建筑外窗隔声性能浅析

钟铁柱

一、前言

隔声是建筑外窗的重要功能之一，隔声效果良好的外窗可以有效地隔绝户外的噪声，给人们的工作、学习和休息创造良好的环境，利用建筑外窗隔声是防治噪声的重要手段。对于建筑物而言，门窗相对墙体来说隔声性能要差一些，是建筑隔声的薄弱环节，所以提高外窗的隔声性能对提高整个建筑的隔声性能有重要的意义。

二、建筑外窗隔声的几个基本概念

1、隔声与吸声

隔声与吸声是两个不同的概念，隔声是指屏障物阻碍声波透射的能力，而吸声是指屏障物阻碍声波反射的能力。工程实际中通常采用吸声系数来描述吸声材料和吸声结构的吸声性能，以α表示，定义为α=Ea/Ei，Ei为入射到材料或结构表面的总能量，Ea表示被材料或结构吸收的声能。隔声构件透声能力的大小，用透声系数τ来表示，定义为τ=Wt/W，Wt为透过隔声构件的声功率，W为入射到隔声构件上的声功率，声功率的单位为瓦 （W）。

一般隔声构件的τ值很小，约在10-1~10-5，使用很不方便，所以人们采用10lg1/τ来表示构件本身的隔声能力，称为隔声量或称传声损失，记作TL，单位为dB，即TL=10lg1/τ。

2、质量作用定律

式 （1）就是哈里斯提出的建筑声学中常用的质量作用定律，公式显示，面密度M或声音频率f加倍，隔声量增加6dB。值得注意的是这个公式适用于单层墙的隔声，而窗与墙在密度、结构上和尺寸上都有很大区别，门窗的几何尺寸与入射波波长相比，一般说并不很大，应用质量定律所得结果与实际情况会有较大偏差，对于建筑外窗来说，质量定律是不适用的。针对面密度M对隔声的重大影响，前苏联声学家艾尔杰里推荐了两个单值隔声量的经验公式[3]：

按式 （3）计算出的58系列木铝复合窗的隔声量分别为31.6dB，与实测所得500Hz隔声量比较接近，考虑到窗自身的特点和检测过程中偶然因素的影响，这个结果还是可以接受的。

另外，从隔声构件的隔声特征曲线也可以看出，窗的隔声性能并不是一直随着声音频率的增加而上升，这是由于共振和吻合效应的影响 （图1）。中空玻璃窗的共振频率计算式为[3]：

图1

式中d为空气层的厚度，单位为cm，t1、t2分别为各层玻璃厚度 （cm），计算可知58系列隔热木铝复合窗的共振频率是fr=219Hz。

3、计权隔声量

由于同一建筑构件在不同声音频率下的隔声量TL不相同，而人耳对不同频率下同一隔声量的主观感受也不一样的，这给人们对构件本身隔声量的理解和不同构件间隔声量的比较都带来了困难，为了解决这个问题，引入了计权隔声量 （Rw）的概念。计权隔声量是对构件隔声性能的单值评价，其值是通过将构件的隔声频率特性曲线与标准曲线比较来确定的。标准曲线相当于一条“等隔声曲线”，是一条随频率而变化的折线。计权隔声量求得的方法和结果都加入了人的主观因素，可以更加直观地理解 “隔声”的含意。

为了修正计权隔声量对建筑构件隔声的主观影响，相关标准中还引入了C和Ctr两个频谱修正量，用于对计权隔声量的调整[6]。在门窗隔声性能分级指标中，外门、外窗以 “计权隔声量和交通噪声频谱修正量之和（Rw+Ctr）”作为分级指标，内门、内窗以计权隔声量和粉红噪声频谱修正量之和 （Rw+C）”[7]作为分级指标，用以强调不同频率环境噪声下，对门窗隔声性能的影响。

三、建筑外窗隔声的特点

1、材料构成对外窗隔声性能的影响

外窗从材料上来讲，对隔声性能有影响的主要有框（包括扇）料和玻璃，基于以下几方面原因，在隔声方面可以不考虑框料的影响：

（1）从实际情况看，一方面，框料一般只占到外窗总面积的15%左右，所占面积远小于玻璃，对整体外窗隔声性能的影响并不大；另一方面，框料的结构复杂，不同的外窗情况各异，隔声量难于测量和计算。

（2）从质量作用定律角度考虑，市场上常见的框料，不论是木框、隔热断桥铝框、塑料框 （有衬钢），其计算隔声量与一般中空玻璃的隔声量都非常接近，在非特别严格的使用环境下，其实际隔声量与整窗的隔声量比较接近。

