常用墻體隔聲性能的影響因素分析

楊志剛

（華東建筑設計研究院有限公司，上海 200070）

建筑設計中，常用的隔墻有三種類型：鋼筋混凝土、加氣混凝土砌塊、石膏板輕質隔墻。本文通過專業隔聲模擬軟件進行模擬分析，通過圖示直觀地查看影響墻體隔聲性能的因素。需要說明的是，隔聲模擬軟件模擬的隔聲結果和實驗室測量數據會有一定的誤差，大約高1 dB～2 dB。希望通過對工程中常用墻體系統地對比分析，從中尋找可有效提高隔墻隔聲性能的因素，供聲學工程設計師設計隔聲墻體時參考。

本文中，未特別說明的輕鋼龍骨為C型龍骨、間距為600 mm，壁厚為1 mm。計權隔聲量Rw的計權頻率為100 Hz～3150 Hz，也稱為有效隔聲頻率。為了更全面地觀察變化規律，本文隔聲量圖示中的頻率延伸到50 Hz～5000 Hz。密度單位kg/m3，在圖表中簡化為k。

1 五個重要的概念

1.1 質量定律

聲波無規入射時，理論上，單層墻體的隔聲量估算公式為：

式中，R為單層墻的隔聲量，M為構件的面密度（單位kg/m2），f為聲波的頻率（單位Hz）。可以看出，單層墻越厚越重，隔聲性能越好，面密度提高1倍，隔聲量提高6 dB。由于剛度、阻尼、共振、吻合效應、邊界條件等影響，實際墻板的隔聲量與理論計算的結果并不一致，有的偏低，也有的偏高。

1.2 共振頻率

任何隔墻都存在固有的共振頻率，當聲波的頻率和墻的共振頻率一致時，墻體整體產生共振，該頻率的隔聲量將大大下降。

1.2.1 單層板墻的共振頻率

單層板墻的共振頻率的計算公式為：

式中，B為板的勁度（單位N·m），B=ET3/12（E為材料的彈性模量，單位N/m2；T為板的厚度，單位m），M為板的面密度（單位kg/m2）,M=T（為板的密度，單位kg/m3；T為板的厚度，單位m），lx為板的長度（單位m），ly為板的寬度（單位m），m、n為任意正整數。可以看出，墻體越薄、密度越大，共振頻率越低。

加氣混凝土砌塊墻體、石膏板和混凝土墻體（厚度需小于150 mm）的共振頻率，一般都低于隔聲評價最低參考頻率100 Hz，因此，對隔聲量Rw的影響不太大。

1.2.2 輕鋼龍骨雙層薄板隔墻的共振頻率

輕鋼龍骨雙層薄板隔墻可以看作是兩板的質量和空腔內輕鋼龍骨（彈簧）組成的“質量+彈簧+質量”共振體系，它在低頻段會出現共振頻率，在其共振頻率附近會出現比同質量單層板還要低的隔聲量。共振頻率的最低頻率稱為f0，可由以下公式估算：

式中，M1、M2為雙層板的面密度（單位kg/m2）；d為兩板間的距離（單位m）。可以看出，間距越小，共振頻率f0越大；石膏板總的厚度越大，共振頻率f0越小。設計紙面石膏板隔墻時，應使共振頻率盡量低于100 Hz。

1.3 吻合效應

聲波接觸墻板后，墻板除了垂直方向的受迫振動以外，還有沿著板面方向的受迫彎曲振動。在某個特定頻率，板中的彎曲波的波長正好等于入射聲波波長在板上的投影時，板上的兩個波就會發生共振，產生波的吻合，這種現象被稱作吻合效應。此時，板的受迫彎曲振動與空氣中聲波的振動達到高度吻合，聲能會大量地投射過板，產生隔聲低谷，又稱吻合谷。吻合效應影響范圍比較寬，對隔聲量的降低影響也比較大。

出現吻合效應的最低頻率稱為臨界頻率fC。計算建筑材料臨界頻率fC的公式，德國著名聲學家Cremer在1950年就已提出[2]:

