綠色建筑雙葉結構輕質墻體隔聲性能的試驗研究

王軍強

（江蘇建筑職業技術學院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

據住房和城鄉建設部標準定額司的統計結果，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%。隨著建筑工業化進程的推進和建筑企業的轉型升級，裝配式建筑的占比逐漸增大，大量輕質條板、板墻、輕質干法施工類墻體被大量使用。墻體作為建筑結構豎向構件，是建筑體系重要的組成部分，如結構墻體起承載作用，隔墻、圍護墻、分戶墻、填充墻起空間分隔作用等。工程施工人員對于建筑墻體的結構功能、建筑功能、裝飾功能等通常比較熟悉，而對于墻體的隔聲指標以及隔聲要求就比較陌生。人們經常抱怨住宅、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質量的量包括：墻體的空氣聲隔聲、樓板的撞擊聲隔聲、房間的混響時間以及噪聲源引起的噪聲級等。

綠色建筑倡導營造健康舒適的室內環境，對室內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質量最重要的物理量，控制建筑室內噪聲水平已經成為室內環境設計的重要工作[3-5]。國內外研究者針對墻體隔聲進行了大量的試驗研究和理論分析，如Ivanova利用玻璃泡沫顆粒和硅酸鹽水泥、沸石等材料，研究新型復合墻體結構的隔聲性能[6]；Novak采用試驗研究和聲強度法對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對墻體隔聲性能的影響，理論分析和試驗結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[8-9]中研究了雙層面板輕質墻體的隔聲性能，Davy結合實驗數據[10]，修正了單葉墻體的隔聲量預測公式，但在低頻時的一致性較差，并且與臨界頻率和臨界頻率以上區域使用的阻尼損耗因子的值有關。有關多層墻體中龍骨間距、面層層數、龍骨剛度等對墻體隔聲的影響還有待進一步的研究。

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墻體作為填充、分隔墻體被使用。因而，研究輕質帶空腔的多層墻體的隔聲性能，對于輕質墻體的推廣與應用，保證墻體聲學性能質量，提供聲舒適的居住生活環境有重要意義。

1 雙葉結構輕質墻體隔聲試驗

1.1 試驗方案

雙葉墻板與單葉墻板在結構構造組成、傳聲途徑和傳聲機理等方面明顯存在不同。雙葉墻體由兩側墻板、龍骨和中間空腔組成；而單葉墻體是由龍骨和一側的墻板組成。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、定向結構刨花板（Oriented Standard Board,OSB）、裝飾板等。雙葉墻板的復雜性包括材料的多元性、邊界連接（墻板、龍骨與周邊構件的連接方式等）、機械連接（如龍骨與墻板之間是否存在結構連接）、緊固件連接（如射釘或螺釘固定等）、空腔與填充體材料等。為了更好地預測雙葉結構輕質墻板的隔聲性能，通過試驗手段分析雙葉墻板的隔聲性能是非常重要的。

雙葉結構輕質墻體主要由龍骨和安裝在龍骨兩側的多層墻板組成空間結構單元，中間為空腔，可填充纖維類吸聲材料。雙葉結構輕質墻體的結構構造方法如圖1所示。在隔聲分析中，雙葉結構輕質墻板可以簡化為兩個平行板，兩個平行板之間由空腔d隔開，空腔d中填充纖維類吸聲材料。聲在雙葉結構輕質墻體的傳播如圖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械連接，即所謂的聲橋傳播。兩塊板的重要參數包括其單位面積質量m1和m2、臨界頻率 fc1和 fc2以及兩塊板的隔聲量R1和R2。

圖1 墻板結構構造方法示意圖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

雙葉結構輕質墻體隔聲試驗考慮的因素包括：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、厚度、質量）等。在試驗方案中主龍骨間距400 mm，次龍骨間距400～1 600 mm；墻體面板材料選用了輕質墻體常用的石膏板、定向結構刨花板 OSB等板材；空腔體內填充材料為巖棉、玻璃棉兩種，厚度為60～90 mm，具體試驗方案見表1。

