空气声隔声防护技术研究_燕翔.pdf
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1、1 引言古 代 成 语“隔 墙 有 耳”,意 思 是 隔着 墙 有 人 偷 听,劝 人 说 话 小 声 谨 慎,免得 泄 露。从 现 代 科 学 来 看,“隔 墙 有耳”涉及的是建筑声学的空气声隔声问题。研 究 表 明,通 常 当 建 筑 隔 墙 的 空 气声隔声量大于50dB时,隔壁的普通音量讲 话 是 听 不 到 的。但 是,当 隔 声 量 低 至4 0d B时,在 周 围 环 境 较 为 安 静 的 情 况【摘 要】建筑的空气声隔声问题对声泄漏防护影响很大。本文从隔声量评价方法、材料隔声原理、构造隔声规律及影响因素、隔声防护与保密性等方面进行了全面综合阐述。本文认为,空气声隔声防护的最终
2、效果,不仅受到建筑构件隔声性能的影响,还与声源强度、接收房间安静程度等信噪比因素有关。【关键词】空气声隔声 隔声量 信噪比 保密性【中图分类号】TU112 【文献标识码】A下,则可能“隔 墙 有 耳”,甚 至 是“声声入耳”1。所 谓空气声隔声,即声源发出声音后先将能量辐射到空气中,再通过空气振动传播至墙体、楼板、屋顶、门窗等建筑构件,受到其阻碍而声能降低的现象。属于空 气 声 的 有:人 讲 话 的 声 音、扩 声 系 统的 声 音 等。另 一 种 传 声 是 固 体 声,不 同之 处 在 于 声 源 直 接 作 用 在 建 筑 结 构 上 引起声波,如敲门、楼上跑跳,电 梯 轨 道空气声隔
3、声防护技术研究 燕 翔1 苗春卫2 谢明哲2 赵宗好2 /1清华大学建筑学院建筑声学实验室 2国家保密科技测评中心10|保密科学技术|2023 年 3 月特别策划振 动、电 机 水 泵 基 础 振 动 等 也 属 于 固 体声。影 响 空 气 声 隔 声 的 主 要 因 素 有 缝 隙泄 漏、构 件 质 量、构 件 材 质 构 造 等。一般 地,密 封 越 好、质 量 越 大、构 件 构 造越不利于振动传播,则空气声隔声越好。2 隔声量评价专 业 上 使 用 隔 声 量R(或 称 为 透射 损 失T L)来 表 示 构 件 对 空 气 声 的 隔绝 能 力,它 与 透 射 系 数的 关 系 是
4、:或:(1)透 射 系 数 是 声 波 透 过 构 件 的 声 能 与入 射 声 能 的 比。若 一 个 构 件 透 过 的 声 能是 入 射 声 能 的 千 分 之 一,则,R=3 0d B。越 大 则R越 小,构 件 隔 声性 能 越 差;反 之,越 小 则R越 大,隔声性能越好。同 一 构 造 对 不 同 频 率 的 入 射 声波 有 不 同 的 隔 声 量。人 们 常 用 中 心频 率 为1 2 54k H z的6个 倍 频 带,或1003150Hz的16个13倍频带的隔声量来表示某一个构件的隔声性能2。考虑到 人 耳 听 觉 的 频 率 特 性 和 一 般 构 件 的 隔声 频 率
5、特 性,人 们 使 用 计 权 隔 声 量Rw作 为 单 一 数 值 评 价 量,这 样 不 同 的 构 件之 间 有 一 定 的 可 比 性。Rw应 按 国 家 标准G B/T5 0 1 2 1 建 筑 隔 声 评 价 标 准 确定。需 要 注 意 的 是,计 权 隔 声 量Rw是 构件 的 自 身 属 性,不 随 材 料 面 积、室 内 吸声 状 况 等 外 界 条 件 的 改 变 而 改 变。尤其 是 不 能 理 所 当 然 地 看 作 相 邻 房 间 的 声级 差(即 发 声 室 声 压 级 减 去 接 收 室 声 压级)。在 建 筑 中,相 邻 房 间 的 声 压 级 差不 仅 与
6、两 房 间 之 间 的 构 件 隔 声 量 有 关(一 般 地,隔 声 量 越 大,降 噪 量 也 越大),还 与 构 件 的 面 积、房 间 内 的 吸声 量 关 系 很 大。隔 声 量 相 同 时,构 件面 积 越 大,或 接 收 室 吸 声 量 越 少,房间 之 间 的 声 压 级 差 越 小,声 泄 漏 的 防护 性 越 差。一 些 国 家(如 美 国、加 拿 大)的 标 准 中 采 用 标 准 传 声 等 级S T C,基 本 概 念 同Rw,所 不 同 的 是,S T C的 频 率 范 围 在1 2 54k H z3,Rw在1003150Hz。3 单层匀质密实材料隔声规律常 见 的
