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、學習和休息創造良好的環境，利用建筑外窗隔聲是防治噪聲的重要手段。對于建筑物而言，門窗相對墻體來說隔聲性能要差一些，是建筑隔聲的薄弱環節，所以提高外窗的隔聲性能對提高整個建筑的隔聲性能有重要的意義。

二、建筑外窗隔聲的幾個基本概念

1、隔聲與吸聲

隔聲與吸聲是兩個不同的概念，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。工程實際中通常采用吸聲系數來描述吸聲材料和吸聲結構的吸聲性能，以α表示，定義為α=Ea/Ei，Ei為入射到材料或結構表面的總能量，Ea表示被材料或結構吸收的聲能。隔聲構件透聲能力的大小，用透聲系數τ來表示，定義為τ=Wt/W，Wt為透過隔聲構件的聲功率，W為入射到隔聲構件上的聲功率，聲功率的單位為瓦 （W）。

一般隔聲構件的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、質量作用定律

式 （1）就是哈里斯提出的建筑聲學中常用的質量作用定律，公式顯示，面密度M或聲音頻率f加倍，隔聲量增加6dB。值得注意的是這個公式適用于單層墻的隔聲，而窗與墻在密度、結構上和尺寸上都有很大區別，門窗的幾何尺寸與入射波波長相比，一般說并不很大，應用質量定律所得結果與實際情況會有較大偏差，對于建筑外窗來說，質量定律是不適用的。針對面密度M對隔聲的重大影響，前蘇聯聲學家艾爾杰里推薦了兩個單值隔聲量的經驗公式[3]：

按式 （3）計算出的58系列木鋁復合窗的隔聲量分別為31.6dB，與實測所得500Hz隔聲量比較接近，考慮到窗自身的特點和檢測過程中偶然因素的影響，這個結果還是可以接受的。

另外，從隔聲構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的影響 （圖1）。中空玻璃窗的共振頻率計算式為[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），計算可知58系列隔熱木鋁復合窗的共振頻率是fr=219Hz。

3、計權隔聲量

由于同一建筑構件在不同聲音頻率下的隔聲量TL不相同，而人耳對不同頻率下同一隔聲量的主觀感受也不一樣的，這給人們對構件本身隔聲量的理解和不同構件間隔聲量的比較都帶來了困難，為了解決這個問題，引入了計權隔聲量 （Rw）的概念。計權隔聲量是對構件隔聲性能的單值評價，其值是通過將構件的隔聲頻率特性曲線與標準曲線比較來確定的。標準曲線相當于一條“等隔聲曲線”，是一條隨頻率而變化的折線。計權隔聲量求得的方法和結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。

為了修正計權隔聲量對建筑構件隔聲的主觀影響，相關標準中還引入了C和Ctr兩個頻譜修正量，用于對計權隔聲量的調整[6]。在門窗隔聲性能分級指標中，外門、外窗以 “計權隔聲量和交通噪聲頻譜修正量之和（Rw+Ctr）”作為分級指標，內門、內窗以計權隔聲量和粉紅噪聲頻譜修正量之和 （Rw+C）”[7]作為分級指標，用以強調不同頻率環境噪聲下，對門窗隔聲性能的影響。

三、建筑外窗隔聲的特點

1、材料構成對外窗隔聲性能的影響

外窗從材料上來講，對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，所占面積遠小于玻璃，對整體外窗隔聲性能的影響并不大；另一方面，框料的結構復雜，不同的外窗情況各異，隔聲量難于測量和計算。

（2）從質量作用定律角度考慮，市場上常見的框料，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，在非特別嚴格的使用環境下，其實際隔聲量與整窗的隔聲量比較接近。

（3）通過對各種系統窗型的實際檢測數據分析證明，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、玻璃配置對外窗隔聲性能的影響

根據質量定律，增加玻璃的厚度可以提高隔聲性能，但這顯然不是經濟的做法，目前市場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，本文主要通過數值比較的方法來對幾種常見的玻璃配置方式進行比較分析，數據來源為美國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，按質量定律理論應具有基本相同的隔聲效果。數據顯示，對于800Hz以內的噪聲，夾膠玻璃與相同厚度的單玻具有相同的隔聲效果，而對于800Hz以上的噪聲，夾膠玻璃的隔聲能力略好于單玻，根據表中數據進行的計權隔聲量計算顯示，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）。從節能角度考慮，12mm的空氣層是一個比較好的選擇，但對于隔聲來講卻不是這樣，圖中顯示，從100到5000的頻率范圍內，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。從計權隔聲量的計算來看，中空玻璃為35dB，單玻為37dB，單玻隔聲性能優于中空玻璃。

圖3

（3） 雙中空玻璃 （6+12a+6+12a+6） 的隔聲特點（圖4）。這里將雙中空玻璃與普通 （單）中空玻璃 （6+12a+6）作了對比，從圖上的比較可以看出，在中高頻段，雙中空玻璃由于質量的增加，隔聲性能有一定的增加。雙中空的計權隔聲量達到了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的影響程度，具有更好的隔音效果。從計權隔聲量計算來看，不等厚的中空玻璃的計算值為39dB，而普通中空玻璃的計算值為37dB，不等厚中空玻璃在降低面密度的同時提高了隔聲能力，是一個比較好的選擇。

