€(gè)多變量的復(fù)雜函數(shù)，多個(gè)變量相互關(guān)聯(lián)，還有待進(jìn)一步研究分析多因素條件下墻體隔聲。

對(duì)于填充材料種類，填充厚度均為60 mm，比較了巖棉和玻璃棉作為填充材料的墻體隔聲性能，對(duì)應(yīng)表 1中的編號(hào) LPW12、LPW13，其隔聲測(cè)試結(jié)果如圖6所示，編號(hào)LPW12、LPW13計(jì)權(quán)隔聲量分別為55.6和54.0 dB，填充玻璃棉的隔聲量比填充巖棉的提高了1.6 dB。在125～1 000 Hz頻譜范圍，空腔內(nèi)部分填充玻璃棉的墻體隔聲效果要比填充巖棉稍好，而在低頻和高頻的范圍，巖棉的隔聲量比玻璃棉好，總體的單值指標(biāo)，填充玻璃棉的墻體隔聲量比填充巖棉的墻體隔聲量高 1.1～1.6 dB。填充材料的性能參數(shù)對(duì)墻體隔聲的影響，特別是材料的密度、氣流阻力等對(duì)隔聲的影響，還有待進(jìn)一步的研究和分析。

圖6 填充材料對(duì)輕鋼龍骨墻體隔聲量的影響Fig.6 Effect of filling materials on sound insulation of light steel stud wall

試驗(yàn)中，進(jìn)一步對(duì)比了空腔內(nèi)填充90 mm玻璃棉和 60 mm巖棉的墻體，對(duì)應(yīng)表 1中的編號(hào)LPW5、LPW6，其墻體隔聲測(cè)試結(jié)果如圖7所示，墻體計(jì)權(quán)隔聲量分別為58.0、54.4 dB，空腔內(nèi)全填充的墻體LPW5比部分填充的墻體LPW6計(jì)權(quán)隔聲量提高了3.6 dB。填充厚度增大，聲在墻體系統(tǒng)中的傳輸損耗增大，隔聲性能得到優(yōu)化與改善。不過在設(shè)計(jì)與施工中需要注意的是填充材料在空腔體內(nèi)自由懸掛，避免填充材料與龍骨或面板剛接。如果發(fā)生粘結(jié)或者剛性接觸，全部填充的隔聲效果就大大消減，不利于空氣聲的改善與優(yōu)化。對(duì)于墻板的空腔全填充的情況，墻板表面和由彈性通道連接的石膏板之間留有小的空氣間隙，這個(gè)對(duì)隔聲有重要作用。

圖7 填充材料厚度變化對(duì)墻體隔聲量的影響Fig.7 Effect of thickness change of filling material on wall sound insulation

2.3 面板層數(shù)和質(zhì)量對(duì)墻體隔聲的影響

對(duì)于墻體中面板的層數(shù)和質(zhì)量對(duì)雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體隔聲的影響，分析了面板由2層、3層增加到 4層，對(duì)應(yīng)表 1中的編號(hào) LPW14、LPW15、LPW16，相應(yīng)的計(jì)權(quán)隔聲量分別為 47.0、51.2、55.3 dB，其隔聲測(cè)試結(jié)果如圖8所示。由于墻板質(zhì)量的增加會(huì)降低進(jìn)入空腔中的能量傳輸，因此墻板的面質(zhì)量密度是比較重要的參數(shù)。根據(jù)質(zhì)量定律，當(dāng)質(zhì)量加倍時(shí)，單片墻板在所有頻率下的傳輸損耗都增加了 6 dB。因此，將腔體兩側(cè)墻板的質(zhì)量加倍，預(yù)期可以提高12 dB的隔聲量。試驗(yàn)中的墻體隔聲測(cè)試，通過添加石膏板層數(shù)來增加墻體的質(zhì)量。試驗(yàn)中，墻體的層數(shù)分別由2層增加到3層、4層，其隔聲量分別提高了4.2 dB和8.3 dB，測(cè)試結(jié)果比質(zhì)量定律所預(yù)測(cè)的值要小。

圖8 面板層數(shù)和質(zhì)量對(duì)墻體隔聲的影響Fig.8 Effect of number of layers and panel quality on wall sound insulation

質(zhì)量定律理論假定墻一側(cè)的多層墻板作為整體構(gòu)件單元，而實(shí)際上，墻體面板的層與層之間并沒有粘合在一起，起不到整體的結(jié)構(gòu)作用，墻板連接到龍骨上，但層與層之間存在獨(dú)立移動(dòng)?；谧杩沟睦碚撗芯勘砻?，在較小的空氣間隔（＜1 mm）時(shí)，如果墻一側(cè)的層數(shù)增加一倍，則隔聲改善量將接近5 dB；如果墻兩側(cè)的層數(shù)增加一倍，則隔聲改善量改善將接近 10 dB。這些層與層之間的不同步工作，阻止層的類似一個(gè)整體結(jié)構(gòu)元件，因此試驗(yàn)中測(cè)試值比質(zhì)量定律的預(yù)測(cè)值要小一些。雙葉墻體由兩側(cè)墻板、龍骨和中間空腔體組成，其隔聲量及傳聲損失計(jì)算較均質(zhì)單層墻體要復(fù)雜。雙葉墻體的面板組成、面板質(zhì)量、空腔深度、空腔填充材料的性能、龍骨與面板的連接形式等都會(huì)對(duì)空氣傳聲帶來影響。兩側(cè)面板的固有頻率、空腔體的固有頻率、系統(tǒng)的共振頻率以及聲橋的橋接頻率等，雙葉墻板的隔聲量的預(yù)測(cè)還需要進(jìn)一步的理論分析和試驗(yàn)研究。

3 結(jié) 論

通過上述實(shí)驗(yàn)分析，得到如下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)研究了雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體的隔聲性能，探討了龍骨種類、龍骨間距、空腔填充材料類型、厚度，以及面板層數(shù)和質(zhì)量對(duì)墻體隔聲性能的影響。

（2）增加龍骨間距，墻體的計(jì)權(quán)隔聲量提高了大約1.5～3.2 dB，增大墻體獨(dú)立空格面板尺寸時(shí)，對(duì)于隔聲有積極意義。

（3）墻體的層數(shù)由2層增加到3層、4層時(shí)，其隔聲量分別提高了4.2 dB和8.3 dB，試驗(yàn)結(jié)果比質(zhì)量定律所預(yù)測(cè)的隔聲量小1.8～3.7 dB。

（4）墻體空腔內(nèi)填充玻璃棉、巖棉等纖維吸聲材料，能有效提高墻體隔聲量約 3～6 dB，填充玻璃棉比填充巖棉效果好，全部填充優(yōu)于部分填充，部分填充優(yōu)于非填充的情況。

（5）雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體的隔聲設(shè)計(jì)，要充分利用材料，在結(jié)構(gòu)安全和使用功能滿足的前提下，擴(kuò)大獨(dú)立面板尺寸，增大龍骨間距，空腔填充材料，增大面層質(zhì)量，避免結(jié)構(gòu)性連接，優(yōu)化質(zhì)量-空氣-質(zhì)量體系的傳輸損耗，對(duì)于改善優(yōu)化雙葉結(jié)構(gòu)輕質(zhì)墻體的隔聲效果有重要意義。