7、 板 材,如 混 凝 土 板、石 膏板、玻 璃 板、金 属 板、塑 料 板,乃 至 砖墙 等,均 属 于 匀 质 材 料。单 层 材 料 而言,可 以 看 作 是 硬 质 各 向 同 性 的 理 想 平板,其 隔 声 量 决 定 于 质 量 定 律、共 振 效应和吻合效应的共同作用。3.1 质量定律理 论 上,单 层 匀 质 密 实 板 的 面 密度(每 平 方 米 的 重 量)越 大,隔 声 量越 高。在 一 定 范 围 内,面 密 度 每 增 加1倍,隔 声 量 提 高6d B,这 一 规 律 称 为 质量定律。由 质 量 定 律 可 以 看 出,构 件 越 重,隔 声 量 越 有 优 势
8、。同 一 材 料 的 板 材 而言,厚 度 越 大,面 密 度 越 大,空 气 声隔 声 量 越 高。例 如,1 0 0厚 的 混 凝 土墙Rw为4 8d B,2 0 0厚 的 混 凝 土 墙Rw就可 达5 4d B4。相 同 厚 度 的 不 同 材 料,2023 年 3 月|保密科学技术|11特别策划越 重 隔声量越高。例如,塑 料 泡 沫 密 度很 轻,隔 声 量 就 差。同 样是12mm的板材,纸面石膏板的面密度约为10kg/m2,其 隔 声 量 约 为2 8d B,要 比 玻 璃 板(面密 度 约2 5k g/m2)的 隔 声 量3 4d B小很 多4。质 量 定 律 是 控 制 空
9、气 声 隔 声 的 主 导性 因 素,若 希 望 隔 声 好,必 须 具 有 一 定重量。3.2 共振效应隔 声 与 声 波 频 率 有 关,其 频 率 特 性不 仅 取 决 于 板 材 自 身 的 单 位 面 积 质 量,还 与 刚 度、材 料 的 内 阻 尼 及 板 材 的 边 界条 件 等 因 素 有 关。在 某 较 低 的 频 率 处,板 材 会 发 生 共 振,这 时 振 动 幅 度 很 大,隔 声 量 出 现 极 小 值。任 何 板 材 均 有 共 振频 率,由 于 语 言 主 要 频 率 和 人 耳 听 觉 敏感的频率大多在100Hz以上,因此,共振频率低于100Hz的板材对语言
10、隔声影响较小。一 般 建 筑 构 件 多 为 重 质 板 材 构 成,其共振相对较低,如面密度为2 6 0k g/m2、厚 度 为1 2 0m m砖 墙 的 共 振 频 率 只 有1 02 0H z左 右。当 采 用 重 量 较 低 的材 料 时,共 振 频 率 可 能 进 入 人 耳 听觉 较 敏 感 的 范 围,如6m m厚 的 玻 璃(面 密 度 约1 2k g/m2)的 共 振 频 率 约2 0 03 0 0H z。此 时,可 采 用 多 层 结构,提 高 复 合 构 件 的 整 体 重 量,如 采 用3层 中 空 玻 璃,一 方 面 共 振 频 率 可 下 降到100Hz以下,另一方
11、面利用了质量定律增加的效果,获得隔声的双重提升。轻 薄 材 料 的 共 振 效 应 较 为 强 烈,如12m m厚 度 的 金 属 板 出 现 共 振 时 隔 声受 到 很 大 影 响。可 在 板 上 敷 贴 或 涂 刷 阻尼 材 料,减 弱 共 振 的 振 动 幅 度,提 高 隔声 量。例 如,为 了 提 高 普 通 玻 璃 的 隔 声效 果,人 们 采 用 了 一 种 夹 胶 玻 璃,即 在两 层 玻 璃 之 间 夹 上 一 层 透 明 的P V B胶质 材 料,形 成 密 致 结 合 的 整 体,可 看 作是 单 层 玻 璃 的 一 种。两 层 玻 璃 之 间 所 夹PVB胶片属于柔性材
12、料,对玻璃的振动能 够 形 成 约 束 阻 尼,对 共 振 具 有 较 好 的振 动 抑 制 作 用,使 共 振 在 频 率 曲 线 上 的隔 声 低 谷 变 浅,有 利 于 提 高 低 频 的 隔 声性能。3.3 吻合效应声 波 接 触 墙 板 等 构 件 后,墙 板 除 了垂 直 方 向 的 受 迫 振 动 以 外,还 有 沿 着 板面 方 向 的 受 迫 弯 曲 振 动。当 受 迫 弯 曲波 传 播 速 度 等 于 板 固 有 的 自 由 弯 曲 振 动波 的 传 播 速 度 时,将 发 生“吻 合”,这时 板 就 非 常 顺 从 地 跟 随 入 射 声 波 弯 曲,造 成 声 能 大
13、量 地 透 射 到 另 一 侧 去,形 成隔 声 量 的 低 谷,这 种 现 象 被 称 作 吻 合 效应。隔 声 频 率 特 性 曲 线 上,隔 声 量 低 谷称 为“吻 合 谷”,吻 合 谷 的 最 低 频 率 对应 声 波 掠 入 射 时 发 生 吻 合 效 应 的 最 低 频率,被称为吻合临界频率fc。轻、薄、柔 类 材 料 的 墙f c高,吻 合效 应 弱;厚、重、刚 类 材 料 的 墙fc低,吻 合 效 应 强。1 2m m、1 5m m纸 面 石 膏板 的f c分 别 为3.1 5k H z和2k H z左 右。1 2m m板 在3.1 5k H z处 的 隔 声 量 产 生 下
