轻钢龙骨薄板间壁隔声的实验和设计述评

王季卿，顾樯国

(1.同济大学 声学研究所，上海 200092， 2.上海建工设计研究总院，上海 200235)

轻钢龙骨薄板间壁是建筑中的常用构件。它具有质轻、拼装简便、施工快速，免除湿作业而使工地干净等优点，己有国家施工规范[1]可参照执行。它还有许多使用上的问题需要考虑，隔声就是其中的一项。就间壁隔声而言，如何评定其隔声性能以及采取怎样的单值评价量是首要考虑的基础性问题。如取各频率(100 Hz～3 150 Hz)隔声量R(dB)的平均值虽比较简单，但其不足以表达实际使用下的隔声效果。国际上通用按不同频率段要求(见图1)作比较的方法，以不利值总和不大于32 dB为准，并取500 Hz的隔声量作为该曲线的代表，称作该构件计权隔声的单值评价量Rw(dB)。这一单值评价量己列入国家标准[2]。1990年之前的标准还曾规定：任何频率的不利值不得超过8 dB，后被取消，因此在使用早期资料时要注意这一更改。

我们己知双层分离薄板的隔声效果会超越同等重量的单墙，也就是说超过了按质量加倍而上升6 dB的简单规律(质量定律)，有时可能超越很多。其随频率的变化是复杂的，可因龙骨、空腔、板材以及构造上的不同而异。上世纪70年代末，我国建筑中开始采用薄板与轻钢龙骨组合的轻质墙体以来，早期的板材和龙骨种类繁多，其隔声性能和提高隔声量的措施，通过大量实验积累了一些资料[3–5]，如图2所示之例。

图1 评价构件在相关频率下空气声隔声量R(dB)的计权特性曲线。

图2 国内早期三种轻板间壁的隔声量R(dB)[5]

上世纪90年代以来，石膏板在国内开始规模化生产，逐渐成为板材主流(近年全国各厂年总产能己达20亿m2左右)。又与轻钢龙骨配套供应，方便施工。因其质轻、价亷、干作业等优点，成为当前房屋间壁的常用构造。研究这类间壁的隔声性能和如何有效地提高其隔声量的措施，乃是我们所要关心的问题。

双层薄板间壁的隔声特性随频率出现如图3所示的变化，与单层墙相比有不同规律。在低频段因两片板材与中间空腔组合引起的共振，使间壁在共振频率f0附近透射效果大增，隔声量出现明显下降的低谷。随着频率上升，间壁的隔声量迅速增加，超越质量定律预计值很多。在较高频段，由于声波斜入射会激起板内弯曲波，当两者吻合时使间壁透射效果再度出现隔声量低谷。受该吻合频率fc影响的频宽范围以及它的深度，都将影响间壁的隔声性能。再则，连接双侧薄板之间的龙骨，也是不可忽略的固体传声途径。正由于图1所示对低、中、高频段隔声量要求是不同的，因此为了满足某特定计权隔声量的要求，对选用何种构造或采用何种改进措施时，必须注意这一特点。

图3 单层D厚薄板间壁和双层1/2 D厚薄板中间留空腔的间壁隔声量-频率基本特性示意。

1 间壁隔声的实验室测量

双层薄板与龙骨组合的间壁在构造上可有多种变化，其隔声性能通常是在建筑构件隔声实验室测得的。测量方法早有国家标准(1964试行草案和1984规范)[6]。随着ISO相关标准的修订，有了新版国家标准 GB/T19889(2005)[7](等同 ISO140，1997)。根据多年来国内外对此类间壁的实验室隔声测试经验来看，其中仍然存在着许多不确定因素，甚至令人对不同构件隔声性能作比较时难以判别和选择。以下从两个方面来讨论。

1.1 测试结果可能出现的差异性

按国标第2部份所提再现率(Reproducibility)要求相对照[7]，可说明测试结果的有效性。根据我们经验，同样构造的间壁经过多次测试(都是由同一生产厂提供的产品与安装，在同济大学实验室测试的。测试相距最短为一月，最长相距五年)所得隔声量资料(见图4之两例)，其再现率(以RW，dB计)一般在2 dB之内。因为没有机会与国内其它单位实验结果相比较，也许因为隔声室设施(如声源和接收两个房间的尺寸、形状以及构件安装洞口尺寸等等)的不同，会使隔声量测试结果带来更大差异。

图5所示为美国石膏板公司USG在北美13家实验室送测同样轻钢龙骨石膏板间壁构件[8]，所得隔声量测试结果，其中出现如此之大的差异，出乎一般预料。各频率隔声量的最低值与最高值相差会多达10 dB～15 dB。

