建筑幕墻隔聲性能探討

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　　摘要：噪音一直給人們正常的生產生活帶來困擾，如何能在建筑內營造一個安靜舒適的環境是人們關注的焦點問題。本文從隔聲的基本原理出發，深入分析了幕墻隔聲性能，并結合實際案例對幕墻隔聲性能進行剖析，并闡述了一些幕墻隔聲的基本解決方案，供業內人士共同探討。

　　關鍵詞：隔聲基本原理;幕墻隔聲;隔聲設計;隔聲性能檢測

　　1、引言

　　隨著科技的飛速進步和經濟的高速發展，一方面交通工具和機械設備（詞條“機械設備”由行業大百科提供）越來越多，交通、施工、工業等噪音源不斷增多，噪聲污染問題日益突出，另一方面人們對工作生活的“聲”環境提出了更高要求，要求降低噪音和改善聲環境的呼聲日益強烈。幕墻作為建筑的外圍護系統，必須將隔聲降噪作為一項重要的環保因素加以考慮和設計

　　幕墻隔聲與降噪是兩個不同的概念。幕墻隔聲就是利用建筑幕墻來降低從噪聲源至接受者之間的噪聲傳播，例如：馬路上的噪聲經過幕墻的反射和吸收，僅有部分噪音傳入室內，這就是幕墻的隔聲過程。幕墻降噪是防止幕墻受外部因素影響而產生的自身的噪音。例如：如何防止某些穿孔鋁板幕墻在大風天氣下發生“哨音”現象，如何防止某些框架幕墻在溫度變化時產生框料間的摩擦聲……這些都是幕墻降噪范圍的內容。鑒于幕墻隔聲更具有普遍性，本文主要對幕墻隔聲的基本原理及應用做以討論。另外對于幕墻門窗領域來說，撞擊聲引起的噪聲問題比較少，故本文所述的隔聲均指空氣聲隔聲。

　　2、隔聲基本原理

　　2.1 隔聲的定義

　　聲波傳入室內的兩種途徑

　　①空氣。通過幕墻孔洞、縫隙直接傳入。

　　②透射。聲波透過墻體從一側向另一側傳播的現象，可表示為：聲波à墻體產生振動à再輻射。見圖1。

　　隔聲是指用隔聲結構或構件將噪聲源和接收方分開，使聲能在傳播過程中受到阻礙或消減，從而降低或消除噪聲的措施。

　　2.2 隔聲量定義及理論計算公式

　　R=10lg Wi-10lg Wτ=10lg(Wi / Wτ)

　　隔聲量R——入射聲分貝數與透射聲分貝數的差值。

　　透射系數τ——透過維護結構的透射聲功率與入射到維護結構上的入射聲功率的比值

　　τ=Wτ/ Wi

　　則隔聲量R如采用透射系數倒數的對數來表示，即

　　R=10lg(1/τ) (dB)

　　若τ =0.01àR=10lg(1/0.01)=20dB

　　若τ =0.001àR=10lg(1/0.001)=30dB

　　若已知R，則τ=10-R/10

　　2.3 單層均質墻體的隔聲頻率特性

　　影響隔聲性能的主要因素是：面密度(單位面積質量)、內阻尼、材料剛度、邊界條件等,詳見圖2。

　　頻率從低端開始，單層勻質密實墻的隔聲主要受“勁度控制”，隔聲量隨頻率增加而降低，詳見圖中Ⅰ區左半部分;隨著頻率的增加質量效應增大，在某些頻率上，勁度和質量效應相抵消而產生共振現象，詳見圖中fr，fr稱為“共振基頻”，這時墻體振動幅度很大，隔聲量出現極小值;隨著頻率的再增加，隔聲量大小主要取決于構件的阻尼，稱為“阻尼控制”， 詳見圖中Ⅰ區右半部分;當頻率繼續增加則質量起主要控制作用，此時隔聲量隨頻率增加而增加，詳見圖中Ⅱ區;特別強調的是當頻率增加到吻合臨界頻率fc處，因聲波入射角度造成的聲波作用與單層勻質密實墻中彎曲波傳播速度相吻合，隔聲量有一個較大的降低，形成一個隔聲量低谷區，通常稱為“吻合谷”，詳見圖中Ⅲ區低谷區域。