（3）通过对各种系统窗型的实际检测数据分析证明，外窗的隔声性能主要取决于玻璃，在相同玻璃配置条件下，对不同框材外窗的隔声量来讲一般木框好于铝框，但差别不明显。

2、玻璃配置对外窗隔声性能的影响

根据质量定律，增加玻璃的厚度可以提高隔声性能，但这显然不是经济的做法，目前市场上常见的玻璃品种有单玻、中空、双中空、夹胶玻璃、不等厚中空玻璃等，本文主要通过数值比较的方法来对几种常见的玻璃配置方式进行比较分析，数据来源为美国VIRACON建筑玻璃公司。

（1）6+1.14PVB+6夹胶玻璃与12mm单玻隔声性能比较 （图2）。两种玻璃面密度基本相同，按质量定律理论应具有基本相同的隔声效果。数据显示，对于800Hz以内的噪声，夹胶玻璃与相同厚度的单玻具有相同的隔声效果，而对于800Hz以上的噪声，夹胶玻璃的隔声能力略好于单玻，根据表中数据进行的计权隔声量计算显示，夹胶玻璃比相同厚度的单玻大1分贝。

图2

（1） 中空玻璃 （6+12a+6） 与单玻 （12mm） 隔声性能比较 （图3）。从节能角度考虑，12mm的空气层是一个比较好的选择，但对于隔声来讲却不是这样，图中显示，从100到5000的频率范围内，两条隔声曲线相互交叉，这是由于共振及吻合频率不同造成的。从计权隔声量的计算来看，中空玻璃为35dB，单玻为37dB，单玻隔声性能优于中空玻璃。

图3

（3） 双中空玻璃 （6+12a+6+12a+6） 的隔声特点（图4）。这里将双中空玻璃与普通 （单）中空玻璃 （6+12a+6）作了对比，从图上的比较可以看出，在中高频段，双中空玻璃由于质量的增加，隔声性能有一定的增加。双中空的计权隔声量达到了39dB，比普通中空玻璃增加了4dB，隔声曲线的走向则完全相同。

图4

（4）双片不等厚中空玻璃 （6+12a+10） 与普通 （双片等厚）中空玻璃 （10+12a+10）的隔声性能方面的比较 （图5）。从质量定律角度考虑，后者具有更大的面密度，但从隔声曲线可以看出，不等厚玻璃由于减弱了共振和吻和效应的影响程度，具有更好的隔音效果。从计权隔声量计算来看，不等厚的中空玻璃的计算值为39dB，而普通中空玻璃的计算值为37dB，不等厚中空玻璃在降低面密度的同时提高了隔声能力，是一个比较好的选择。

图5

3、其他影响玻璃隔声的因素

（1）采用不平行的两片玻璃也是常提到的做法，但由于玻璃和门窗的加工难度大、视觉效果受影响等原因，很少采用。而且相关实验表明，采用不平行玻璃时的隔声量，近似等于采用这两片玻璃近端和远端的平均值的普通中空玻璃的隔声量[7]，比如不平行玻璃的一侧间距为12mm，另一侧为36mm，则其隔声量与一个间距为24mm的中空玻璃相当。可见，采用不平行中空玻璃并无优势。

（2）两片玻璃间距对隔声性能的影响

对于声波来说，两片玻璃间的空气层相当于一个缓冲层，如果缓冲层很薄，钢性很强，就起不到很好的缓冲作用。相应试验表明，中空层每增加一倍，隔声量大约增加3dB。

（3）两片玻璃间墙面内壁铺设吸音材料对隔声也有一定影响，这种做法的作用是利用吸声材料降低了两片玻璃内部空间的声压，有效果的前提是一方面两片玻璃之间要有一定空间 （推荐100mm以上），另一方面周边的总面积与玻璃的面积比不能太小。在实际应用中，对高频噪声的隔声效果更好一点，一般来讲，可以增加2-5dB的隔声量。

4、窗框扇间密封与安装方式对外窗隔声性能的影响

我们都有这样的生活体验：窗户刚开一小缝，噪声就扑面而来。由于孔洞的透声系数为1，隔声量为零，所以哪怕窗框扇间一个很小的密封不严的位置，都会对外窗整体的隔声量产生严重影响。例如，当孔洞面积为整片围护结构面积的1%时，结构隔声量不会超过20dB。外窗的开启方式不同，所采用的密封方式也不一样，一般而言，气密性好的门窗相对隔声效果也会好一些，例如采用三元乙丙或硅橡胶做为密封材料并进行多道密封处理的内平开窗的隔声效果要好于以密封毛条为主要密封材料的推拉窗。

