玻璃棉对轻型木结构外墙隔声性能的试验研究∗

李敏敏 谢文博 王 正 曹 瑜

随着国民经济的不断发展，噪音已成为影响人类健康和世界环境的众多因素之一，如何降低噪音的损害已成为当今社会的一个主要问题[1]。而房屋建筑的墙体、屋顶、门等部位的隔声对于降低房屋的噪声是非常重要的[2-3]。

轻型木结构房屋是由木构架墙，木楼盖和木屋盖系统构成的结构体系，适用于三层及三层以下的民用建筑。其墙体主要是由墙骨柱组成的墙体框架结构与木基结构板材、石膏板或其他板材复合而成，墙骨柱框架体系中适当填充保温棉材料，能很大程度上降低室内的噪声，对确保房屋建筑墙体具有良好的声学性能起到关键作用[4-5]。

国内外专家学者对轻型木结构建筑墙体的声学性能研究取得较多成果。2007年，周海宾等人现场构建墙体，在隔声实验室进行试验，分析墙体的建造细节与隔声性能的关系，得出影响木结构墙体隔声的因素并提出合理化的结构设计建议[6]。同年，YU Hai-jun、YAO Guang-chun等人对Al-Si闭孔铝泡沫塑料板声衰减指数与材料厚度、密度的关系作了研究，发现其隔声性能基本符合单层板隔声理论[7]。2008年，LIU Zhihong、ZHAO Ying-kun等人根据无限分层介质中的波传递理论，对水下复合阻尼结构的隔声性能进行研究，发现橡胶材料对结构的隔声性能有很大的影响，且多层橡胶复合结构要优于单层结构，其测量结果与理论预测具有较好的一致性[8]。2012年，陈继浩、冀志江等人对非承重轻钢龙骨结构及双层轻质复合墙体的隔声性能进行实验室测试研究，分析填充材料及弹簧减振件对墙体隔声性能的影响，结果发现，吸声填充材料对轻质复合墙体结构隔声具有显著的改善作用[9]。同年，周统建、王志强等人采用AWA6290M双通道型建筑声学测量系统对三种不同结构的外墙进行现场隔声性能测试与评价，得到隔声效果的单一评价值，试验结果表明，空心刨花板复合墙体隔声性能优于类似填实岩棉等吸声材料的墙体结构，符合住宅隔声标准要求[10]。

鉴于此，笔者依据现场动态测量法，采用传感器技术，利用结构的动态特性实测轻型木结构建筑墙体结构的隔声量，并结合其频谱分析频率成分及其声音源[11]。通过比较不同墙体填充材料对墙体结构隔声性能的影响研究，评价其墙体结构的隔声性能，旨在为我国轻型木结构建筑的声学设计及其工程应用提供有益借鉴。

1 测试对象与仪器

1.1 测试对象

1） 笔者测试的轻型木结构小型木屋建筑由江苏森之虎建筑工程有限公司建造。其墙骨柱材料为截面尺寸38 mm×89 mm的SPF规格材，墙骨柱间距为406 mm，其墙体结构如图1所示；2） 保温棉填充材料2种。玻璃保温棉A（热阻值2.290m2K/W;密度49.38kg/m3；含水率18.4%）。玻璃保温棉B（;热阻值1.937 3m2K/W;密度47.62kg/m3；含水率18.7%）。

1.2 测量仪器

图1 轻型木结构建筑墙体结构示意图Fig.1 Sketch of timber-framed wall structure

1） CRAS振动及动态信号采集分析系统1套。该系统由信号调理、信号采集、Sscras信号与系统分析软件及计算机组成，其信号调理部分包括抗混滤波器和信号放大器，对接收的信号先进行滤波，再经信号放大器放大后的信号进入信号采集部分，采集到的模拟信号经计算机进行数字信号处理，经转换器转换成数字信号，最后利用Sscras信号与系统分析软件进行处理分析[12-13]；

2） TES135-1型声级计2只。其测量范围：L0＝35～90 dB，频率范围：31.5～8 000 Hz，准确度：±1.5 dB，分辨率：0.1 dB，采用内部94 dB位置校正，试验主要将声级计作传声器使用[14]；

