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摘要：噪音一直給人們正常的生產(chǎn)生活帶來困擾，如何能在建筑內(nèi)營造一個安靜舒適的環(huán)境是人們關(guān)注的焦點問題。本文從隔聲的基本原理出發(fā)，深入分析了幕墻隔聲性能，并結(jié)合實際案例對幕墻隔聲性能進行剖析，并闡述了一些幕墻隔聲的基本解決方案，供業(yè)內(nèi)人士共同探討。
關(guān)鍵詞：隔聲基本原理;幕墻隔聲;隔聲設(shè)計;隔聲性能檢測
1、引言
隨著科技的飛速進步和經(jīng)濟的高速發(fā)展，一方面交通工具和機械設(shè)備（詞條“機械設(shè)備”由行業(yè)大百科提供）越來越多，交通、施工、工業(yè)等噪音源不斷增多，噪聲污染問題日益突出，另一方面人們對工作生活的“聲”環(huán)境提出了更高要求，要求降低噪音和改善聲環(huán)境的呼聲日益強烈。幕墻作為建筑的外圍護系統(tǒng)，必須將隔聲降噪作為一項重要的環(huán)保因素加以考慮和設(shè)計
幕墻隔聲與降噪是兩個不同的概念。幕墻隔聲就是利用建筑幕墻來降低從噪聲源至接受者之間的噪聲傳播，例如：馬路上的噪聲經(jīng)過幕墻的反射和吸收，僅有部分噪音傳入室內(nèi)，這就是幕墻的隔聲過程。幕墻降噪是防止幕墻受外部因素影響而產(chǎn)生的自身的噪音。例如：如何防止某些穿孔鋁板幕墻在大風(fēng)天氣下發(fā)生“哨音”現(xiàn)象，如何防止某些框架幕墻在溫度變化時產(chǎn)生框料間的摩擦聲……這些都是幕墻降噪范圍的內(nèi)容。鑒于幕墻隔聲更具有普遍性，本文主要對幕墻隔聲的基本原理及應(yīng)用做以討論。另外對于幕墻門窗領(lǐng)域來說，撞擊聲引起的噪聲問題比較少，故本文所述的隔聲均指空氣聲隔聲。
2、隔聲基本原理
2.1 隔聲的定義
聲波傳入室內(nèi)的兩種途徑
①空氣。通過幕墻孔洞、縫隙直接傳入。
②透射。聲波透過墻體從一側(cè)向另一側(cè)傳播的現(xiàn)象，可表示為：聲波à墻體產(chǎn)生振動à再輻射。見圖1。
隔聲是指用隔聲結(jié)構(gòu)或構(gòu)件將噪聲源和接收方分開，使聲能在傳播過程中受到阻礙或消減，從而降低或消除噪聲的措施。
2.2 隔聲量定義及理論計算公式
R=10lg Wi-10lg Wτ=10lg(Wi / Wτ)
隔聲量R——入射聲分貝數(shù)與透射聲分貝數(shù)的差值。
透射系數(shù)τ——透過維護結(jié)構(gòu)的透射聲功率與入射到維護結(jié)構(gòu)上的入射聲功率的比值
τ=Wτ/ Wi
則隔聲量R如采用透射系數(shù)倒數(shù)的對數(shù)來表示，即
R=10lg(1/τ) (dB)
若τ =0.01àR=10lg(1/0.01)=20dB
若τ =0.001àR=10lg(1/0.001)=30dB
若已知R，則τ=10-R/10
2.3 單層均質(zhì)墻體的隔聲頻率特性
影響隔聲性能的主要因素是：面密度(單位面積質(zhì)量)、內(nèi)阻尼、材料剛度、邊界條件等,詳見圖2。
頻率從低端開始，單層勻質(zhì)密實墻的隔聲主要受“勁度控制”，隔聲量隨頻率增加而降低，詳見圖中Ⅰ區(qū)左半部分;隨著頻率的增加質(zhì)量效應(yīng)增大，在某些頻率上，勁度和質(zhì)量效應(yīng)相抵消而產(chǎn)生共振現(xiàn)象，詳見圖中fr，fr稱為“共振基頻”，這時墻體振動幅度很大，隔聲量出現(xiàn)極小值;隨著頻率的再增加，隔聲量大小主要取決于構(gòu)件的阻尼，稱為“阻尼控制”， 詳見圖中Ⅰ區(qū)右半部分;當(dāng)頻率繼續(xù)增加則質(zhì)量起主要控制作用，此時隔聲量隨頻率增加而增加，詳見圖中Ⅱ區(qū);特別強調(diào)的是當(dāng)頻率增加到吻合臨界頻率fc處，因聲波入射角度造成的聲波作用與單層勻質(zhì)密實墻中彎曲波傳播速度相吻合，隔聲量有一個較大的降低，形成一個隔聲量低谷區(qū)，通常稱為“吻合谷”，詳見圖中Ⅲ區(qū)低谷區(qū)域。
