住宅門門底密封條隔聲改善性能研究

李圣明，王鵬軍，黃程偉，謝曉東

(1. 上海建科檢驗(yàn)有限公司，上海201108；2. 國家建筑工程材料質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，上海201108)

0 引 言

近年來，出于對噪聲防護(hù)與語言私密性的需求[1]，人們對住宅建筑的隔聲性能越來越重視。隔聲性能差的住宅更容易受到外界噪聲的侵?jǐn)_，長期生活在噪聲水平高的住宅內(nèi)，會使居民受到心理甚至生理上的損害。房間的隔聲性能需要全部的圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，一旦出現(xiàn)隔聲的薄弱環(huán)節(jié)，則可能導(dǎo)致整個房間的隔聲效果大幅下降。

門作為住宅中最常見的可活動建筑部件。由于其特殊的可開啟和可通行的需求，門的密封性能成為了制約門隔聲的主要因素。門扇兩側(cè)與頂部，通過橡膠密封條，可以較為方便地增強(qiáng)其密封性能。而出于安全等因素[2]，住宅門通常不設(shè)門檻，這樣就會使門底產(chǎn)生一定的縫隙，盡管這個縫隙一般在幾毫米至十幾毫米之間，但會極大的影響門的隔聲性能[3]。除了帶有門檻的專業(yè)隔聲門和具有自落門底的高端門，普通住宅門對門下縫的密封都普遍沒有約束，一旦出現(xiàn)了隔聲性能差的問題，則難以解決。崔程勛[3]對門縫不做處理時的漏聲情況進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了Gomports公式在門+門縫整體隔聲計算中的準(zhǔn)確性。Hongisto[4-5]等對木門和鐵門在不同密封形式下的門縫漏聲進(jìn)行了研究，優(yōu)化門扇企口等措施可以對門的隔聲密封性能起到幫助。對于住宅門，一般不會采用這類專業(yè)的門縫處理手段，而是會選用市場上常用的門底密封條進(jìn)行簡單的處理，這類門底密封條的隔聲改善性能，對于住宅門的隔聲優(yōu)化具有重要的意義。

1 門扇與門下縫的傳聲原理

聲音分別通過門扇和門縫傳播，令門縫的透射系數(shù)為τ1，面積S1，門扇的透射系數(shù)為τ2，面積S2，則整個門系統(tǒng)的隔聲量R可表示為

門扇的透射系數(shù)可由式(2)與式(3)獲得，或通過實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)得到。式(2)為隔聲質(zhì)量定律的經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)隔聲構(gòu)件為單層均質(zhì)薄板時，該公式具有很好的實(shí)用性[6]。

式中：m為門扇的面密度，單位kg·m-2；f為頻率，單位Hz。

其中，門扇的透射系數(shù)τ2可由實(shí)驗(yàn)室檢測得到，而門縫的透射系數(shù)，可根據(jù)Gomports的矩形縫隙透聲系數(shù)理論計算得到[7]，矩形縫隙的透射系數(shù)τ1可表示為

式中：X=d/w(d為縫隙的深度，w是縫隙的寬度，單位m)；K=kw(k為波數(shù))；p為入射聲場的特性參數(shù)，混響聲場時 p=8；n為縫隙位置參數(shù)，門下縫對應(yīng)的n=1；e表示末端修正，可表示為

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲聲強(qiáng)法測量第2部分：現(xiàn)場測量》(GB/T 31004.2-2014)中的方法[8]，對一扇普通木門進(jìn)行了隔聲效果檢測。木門尺寸為800 mm×2 000 mm，門扇與門框之間使用了橡膠密封條進(jìn)行了密封，門洞龕深為 15cm。門下縫隙尺寸為800 mm×12 mm，門扇厚50 mm。實(shí)驗(yàn)室采用兩軸位移控制器與愛華聲強(qiáng)測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了掃描法與離散點(diǎn)法的全自動控制檢測，降低了測量時間，提高了位置精度。為了更顯著地看出木門縫隙漏聲現(xiàn)狀與密封條處理效果，本次測量采用離散點(diǎn)法，并根據(jù)離散測量結(jié)果繪制了隔聲分布圖。實(shí)驗(yàn)中，每個離散點(diǎn)之間相距 10 cm。初始點(diǎn)距門框一側(cè) 5 cm，距地面 5 cm，每個測點(diǎn)測量時長為20 s。每種工況共計測量133個離散點(diǎn)。