式中，c為聲速（取常溫20℃時343 m/s），M為板的面密度（單位k g/m2），為板的密度（單位kg/m3），B為板的剛度（B=ET3/12），E為彈性模量，T為板的厚度。

要提高雙層板隔墻的隔聲，對板材來說，是設法把它的臨界頻率fC（即隔聲曲線上的吻合低谷）推到很高的頻率上。理論和實驗均表明，輕、薄、柔的墻fC高，吻合效應弱；厚、重、剛的墻fC低，吻合效應強。

1.4 阻尼

材料一般都具有一定的內阻尼，它能阻礙物體的相對運動，使物體的動能轉化為熱能。因此，阻尼對提高材料的隔聲性能有明顯的作用，特別是抑制構件的共振和吻合效應隔聲低谷十分有效。一般材料的內阻都很小，而粘貼彈性材料則會增加材料的阻尼效果，如玻璃纖維棉、巖棉、橡膠阻尼氈等。

1.5 聲橋

板材直接固定在龍骨上時，受聲一側板的振動會通過龍骨傳到另一側板，這種像橋一樣傳遞聲能的龍骨被稱為聲橋。聲橋對隔聲量的影響與聲橋本身的剛度有關，聲橋的剛度愈大，則隔聲量下降越多。

2 影響墻體隔聲性能的因素分析

單層墻的隔聲量主要由墻體的面密度決定，面密度越大的墻體，隔聲量越大。面密度由墻體的密度和厚度相乘而來，也就是說，單層墻的隔聲量主要由墻體的的密度和厚度決定。

2.1 密度

以建筑中常用的約200 mm厚加氣混凝土砌塊隔墻為例，其具體構造為15 mm厚水泥砂漿粉刷+190 mm厚加氣混凝土砌塊+15 mm厚水泥砂漿粉刷，總厚度為220 mm。加氣混凝土砌塊按密度分級為B03、B04、B05、B06、B07、B08，對應的密度分別約為300 kg/m3、400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3、700 kg/m3、800 kg/m3。非承重砌塊的密度一般為500 kg/m3和600 kg/m3，承重砌塊的密度為700 kg/m3和800 kg/m3。

從圖1、圖2可以看出，在總厚度不變的條件下：

圖1 不同密度砌塊墻體的隔聲量

圖2 密度對砌塊隔聲頻率特性的影響

（1）砌塊的隔聲曲線圖類似于“√”，最低點為吻合低谷。隨著砌塊的密度增大，砌塊的隔聲曲線向高頻、向上移動。

（2）砌塊密度增加，臨界頻率增大，從低頻向中頻移動，不利于計權隔聲量的提高。這也就是面密度提高1倍（如300 kg/m2→600 kg/m2、400 kg/m2→800 kg/m2），砌塊Rw只提高3 dB～4 dB（低于質量定律的6 dB）的緣故。

（3）隨著砌塊密度增加，每個頻率的隔聲量都有增加。其中，低頻增加幅度略大于高頻。密度每增加100 kg/m3，墻體的計權隔聲量約增加1 dB。

2.2 厚度

以鋼筋混凝土墻體為例，從圖3、圖4可以看出：

圖3 不同厚度混凝土的隔聲量

圖4 厚度對混凝土隔聲頻率特性的影響

（1）鋼筋混凝土的隔聲曲線圖也類似于“√”，最低點為吻合低谷。隨著墻體厚度增大，隔聲曲線向低頻、向上移動。

（2）混凝土厚度增加，臨界頻率減小，從中頻向低頻移動，有利于計權隔聲量的提高。所以，面密度增加一倍，大于質量定律的6 dB，約為11 dB～12 dB。《建筑隔聲與吸聲構造》圖集[3]中，鋼筋混凝土的厚度由120 mm增加到200 mm，還不到2倍的厚度，Rw已經由49 dB增加到57 dB，增量為8 dB。