　　在一般建筑材料中，共振基頻fr很低，常在5Hz～20Hz左右，因而在主要聲頻范圍內，隔聲還是受質量控制，這時勁度和阻尼的影響較小可以忽略不計，從而把實墻看成是無剛度無阻尼的柔順質量。

　　2.4 質量定律

　　圖2中可以看出質量控制區(圖2Ⅱ區、Ⅲ區)是隔聲研究的重要區域。在質量控制區內，單層墻體隔聲量理論推導得到：

　　隔聲量R=20lg(f×m)-43 (dB)

　　式中：m——隔聲構件的面密度，kg/m2;

　　f ——入射聲波的頻率，Hz。

　　從上式可以看出：構件面密度越大，慣性阻力也越大，也就不易振動，隔聲量也越大。通常把隔聲量隨質量增大而增大的規律，稱為隔聲的“質量定律”。理論上頻率增加一倍，隔聲量增加6dB，面密度增加一倍，隔聲量增加6dB。但在生產實踐中發現，在質量控制的頻率范圍內明顯出現質量定律的表現，但比6dB要小，一般面密度增加一倍隔聲量增加4～5dB。

　　以單位面積質量m和頻率f的乘積作為橫坐標(用對數刻度表示)，隔聲量R為縱坐標(用線性刻度表示)，則按上式畫出的隔聲曲線是一個mf每增加一倍、上升6dB的直線，稱為“質量定律直線”，詳見圖4。

　　2.5 吻合效應

　　墻體在聲音激發下會產生受迫振動，振動既有垂直于墻面的也有沿墻面傳播的，不同的入射頻率或入射角度將產生不同的沿墻面傳播的傳播速度Cf，然而墻體本身存在著固有的自由彎曲波傳播速度Cb。

　　如果板在斜入射聲波激發下產生的受迫彎曲波的傳播速度Cf等于板固有的自由彎曲波傳播速度Cb時，即出現Cf = Cb時，將產生“吻合效應”，這時墻板會非常“順從”地跟隨入射聲波彎曲，使大量聲能透射到另一側，形成隔聲量的低谷，詳見圖3。

　　聲波無規入射時，每種隔聲材料都會在某一頻率上發生吻合效應，也只會發生在一定的頻率范圍內，這一范圍有一下限頻率，被稱為“臨界頻率”，在隔聲曲線上的低谷稱為“吻合谷”。薄、輕、柔的墻體吻合頻率高;厚、重、剛的墻體吻合頻率低。以下列舉幾種常見材料的隔聲量及其吻合效應，詳見圖4。

　　2.6 復合(雙層或多層)墻體的隔聲性能

　　從質量定律可知，單層墻體的單位面積質量增加一倍，即材料不變，厚度增加一倍，從而重量增加一倍，隔聲量只增加6dB。實際上還不到6dB。顯然，靠增加墻的厚度來提高隔聲量是不經濟的;增加了結構的自重，也是不合理的。如果把單層墻一分為二，做成雙層墻，中間留有空氣間層，則墻的總重量沒有變，而隔聲量卻比單層墻有了提高。換句話說，兩邊等厚的雙層墻雖然比其中一葉單層墻用料多了一倍，重量加了一倍，但隔聲量的增加要超過6dB。雙層墻可以提高隔聲能力的主要原因是空氣間層的作用。空氣間層可以看作是與兩層墻板相聯的“彈簧”，聲波入射到第一層墻板時，使墻板發生振動，此振動通過空氣間層傳至第二層墻板，再由第二層墻板向鄰室輻射聲能。由于空氣間層的彈性變形具有減振作用，傳遞給第二層墻體的振動大為減弱，從而提高了墻體總的隔聲量。