在一般建筑材料中，共振基頻fr很低，常在5Hz～20Hz左右，因而在主要聲頻范圍內(nèi)，隔聲還是受質(zhì)量控制，這時勁度和阻尼的影響較小可以忽略不計，從而把實墻看成是無剛度無阻尼的柔順質(zhì)量。
2.4 質(zhì)量定律
圖2中可以看出質(zhì)量控制區(qū)(圖2Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū))是隔聲研究的重要區(qū)域。在質(zhì)量控制區(qū)內(nèi)，單層墻體隔聲量理論推導(dǎo)得到：
隔聲量R=20lg(f×m)-43 (dB)
式中：m——隔聲構(gòu)件的面密度，kg/m2;
f ——入射聲波的頻率，Hz。
從上式可以看出：構(gòu)件面密度越大，慣性阻力也越大，也就不易振動，隔聲量也越大。通常把隔聲量隨質(zhì)量增大而增大的規(guī)律，稱為隔聲的“質(zhì)量定律”。理論上頻率增加一倍，隔聲量增加6dB，面密度增加一倍，隔聲量增加6dB。但在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)量控制的頻率范圍內(nèi)明顯出現(xiàn)質(zhì)量定律的表現(xiàn)，但比6dB要小，一般面密度增加一倍隔聲量增加4～5dB。
以單位面積質(zhì)量m和頻率f的乘積作為橫坐標(biāo)(用對數(shù)刻度表示)，隔聲量R為縱坐標(biāo)(用線性刻度表示)，則按上式畫出的隔聲曲線是一個mf每增加一倍、上升6dB的直線，稱為“質(zhì)量定律直線”，詳見圖4。
2.5 吻合效應(yīng)
墻體在聲音激發(fā)下會產(chǎn)生受迫振動，振動既有垂直于墻面的也有沿墻面?zhèn)鞑サ模煌娜肷漕l率或入射角度將產(chǎn)生不同的沿墻面?zhèn)鞑サ膫鞑ニ俣菴f，然而墻體本身存在著固有的自由彎曲波傳播速度Cb。
如果板在斜入射聲波激發(fā)下產(chǎn)生的受迫彎曲波的傳播速度Cf等于板固有的自由彎曲波傳播速度Cb時，即出現(xiàn)Cf = Cb時，將產(chǎn)生“吻合效應(yīng)”，這時墻板會非常“順從”地跟隨入射聲波彎曲，使大量聲能透射到另一側(cè)，形成隔聲量的低谷，詳見圖3。
聲波無規(guī)入射時，每種隔聲材料都會在某一頻率上發(fā)生吻合效應(yīng)，也只會發(fā)生在一定的頻率范圍內(nèi)，這一范圍有一下限頻率，被稱為“臨界頻率”，在隔聲曲線上的低谷稱為“吻合谷”。薄、輕、柔的墻體吻合頻率高;厚、重、剛的墻體吻合頻率低。以下列舉幾種常見材料的隔聲量及其吻合效應(yīng)，詳見圖4。
2.6 復(fù)合(雙層或多層)墻體的隔聲性能
從質(zhì)量定律可知，單層墻體的單位面積質(zhì)量增加一倍，即材料不變，厚度增加一倍，從而重量增加一倍，隔聲量只增加6dB。實際上還不到6dB。顯然，靠增加墻的厚度來提高隔聲量是不經(jīng)濟的;增加了結(jié)構(gòu)的自重，也是不合理的。如果把單層墻一分為二，做成雙層墻，中間留有空氣間層，則墻的總重量沒有變，而隔聲量卻比單層墻有了提高。換句話說，兩邊等厚的雙層墻雖然比其中一葉單層墻用料多了一倍，重量加了一倍，但隔聲量的增加要超過6dB。雙層墻可以提高隔聲能力的主要原因是空氣間層的作用。空氣間層可以看作是與兩層墻板相聯(lián)的“彈簧”，聲波入射到第一層墻板時，使墻板發(fā)生振動，此振動通過空氣間層傳至第二層墻板，再由第二層墻板向鄰室輻射聲能。由于空氣間層的彈性變形具有減振作用，傳遞給第二層墻體的振動大為減弱，從而提高了墻體總的隔聲量。
雙層墻的隔聲量可以用單位面積質(zhì)量等于雙層墻兩側(cè)墻體單位面積質(zhì)量之和的單層墻的隔聲量加上一個空氣間層附加隔聲量來表示，在工程應(yīng)用中，隔聲量計算的經(jīng)驗公式：
但是實際工程中，兩層墻之間常有剛性連接，它們能較多地傳遞聲音能量，使附加隔聲量降低，這些連接稱為“聲橋”。