3 門下縫透聲研究

門下縫在不做處理時，透聲系數(shù)可采用Gomports的理論公式進(jìn)行計算。本次實(shí)驗(yàn)門扇的面積為 160 dm2，門下縫的面積為 0.96 dm2，面積比為 167倍。在使用式(1)的綜合隔聲量公式進(jìn)行驗(yàn)證時，大量通過門扇透過的聲能將參與計算，從而弱化了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的效果。利用聲強(qiáng)法獲得的離散隔聲量結(jié)果，選取適當(dāng)?shù)膮⑴c計算的門扇面積，可以降低該問題的影響。

根據(jù)不做處理門縫隔聲檢測結(jié)果，將隔聲量比門中心位置低9 dB及以上的區(qū)域，視作受門縫漏聲影響大的區(qū)域。利用這些區(qū)域得到的離散聲強(qiáng)檢測結(jié)果，計算得到該區(qū)域內(nèi)，主要受門下縫透射聲能影響的隔聲量實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果R′slit。在理論計算中，因?yàn)檫x擇區(qū)域的總透射聲能主要是門下縫透射聲能貢獻(xiàn)的，因而可以忽略門扇的透射聲能，令τ2=0，門縫附近隔聲量可由式(6)確定：

式中，Rslit表示比門中心區(qū)域隔聲性能低9 dB區(qū)間的隔聲量，Sslit表示比中心區(qū)域隔聲量低9 dB及以上區(qū)域的面積。τ1為Gomports理論得到的門下縫透聲系數(shù)。

與聲壓法(GB/T 19889.3-2005)隔聲檢測[9]過程中利用門扇+門縫的整體隔聲量來預(yù)估結(jié)果的方法相比，本方法在離散點(diǎn)聲強(qiáng)法檢測的基礎(chǔ)上，對門下縫影響的范圍進(jìn)行了限定，減小了計算過程中門扇透射聲能的影響，提高門縫漏聲在計算中的權(quán)重，從而提高理論公式驗(yàn)證精度。同時這種驗(yàn)證方法不需要對門扇進(jìn)行單獨(dú)的隔聲檢測，對實(shí)驗(yàn)條件要求也相對較低。將該方法獲得的理論結(jié)果Rslit與試驗(yàn)結(jié)果R′slit相比較，結(jié)果如圖 1所示，可得Gomports的縫隙透聲理論在125～4 000 Hz間具有較高的精度。在除 2 500 Hz附近的共振頻率外，平均偏差2～3 dB。而在2 500 Hz附近的共振區(qū)域出現(xiàn)了較大的偏差，使理論結(jié)果比實(shí)際結(jié)果要低10 dB以上。崔程勛[3]的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的問題。一個可能的原因是公式中缺少阻尼因子導(dǎo)致的，阻尼的引入可以有效地平緩共振頻率的峰谷現(xiàn)象[10]，適當(dāng)?shù)卦黾幼枘岬挠绊懀梢允估碚撝蹈臃蠈?shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 門縫隔聲理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.1 Comparison between theoretical and experimental results of the sound insulation of door slit

4 門底密封條隔聲改善效果研究

在驗(yàn)證完Gomports的理論模型后，采取門底密封條對門縫進(jìn)行了處理，實(shí)驗(yàn)中分別采用單層橡膠門底條、貼地門底壓條、防鼠門底毛條、發(fā)泡棉門底密封條、多層橡膠門底條和門底毛刷條對門縫進(jìn)行試驗(yàn)，各自圖片、類型、特點(diǎn)如圖2和表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用6種門底密封條的安裝方式與特點(diǎn)Table 1 Installation method and characteristics of the six kinds of sealing strips

圖2 實(shí)驗(yàn)中采用的6種門底密封條Fig.2 Six kinds of sealing strips adopted in experiment