　　雙層墻的隔聲量可以用單位面積質量等于雙層墻兩側墻體單位面積質量之和的單層墻的隔聲量加上一個空氣間層附加隔聲量來表示，在工程應用中，隔聲量計算的經驗公式：

　　但是實際工程中，兩層墻之間常有剛性連接，它們能較多地傳遞聲音能量，使附加隔聲量降低，這些連接稱為“聲橋”。

　　雙層墻的每一層墻都會產生吻合現象，如果兩側墻是同樣的，則兩者的吻合臨界頻率fc是相同的，在fc處，雙層墻的隔聲量會下降，出現吻合谷。如果兩側的墻不一樣厚，或不同材料，則兩者的吻合臨界頻率不一樣，可使兩者的吻合谷錯開。這樣，雙層墻隔聲曲線上不至出現太深的低谷。

　　2.7 提高墻體隔聲能力的主要措施

　　隨著工業與民用建筑的快速發展，建筑的工業化現代化程度越來越高，同時還要求減輕建筑的自重，提高裝配化程度，以滿足建筑的高速發展。常用的輕型墻體材料有：防火石膏板、紙面石膏板、加氣混凝土砌塊、幕墻用玻璃鋁板石材等。傳統的240mm厚的磚墻，其平均隔聲量約為53dB，而現有的輕型墻其平均隔聲量為30dB，可見二者之間有較大差距。

　　提高輕型墻隔聲能力的措施：

　　1、將密實材料用多孔彈性材料(巖棉（詞條“巖棉”由行業大百科提供）、玻璃棉、泡沫塑料)多層分隔復合，做成夾層結構，隔聲量會比同重量單層墻提高很多，例如雙層石膏板夾玻璃棉做法。

　　2、使各層材料的面密度不同或厚度不同，避免板材的吻合效應引起的諧振，在質量定律范圍內可以得到較理想的隔聲。

　　3、當將空氣層的厚度增加到75mm以上時，在大多數的頻帶內可以增加8～10dB的隔聲量。

　　4、用松軟的吸聲材料（詞條“吸聲材料”由行業大百科提供）填充空氣間層，一般可以提高輕型墻2～8dB的隔聲量.

　　綜上所述，輕型墻體提高隔聲性能的方法是多種多樣的，雙墻分立、多層復合、薄板（詞條“薄板”由行業大百科提供）疊合、彈性連接、填塞吸聲材料、增加結構阻尼等，如下圖6。

　　3、幕墻隔聲性能

　　3.1 幕墻隔聲性能分級

　　國標GB/T21086-2007《建筑幕墻》中規定：空氣聲隔聲性能以計權隔聲量RW作為分級指標，應滿足室內聲環境的需要，符合GB50118的規定。空氣聲隔聲性能分級指標RW應符合表1的要求。開放式建筑幕墻的空氣聲隔聲性能應符合設計要求。

表1建筑幕墻空氣聲隔聲性能分級表

　　3.2 幕墻隔聲性能分析計算

　　在實踐中，同樣的構件在不同位置所測得的隔聲量往往是不同的，這是因為受構件的大小差別，受聲室條件的影響，因此為了盡可能地接近真實，便于比較，就需在公式中加入一修正項，對各種玻璃的隔聲量常采用經驗公式估算：

　　單層玻璃

　　R=101gM+12

　　夾層玻璃

　　R=101gM+12+ΔR1

　　中空玻璃

　　R=101gM+12+ΔR2

　　式中 M ——玻璃面密度，6mm玻璃M=15.4kg/m2 ;8mm玻璃M=20.5kg/m2 ;10mm玻璃M=25.6kg/m2 ;12mm玻璃M=30.7kg/m2 ;

　　ΔR1 ——夾層（詞條“夾層”由行業大百科提供）材料附加隔聲量;PVB膠片膜厚0.38mm時取4dB, PVB膠片膜厚0.76mm時取5.5dB, PVB膠片膜厚1.52mm時取7dB ;

　　ΔR2 ——中空玻璃空氣層附加隔聲量,空氣間層為6mm時取1dB, 空氣間層為9mm時取2dB, 空氣間層為12mm時取2.5dB.

