建筑幕墙隔声性能探讨

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　　摘要：噪音一直给人们正常的生产生活带来困扰，如何能在建筑内营造一个安静舒适的环境是人们关注的焦点问题。本文从隔声的基本原理出发，深入分析了幕墙隔声性能，并结合实际案例对幕墙隔声性能进行剖析，并阐述了一些幕墙隔声的基本解决方案，供业内人士共同探讨。

　　关键词：隔声基本原理;幕墙隔声;隔声设计;隔声性能检测

　　1、引言

　　随着科技的飞速进步和经济的高速发展，一方面交通工具和机械设备（词条“机械设备”由行业大百科提供）越来越多，交通、施工、工业等噪音源不断增多，噪声污染问题日益突出，另一方面人们对工作生活的“声”环境提出了更高要求，要求降低噪音和改善声环境的呼声日益强烈。幕墙作为建筑的外围护系统，必须将隔声降噪作为一项重要的环保因素加以考虑和设计

　　幕墙隔声与降噪是两个不同的概念。幕墙隔声就是利用建筑幕墙来降低从噪声源至接受者之间的噪声传播，例如：马路上的噪声经过幕墙的反射和吸收，仅有部分噪音传入室内，这就是幕墙的隔声过程。幕墙降噪是防止幕墙受外部因素影响而产生的自身的噪音。例如：如何防止某些穿孔铝板幕墙在大风天气下发生“哨音”现象，如何防止某些框架幕墙在温度变化时产生框料间的摩擦声……这些都是幕墙降噪范围的内容。鉴于幕墙隔声更具有普遍性，本文主要对幕墙隔声的基本原理及应用做以讨论。另外对于幕墙门窗领域来说，撞击声引起的噪声问题比较少，故本文所述的隔声均指空气声隔声。

　　2、隔声基本原理

　　2.1 隔声的定义

　　声波传入室内的两种途径

　　①空气。通过幕墙孔洞、缝隙直接传入。

　　②透射。声波透过墙体从一侧向另一侧传播的现象，可表示为：声波à墙体产生振动à再辐射。见图1。

　　隔声是指用隔声结构或构件将噪声源和接收方分开，使声能在传播过程中受到阻碍或消减，从而降低或消除噪声的措施。

　　2.2 隔声量定义及理论计算公式

　　R=10lg Wi-10lg Wτ=10lg(Wi / Wτ)

　　隔声量R——入射声分贝数与透射声分贝数的差值。

　　透射系数τ——透过维护结构的透射声功率与入射到维护结构上的入射声功率的比值

　　τ=Wτ/ Wi

　　则隔声量R如采用透射系数倒数的对数来表示，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，则τ=10-R/10

　　2.3 单层均质墙体的隔声频率特性

　　影响隔声性能的主要因素是：面密度(单位面积质量)、内阻尼、材料刚度、边界条件等,详见图2。

　　频率从低端开始，单层匀质密实墙的隔声主要受“劲度控制”，隔声量随频率增加而降低，详见图中Ⅰ区左半部分;随着频率的增加质量效应增大，在某些频率上，劲度和质量效应相抵消而产生共振现象，详见图中fr，fr称为“共振基频”，这时墙体振动幅度很大，隔声量出现极小值;随着频率的再增加，隔声量大小主要取决于构件的阻尼，称为“阻尼控制”， 详见图中Ⅰ区右半部分;当频率继续增加则质量起主要控制作用，此时隔声量随频率增加而增加，详见图中Ⅱ区;特别强调的是当频率增加到吻合临界频率fc处，因声波入射角度造成的声波作用与单层匀质密实墙中弯曲波传播速度相吻合，隔声量有一个较大的降低，形成一个隔声量低谷区，通常称为“吻合谷”，详见图中Ⅲ区低谷区域。

　　在一般建筑材料中，共振基频fr很低，常在5Hz～20Hz左右，因而在主要声频范围内，隔声还是受质量控制，这时劲度和阻尼的影响较小可以忽略不计，从而把实墙看成是无刚度无阻尼的柔顺质量。

　　2.4 质量定律

　　图2中可以看出质量控制区(图2Ⅱ区、Ⅲ区)是隔声研究的重要区域。在质量控制区内，单层墙体隔声量理论推导得到：

　　隔声量R=20lg(f×m)-43 (dB)