1.2 試驗材料與試驗方法

根據試驗方案設計，表1中的雙側石膏板，未注明的，其中一層為普通石膏板，一層為防火石膏板。試驗中主要材料包括龍骨、墻板、填充材料等，其材料類型、規格、厚度、密度及單位面積質量等見表2～表3。

表1 輕質墻體試驗方案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

雙葉結構輕質墻體的隔聲量測量按照 GBT 19889.3—2005 《聲學 建筑和建筑構件隔聲測量第3部分：建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》[11]和BS EN ISO 10140-2:2010等標準[12-14]，使用兩個聲源位置和旋轉麥克風測量隔音效果，傳聲器位置與界面的距離為1.5 m。最后根據1/3倍頻程中心頻率在 100 Hz～5 000 kHz頻段范圍，計算計權隔聲量Rw。洞口尺寸為3 m×2.1 m，考慮到雙層輕質板隔墻的隔聲量會受到測試洞口內安裝條件的影響，測試洞口的深度、隔墻試件與測試洞口的周邊連接與安裝，盡量消除結構連接造成的結構傳聲以及縫隙空隙等引起的測試損失和偏差。

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

2 結果與分析

2.1 龍骨對墻體隔聲的影響

2.1.1 龍骨間距影響

試驗中，為了分析龍骨間距對墻體隔聲的影響，采用輕鋼龍骨輕質墻體為研究對象，墻體中主龍骨間距、腔體深度和填充材料以及墻板層數厚度保持一致，研究次龍骨間距從400、800 mm增加到1 600 mm時，龍骨間距變化對墻體隔聲的影響，分別對應表1中墻體編號LPW7、LPW8、LPW9，試驗結果如圖3所示。從計權隔聲量的綜合測試結果來看，次龍骨的間距從 400、800 mm增加到1 600 mm時，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構連接，增加次龍骨之間的間隔距離，增大了獨立面板的面積，有利于減少了結構聲傳輸，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，改善效果變弱，這與結構傳輸路徑不再是最重要的聲傳播路徑有關。

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

2.1.2 龍骨種類對墻體隔聲的影響

試驗中對比分析了輕鋼龍骨、木龍骨兩種主要龍骨類型，對雙葉結構輕質墻體結構隔聲的影響。墻體編號對應表 1中的 LPW10、LPW11，試驗結果如圖4所示。根據墻體的計權隔聲量單值評價指標看，編號LPW11的鋼龍骨與編號LPW10的木龍骨雙葉結構輕質墻體，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，兩種墻體的計權隔聲量非常接近，相差僅0.4 dB左右。因而，試驗中選用的鋼龍骨完全可以代替木龍骨作為輕質墻體的主龍骨，對于綠色施工有積極意義。

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

2.2 空腔和腔體填充對墻體隔聲的影響

試驗中，對比分析了空腔內無填充與填充了玻璃棉的墻體的隔聲效果。腔體內無填充，墻體空腔為空氣層，對應試驗編號為表1中的LPW3，墻體空腔內完全填充玻璃棉的對應試驗編號為LPW4，兩種墻體的隔聲測試結果如圖5所示。編號LPW3、LPW4的墻體計權隔聲量分別為51.8、57.1 dB，全填充玻璃棉的雙葉輕質墻體結構比帶空腔的雙葉墻體結構隔聲量提高了約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，當頻率在 100 Hz 以上時，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 填充玻璃棉對墻體隔聲量的影響Fig.5 Effect of glass wool on wall sound insulation

對于聲衰減有積極效果。空氣聲隔聲的改善是一個多變量的復雜函數，多個變量相互關聯，還有待進一步研究分析多因素條件下墻體隔聲。

對于填充材料種類，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，對應表 1中的編號 LPW12、LPW13，其隔聲測試結果如圖6所示，編號LPW12、LPW13計權隔聲量分別為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，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對墻體隔聲的影響，特別是材料的密度、氣流阻力等對隔聲的影響，還有待進一步的研究和分析。

