常用墙体隔声性能的影响因素分析

杨志刚

（华东建筑设计研究院有限公司，上海 200070）

建筑设计中，常用的隔墙有三种类型：钢筋混凝土、加气混凝土砌块、石膏板轻质隔墙。本文通过专业隔声模拟软件进行模拟分析，通过图示直观地查看影响墙体隔声性能的因素。需要说明的是，隔声模拟软件模拟的隔声结果和实验室测量数据会有一定的误差，大约高1 dB～2 dB。希望通过对工程中常用墙体系统地对比分析，从中寻找可有效提高隔墙隔声性能的因素，供声学工程设计师设计隔声墙体时参考。

本文中，未特别说明的轻钢龙骨为C型龙骨、间距为600 mm，壁厚为1 mm。计权隔声量Rw的计权频率为100 Hz～3150 Hz，也称为有效隔声频率。为了更全面地观察变化规律，本文隔声量图示中的频率延伸到50 Hz～5000 Hz。密度单位kg/m3，在图表中简化为k。

1 五个重要的概念

1.1 质量定律

声波无规入射时，理论上，单层墙体的隔声量估算公式为：

式中，R为单层墙的隔声量，M为构件的面密度（单位kg/m2），f为声波的频率（单位Hz）。可以看出，单层墙越厚越重，隔声性能越好，面密度提高1倍，隔声量提高6 dB。由于刚度、阻尼、共振、吻合效应、边界条件等影响，实际墙板的隔声量与理论计算的结果并不一致，有的偏低，也有的偏高。

1.2 共振频率

任何隔墙都存在固有的共振频率，当声波的频率和墙的共振频率一致时，墙体整体产生共振，该频率的隔声量将大大下降。

1.2.1 单层板墙的共振频率

单层板墙的共振频率的计算公式为：

式中，B为板的劲度（单位N·m），B=ET3/12（E为材料的弹性模量，单位N/m2；T为板的厚度，单位m），M为板的面密度（单位kg/m2）,M=T（为板的密度，单位kg/m3；T为板的厚度，单位m），lx为板的长度（单位m），ly为板的宽度（单位m），m、n为任意正整数。可以看出，墙体越薄、密度越大，共振频率越低。

加气混凝土砌块墙体、石膏板和混凝土墙体（厚度需小于150 mm）的共振频率，一般都低于隔声评价最低参考频率100 Hz，因此，对隔声量Rw的影响不太大。

1.2.2 轻钢龙骨双层薄板隔墙的共振频率

轻钢龙骨双层薄板隔墙可以看作是两板的质量和空腔内轻钢龙骨（弹簧）组成的“质量+弹簧+质量”共振体系，它在低频段会出现共振频率，在其共振频率附近会出现比同质量单层板还要低的隔声量。共振频率的最低频率称为f0，可由以下公式估算：

式中，M1、M2为双层板的面密度（单位kg/m2）；d为两板间的距离（单位m）。可以看出，间距越小，共振频率f0越大；石膏板总的厚度越大，共振频率f0越小。设计纸面石膏板隔墙时，应使共振频率尽量低于100 Hz。

1.3 吻合效应

声波接触墙板后，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。在某个特定频率，板中的弯曲波的波长正好等于入射声波波长在板上的投影时，板上的两个波就会发生共振，产生波的吻合，这种现象被称作吻合效应。此时，板的受迫弯曲振动与空气中声波的振动达到高度吻合，声能会大量地投射过板，产生隔声低谷，又称吻合谷。吻合效应影响范围比较宽，对隔声量的降低影响也比较大。

出现吻合效应的最低频率称为临界频率fC。计算建筑材料临界频率fC的公式，德国著名声学家Cremer在1950年就已提出[2]:

式中，c为声速（取常温20℃时343 m/s），M为板的面密度（单位k g/m2），为板的密度（单位kg/m3），B为板的刚度（B=ET3/12），E为弹性模量，T为板的厚度。

要提高双层板隔墙的隔声，对板材来说，是设法把它的临界频率fC（即隔声曲线上的吻合低谷）推到很高的频率上。理论和实验均表明，轻、薄、柔的墙fC高，吻合效应弱；厚、重、刚的墙fC低，吻合效应强。

1.4 阻尼

材料一般都具有一定的内阻尼，它能阻碍物体的相对运动，使物体的动能转化为热能。因此，阻尼对提高材料的隔声性能有明显的作用，特别是抑制构件的共振和吻合效应隔声低谷十分有效。一般材料的内阻都很小，而粘贴弹性材料则会增加材料的阻尼效果，如玻璃纤维棉、岩棉、橡胶阻尼毡等。

1.5 声桥

板材直接固定在龙骨上时，受声一侧板的振动会通过龙骨传到另一侧板，这种像桥一样传递声能的龙骨被称为声桥。声桥对隔声量的影响与声桥本身的刚度有关，声桥的刚度愈大，则隔声量下降越多。