3） 扬声器1 只。

2 测量原理与方法

2.1 测量原理

笔者采用现场动态测量法对该外墙结构进行隔声量测量与分析，以判定该外墙的墙体结构隔声特性[15]。其声源按国际标准ISO1405:1998（E）声学 建筑和建筑构件的隔声测量 第5部分:外墙构件和外墙空气声隔声的现场测量规定，采用交通噪声源及扬声器声源进行同步测量，以真实反映隔声构件的实际隔声效果[16-17]。测量时，将2只声级计分别放在建筑外墙的内外两侧，并合理选择声级计到测试墙面的水平距离为1 m，离地面高度为1 m。测试时将扬声器置于室外环境，尽可能接近地面安放，与地面角度呈向上45°，使测试的外墙表面各部分的声压级差别不超过5dB(A)[18]。测量信号采用1/3倍频程带宽滤波器所限制的白噪声。测量时间采用短时间取样的方法，分别选取上下午几个不同的时间段进行测量。开门隔声量测量测点布置平面图，见图2。

声级计是由级化电容式麦克风、前置放大器、衰减器、放大器、频率计权网络和有效值指示表头等组成,其工作原理如图3，被测声音由传声器接收，传声器将声波转换成电信号，通过放大器、衰减器处理，在指示器上可获得适度的指示。计权滤波器对通过的信号进行滤波处理，使声级计的整机频率响应符合规定的频率计权特性的要求，以便能测量计权声级。

图2 现场开门测点布置平面图Fig.2 The layout plan of test points with opening door

图3 声级计工作原理示意图Fig.3 The working principle sketch map of sound level meter

试验运用单值评价法以计权隔声量来衡量轻型木结构建筑墙体结构隔声性能[19]，测试结果用频率在0～10 000 Hz范围内1/3倍频程的隔声量来表述。A计权声级是用A计权网络测得的声压级，通常用LA表示，单位为dB（A）。A声级是噪声评价的一种单值评价量，用模拟人耳对55 dB纯音的响度。当信号通过时，其低频、中段频有较大的衰减，是噪声所有频率成分的综合反映。

2.2 测量过程

图4 隔声量测试框图Fig.4 The diagram of sound insulation quantity test

在测试现场将仪器按测试框图4连接。根据ISO16283—1—2014《声学-隔音建筑和建筑元素的现场测量-第1部分:机载隔音》要求，在该墙体室内和室外侧各放置一只声级计（见图2）。两只声级计接收信号的表头应正对墙体，且在一条平行直线上；接通电源，打开测试及分析系统，调整频谱及声波显示幅度至适中；调整相关参数设置；对测试用声级计进行校准；先把建筑门窗关闭，开始测试获取数据，一组数据测试完后将门打开，再进行测试获取数据。测试时分上午、下午两个时间段，每个时间段在关门、开门条件下分别测试3组数据。当测好玻璃棉B材料在内的墙体结构隔声量后，再用玻璃棉A材料替换之，并重复上述操作。当测试结束后再对测量数据进行分析，总结分别含有两种不同保温棉材料填充的墙体结构对其隔声性能的影响；通过测量频谱分析不同频程所对应的噪声源，以期为噪声源的确定及墙体隔声优化设计的改善提供参考。

3 结果与分析

3.1 声压级能量频谱结果及其分析

以填充欧文斯玻璃棉时墙体隔声的频率成分及其声压随频率变化的分布情况为例，通道ch1、ch2分别测得建筑室内、室外侧声压级。由图5得知，声压能量的频率范围在0～50 Hz频率范围内集中均衡，低于20 Hz为次声波，一般为固有频率，振动频率与初始条件无关；在50～600Hz频率范围内噪声声压呈线性递增，随着频率的增大，隔声声压能量逐渐增加，墙体隔声效果随之提高；在600～10 000 Hz频率范围内的隔声声压较集中均衡，环境噪声在600～10 000 Hz频率段内均匀分布，频率在600 Hz以上，墙体隔声量趋于稳定，其主要原因是该频段的环境声源较强，隔声声压较大。

图5 声压级测试频谱图（填充玻璃棉B）Fig.5 The test spectrum of sound pressure level(Take Owens as an example)

3.2 房屋外墙隔声量测算及其分析

隔声测试时间为两天，每天均选取白天上午、下午相同的时间段，对该轻型木结构建筑分别填充玻璃保温棉A和玻璃保温棉B的墙体结构进行A计权声级测量，通过声级计进行信号采集，测试及分析系统进行数据采集分析，测量结果与隔声量及其据式（1）计算的室内外声压倍数关系结果如表1。