雙層墻的每一層墻都會產(chǎn)生吻合現(xiàn)象，如果兩側(cè)墻是同樣的，則兩者的吻合臨界頻率fc是相同的，在fc處，雙層墻的隔聲量會下降，出現(xiàn)吻合谷。如果兩側(cè)的墻不一樣厚，或不同材料，則兩者的吻合臨界頻率不一樣，可使兩者的吻合谷錯開。這樣，雙層墻隔聲曲線上不至出現(xiàn)太深的低谷。
2.7 提高墻體隔聲能力的主要措施
隨著工業(yè)與民用建筑的快速發(fā)展，建筑的工業(yè)化現(xiàn)代化程度越來越高，同時還要求減輕建筑的自重，提高裝配化程度，以滿足建筑的高速發(fā)展。常用的輕型墻體材料有：防火石膏板、紙面石膏板、加氣混凝土砌塊、幕墻用玻璃鋁板石材等。傳統(tǒng)的240mm厚的磚墻，其平均隔聲量約為53dB，而現(xiàn)有的輕型墻其平均隔聲量為30dB，可見二者之間有較大差距。
提高輕型墻隔聲能力的措施：
1、將密實材料用多孔彈性材料(巖棉（詞條“巖棉”由行業(yè)大百科提供）、玻璃棉、泡沫塑料)多層分隔復(fù)合，做成夾層結(jié)構(gòu)，隔聲量會比同重量單層墻提高很多，例如雙層石膏板夾玻璃棉做法。
2、使各層材料的面密度不同或厚度不同，避免板材的吻合效應(yīng)引起的諧振，在質(zhì)量定律范圍內(nèi)可以得到較理想的隔聲。
3、當(dāng)將空氣層的厚度增加到75mm以上時，在大多數(shù)的頻帶內(nèi)可以增加8～10dB的隔聲量。
4、用松軟的吸聲材料（詞條“吸聲材料”由行業(yè)大百科提供）填充空氣間層，一般可以提高輕型墻2～8dB的隔聲量.
綜上所述，輕型墻體提高隔聲性能的方法是多種多樣的，雙墻分立、多層復(fù)合、薄板（詞條“薄板”由行業(yè)大百科提供）疊合、彈性連接、填塞吸聲材料、增加結(jié)構(gòu)阻尼等，如下圖6。
3、幕墻隔聲性能
3.1 幕墻隔聲性能分級
國標(biāo)GB/T21086-2007《建筑幕墻》中規(guī)定：空氣聲隔聲性能以計權(quán)隔聲量RW作為分級指標(biāo)，應(yīng)滿足室內(nèi)聲環(huán)境的需要，符合GB50118的規(guī)定。空氣聲隔聲性能分級指標(biāo)RW應(yīng)符合表1的要求。開放式建筑幕墻的空氣聲隔聲性能應(yīng)符合設(shè)計要求。
表1建筑幕墻空氣聲隔聲性能分級表
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分級代號 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
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分級指標(biāo)值(Db) |
25≤RW＜30 |
30≤RW＜35 |
35≤RW＜40 |
40≤RW＜45 |
RW≥45 |
|
注：5級時需同時標(biāo)注RW的測試值。 |
3.2 幕墻隔聲性能分析計算
在實踐中，同樣的構(gòu)件在不同位置所測得的隔聲量往往是不同的，這是因為受構(gòu)件的大小差別，受聲室條件的影響，因此為了盡可能地接近真實，便于比較，就需在公式中加入一修正項，對各種玻璃的隔聲量常采用經(jīng)驗公式估算：
單層玻璃
R=101gM+12
夾層玻璃
R=101gM+12+ΔR1
中空玻璃
R=101gM+12+ΔR2
式中 M ——玻璃面密度，6mm玻璃M=15.4kg/m2 ;8mm玻璃M=20.5kg/m2 ;10mm玻璃M=25.6kg/m2 ;12mm玻璃M=30.7kg/m2 ;
ΔR1 ——夾層（詞條“夾層”由行業(yè)大百科提供）材料附加隔聲量;PVB膠片膜厚0.38mm時取4dB, PVB膠片膜厚0.76mm時取5.5dB, PVB膠片膜厚1.52mm時取7dB ;
ΔR2 ——中空玻璃空氣層附加隔聲量,空氣間層為6mm時取1dB, 空氣間層為9mm時取2dB, 空氣間層為12mm時取2.5dB.