雙層墻的傳聲特性為：低頻聲能主要通過墻間空腔的空氣傳遞，高頻主要通過墻間的龍骨——聲橋來傳導，中頻介于兩者之間。

2.3 空腔厚度

標準隔墻的C型豎龍骨系列分別為50 mm、75 mm、100 mm，輕鋼龍骨系列的變化就是空腔的變化。以2×12 mm厚石膏板+輕鋼龍骨（空腔或加棉）+2×12 mm厚石膏板為例，進行分析。它們隔聲量的變化見圖5、圖6，可以看出：

圖5 不同空腔厚度的隔聲量

圖6 空腔厚度（有棉）對隔聲頻率特性的影響

（1）隨著空腔厚度的增加，低頻隔聲量提高較多、中頻次之、高頻基本沒變化。位于低頻的共振頻率向低頻方向移動且略有降低，而位于高頻的吻合谷沒有發生變化。

（2）空腔由50 mm增加到75 mm，Rw增加2 dB；由75 mm增加到100 mm，Rw增加0～2 dB。因此，采用75 mm輕鋼龍骨比較高效。

2.4 填充巖棉

以2×12 mm厚石膏板+75 mm輕鋼龍骨（空腔或有棉）+2×12 mm厚石膏板為例，進行對比分析。

2.4.1 巖棉的密度

巖棉的厚度為50 mm，巖棉密度的變化對隔聲量的影響見圖7、圖8。可以看出，巖棉密度從32 kg/m3增加到48 kg/m3，Rw增加1 dB；巖棉密度≥48 kg/m3，再增加密度，計權隔聲量Rw基本沒變化。總的來說，增加巖棉密度，計權隔聲量Rw改善不大，建議填充巖棉密度≥48 kg/m3。

圖7 不同巖棉密度的隔聲量

圖8 巖棉密度變化對隔聲頻率特性的影響

雖然增加密度對提高隔聲量的作用并不明顯，常用的填充吸聲纖維棉還是多采用80 kg/m3～100 kg/m3的巖棉。主要原因為：

（1）同等重量的巖棉比玻璃棉更便宜；

（2）密度較小的玻璃棉或巖棉容易變形下墜，造成鋪設不均勻，從而影響隔聲效果；

（3）厚重的巖棉一般比輕薄的玻璃棉或巖棉的耐火極限長，防火性能較好。

2.4.2 巖棉的厚度

巖棉的密度取80 kg/m3，巖棉厚度的變化對隔聲量的影響見圖9、圖10，可以看出，厚度由25 mm增加到50 mm，Rw增加1 dB；由50 mm增加到75 mm，計權隔聲量Rw沒變化。總的來說，增加巖棉厚度，計權隔聲量Rw改善不大，采用50 mm厚度比較高效。

圖9 巖棉厚度對隔聲量的影響

圖10 巖棉厚度變化對隔聲頻率特性的影響

2.5 石膏板的層數

以單層龍骨構造（1～3）×12 mm厚石膏板+75 mm輕鋼龍骨（內填巖棉）+（1～3）×12 mm厚石膏板為例，從圖11、圖12可以看出：

圖11 石膏板層數對隔聲量的影響

圖12 石膏板層數變化對隔聲頻率特性的影響

（1）單層→雙層石膏板，計權隔聲量提高得比較多。單側由單變雙，Rw提高5 dB；雙側由單變雙，Rw提高9 dB。實際工程中，由于單層石膏板之間存在縫隙，實際隔聲量比模擬值要低很多，只有30 dB左右，所以不建議采用單層石膏板。

（2）≥雙層石膏，每增加一層石膏板，隔聲量約增加2 dB。

2.6 阻尼

一般來說,低頻聲能主要通過墻間空腔的空氣傳遞，雙層墻之間填充纖維性吸聲材料后，可有效提高低頻的隔聲效果。實驗室實測數據顯示，雙層墻體如果填充巖棉（和兩側墻板均保持一定的間隙）后，隔聲量在1000 Hz以下都得到明顯提高，1000 Hz以上的隔聲性能改善并不明顯[4]。但是，如果巖棉和第一層墻板緊貼，可以提高該墻板的阻尼效果，降低該板的共振和吻合谷的影響。模擬數據的前提是巖棉和第一層墻板緊貼，所以，全頻帶的隔聲性能都能得到提高。