　　[例3]計算各種單層玻璃的平均隔聲量(玻璃及間層厚度單位: mm).

　　6mm R=101Gm15.4+12=23.88dB

　　8mm R =101Gm20.5+12=25.11dB

　　10mm R=101Gm25.6+12=26.08dB

　　12mm R=101Gm30.7+12=26.87Db

　　[例4]計算各種中空玻璃的平均隔聲量(玻璃及間層厚度單位: mm).

　　6+6+6: R=101gM(15.4+15.4)+12+1=27.89 dB

　　6+9+6: R=101gM(15.4+15.4)+12+2= 28.89dB

　　6+12+6 R=101gM(15.4+15.4) +12+2.5=29.39 dB

　　8+9+8 R=101gM(20.5+20.5) +12+2=30.12 dB

　　8+12+8 R=101gM(20.5+20.5) +12+2.5=30.62 dB

　　10+12+10 R=101gM(25.6+25.6) +12+2.5=31.56 dB

　　[例5]計算各種夾層玻璃的平均隔聲量(玻璃及間層厚度單位: mm).

　　3+0.38+3 R= 101gM(7.68+7.68) +12+4=27.86 dB

　　4+0.38+4 R= 101gM(10.24+10.24) +12+4=29.11dB

　　5+038+5 R= 101gM(12.8+12.8) +12+4=30.08 dB

　　6+0.38+6 R= 101gM(15.4+15.4) +12+4=30.88dB

　　6+0.76+6 R= 101gM(15.4+15.4) +12+5.5=32.38dB

　　8+0.76+8 R= 101gM(20.5+20.5) +12+5.5=33.63dB

　　6+1.52+6 R= 101gM(15.4+15.4) +12+7=33.89dB

　　8+1.52+8 R= 101gM(20.5+20.5) +12+7=35.13dB

　　3.3 提高幕墻隔聲性能的主要措施

　　一般門窗幕墻結構相對于土建墻體而言都比較輕薄，而且存在較多縫隙，因此門窗幕墻的隔聲能力往往比墻體低得多，形成隔聲的“薄弱區域”。若想提高門窗幕墻的隔聲性能，一方面要改變單、薄、輕的門窗幕墻構造，另一方面要密封孔洞、縫隙，減少孔洞縫隙進聲。圖7是孔洞與縫隙對隔聲的影響。

　　對于窗和玻璃幕墻，因為采光（詞條“采光”由行業大百科提供）和其它使用要求，只能采用玻璃等透光材料。對于隔聲要求高的窗和幕墻，可采用較厚的單片玻璃或采用雙層、多層玻璃(雙中空玻璃或中空夾膠玻璃)或真空玻璃。在采用雙層或多層玻璃時，若有條件各層玻璃可以設置成不平行，各層玻璃厚度不同，玻璃之間的分子篩間隔條配置吸聲材料。要盡量減少門窗幕墻縫隙和孔洞，要有嚴格的設計和加工精度的要求，要擺脫門窗幕墻加工中的落后工藝，結構和材料要有足夠的強度和耐久性防止變形;采用構造作法來減少縫隙或增加密封道數，例如采用雙道或多道密封，即增加門窗幕墻的氣密性（詞條“氣密性”由行業大百科提供）即可有良好的隔聲效果。對于不可避免的門窗縫在構造設計上要避免直通縫，要有所曲折和遮擋;縫間可設置柔軟彈性材料(如橡膠條、泡沫膠條（詞條“膠條”由行業大百科提供）、毛氈條等)密封，另外還要注意門窗幕墻框和土建洞口之間縫隙的密封。

　　對于隔聲要求較高的門，加強門扇隔聲的做法一般有兩種：一種是采用厚而重的門扇，如厚鋼板（詞條“厚鋼板”由行業大百科提供）鋼質門、鋼筋混凝土（詞條“鋼筋混凝土”由行業大百科提供）門，一種是采用多層復合結構，用多層且性質相差很大的材料(玻璃、鋁板、鋼板、木板，阻尼材料如PVB膠片、瀝青，吸聲材料如巖棉、聚苯板等)相間而成，因為各層材料的阻抗差別很大，使聲波在各層邊界上被反射，提高了隔聲性能。如果單道門難以達到隔聲要求，可以設置雙道門，之間的空氣層可以得到較大的附加隔聲量。如果加大兩道門之間的空間，擴大成為門斗并在門斗內表面作吸聲處理，例如噴涂吸音涂料，能進一步提高隔聲效果。