[例3]計算各種單層玻璃的平均隔聲量(玻璃及間層厚度單位: mm).
6mm R=101Gm15.4+12=23.88dB
8mm R =101Gm20.5+12=25.11dB
10mm R=101Gm25.6+12=26.08dB
12mm R=101Gm30.7+12=26.87Db
[例4]計算各種中空玻璃的平均隔聲量(玻璃及間層厚度單位: mm).
6+6+6: R=101gM(15.4+15.4)+12+1=27.89 dB
6+9+6: R=101gM(15.4+15.4)+12+2= 28.89dB
6+12+6 R=101gM(15.4+15.4) +12+2.5=29.39 dB
8+9+8 R=101gM(20.5+20.5) +12+2=30.12 dB
8+12+8 R=101gM(20.5+20.5) +12+2.5=30.62 dB
10+12+10 R=101gM(25.6+25.6) +12+2.5=31.56 dB
[例5]計算各種夾層玻璃的平均隔聲量(玻璃及間層厚度單位: mm).
3+0.38+3 R= 101gM(7.68+7.68) +12+4=27.86 dB
4+0.38+4 R= 101gM(10.24+10.24) +12+4=29.11dB
5+038+5 R= 101gM(12.8+12.8) +12+4=30.08 dB
6+0.38+6 R= 101gM(15.4+15.4) +12+4=30.88dB
6+0.76+6 R= 101gM(15.4+15.4) +12+5.5=32.38dB
8+0.76+8 R= 101gM(20.5+20.5) +12+5.5=33.63dB
6+1.52+6 R= 101gM(15.4+15.4) +12+7=33.89dB
8+1.52+8 R= 101gM(20.5+20.5) +12+7=35.13dB
3.3 提高幕墻隔聲性能的主要措施
一般門窗幕墻結(jié)構(gòu)相對于土建墻體而言都比較輕薄，而且存在較多縫隙，因此門窗幕墻的隔聲能力往往比墻體低得多，形成隔聲的“薄弱區(qū)域”。若想提高門窗幕墻的隔聲性能，一方面要改變單、薄、輕的門窗幕墻構(gòu)造，另一方面要密封孔洞、縫隙，減少孔洞縫隙進聲。圖7是孔洞與縫隙對隔聲的影響。
對于窗和玻璃幕墻，因為采光（詞條“采光”由行業(yè)大百科提供）和其它使用要求，只能采用玻璃等透光材料。對于隔聲要求高的窗和幕墻，可采用較厚的單片玻璃或采用雙層、多層玻璃(雙中空玻璃或中空夾膠玻璃)或真空玻璃。在采用雙層或多層玻璃時，若有條件各層玻璃可以設(shè)置成不平行，各層玻璃厚度不同，玻璃之間的分子篩間隔條配置吸聲材料。要盡量減少門窗幕墻縫隙和孔洞，要有嚴(yán)格的設(shè)計和加工精度的要求，要擺脫門窗幕墻加工中的落后工藝，結(jié)構(gòu)和材料要有足夠的強度和耐久性防止變形;采用構(gòu)造作法來減少縫隙或增加密封道數(shù)，例如采用雙道或多道密封，即增加門窗幕墻的氣密性（詞條“氣密性”由行業(yè)大百科提供）即可有良好的隔聲效果。對于不可避免的門窗縫在構(gòu)造設(shè)計上要避免直通縫，要有所曲折和遮擋;縫間可設(shè)置柔軟彈性材料(如橡膠條、泡沫膠條（詞條“膠條”由行業(yè)大百科提供）、毛氈條等)密封，另外還要注意門窗幕墻框和土建洞口之間縫隙的密封。
對于隔聲要求較高的門，加強門扇隔聲的做法一般有兩種：一種是采用厚而重的門扇，如厚鋼板（詞條“厚鋼板”由行業(yè)大百科提供）鋼質(zhì)門、鋼筋混凝土（詞條“鋼筋混凝土”由行業(yè)大百科提供）門，一種是采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，用多層且性質(zhì)相差很大的材料(玻璃、鋁板、鋼板、木板，阻尼材料如PVB膠片、瀝青，吸聲材料如巖棉、聚苯板等)相間而成，因為各層材料的阻抗差別很大，使聲波在各層邊界上被反射，提高了隔聲性能。如果單道門難以達到隔聲要求，可以設(shè)置雙道門，之間的空氣層可以得到較大的附加隔聲量。如果加大兩道門之間的空間，擴大成為門斗并在門斗內(nèi)表面作吸聲處理，例如噴涂吸音涂料，能進一步提高隔聲效果。