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。而且相關實驗表明，采用不平行玻璃時的隔聲量，近似等于采用這兩片玻璃近端和遠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間距為12mm，另一側為36mm，則其隔聲量與一個間距為24mm的中空玻璃相當。可見，采用不平行中空玻璃并無優勢。

（2）兩片玻璃間距對隔聲性能的影響

對于聲波來說，兩片玻璃間的空氣層相當于一個緩沖層，如果緩沖層很薄，鋼性很強，就起不到很好的緩沖作用。相應試驗表明，中空層每增加一倍，隔聲量大約增加3dB。

（3）兩片玻璃間墻面內壁鋪設吸音材料對隔聲也有一定影響，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。在實際應用中，對高頻噪聲的隔聲效果更好一點，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外窗隔聲性能的影響

我們都有這樣的生活體驗：窗戶剛開一小縫，噪聲就撲面而來。由于孔洞的透聲系數為1，隔聲量為零，所以哪怕窗框扇間一個很小的密封不嚴的位置，都會對外窗整體的隔聲量產生嚴重影響。例如，當孔洞面積為整片圍護結構面積的1%時，結構隔聲量不會超過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隔聲效果也會好一些，例如采用三元乙丙或硅橡膠做為密封材料并進行多道密封處理的內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大打折扣。一般在外窗安裝時，洞口墻體與窗邊會留一條10mm左右的縫隙，里面使用發泡劑填塞，室內外兩側打密封膠。不論是發泡劑還是密封膠，都屬于輕質材料，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：室外側安裝時洞口的上、左、右采用墻體壓窗邊的做法，下側采用導水板；室內側包套處理 （圖6、圖7），可以有效解決安裝間隙傳聲的問題。

圖6

圖7

四、門窗隔聲設計中應注意的幾個問題

1、隔聲設計應注意與噪聲特點、建筑性質和房間使用功能相結合，要有針對性。

這就要求門窗隔聲設計者不僅要掌握一定的門窗隔聲知識，還應對聲學、建筑等知識有相當的了解，全面考慮。舉個例子，如果一個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計時就應選擇共振頻率遠離該頻段的產品，降低由于共振帶來的不利影響。

2、在具體隔聲方案設計中，應多種方案相結合，在適用的基礎上做到經濟、合理。

對于同一座建筑而言，按慣常的做法，會全部采用相同的外窗產品。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，在做隔聲設計中也應根據具體情況具體分析，采取相應的隔聲措施，不能一概而論。例如，對于一棟用于賓館的建筑，走廊的一面臨街，另一面是居民區，臨街一側的客房就要重點考慮交通噪聲 （中低頻）的影響，而另一側應重點考慮生活噪聲 （中高頻）的影響，從而采用不同隔聲效果的外窗產品。

3、對隔聲要求比較高的場所，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。為達到隔聲效果，一般要求兩層窗之間的距離應控制在150mm以上 （越大越好），兩層窗在玻璃配制上也要有所區別以降低共振和吻合效應的影響，兩層窗之間的洞口側面周邊還可以鋪設吸聲材料，以進一步提高隔聲量。在隔絕以中低頻為主的噪聲時，應在安全和法律法規許可范圍內盡量加大一側玻璃的厚度，同時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。

在對隔聲要求比較高的場所，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，是個比較好的選擇，而且通過技術處理也可能達到非常好的保溫和密封效果。

4、應注意低頻噪聲的危害。

低頻噪聲是指頻率在500Hz以下的噪聲，由于相對于中高頻噪聲來講，人耳對低頻噪聲不敏感，所以不論是在我們測量中經常采用的A計權網絡還是隔聲的單值評價指標——計權隔聲量中，都對聲音的低頻段進行了大幅度的衰減，但國內外的研究結果證明：低頻噪聲相對來講對人體健康具有更大的危害和更長遠的影響。

低頻噪聲波長較長，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、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都伴有結構傳聲，在測量時由于采用了對低頻表現不利的A計權網絡，其等效聲級大多并不超過標準中限值的規定，但對人們正常生活卻帶來非常大的影響，所以在建筑設計時就應充分考慮低頻噪聲的隔離問題，提出綜合解決方案。

五、結束語

正如很多專家所說，聲學是一門 “既古老又迅速發展著的”學科，而門窗隔聲技術的研究在我國更是發展較晚的邊緣分支，還處于起步階段。但無庸置疑，隨著人們對生活質量關注度的增加，對門窗的隔聲性能必然會提出更高的要求，就會促進人們對門窗隔聲性能的關注和研究。本文旨在通過總結國內外聲學專家研究的基礎上，結合相關數據及多年的從業經驗，提出一些個人觀點，供業內人士參考。

[1]陳克安，曾向陽，楊有糧.聲學測量，機械工業出版社，2010

[2]杜功煥，朱哲民，龔秀芬.聲學基礎，南京大學出版社，2010

[3]康玉成.建筑隔聲設計——空氣聲隔聲技術，中國建筑工業出版社，2004

[4]盛美萍，王敏慶，孫進才.噪聲與振動控制技術基礎，科學出版社，2007

[5]GB/T50121-2005建筑隔聲評價標準，中國建筑工業出版社，2005

[6]GB/T8485-2008建筑門窗空氣聲隔聲性能及檢測方法，中國標準出版社，2009

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

[8]GB3096-2008聲環境質量標準，環境科學出版社，2008