　　式中：m——隔声构件的面密度，kg/m2;

　　f ——入射声波的频率，Hz。

　　从上式可以看出：构件面密度越大，惯性阻力也越大，也就不易振动，隔声量也越大。通常把隔声量随质量增大而增大的规律，称为隔声的“质量定律”。理论上频率增加一倍，隔声量增加6dB，面密度增加一倍，隔声量增加6dB。但在生产实践中发现，在质量控制的频率范围内明显出现质量定律的表现，但比6dB要小，一般面密度增加一倍隔声量增加4～5dB。

　　以单位面积质量m和频率f的乘积作为横坐标(用对数刻度表示)，隔声量R为纵坐标(用线性刻度表示)，则按上式画出的隔声曲线是一个mf每增加一倍、上升6dB的直线，称为“质量定律直线”，详见图4。

　　2.5 吻合效应

　　墙体在声音激发下会产生受迫振动，振动既有垂直于墙面的也有沿墙面传播的，不同的入射频率或入射角度将产生不同的沿墙面传播的传播速度Cf，然而墙体本身存在着固有的自由弯曲波传播速度Cb。

　　如果板在斜入射声波激发下产生的受迫弯曲波的传播速度Cf等于板固有的自由弯曲波传播速度Cb时，即出现Cf = Cb时，将产生“吻合效应”，这时墙板会非常“顺从”地跟随入射声波弯曲，使大量声能透射到另一侧，形成隔声量的低谷，详见图3。

　　声波无规入射时，每种隔声材料都会在某一频率上发生吻合效应，也只会发生在一定的频率范围内，这一范围有一下限频率，被称为“临界频率”，在隔声曲线上的低谷称为“吻合谷”。薄、轻、柔的墙体吻合频率高;厚、重、刚的墙体吻合频率低。以下列举几种常见材料的隔声量及其吻合效应，详见图4。

　　2.6 复合(双层或多层)墙体的隔声性能

　　从质量定律可知，单层墙体的单位面积质量增加一倍，即材料不变，厚度增加一倍，从而重量增加一倍，隔声量只增加6dB。实际上还不到6dB。显然，靠增加墙的厚度来提高隔声量是不经济的;增加了结构的自重，也是不合理的。如果把单层墙一分为二，做成双层墙，中间留有空气间层，则墙的总重量没有变，而隔声量却比单层墙有了提高。换句话说，两边等厚的双层墙虽然比其中一叶单层墙用料多了一倍，重量加了一倍，但隔声量的增加要超过6dB。双层墙可以提高隔声能力的主要原因是空气间层的作用。空气间层可以看作是与两层墙板相联的“弹簧”，声波入射到第一层墙板时，使墙板发生振动，此振动通过空气间层传至第二层墙板，再由第二层墙板向邻室辐射声能。由于空气间层的弹性变形具有减振作用，传递给第二层墙体的振动大为减弱，从而提高了墙体总的隔声量。

　　双层墙的隔声量可以用单位面积质量等于双层墙两侧墙体单位面积质量之和的单层墙的隔声量加上一个空气间层附加隔声量来表示，在工程应用中，隔声量计算的经验公式：

　　但是实际工程中，两层墙之间常有刚性连接，它们能较多地传递声音能量，使附加隔声量降低，这些连接称为“声桥”。

　　双层墙的每一层墙都会产生吻合现象，如果两侧墙是同样的，则两者的吻合临界频率fc是相同的，在fc处，双层墙的隔声量会下降，出现吻合谷。如果两侧的墙不一样厚，或不同材料，则两者的吻合临界频率不一样，可使两者的吻合谷错开。这样，双层墙隔声曲线上不至出现太深的低谷。

　　2.7 提高墙体隔声能力的主要措施

　　随着工业与民用建筑的快速发展，建筑的工业化现代化程度越来越高，同时还要求减轻建筑的自重，提高装配化程度，以满足建筑的高速发展。常用的轻型墙体材料有：防火石膏板、纸面石膏板、加气混凝土砌块、幕墙用玻璃铝板石材等。传统的240mm厚的砖墙，其平均隔声量约为53dB，而现有的轻型墙其平均隔声量为30dB，可见二者之间有较大差距。