　　4、典型案例分析

　　下面用兩個工程實例來說明幕墻的隔聲設計要點

　　4.1 北京華能大廈玻璃幕墻隔聲設計

　　北京華能大廈玻璃幕墻為帶陶磚翼的定制鋁擠型材并具熱斷橋的室外單元式幕墻。單元的可視區域使用雙中空夾膠玻璃(6mm HS /1.5 INTERLAYER / 6mm HS /12mm AS /6mm HS /12mm AS/6mm)，窗間墻區域使用中空玻璃(6mm HS /1.5 INTERLAYER / 6mm HS /12mm AS /6mm HS 中空玻璃)并帶有保溫隔熱（詞條“隔熱”由行業大百科提供）的背襯板陰影箱，豎向內凹處使用單片玻璃(6mm鋼化)及100mm保溫隔熱背襯板陰影箱，詳見右圖8。

　　首先面材的外片玻璃采用夾膠玻璃，為多層復合結構且材料性質不同，使聲波在各層邊界上被反射，提高了隔聲量，且玻璃膠片為阻尼材料，對聲波有較好的吸收。玻璃采用雙中空配置充分利用了空氣間層對聲波的削減作用，詳見圖9。

　　其次幕墻在非透明區域由外到內采用6mm單玻璃+40mm空氣層+3mm鋁單板襯板+100mm保溫巖棉+2mm室內裝飾鋁板的構造做法，除了充分利用了以上隔聲消聲原理外，還加大了空氣層，有效地利用了空氣的“彈簧”消聲作用，3mm鋁單板襯板反射了透過單玻璃的剩余聲波，保溫巖棉為多孔彈性材料，吸聲能力很強，聲波穿過巖棉將被大部分吸收，2mm室內裝飾鋁板進一步吸收和反射了剩余聲能。詳見圖10。

　　最后一些聲橋部位也進行了隔聲處理：鋁型材采用斷橋式為多層復合材料組成，單元插接部位采用了5道膠條密封，玻璃和框的密封采用膠條、密封膠、雙面貼、膠條4道密封方式，有效的阻止了聲波向室內的傳播，詳見圖11。

　　4.2 北京國家開發銀行總部隔聲設計

　　幕墻采用雙層呼吸式幕墻;內外幕墻間距750mm,電動進氣口和排氣口處有穿孔鋁板和不銹鋼格柵，對有效的吸收聲能，進氣口和排氣口都設置在層間部位，和內層門窗不是對應關系，即使在進出氣口打開、內層門窗打開的情況下，外界噪聲也要被多次反射和吸收，削減到規范允許范圍內，詳見圖12。

　　5、結束語：

　　建筑門窗幕墻的隔聲是一個比較系統且復雜的課題，門窗幕墻在前期設計階段就要根據材料及結構的特點進行隔聲設計，并分析計算隔聲量是否能達到建筑設計要求。使用上述所列公式和方法，可以初步從理論上計算出所設計門窗幕墻的隔聲量，如果要得到更接近真實的隔聲效果，仍需在試驗室測試或在1:1的樣板墻上進行現場測定，以便得到更加真實有效的數據，從測定結果上分析，從而進一步修改完善幕墻的隔聲設計。

　　參考文獻：

　　[1]GB50118-2010，民用建筑隔聲設計規范[S].中國建筑工業出版社,北京.2010

　　[2]GB/T39526-2020，建筑幕墻空氣聲隔聲性能分級及檢測方法[S].北京:中國建筑工業出版社,北京.2020

　　[3]GB/T21086-2007，建筑幕墻[S].中國建筑工業出版社,北京.2007

作者單位：北京佑榮索福恩建筑咨詢有限公司