圖6 填充材料對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

試驗中，進一步對比了空腔內填充90 mm玻璃棉和 60 mm巖棉的墻體，對應表 1中的編號LPW5、LPW6，其墻體隔聲測試結果如圖7所示，墻體計權隔聲量分別為58.0、54.4 dB，空腔內全填充的墻體LPW5比部分填充的墻體LPW6計權隔聲量提高了3.6 dB。填充厚度增大，聲在墻體系統中的傳輸損耗增大，隔聲性能得到優化與改善。不過在設計與施工中需要注意的是填充材料在空腔體內自由懸掛，避免填充材料與龍骨或面板剛接。如果發生粘結或者剛性接觸，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化。對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，這個對隔聲有重要作用。

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

2.3 面板層數和質量對墻體隔聲的影響

對于墻體中面板的層數和質量對雙葉結構輕質墻體隔聲的影響，分析了面板由2層、3層增加到 4層，對應表 1中的編號 LPW14、LPW15、LPW16，相應的計權隔聲量分別為 47.0、51.2、55.3 dB，其隔聲測試結果如圖8所示。由于墻板質量的增加會降低進入空腔中的能量傳輸，因此墻板的面質量密度是比較重要的參數。根據質量定律，當質量加倍時，單片墻板在所有頻率下的傳輸損耗都增加了 6 dB。因此，將腔體兩側墻板的質量加倍，預期可以提高12 dB的隔聲量。試驗中的墻體隔聲測試，通過添加石膏板層數來增加墻體的質量。試驗中，墻體的層數分別由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，測試結果比質量定律所預測的值要小。

圖8 面板層數和質量對墻體隔聲的影響Fig.8 Effect of number of layers and panel quality on wall sound insulation

質量定律理論假定墻一側的多層墻板作為整體構件單元，而實際上，墻體面板的層與層之間并沒有粘合在一起，起不到整體的結構作用，墻板連接到龍骨上，但層與層之間存在獨立移動。基于阻抗的理論研究表明，在較小的空氣間隔（＜1 mm）時，如果墻一側的層數增加一倍，則隔聲改善量將接近5 dB；如果墻兩側的層數增加一倍，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，阻止層的類似一個整體結構元件，因此試驗中測試值比質量定律的預測值要小一些。雙葉墻體由兩側墻板、龍骨和中間空腔體組成，其隔聲量及傳聲損失計算較均質單層墻體要復雜。雙葉墻體的面板組成、面板質量、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對空氣傳聲帶來影響。兩側面板的固有頻率、空腔體的固有頻率、系統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測還需要進一步的理論分析和試驗研究。

3 結 論

通過上述實驗分析，得到如下結論：

（1）試驗研究了雙葉結構輕質墻體的隔聲性能，探討了龍骨種類、龍骨間距、空腔填充材料類型、厚度，以及面板層數和質量對墻體隔聲性能的影響。

（2）增加龍骨間距，墻體的計權隔聲量提高了大約1.5～3.2 dB，增大墻體獨立空格面板尺寸時，對于隔聲有積極意義。

（3）墻體的層數由2層增加到3層、4層時，其隔聲量分別提高了4.2 dB和8.3 dB，試驗結果比質量定律所預測的隔聲量小1.8～3.7 dB。

（4）墻體空腔內填充玻璃棉、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，全部填充優于部分填充，部分填充優于非填充的情況。

（5）雙葉結構輕質墻體的隔聲設計，要充分利用材料，在結構安全和使用功能滿足的前提下，擴大獨立面板尺寸，增大龍骨間距，空腔填充材料，增大面層質量，避免結構性連接，優化質量-空氣-質量體系的傳輸損耗，對于改善優化雙葉結構輕質墻體的隔聲效果有重要意義。