　　提高轻型墙隔声能力的措施：

　　1、将密实材料用多孔弹性材料(岩棉（词条“岩棉”由行业大百科提供）、玻璃棉、泡沫塑料)多层分隔复合，做成夹层结构，隔声量会比同重量单层墙提高很多，例如双层石膏板夹玻璃棉做法。

　　2、使各层材料的面密度不同或厚度不同，避免板材的吻合效应引起的谐振，在质量定律范围内可以得到较理想的隔声。

　　3、当将空气层的厚度增加到75mm以上时，在大多数的频带内可以增加8～10dB的隔声量。

　　4、用松软的吸声材料（词条“吸声材料”由行业大百科提供）填充空气间层，一般可以提高轻型墙2～8dB的隔声量.

　　综上所述，轻型墙体提高隔声性能的方法是多种多样的，双墙分立、多层复合、薄板（词条“薄板”由行业大百科提供）叠合、弹性连接、填塞吸声材料、增加结构阻尼等，如下图6。

　　3、幕墙隔声性能

　　3.1 幕墙隔声性能分级

　　国标GB/T21086-2007《建筑幕墙》中规定：空气声隔声性能以计权隔声量RW作为分级指标，应满足室内声环境的需要，符合GB50118的规定。空气声隔声性能分级指标RW应符合表1的要求。开放式建筑幕墙的空气声隔声性能应符合设计要求。

表1建筑幕墙空气声隔声性能分级表

　　3.2 幕墙隔声性能分析计算

　　在实践中，同样的构件在不同位置所测得的隔声量往往是不同的，这是因为受构件的大小差别，受声室条件的影响，因此为了尽可能地接近真实，便于比较，就需在公式中加入一修正项，对各种玻璃的隔声量常采用经验公式估算：

　　单层玻璃

　　R=101gM+12

　　夹层玻璃

　　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 ——夹层（词条“夹层”由行业大百科提供）材料附加隔声量;PVB胶片膜厚0.38mm时取4dB, PVB胶片膜厚0.76mm时取5.5dB, PVB胶片膜厚1.52mm时取7dB ;

　　ΔR2 ——中空玻璃空气层附加隔声量,空气间层为6mm时取1dB, 空气间层为9mm时取2dB, 空气间层为12mm时取2.5dB.

　　[例3]计算各种单层玻璃的平均隔声量(玻璃及间层厚度单位: 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]计算各种中空玻璃的平均隔声量(玻璃及间层厚度单位: 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]计算各种夹层玻璃的平均隔声量(玻璃及间层厚度单位: 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 提高幕墙隔声性能的主要措施

　　一般门窗幕墙结构相对于土建墙体而言都比较轻薄，而且存在较多缝隙，因此门窗幕墙的隔声能力往往比墙体低得多，形成隔声的“薄弱区域”。若想提高门窗幕墙的隔声性能，一方面要改变单、薄、轻的门窗幕墙构造，另一方面要密封孔洞、缝隙，减少孔洞缝隙进声。图7是孔洞与缝隙对隔声的影响。

　　对于窗和玻璃幕墙，因为采光（词条“采光”由行业大百科提供）和其它使用要求，只能采用玻璃等透光材料。对于隔声要求高的窗和幕墙，可采用较厚的单片玻璃或采用双层、多层玻璃(双中空玻璃或中空夹胶玻璃)或真空玻璃。在采用双层或多层玻璃时，若有条件各层玻璃可以设置成不平行，各层玻璃厚度不同，玻璃之间的分子筛间隔条配置吸声材料。要尽量减少门窗幕墙缝隙和孔洞，要有严格的设计和加工精度的要求，要摆脱门窗幕墙加工中的落后工艺，结构和材料要有足够的强度和耐久性防止变形;采用构造作法来减少缝隙或增加密封道数，例如采用双道或多道密封，即增加门窗幕墙的气密性（词条“气密性”由行业大百科提供）即可有良好的隔声效果。对于不可避免的门窗缝在构造设计上要避免直通缝，要有所曲折和遮挡;缝间可设置柔软弹性材料(如橡胶条、泡沫胶条（词条“胶条”由行业大百科提供）、毛毡条等)密封，另外还要注意门窗幕墙框和土建洞口之间缝隙的密封。