以Po为零分贝参考值，其对应0.000 02 Pa。如：墙体结构内置玻璃保温棉B材料，在上午(10:00-10:10)关闭门窗的条件下进行室内测量，测得室外平均A计权声压级为64.5 dB（A），室内平均A计权声压级为45.0 dB（A），室内外声压倍数关系[18]为:

式中：Pe室外表示室外的声压（Pa）；Pe室内表示室内的声压（Pa）。

为了反映该墙体结构的隔声效果，笔者比较了关闭门窗和开门闭窗两种情况下的隔声测量结果。在关闭门窗的条件下进行室内测量，测得填充玻璃保温棉B的外墙隔声量是开门闭窗条件下外墙隔声量的1～2倍，而填充玻璃保温棉A的外墙隔声量是开门闭窗条件下外墙隔声量的3～4倍。测试时，选择测量的外墙是开有门的一面墙，在开门条件下，进行环境噪声测量，由于声音通过门洞传入建筑室内，此时测得室内外A计权声级相差较小，外墙隔声量相比于闭门时大为减小。因此，为了提高隔声量，或者降低房间内的噪声干扰，建议关闭门窗。

表1 建筑墙体的隔声测算值Tab.1 The actual measured and calculated value of sound insulation of building walls

隔声测量分上午和下午两个时间段进行，测试现场在下午人为活动频繁，环境噪声比上午大约增大9dB。由同等测试条件下（关闭门窗或开门闭窗），下午测得外墙隔声量是上午测得的1～2倍，下午在建筑附近有工人施工噪声及附近的交通噪声，环境噪声大，测得上午环境的A计权声级在60～70 dB，下午环境的A计权声级在70～80 dB。频谱分析墙体对600Hz以上频率段的隔声效果好，增大环境声压能量，外墙隔声量增大，即此外墙对70～80 dB的声音阻隔效果好。

根据表1分析得知，玻璃保温棉B作外墙填充材料时建筑室内的A计权声级比玻璃保温棉A作外墙填充材料时建筑室内的A计权声级小。当关门时，测得室内的A计权声级在40～50 dB之间，相当于正常室内谈话，属于正常可接受范围；当门敞开时，室内的A计权声级在50～60 dB之间，室内分贝明显比关门时大，但室内测得总体A计权声级符合GB 3096—1993 《城市区—环境噪声标准》中2类标准限值规定的昼间不大于60 dB(A)。

显而易见，在同等条件下，该轻型木结构房屋外墙结构内置有玻璃保温棉B的墙体隔声量普遍高于其内置玻璃保温棉A时墙体的隔声量；但是，玻璃保温棉B材料的市场价格是玻璃保温棉A的4倍，该木屋主要功能是居住，位置比较偏远，环境噪声相对较小，其对建筑外墙的隔声要求相对降低，因此玻璃保温棉A材料作轻型木结构外墙的填充材料性价比会更高。

4 结论

1)同种轻型木结构房屋外墙结构内置有玻璃保温棉B材料时的隔声量较高，玻璃保温棉A的隔声量次之。选择欧文斯科宁玻璃棉作为填充材料用于轻型木结构外墙能更有效地提高其隔声性能。

2 )实测的轻型木结构房屋室内A计权声级小于50dB水平，符合GB 50118—2010《民用建筑隔声设计规范》规定的居住建筑室内允许噪声级三级（A计权），同时室内A计权声级符合GB 3096—1993中2类标准限值规定昼间不大于60 dB(A)，夜间不大于50 dB(A)要求。

3)声压能量的频率范围在0～50 Hz频率范围内集中均衡，多为建筑的固有频率；在50～600 Hz频率范围内噪声声压呈线性递增，音调随之提高，一般由人类日常生活活动产生；在600～10 000 Hz频率范围内比较集中均衡，环境噪声在600～10 000 Hz频率段内均匀分布，与周围交通、工厂建设关系密切。外墙设计过程中，可根据环境存在主要声源频率考虑材料及其结构的选择，以优化外墙的隔声性能。

4)采用玻璃保温棉A材料作为本次测试的轻型木结构外墙填充材料的性价比较高，声学性能亦达到了GB 50118—2010及GB 3096—1993的规定要求。

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