采用聲強(qiáng)法分別對6種門底密封條的隔聲性能進(jìn)行檢測。并根據(jù)6種門底密封條的檢測數(shù)據(jù)(低頻 125 Hz、中頻1 000 Hz、高頻4 000 Hz和A聲級的離散隔聲量數(shù)據(jù))進(jìn)行隔聲效果分布圖的繪制。和總體隔聲量檢測方法相比，采用這種檢測方法可以更加直觀準(zhǔn)確地觀察到縫隙對構(gòu)件隔聲效果影響。同時，通過觀察和分析，能夠?yàn)楦纳崎T底密封條的隔聲性能帶來了更好的幫助。圖 3～6為門縫不作處理與采用6種隔聲密封條時的離散隔聲分布情況。令單位面積的入射聲能為 1，則總透射聲能W可用式(7)來反映：

圖3 門底密封條低頻(125 Hz)隔聲分布圖Fig.3 Sound insulation distribution at low frequency(125 Hz)after installing the sealing strips at the bottom of the door or not

式中，Ri為隔聲分布圖所示隔聲量，單位dB；Si為Ri所對應(yīng)的區(qū)域面積。

式(7)中的區(qū)域應(yīng)選擇主要影響范圍，即隔聲量應(yīng)顯著小于門扇中央位置隔聲量的區(qū)域。利用該公式，可以明確每個門底密封條的透射情況。

圖3為低頻125 Hz時的隔聲分布情況。低頻聲波的衍射能力最強(qiáng)，因而門縫透聲的影響范圍也最大，在門底60 cm以上的區(qū)域仍能明顯地看出其隔聲的漸變情況。根據(jù)其隔聲分布情況，低頻125 Hz在使用門底密封條之后，縫隙處的隔聲量有 1～4 dB的提升。其中發(fā)泡棉門底密封條低頻提升效果最好，提高了近4 dB。單層橡膠門底條的提升效果最差，僅提高1 dB。其他四種密封條對低頻的提升效果接近。

圖4為中頻1 000 Hz時的隔聲分布情況。相比于低頻時的聲波衍射情況，中頻的衍射現(xiàn)象顯著下降，在門底30 cm左右的區(qū)域，便不再有顯著的隔聲漸變現(xiàn)象。中頻隔聲表現(xiàn)最佳的仍是發(fā)泡棉門底密封條，縫隙處隔聲量提升約7 dB，其他的門底密封條隔聲量提升約3～4 dB。

圖4 門底密封條中頻(1 000 Hz)隔聲分布圖Fig.4 Sound insulation distribution at mid frequency(1 000 Hz) after installing the sealing strips at the bottom of the door or not

圖5為高頻4 000 Hz時的隔聲分布情況。與中頻相類似，在門底30 cm以上的區(qū)域，已經(jīng)不能顯著地觀察出隔聲的漸變情況。使用發(fā)泡棉門底密封條密封后，已經(jīng)看不出下縫漏聲的跡象。防鼠門底毛條、多層橡膠門底條和門底毛刷條在高頻都有著良好的隔聲表現(xiàn)，在門縫的中心區(qū)能夠提高 8 dB左右的隔聲性能。而單層橡膠門底條和貼地門底壓條的改善性能僅有1～3 dB。

圖5 門底密封條高頻(4 000 Hz)隔聲分布圖Fig.5 Sound insulation distribution at high frequency(4 000 Hz) after installing the sealing strips at the bottom of the door or not

圖6為A計權(quán)聲級的隔聲情況，反映的是門內(nèi)外綜合聲衰減的分布。所有的門底密封條都對隔聲有一定的改善，縫隙處的改善量在 2～6 dB，表現(xiàn)最好的仍是發(fā)泡棉門底密封條。表現(xiàn)較差的是單層橡膠門底條。

圖6 門底密封條A計權(quán)(125～5 000 Hz)隔聲分布圖Fig.6 A-weight sound insulation distribution (125～5 000 Hz)after installing the sealing strips at the bottom of the door or not

圖7是不作處理與分別使用6種門底密封條后的門總體隔聲量情況。結(jié)合圖3～6與圖7所表現(xiàn)的隔聲效果，每種門底密封條對門的隔聲性能都有一定的優(yōu)化作用，但各自作用的頻率、影響范圍都有所不同。