　　对于隔声要求较高的门，加强门扇隔声的做法一般有两种：一种是采用厚而重的门扇，如厚钢板（词条“厚钢板”由行业大百科提供）钢质门、钢筋混凝土（词条“钢筋混凝土”由行业大百科提供）门，一种是采用多层复合结构，用多层且性质相差很大的材料(玻璃、铝板、钢板、木板，阻尼材料如PVB胶片、沥青，吸声材料如岩棉、聚苯板等)相间而成，因为各层材料的阻抗差别很大，使声波在各层边界上被反射，提高了隔声性能。如果单道门难以达到隔声要求，可以设置双道门，之间的空气层可以得到较大的附加隔声量。如果加大两道门之间的空间，扩大成为门斗并在门斗内表面作吸声处理，例如喷涂吸音涂料，能进一步提高隔声效果。

　　4、典型案例分析

　　下面用两个工程实例来说明幕墙的隔声设计要点

　　4.1 北京华能大厦玻璃幕墙隔声设计

　　北京华能大厦玻璃幕墙为带陶砖翼的定制铝挤型材并具热断桥的室外单元式幕墙。单元的可视区域使用双中空夹胶玻璃(6mm HS /1.5 INTERLAYER / 6mm HS /12mm AS /6mm HS /12mm AS/6mm)，窗间墙区域使用中空玻璃(6mm HS /1.5 INTERLAYER / 6mm HS /12mm AS /6mm HS 中空玻璃)并带有保温隔热（词条“隔热”由行业大百科提供）的背衬板阴影箱，竖向内凹处使用单片玻璃(6mm钢化)及100mm保温隔热背衬板阴影箱，详见右图8。

　　首先面材的外片玻璃采用夹胶玻璃，为多层复合结构且材料性质不同，使声波在各层边界上被反射，提高了隔声量，且玻璃胶片为阻尼材料，对声波有较好的吸收。玻璃采用双中空配置充分利用了空气间层对声波的削减作用，详见图9。

　　其次幕墙在非透明区域由外到内采用6mm单玻璃+40mm空气层+3mm铝单板衬板+100mm保温岩棉+2mm室内装饰铝板的构造做法，除了充分利用了以上隔声消声原理外，还加大了空气层，有效地利用了空气的“弹簧”消声作用，3mm铝单板衬板反射了透过单玻璃的剩余声波，保温岩棉为多孔弹性材料，吸声能力很强，声波穿过岩棉将被大部分吸收，2mm室内装饰铝板进一步吸收和反射了剩余声能。详见图10。

　　最后一些声桥部位也进行了隔声处理：铝型材采用断桥式为多层复合材料组成，单元插接部位采用了5道胶条密封，玻璃和框的密封采用胶条、密封胶、双面贴、胶条4道密封方式，有效的阻止了声波向室内的传播，详见图11。

　　4.2 北京国家开发银行总部隔声设计

　　幕墙采用双层呼吸式幕墙;内外幕墙间距750mm,电动进气口和排气口处有穿孔铝板和不锈钢格栅，对有效的吸收声能，进气口和排气口都设置在层间部位，和内层门窗不是对应关系，即使在进出气口打开、内层门窗打开的情况下，外界噪声也要被多次反射和吸收，削减到规范允许范围内，详见图12。

　　5、结束语：

　　建筑门窗幕墙的隔声是一个比较系统且复杂的课题，门窗幕墙在前期设计阶段就要根据材料及结构的特点进行隔声设计，并分析计算隔声量是否能达到建筑设计要求。使用上述所列公式和方法，可以初步从理论上计算出所设计门窗幕墙的隔声量，如果要得到更接近真实的隔声效果，仍需在试验室测试或在1:1的样板墙上进行现场测定，以便得到更加真实有效的数据，从测定结果上分析，从而进一步修改完善幕墙的隔声设计。

　　参考文献：

　　[1]GB50118-2010，民用建筑隔声设计规范[S].中国建筑工业出版社,北京.2010

　　[2]GB/T39526-2020，建筑幕墙空气声隔声性能分级及检测方法[S].北京:中国建筑工业出版社,北京.2020

　　[3]GB/T21086-2007，建筑幕墙[S].中国建筑工业出版社,北京.2007

作者单位：北京佑荣索福恩建筑咨询有限公司