基于極差分析法的外窗隔聲性能研究

謝小利，盧凌寰，梁 凱，楊 陽（廣西壯族自治區建筑科學研究設計院， 廣西 南寧 530011)

建筑圍護結構通常通過外窗來采光和通風，而窗是圍護結構中隔聲最薄弱的環節，尤其是受可開啟扇的影響[1]。普通墻體構造如水泥砂漿（20 mm）+混凝土小型空心砌塊（190 mm)+石灰水泥砂漿（20 mm）的計權隔聲量可以達到 50 dB，而中空玻璃鋁合金窗和單層玻璃窗計權隔聲量僅為 30～27 dB[2]。處于交通干線旁、商業中心等鬧市的建筑外窗的隔聲性能，直接影響人們正常的生活質量。提高建筑外窗的隔聲性能，是保證室內聲學環境的有效果途徑[3-4]。已有的研究表明建筑外窗隔聲性能的影響因素包括了型材種類、開啟方式、玻璃規格、厚度等[3]，但這些影響因素的主次順序和改進措施仍需要進一步的研究。因此，本文基于正交試驗方法對不同構造的外窗的隔聲性能進行現場測試，并結合 COMSOL Multiphysics 5.5 計算軟件模擬分析了外窗的不同參數和構造對隔聲性能的影響。

1 試驗方法

本區域建材市場上常用的建筑外窗型材有塑鋼窗框和鋁合金窗框，開啟方式以推拉、平開方式為主。本文以上述窗型材種類和開啟方式作為研究對象，同時為了使研究具有明顯差異性，外窗玻璃規格選用了 6+12A+6 和 5+19A+5 兩種玻璃規格，通過正交設計的方法來研究不同因素對外窗隔聲性能的影響，即選擇型材種類、開啟方式、玻璃規格 3 個因素，并選取 2 個水平，正交設計表如表1 所示。

表1 正交設計表

試驗依據規范 GBT 19889.5—2006《建筑和建筑構件隔聲測量第 5 部分：外墻構件和外墻空氣聲隔聲的現場測量》，采取聲壓法對各窗戶進行測量，并按規范對測量數據進行計算處理。

2 結果與分析

2.1 極差分析

極差分析法常用于正交試驗的結果分析，由于計算簡單、直觀易懂而被稱為直觀分析法。該方法在分析問題時采用每一個因素的平均極差來獲得極差值，從而得出考察指標的影響因素的主次順序及最佳的因素水平組合。本文的正交試驗的隔聲性能結果也采用了極差分析方法來分析，研究開啟方式、玻璃規格和型材種類 3 個因素和 2 個水平對外窗隔聲性能的影響情況，計算結果如表2 所示。

表2 外窗隔聲性能試驗結果和極差分析

從表2 可以很直觀地看出，開啟方式對外窗隔聲性能影響最顯著，其次為玻璃規格。從各因素的優水平來看，平開方式較推拉開啟方式的隔聲性能更好，塑鋼窗框的隔聲性能優于鋁合金窗框，且 5+19A+5 的玻璃規格優于 6+12A+6，后者的玻璃厚度雖然有所增加，但其中空玻璃的空氣夾層的厚度較小，導致隔聲性能略低。根據 08 J 931《建筑隔聲與吸聲構造》中提供的單層玻璃的厚度和計權隔聲量建立的關系，如圖1 所示。

圖1 玻璃厚度與隔聲量的關系圖

由圖1 可知，玻璃的厚度與隔聲量具有較明顯的線性關系，因此增加玻璃的厚度對窗的隔聲性能也具有明顯的提高作用。

2.2 外窗隔聲性能模擬分析

通過上述外窗正交試驗的研究分析可見，外窗的開啟方式是影響外窗隔聲性能的關鍵，為進一步探索外窗隔聲性能的薄弱環節，采用 COMSOL Multiphysics 5.5 計算軟件對建筑外窗的隔聲性能進行仿真。本模擬假設條件為：測試樣本對聲源側的聲場影響很小，外窗側為理想的擴散場，接收側為理想的消聲終端。對推拉鋁合金玻璃窗（6+12A+6）進行擬合。擬合結果表明，在 250 Hz 處，窗的透射聲能分布不均勻，在窗框的四周透射聲能較大，說明該處的窗扇與四周的滑軌間存在的縫隙引起漏聲較大。1 000 Hz 和 2 000 Hz的聲強等值線擬合結果也表明，在窗的左右兩側透射聲能較其他部位大，說明該處有較大的漏聲，這與 250 Hz 低頻率的透射聲能分布不同。250 Hz 時為低頻聲波，具有較強的衍射能力，但隨著頻率的升高，聲波的衍射能力減弱，導致窗四周透射的聲能更加不均勻[5]。因此，外窗在高頻率段時的隔聲性能較好，但在中低頻率段的較差，而生活和交通噪聲主要為中低頻噪聲，且人耳對該頻段的噪聲更敏感[6]。所以，改善外窗在該頻率段的隔聲性能具有重大意義。

2.3 外窗隔聲性能的技術措施

通過上述分析可知，圍護結構外窗隔聲性能的改善應主要針對低頻段的噪聲，具體改善措施如下：

（1）選擇外窗時應選擇遠離所處的噪聲頻率集中的某一頻段的產品，以減小共振帶對外窗隔聲性能的影響。

（2）根據外窗的朝向、安裝高度、噪聲環境和房間的功能進行隔聲設計，可有效降低經濟成本。

（3）對聲環境要求高的場所，可通過采用夾層玻璃或中空玻璃、增加型材的厚度和面密度、增加玻璃厚度和中空玻璃空氣層厚度等方式來達到隔聲效果。

（4）對有特殊隔聲要求的外窗，可將推拉方式改為平開方式，且用密封條來降低開啟扇的漏聲。

3 結 語

本文基于正交試驗方法對不同構造的外窗的隔聲性能進行現場測試，并結合計算機模擬，分析了外窗的不同參數和構造對隔聲性能的影響，獲得以下結論：

（1）平開方式的隔聲性能優于推拉開啟方式的隔聲性能，塑鋼窗框的隔聲性能優于鋁合金窗框的隔聲性能，且5+19A+5 的玻璃規格的隔聲性能優于 6+12A+6 的隔聲性能。

（2）開啟方式對外窗隔聲性能的影響最顯著，其次為玻璃規格，窗框型材種類對外窗隔聲性能的影響作用最小。

（3）玻璃的厚度與隔聲量具有較明顯的線性關系，因此增加玻璃的厚度對窗的隔聲性能也具有明顯的提高作用。

（4）入射噪聲為低頻噪聲時，外窗透射聲能分布不均勻，在可開啟扇與窗框的縫隙之間存在較大漏聲，增大入射噪聲頻率時，外窗透射聲能分布不均勻程度將進一步提高。

（5）窗在高頻率段時的隔聲效果較好，但在中低頻率段的隔聲效果較差，因此改善外窗在中低頻的隔聲性能具有重大意義。在外窗隔聲性能改善措施中，優先選擇將推拉開啟方式改為平開方式，可同時采用夾層玻璃或中空玻璃、增加玻璃和中空玻璃空氣層厚度、增加型材的厚度和面密度等方式來達到更好的隔聲效果。