但是，也不建議空腔內滿填巖棉，因為巖棉內殘留有硬的礦渣塊會連接兩側的墻板，產生聲橋，反而影響隔聲效果。

2.7 聲橋

2.7.1 龍骨彈性

標準隔墻的C型豎龍骨壁厚規格主要有0.6 mm/0.7 mm/0.8 mm/1.0 mm。以輕鋼龍骨壁厚1.0 mm、壁厚0.6 mm、M型隔聲龍骨為例進行對比分析，壁厚越薄，彈性越大。以2×12 mm厚石膏板+75 mm輕鋼龍骨（內填50 mm厚、80 kg/m3的巖棉）+2×12 mm厚石膏板為例，它們隔聲量的變化見圖13、圖14，可以看出：

圖13 龍骨彈性對隔聲量的影響

圖14 龍骨彈性變化對隔聲頻率特性的影響

（1）輕鋼龍骨壁厚變薄的作用相當于降低了整個隔墻系統的剛度，從而提高了臨界頻率。改善特性表現為低頻基本沒變化（共振頻率沒有變化），隨著頻率向中高頻移動，隔聲量改善值逐漸增大。

（2）壁厚1.0 mm減薄到0.6 mm，Rw改善值約5 dB。因此，在滿足強度要求的前提下，盡量選取壁薄的輕鋼龍骨。

（3）隔聲龍骨的作用與壁厚減薄相同，都是提高了輕鋼龍骨的彈性。在龍骨和石膏板之間加彈性墊條，也是提高了輕鋼龍骨的彈性。

2.7.2 龍骨排距

實際工程中，輕質隔墻輕鋼龍骨間距一般為300 mm～600 mm。以2×12 mm厚石膏板+75 mm輕鋼龍骨（內填50 mm厚、80 kg/m3的巖棉）+2×12 mm厚石膏板為例，它們隔聲量的變化見圖15，可以看出：

圖15 龍骨排距變化對隔聲頻率特性的影響

（1）從300 mm到600 mm，主龍骨間距每增加100 mm，Rw約增加1 dB。

（2）龍骨間距加大（相當于減少了聲橋的數量），隔聲量會相應增大。因此，在滿足強度要求的條件下，建議龍骨間距采用600 mm。

2.7.3 斷開聲橋

第一種構造為：2×12 mm厚石膏板+100 mm輕鋼龍骨（內填50 mm厚、80 kg/m3的巖棉）+2×12 mm厚石膏板（4層板），共四層板，總厚度148 mm。第二種構造為：2×12 mm厚石膏板+50 mm輕鋼龍骨（空腔內填50 mm厚、80 kg/m3的巖棉）+50 mm輕鋼龍骨（錯排）+2×12 mm厚石膏板，共四層板，總厚度148 mm。

從圖16、圖17可以看出：斷開輕鋼龍骨（壁厚1 mm）聲橋，輕質隔墻體系的共振頻率沒有變化，隔聲量從低頻到高頻增幅逐漸增大，Rw大幅改善，約為9 dB。但實際工程中，Rw增幅可能沒有這么大，因為天、地排龍骨還是會構成聲橋的。

圖16 有無聲橋對隔聲量的影響

圖17 有無聲橋對隔聲頻率特性的影響

2.8 吻合效應

由于雙層相同材料、厚度的墻體，雙層墻的吻合谷會出現在同一頻段，使得這一頻段的吻合谷加深，從而影響雙層墻體的隔聲效果。因此，為了防止面板同時發生吻合現象，最好使兩層板各有不同厚度，或者用不同的材料，甚至材料和厚度都不同。

2.8.1 改變兩側石膏板的厚度

第一種構造為：2×12 mm厚石膏板+75 mm輕鋼龍骨（空腔內填50 mm厚、80 kg/m3的巖棉）+2×12 mm厚石膏板，總厚度123 mm。第二種構造為：2×9 mm厚石膏板+75 mm輕鋼龍骨（空腔內填50 mm厚、80 kg/m3的巖棉）+2×15 mm厚石膏板，總厚度123 mm。