圖7 幾種門底密封條整體隔聲效果Fig.7 The overall sound insulation effects after installing the sealing strips at the bottom of the door or not

單層橡膠門底條的結(jié)構(gòu)簡單，由單層橡膠組成，其本身的隔聲量偏低，同時在門扇開關(guān)移動的過程中，會向內(nèi)外翻折，形成一定的縫隙無法填補(bǔ)，使之在2 000 Hz附近出現(xiàn)了一定的由縫隙漏聲引發(fā)的共振現(xiàn)象；多層橡膠門底條本身的構(gòu)件比單層橡膠門底條的隔聲效果更好，多層橡膠門底條選用了質(zhì)地更加堅硬的橡膠，門開關(guān)移動后，不會形成較大的側(cè)縫，因而側(cè)縫引起的共振現(xiàn)象得到了改善。對比單層橡膠門底條與多層橡膠門底條，也可以看出門底密封條本身的隔聲性能在門下縫隔聲改造中起到關(guān)鍵的作用。多層橡膠門底條分別由雙層和三層橡膠組成，面密度約是單層橡膠的2倍，根據(jù)式(2)計算可得，多層橡膠門底條的隔聲量比單層橡膠密封條高 5 dB。實(shí)測采用多層橡膠門底條情況下，隔聲量比單層橡膠門底條隔聲量高2～3 dB。

貼地門底密封條安裝在門底，其頂部與門扇的底部接觸并不緊密，且貼地門底密封條本身是由軟質(zhì)橡膠制作，其本身隔聲量偏低，但貼地門底密封條在1 000～3 150 Hz的區(qū)間內(nèi)具有很好的隔聲優(yōu)化表現(xiàn)，在門下縫較小時，該密封條應(yīng)有更好的隔聲效果。

防鼠門底毛條和門底毛刷條在其底部均有毛刷的構(gòu)造，其在各頻段的隔聲優(yōu)化表現(xiàn)也十分相似。門底毛刷條具有一定的高頻吸聲效果，在中低頻時，由于聲波衍射現(xiàn)象，毛刷條不能有效地反射聲波，而高頻時可以阻擋聲波的透射，同時吸收一部分聲能，因此這種帶毛刷條的門底密封條的中低頻表現(xiàn)一般，高頻時的隔聲改善效果較好。毛刷類的門底密封條，看似密封效果不佳，但對隔聲仍能起到一定的改善效果。對比防鼠門底毛條和門底毛刷條，兩者分別在門縫底部留有5 mm和12 mm的毛刷鏤空高度，刷毛密度相近。兩種毛底密封條的聲能透射系數(shù)相近，可見毛刷類門底密封條的隔聲改善性能與毛刷的高度關(guān)系較小。

發(fā)泡棉密封條由兩個圓柱形的發(fā)泡棉組成，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其夾在門底時，得到了很好的密封效果，發(fā)泡棉本身也具有良好的吸聲效果[11]，聲波在透過發(fā)泡棉時，大量轉(zhuǎn)化為熱能，透射的聲能得到了極大的衰減，該材料在全部的實(shí)驗(yàn)樣品中隔聲改善效果最佳。

5 結(jié) 論

本文對6種門底密封條的隔聲改善效果進(jìn)行了研究。門底密封條的隔聲改善與其密封性能、吸聲性能和本身的隔聲量都有關(guān)。其中多孔類材料的隔聲改善效果表現(xiàn)優(yōu)秀，隔板類的表現(xiàn)較差，毛刷類、復(fù)合類的表現(xiàn)尚可、門底壓條類的表現(xiàn)一般。普遍表現(xiàn)為低頻改善量差，中頻一般，高頻較好。總體隔聲改善效果在 2～6 dB，不同門底密封條在一些特定頻率的改善效果甚至高于6 dB。

住宅及家用用途中，選擇這類門底密封條提高隔聲量時，不僅需要考慮隔聲改善情況，還需要根據(jù)美觀性、開關(guān)便捷性、安全性和價格因素等各方面進(jìn)行綜合考量。