4、典型案例分析
下面用兩個工程實例來說明幕墻的隔聲設(shè)計要點
4.1 北京華能大廈玻璃幕墻隔聲設(shè)計
北京華能大廈玻璃幕墻為帶陶磚翼的定制鋁擠型材并具熱斷橋的室外單元式幕墻。單元的可視區(qū)域使用雙中空夾膠玻璃(6mm HS /1.5 INTERLAYER / 6mm HS /12mm AS /6mm HS /12mm AS/6mm)，窗間墻區(qū)域使用中空玻璃(6mm HS /1.5 INTERLAYER / 6mm HS /12mm AS /6mm HS 中空玻璃)并帶有保溫隔熱（詞條“隔熱”由行業(yè)大百科提供）的背襯板陰影箱，豎向內(nèi)凹處使用單片玻璃(6mm鋼化)及100mm保溫隔熱背襯板陰影箱，詳見右圖8。
首先面材的外片玻璃采用夾膠玻璃，為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)且材料性質(zhì)不同，使聲波在各層邊界上被反射，提高了隔聲量，且玻璃膠片為阻尼材料，對聲波有較好的吸收。玻璃采用雙中空配置充分利用了空氣間層對聲波的削減作用，詳見圖9。
其次幕墻在非透明區(qū)域由外到內(nèi)采用6mm單玻璃+40mm空氣層+3mm鋁單板襯板+100mm保溫巖棉+2mm室內(nèi)裝飾鋁板的構(gòu)造做法，除了充分利用了以上隔聲消聲原理外，還加大了空氣層，有效地利用了空氣的“彈簧”消聲作用，3mm鋁單板襯板反射了透過單玻璃的剩余聲波，保溫巖棉為多孔彈性材料，吸聲能力很強，聲波穿過巖棉將被大部分吸收，2mm室內(nèi)裝飾鋁板進一步吸收和反射了剩余聲能。詳見圖10。
最后一些聲橋部位也進行了隔聲處理：鋁型材采用斷橋式為多層復(fù)合材料組成，單元插接部位采用了5道膠條密封，玻璃和框的密封采用膠條、密封膠、雙面貼、膠條4道密封方式，有效的阻止了聲波向室內(nèi)的傳播，詳見圖11。
4.2 北京國家開發(fā)銀行總部隔聲設(shè)計
幕墻采用雙層呼吸式幕墻;內(nèi)外幕墻間距750mm,電動進氣口和排氣口處有穿孔鋁板和不銹鋼格柵，對有效的吸收聲能，進氣口和排氣口都設(shè)置在層間部位，和內(nèi)層門窗不是對應(yīng)關(guān)系，即使在進出氣口打開、內(nèi)層門窗打開的情況下，外界噪聲也要被多次反射和吸收，削減到規(guī)范允許范圍內(nèi)，詳見圖12。
5、結(jié)束語：
建筑門窗幕墻的隔聲是一個比較系統(tǒng)且復(fù)雜的課題，門窗幕墻在前期設(shè)計階段就要根據(jù)材料及結(jié)構(gòu)的特點進行隔聲設(shè)計，并分析計算隔聲量是否能達到建筑設(shè)計要求。使用上述所列公式和方法，可以初步從理論上計算出所設(shè)計門窗幕墻的隔聲量，如果要得到更接近真實的隔聲效果，仍需在試驗室測試或在1:1的樣板墻上進行現(xiàn)場測定，以便得到更加真實有效的數(shù)據(jù)，從測定結(jié)果上分析，從而進一步修改完善幕墻的隔聲設(shè)計。
參考文獻：
[1]GB50118-2010，民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社,北京.2010
[2]GB/T39526-2020，建筑幕墻空氣聲隔聲性能分級及檢測方法[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,北京.2020
[3]GB/T21086-2007，建筑幕墻[S].中國建筑工業(yè)出版社,北京.2007
作者單位：北京佑榮索福恩建筑咨詢有限公司