從圖18、圖19可以看出，總厚度和重量不變，使兩側石膏板的面密度差異拉大，吻合效應的影響明顯減小。但是，由于臨界頻率在有效隔聲頻率以外，計權隔聲量Rw并沒有變化。因此，石膏板輕質隔墻系統吻合低谷的影響可以忽略不計。

圖18 吻合谷對隔聲量的影響

圖19 吻合谷對隔聲頻率特性的影響

2.8.2 輕重復合墻體

第一種構造為：2×12 mm厚石膏板+75 mm 輕鋼龍骨（空腔內填50 mm厚、80 kg/m3的巖棉）+2×12 mm厚石膏板+75 mm輕鋼龍骨（空腔內填50 mm厚、80 kg/m3的巖棉）+2×12 mm厚石膏板，總厚度222 mm。第二種構造為：加氣混凝土砌塊墻體（11.5 mm厚水泥砂漿粉刷+100 mm厚、B08加氣混凝土砌塊+11.5 mm厚水泥砂漿粉刷）+75 mm輕鋼龍骨（空腔內填50 mm 厚、80 kg/m3的巖棉）+2×12 mm厚石膏板，總厚度222 mm。

從圖20、圖21可以看出，當其中一側板材采用面密度較大的砌塊墻體時（即采用輕重復合墻體），臨界頻率確實錯開了，低頻和超高頻的隔聲量得到提升，但是，中高頻的隔聲量反而下降。主要因為砌塊的臨界頻率（造成吻合低谷）分布在有效計權頻率范圍內，影響整體的計權隔聲量。

圖20 輕墻、輕重復合墻的隔聲量

圖21 輕墻、輕重復合墻的隔聲頻率特性

越重的墻體，低頻隔聲量越好。所以，如果噪聲源是機電設備或交通等主要輻射低中頻噪聲的設施，則應采用厚重墻體或輕重復合墻體。

2.9 孔洞縫隙

墻面上如果有孔洞和縫隙，無論是輕質石膏板墻體，還是鋼筋混凝土，墻體的隔聲量都會下降。從圖22可以看出，孔洞的影響主要表現在高頻隔聲量的下降，而且由于孔洞的空氣管柱共振的影響，使隔聲特性曲線呈起伏的周期現象。縫隙對隔聲性能的影響比空洞要大，在低中頻就有較大下降，高頻下降更大。孔洞縫隙對隔聲性能的影響，跟開口面積和深度大小有關，面積和深度越大，對隔聲性能的影響就越大。

圖22 孔洞和縫隙對輕質墻體隔聲量的影響

在實際工程中，關于設置接線盒對墻體隔聲量的影響，實驗室測試數據表明[5]:

（1）對于諸如240 mm磚墻的勻質重墻，由于接線盒沒有將墻體徹底打透，對墻體隔聲量影響不大。

（2）對于輕質雙層墻體，單側設置接線盒對墻體隔聲量影響不大；兩側相同位置設置接線盒，隨著接線盒數量的增加，墻體隔聲性能逐漸變差，高頻部分尤為明顯；如果相同位置的接線盒背面接觸形成聲橋，會導致墻體隔聲性能顯著下降。

3 結語

經過各類墻體隔聲性能的對比分析，可以看出，雙層墻體比單層墻體的隔聲效果更有效。同樣的隔聲量，雙層墻體不僅重量輕（減少結構荷載），而且厚度也比較小（節約使用空間）。缺點是雙層薄板墻體（如紙面石膏板墻）的低頻隔聲性能比較差（Ctr的修正值比較大），如果噪聲源是機電設備或交通等主要輻射低中頻噪聲的設施，則應采用厚重墻體或輕重復合墻體。

由于砌塊墻體砌筑時需要水泥砂漿（即濕作業），施工速度會比較慢，雖然單價比較便宜，但是折算上人工費，總的費用反而會更高。石膏板和裝配式ALC板墻體的優點主要是干施工作業，施工速度快、占用空間少。現在工程的進度一般都要求比較緊，因此，石膏板和裝配式ALC板墻體得到大量應用。