2 影响墙体隔声性能的因素分析

单层墙的隔声量主要由墙体的面密度决定，面密度越大的墙体，隔声量越大。面密度由墙体的密度和厚度相乘而来，也就是说，单层墙的隔声量主要由墙体的的密度和厚度决定。

2.1 密度

以建筑中常用的约200 mm厚加气混凝土砌块隔墙为例，其具体构造为15 mm厚水泥砂浆粉刷+190 mm厚加气混凝土砌块+15 mm厚水泥砂浆粉刷，总厚度为220 mm。加气混凝土砌块按密度分级为B03、B04、B05、B06、B07、B08，对应的密度分别约为300 kg/m3、400 kg/m3、500 kg/m3、600 kg/m3、700 kg/m3、800 kg/m3。非承重砌块的密度一般为500 kg/m3和600 kg/m3，承重砌块的密度为700 kg/m3和800 kg/m3。

从图1、图2可以看出，在总厚度不变的条件下：

图1 不同密度砌块墙体的隔声量

图2 密度对砌块隔声频率特性的影响

（1）砌块的隔声曲线图类似于“√”，最低点为吻合低谷。随着砌块的密度增大，砌块的隔声曲线向高频、向上移动。

（2）砌块密度增加，临界频率增大，从低频向中频移动，不利于计权隔声量的提高。这也就是面密度提高1倍（如300 kg/m2→600 kg/m2、400 kg/m2→800 kg/m2），砌块Rw只提高3 dB～4 dB（低于质量定律的6 dB）的缘故。

（3）随着砌块密度增加，每个频率的隔声量都有增加。其中，低频增加幅度略大于高频。密度每增加100 kg/m3，墙体的计权隔声量约增加1 dB。

2.2 厚度

以钢筋混凝土墙体为例，从图3、图4可以看出：

图3 不同厚度混凝土的隔声量

图4 厚度对混凝土隔声频率特性的影响

（1）钢筋混凝土的隔声曲线图也类似于“√”，最低点为吻合低谷。随着墙体厚度增大，隔声曲线向低频、向上移动。

（2）混凝土厚度增加，临界频率减小，从中频向低频移动，有利于计权隔声量的提高。所以，面密度增加一倍，大于质量定律的6 dB，约为11 dB～12 dB。《建筑隔声与吸声构造》图集[3]中，钢筋混凝土的厚度由120 mm增加到200 mm，还不到2倍的厚度，Rw已经由49 dB增加到57 dB，增量为8 dB。

双层墙的传声特性为：低频声能主要通过墙间空腔的空气传递，高频主要通过墙间的龙骨——声桥来传导，中频介于两者之间。

2.3 空腔厚度

标准隔墙的C型竖龙骨系列分别为50 mm、75 mm、100 mm，轻钢龙骨系列的变化就是空腔的变化。以2×12 mm厚石膏板+轻钢龙骨（空腔或加棉）+2×12 mm厚石膏板为例，进行分析。它们隔声量的变化见图5、图6，可以看出：

图5 不同空腔厚度的隔声量

图6 空腔厚度（有棉）对隔声频率特性的影响

（1）随着空腔厚度的增加，低频隔声量提高较多、中频次之、高频基本没变化。位于低频的共振频率向低频方向移动且略有降低，而位于高频的吻合谷没有发生变化。

（2）空腔由50 mm增加到75 mm，Rw增加2 dB；由75 mm增加到100 mm，Rw增加0～2 dB。因此，采用75 mm轻钢龙骨比较高效。

2.4 填充岩棉

以2×12 mm厚石膏板+75 mm轻钢龙骨（空腔或有棉）+2×12 mm厚石膏板为例，进行对比分析。

2.4.1 岩棉的密度

岩棉的厚度为50 mm，岩棉密度的变化对隔声量的影响见图7、图8。可以看出，岩棉密度从32 kg/m3增加到48 kg/m3，Rw增加1 dB；岩棉密度≥48 kg/m3，再增加密度，计权隔声量Rw基本没变化。总的来说，增加岩棉密度，计权隔声量Rw改善不大，建议填充岩棉密度≥48 kg/m3。

图7 不同岩棉密度的隔声量

图8 岩棉密度变化对隔声频率特性的影响

虽然增加密度对提高隔声量的作用并不明显，常用的填充吸声纤维棉还是多采用80 kg/m3～100 kg/m3的岩棉。主要原因为：

（1）同等重量的岩棉比玻璃棉更便宜；

（2）密度较小的玻璃棉或岩棉容易变形下坠，造成铺设不均匀，从而影响隔声效果；

（3）厚重的岩棉一般比轻薄的玻璃棉或岩棉的耐火极限长，防火性能较好。

2.4.2 岩棉的厚度

岩棉的密度取80 kg/m3，岩棉厚度的变化对隔声量的影响见图9、图10，可以看出，厚度由25 mm增加到50 mm，Rw增加1 dB；由50 mm增加到75 mm，计权隔声量Rw没变化。总的来说，增加岩棉厚度，计权隔声量Rw改善不大，采用50 mm厚度比较高效。