安装方式对外窗的隔声也有很大的影响，安装不利的外窗的隔声性能会大打折扣。一般在外窗安装时，洞口墙体与窗边会留一条10mm左右的缝隙，里面使用发泡剂填塞，室内外两侧打密封胶。不论是发泡剂还是密封胶，都属于轻质材料，本身的隔声性能都比较差，要保证外窗的隔声性能，还需要做一些特别的处理。这里推荐一种做法：室外侧安装时洞口的上、左、右采用墙体压窗边的做法，下侧采用导水板；室内侧包套处理 （图6、图7），可以有效解决安装间隙传声的问题。

图6

图7

四、门窗隔声设计中应注意的几个问题

1、隔声设计应注意与噪声特点、建筑性质和房间使用功能相结合，要有针对性。

这就要求门窗隔声设计者不仅要掌握一定的门窗隔声知识，还应对声学、建筑等知识有相当的了解，全面考虑。举个例子，如果一个房间的噪声污染来源于一家工厂，而工厂的噪声频率集中在某一频段，那么在外窗的隔声设计时就应选择共振频率远离该频段的产品，降低由于共振带来的不利影响。

2、在具体隔声方案设计中，应多种方案相结合，在适用的基础上做到经济、合理。

对于同一座建筑而言，按惯常的做法，会全部采用相同的外窗产品。而从隔声角度考虑，不同方向、不同高度的房间所受噪声的影响不同，房间的功能也不相同，在做隔声设计中也应根据具体情况具体分析，采取相应的隔声措施，不能一概而论。例如，对于一栋用于宾馆的建筑，走廊的一面临街，另一面是居民区，临街一侧的客房就要重点考虑交通噪声 （中低频）的影响，而另一侧应重点考虑生活噪声 （中高频）的影响，从而采用不同隔声效果的外窗产品。

3、对隔声要求比较高的场所，建议采用双层窗的方式，并尽量增加框材的面密度。

双层窗在隔声中的作用类似于双层墙，通过界面层的多次反射及空气层的弹性和附加吸收作用提高隔声量。为达到隔声效果，一般要求两层窗之间的距离应控制在150mm以上 （越大越好），两层窗在玻璃配制上也要有所区别以降低共振和吻合效应的影响，两层窗之间的洞口侧面周边还可以铺设吸声材料，以进一步提高隔声量。在隔绝以中低频为主的噪声时，应在安全和法律法规许可范围内尽量加大一侧玻璃的厚度，同时使用容重较大的吸声材料 （比如矿棉）并增加其厚度，以增加在该频段的隔声量。

在对隔声要求比较高的场所，框材的传声作用也要重视，冷轧钢材制成的钢窗框具有面密度大、隔声性能好的特点，是个比较好的选择，而且通过技术处理也可能达到非常好的保温和密封效果。

4、应注意低频噪声的危害。

低频噪声是指频率在500Hz以下的噪声，由于相对于中高频噪声来讲，人耳对低频噪声不敏感，所以不论是在我们测量中经常采用的A计权网络还是隔声的单值评价指标——计权隔声量中，都对声音的低频段进行了大幅度的衰减，但国内外的研究结果证明：低频噪声相对来讲对人体健康具有更大的危害和更长远的影响。

低频噪声波长较长，衰减慢，可以轻易穿越障碍物，所以又被称为 “隔不住的噪声”。在日常生活中，交通、电梯、空调、高楼水泵等都是常见的低频噪声源，这类噪声往往在空气传声的同时都伴有结构传声，在测量时由于采用了对低频表现不利的A计权网络，其等效声级大多并不超过标准中限值的规定，但对人们正常生活却带来非常大的影响，所以在建筑设计时就应充分考虑低频噪声的隔离问题，提出综合解决方案。

五、结束语

正如很多专家所说，声学是一门 “既古老又迅速发展着的”学科，而门窗隔声技术的研究在我国更是发展较晚的边缘分支，还处于起步阶段。但无庸置疑，随着人们对生活质量关注度的增加，对门窗的隔声性能必然会提出更高的要求，就会促进人们对门窗隔声性能的关注和研究。本文旨在通过总结国内外声学专家研究的基础上，结合相关数据及多年的从业经验，提出一些个人观点，供业内人士参考。

[1]陈克安，曾向阳，杨有粮.声学测量，机械工业出版社，2010

[2]杜功焕，朱哲民，龚秀芬.声学基础，南京大学出版社，2010

[3]康玉成.建筑隔声设计——空气声隔声技术，中国建筑工业出版社，2004

[4]盛美萍，王敏庆，孙进才.噪声与振动控制技术基础，科学出版社，2007

[5]GB/T50121-2005建筑隔声评价标准，中国建筑工业出版社，2005

[6]GB/T8485-2008建筑门窗空气声隔声性能及检测方法，中国标准出版社，2009

[7]SOUNDTRANSMISSIONTHROUGHWINDOWS I,byJ.D.Quirt,1982

[8]GB3096-2008声环境质量标准，环境科学出版社，2008