14、降,1 5m m板 在2k H z处 的 隔 声 量 下 降更 为 严 重,甚 至 下 降 的 趋 势 强 过 质 量 定律,造 成 在 这 一 频 率 位 置 上 隔 声 量 比1 2m m的 板 还 低 很 多。双 层 相 同 的 板 叠合的吻合频率fc和单层板基本 等 同,由于 双 层 造 成 振 动 叠 加,吻 合 效 应 更 加12|保密科学技术|2023 年 3 月特别策划剧 烈,吻 合 谷 会 变 得 更 深。如 果 使 用不 同 厚 度 的 板 进 行 叠 合,吻 合 谷 将 彼此 错 开,且 每 个 吻 合 谷 都 较 浅,对 隔声 性 能 有 利。实 际 中,双 层 板 的
15、 剧 烈吻 合 效 应 是 非 常 明 显 的,会 造 成 双 层1 5m m板 构 造 的 隔 墙 在3 1 5 0H z附 近 的隔 声 量 反 倒 低 于 双 层1 2m m板 的 隔 墙。一 层1 2m m和 一 层1 5m m板 叠 合 的 隔 墙比 双 层1 5m m隔 墙 的 面 密 度 低,但 隔 声量 反 倒 会 提 高,这 是 吻 合 效 应 被 减 弱 的结 果。影 响 吻 合 效 应 的 因 素 比 较 复 杂,最 直 接 的 是 面 密 度,还 和 材 料 的 弹 性模 量、厚 度、泊 松 比 等 条 件 有 关。在受 吻 合 效 应 影 响 的 频 率 范 围 内,
16、减 小面 密 度,吻 合 临 界 频 率f c会 变 高,而且 吻 合 效 应 会 变 弱,对 隔 声 有 利。面密 度 较 大、较 厚 的 轻 质 隔 墙,如 加 气混 凝 土 板、石 膏 砌 块 等,f c往 往 会出 现 在2 5 02k H z的 范 围 内,越 重越 厚 的 轻 质 板,越 在 隔 声 曲 线 的 中 低频 范 围 内 出 现 很 深 的“吻 合 谷”,严重 限 制 了 墙 板 的 隔 声。即 使 做 成 中 间附 有 空 气 层 双 层 墙,也 会 因 为 吻 合 效应 的 叠 加 造 成 隔 声 量 提 高 受 到 限 制,例 如 双 层9 0m m厚 加 气 混
17、 凝 土 板,中空5 0m m,隔 声 量Rw只 能 达 到4 8d B左 右,而 同 样 重 量 的 双 排 龙 骨 六 层1 2m m纸 面 石 膏 板 墙(三 道 墙 板,每道 两 层 纸 面 石 膏 板)的 隔 声 量Rw可 达6 0d B,这 主 要 是 因 为1 2m m厚 纸 面 石膏 板 的 吻 合 谷 大 致 在3 1 5 04k H z范 围内,几 乎 偏 出 了 隔 声 评 价 的 主 要 频 率范 围,而9 0m m厚 加 气 混 凝 土 板 的 吻 合谷 在3 0 05 0 0H z,正 是 语 言 频 率 感 兴趣 的 范 围,且 吻 合 效 应 也 更 强 烈。4
18、 双层板隔声规律 4.1 双层板中空从 质 量 定 律 可 知,单 层 板 厚 度 增 加一 倍,即 单 位 面 积 质 量 增 加 一 倍,理论 隔 声 量 只 增 加6d B,实 际 上 还 不 到6d B。显 然,靠 增 加 厚 度 来 提 高 隔 声 量是 不 经 济 的,而 且 增 加 了 结 构 的 自 重,也 是 不 合 理 的。如 果 把 板 材 一 分 为 二,做 成 双 层 结 构,中 间 留 有 空 气 间 层,总重 量 没 有 变,而 隔 声 量 会 比 单 层 玻 璃 提高 很 多。换 句 话 说,两 边 等 厚 的 双 层板 虽 然 比 其 中 一 层 板 用 料
19、多 了 一 倍,重 量 加 了 一 倍,但 隔 声 量 的 增 加 要 超 过6dB。双 层 板 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 板 相 联 的“弹 簧”,声 波 入射 到 第 一 层 板 时,使 板 发 生 振 动,此 振动 通 过 空 气 间 层 传 至 第 二 层 板,再 由 第二 层 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 板 的 振 动 大 为 减 弱,从 而 提 高 了 总 的隔 声 量。双 层 隔 声 量
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