图9 岩棉厚度对隔声量的影响

图10 岩棉厚度变化对隔声频率特性的影响

2.5 石膏板的层数

以单层龙骨构造（1～3）×12 mm厚石膏板+75 mm轻钢龙骨（内填岩棉）+（1～3）×12 mm厚石膏板为例，从图11、图12可以看出：

图11 石膏板层数对隔声量的影响

图12 石膏板层数变化对隔声频率特性的影响

（1）单层→双层石膏板，计权隔声量提高得比较多。单侧由单变双，Rw提高5 dB；双侧由单变双，Rw提高9 dB。实际工程中，由于单层石膏板之间存在缝隙，实际隔声量比模拟值要低很多，只有30 dB左右，所以不建议采用单层石膏板。

（2）≥双层石膏，每增加一层石膏板，隔声量约增加2 dB。

2.6 阻尼

一般来说,低频声能主要通过墙间空腔的空气传递，双层墙之间填充纤维性吸声材料后，可有效提高低频的隔声效果。实验室实测数据显示，双层墙体如果填充岩棉（和两侧墙板均保持一定的间隙）后，隔声量在1000 Hz以下都得到明显提高，1000 Hz以上的隔声性能改善并不明显[4]。但是，如果岩棉和第一层墙板紧贴，可以提高该墙板的阻尼效果，降低该板的共振和吻合谷的影响。模拟数据的前提是岩棉和第一层墙板紧贴，所以，全频带的隔声性能都能得到提高。

但是，也不建议空腔内满填岩棉，因为岩棉内残留有硬的矿渣块会连接两侧的墙板，产生声桥，反而影响隔声效果。

2.7 声桥

2.7.1 龙骨弹性

标准隔墙的C型竖龙骨壁厚规格主要有0.6 mm/0.7 mm/0.8 mm/1.0 mm。以轻钢龙骨壁厚1.0 mm、壁厚0.6 mm、M型隔声龙骨为例进行对比分析，壁厚越薄，弹性越大。以2×12 mm厚石膏板+75 mm轻钢龙骨（内填50 mm厚、80 kg/m3的岩棉）+2×12 mm厚石膏板为例，它们隔声量的变化见图13、图14，可以看出：

图13 龙骨弹性对隔声量的影响

图14 龙骨弹性变化对隔声频率特性的影响

（1）轻钢龙骨壁厚变薄的作用相当于降低了整个隔墙系统的刚度，从而提高了临界频率。改善特性表现为低频基本没变化（共振频率没有变化），随着频率向中高频移动，隔声量改善值逐渐增大。

（2）壁厚1.0 mm减薄到0.6 mm，Rw改善值约5 dB。因此，在满足强度要求的前提下，尽量选取壁薄的轻钢龙骨。

（3）隔声龙骨的作用与壁厚减薄相同，都是提高了轻钢龙骨的弹性。在龙骨和石膏板之间加弹性垫条，也是提高了轻钢龙骨的弹性。

2.7.2 龙骨排距

实际工程中，轻质隔墙轻钢龙骨间距一般为300 mm～600 mm。以2×12 mm厚石膏板+75 mm轻钢龙骨（内填50 mm厚、80 kg/m3的岩棉）+2×12 mm厚石膏板为例，它们隔声量的变化见图15，可以看出：

图15 龙骨排距变化对隔声频率特性的影响

（1）从300 mm到600 mm，主龙骨间距每增加100 mm，Rw约增加1 dB。

（2）龙骨间距加大（相当于减少了声桥的数量），隔声量会相应增大。因此，在满足强度要求的条件下，建议龙骨间距采用600 mm。

2.7.3 断开声桥

第一种构造为：2×12 mm厚石膏板+100 mm轻钢龙骨（内填50 mm厚、80 kg/m3的岩棉）+2×12 mm厚石膏板（4层板），共四层板，总厚度148 mm。第二种构造为：2×12 mm厚石膏板+50 mm轻钢龙骨（空腔内填50 mm厚、80 kg/m3的岩棉）+50 mm轻钢龙骨（错排）+2×12 mm厚石膏板，共四层板，总厚度148 mm。

从图16、图17可以看出：断开轻钢龙骨（壁厚1 mm）声桥，轻质隔墙体系的共振频率没有变化，隔声量从低频到高频增幅逐渐增大，Rw大幅改善，约为9 dB。但实际工程中，Rw增幅可能没有这么大，因为天、地排龙骨还是会构成声桥的。

图16 有无声桥对隔声量的影响

图17 有无声桥对隔声频率特性的影响

2.8 吻合效应

由于双层相同材料、厚度的墙体，双层墙的吻合谷会出现在同一频段，使得这一频段的吻合谷加深，从而影响双层墙体的隔声效果。因此，为了防止面板同时发生吻合现象，最好使两层板各有不同厚度，或者用不同的材料，甚至材料和厚度都不同。

2.8.1 改变两侧石膏板的厚度

第一种构造为：2×12 mm厚石膏板+75 mm轻钢龙骨（空腔内填50 mm厚、80 kg/m3的岩棉）+2×12 mm厚石膏板，总厚度123 mm。第二种构造为：2×9 mm厚石膏板+75 mm轻钢龙骨（空腔内填50 mm厚、80 kg/m3的岩棉）+2×15 mm厚石膏板，总厚度123 mm。

从图18、图19可以看出，总厚度和重量不变，使两侧石膏板的面密度差异拉大，吻合效应的影响明显减小。但是，由于临界频率在有效隔声频率以外，计权隔声量Rw并没有变化。因此，石膏板轻质隔墙系统吻合低谷的影响可以忽略不计。

图18 吻合谷对隔声量的影响

图19 吻合谷对隔声频率特性的影响

2.8.2 轻重复合墙体

第一种构造为：2×12 mm厚石膏板+75 mm 轻钢龙骨（空腔内填50 mm厚、80 kg/m3的岩棉）+2×12 mm厚石膏板+75 mm轻钢龙骨（空腔内填50 mm厚、80 kg/m3的岩棉）+2×12 mm厚石膏板，总厚度222 mm。第二种构造为：加气混凝土砌块墙体（11.5 mm厚水泥砂浆粉刷+100 mm厚、B08加气混凝土砌块+11.5 mm厚水泥砂浆粉刷）+75 mm轻钢龙骨（空腔内填50 mm 厚、80 kg/m3的岩棉）+2×12 mm厚石膏板，总厚度222 mm。

从图20、图21可以看出，当其中一侧板材采用面密度较大的砌块墙体时（即采用轻重复合墙体），临界频率确实错开了，低频和超高频的隔声量得到提升，但是，中高频的隔声量反而下降。主要因为砌块的临界频率（造成吻合低谷）分布在有效计权频率范围内，影响整体的计权隔声量。

图20 轻墙、轻重复合墙的隔声量

图21 轻墙、轻重复合墙的隔声频率特性

越重的墙体，低频隔声量越好。所以，如果噪声源是机电设备或交通等主要辐射低中频噪声的设施，则应采用厚重墙体或轻重复合墙体。

2.9 孔洞缝隙

墙面上如果有孔洞和缝隙，无论是轻质石膏板墙体，还是钢筋混凝土，墙体的隔声量都会下降。从图22可以看出，孔洞的影响主要表现在高频隔声量的下降，而且由于孔洞的空气管柱共振的影响，使隔声特性曲线呈起伏的周期现象。缝隙对隔声性能的影响比空洞要大，在低中频就有较大下降，高频下降更大。孔洞缝隙对隔声性能的影响，跟开口面积和深度大小有关，面积和深度越大，对隔声性能的影响就越大。

图22 孔洞和缝隙对轻质墙体隔声量的影响

在实际工程中，关于设置接线盒对墙体隔声量的影响，实验室测试数据表明[5]:

（1）对于诸如240 mm砖墙的匀质重墙，由于接线盒没有将墙体彻底打透，对墙体隔声量影响不大。

（2）对于轻质双层墙体，单侧设置接线盒对墙体隔声量影响不大；两侧相同位置设置接线盒，随着接线盒数量的增加，墙体隔声性能逐渐变差，高频部分尤为明显；如果相同位置的接线盒背面接触形成声桥，会导致墙体隔声性能显著下降。

3 结语

经过各类墙体隔声性能的对比分析，可以看出，双层墙体比单层墙体的隔声效果更有效。同样的隔声量，双层墙体不仅重量轻（减少结构荷载），而且厚度也比较小（节约使用空间）。缺点是双层薄板墙体（如纸面石膏板墙）的低频隔声性能比较差（Ctr的修正值比较大），如果噪声源是机电设备或交通等主要辐射低中频噪声的设施，则应采用厚重墙体或轻重复合墙体。

由于砌块墙体砌筑时需要水泥砂浆（即湿作业），施工速度会比较慢，虽然单价比较便宜，但是折算上人工费，总的费用反而会更高。石膏板和装配式ALC板墙体的优点主要是干施工作业，施工速度快、占用空间少。现在工程的进度一般都要求比较紧，因此，石膏板和装配式ALC板墙体得到大量应用。