图4 两种不同间壁构件隔声量前后多次重复测试结果比较

图5 美国石膏板公司将同样构件在北美13个隔声测试室所得隔声量的比较[8]

这里如取平均值作为该构件隔声的代表值，并不确切。应该说：其最高值更接近该构件实际的隔声性能。类似情况也出现在欧洲多国24个隔声实验室所做的巡回测试比较[9]，见图6。该工作中，为了尽可能减少构件安装上的差异，由同组工匠负责安装，专人监管，测试组人员也基本固定。从图6(a)所示测试结果来看，对低隔声量构件来说数据都比较接近。对高隔声量构件则出现非常之大的离散，在500 Hz以上相差高达10 dB或更多。

1.2 实验室设施引起测试结果的差异

上述结果说明同样构件在不同实验室内的测试结果会出现如此之大的误差，原因可能由多方面因素累积造成的。列举如下：

（1）因发声和接收测试双套间的尺寸会引起隔声量测试结果不小差异。早年建造的实验两套间容积大多偏小(50 m3左右)，使室内声场扩散度较差。两室容积如取相等，测试结果会因耦合影响而比两房间容积不等的要低[10]。因此，ISO 140在1980年修改时规定两室容积要求均大于100 m3，且两室相差耍求≥10%。一些实验结果显示，容积不等时，声源室取大间所得各频段隔声量R都比反方向(声源在小间)的低[11]。国标GB/T 19889-2005对此虽未作出规定，但宜取扩散条件较好的大房间作为声源室，让试件处于更接近漫入射的状况。因较小房间的声场扩散条件总是较差一些[12]。这些情况均应在测试报告中说明。故必要时，宜将声源室与接收室互换位置进行重复测量，以说明本测试系统会因对换声源室可能有多大差异出现。

（2）试件尺寸是根据测试孔来定的。高和宽的尺寸越小，试件边缘长度与面织之比就越大，试件边缘传声带来影响也越大，这样会影响测试结果。国标中建议试件面积为10 m2，并未作硬性规定。考虑到不同实验室测试结果可以互比，不宜缩小试件尺寸。

图6 欧洲24个隔声实验室对两种石膏板轻钢龙骨间壁实验结果的对比和出现的误差此较[9]

（3）声入射到试件表面的条件不同对试件隔声量会有影响。如房间声场比较扩散，声波至试件表面的入射角范围较宽接近漫射条件，一般可达到78°～85°左右。对较小房间，声场扩散条件总是较差，影响入射角范围。

（4）试件装置洞口的壁龛影响也不可忽略[13]。它不仅会妨碍对试件的入射角，亦因试件装置洞口尺寸(色括其深度)和用料不同会带来影响。对高隔声量构件测量时，洞口边框衬料不同，影响就非常明显(见图7)，亦不要以为洞口深度变化不过数十厘米之差，但试件隔声量受入射角的影响不可忽视。

图7 安装试件洞口不同处理对隔声测试结果的影响[13]

（5）对于高隔声性能构件的测试，更因试件周边侧向传声的影响，试件面积对测试结果会引起很大误差。故统一试件尺寸更有必要。

2 龙骨刚度对间壁隔声的影响

分离的双层板由于构造上需要，它们之间的龙骨支撑必不可少。因此，如何在满足结构安全前提下，减少龙骨传声的影响成为提高此类间壁隔声性能的一项重要措施。常见的例子是：同样墙板的间壁，轻钢龙骨的隔声效果明显地高于木龙骨的，两者的计权隔声量RW相差可达5 dB～7 dB[3–4]。可见龙骨刚度对间壁隔声量的影响之大。同为轻钢龙骨，亦可因钢皮厚度或(和)龙骨宽度不同而改变了它的刚度，使间壁的隔声性能出现较大变化。

2.1 龙骨刚度因宽度而变

为了提高间壁隔声，往往首先考虑加厚板材或增加层数。而实验结果启示，仅仅改变龙骨宽度，就可使间壁隔声量获得数分贝的提升。图8所示之例说明：C型龙骨宽度由50 mm增加到100 mm后，间壁的计权隔声量RW提升了6 dB!可见龙骨刚度对间壁隔声影响之大。

图8 两种不同宽度(50 mm和100 mm)轻钢龙骨石膏板间壁的隔声量比较

从加拿大测量资料[14]分析得出与上述相似效果的又一实例(见图9)。这里，同样双面单层13 mm(1+1)石膏板，采用同样厚度钢皮(0.53 mm)制成宽度不同(65 mm，90 mm和150 mm)的三种龙骨(中距均为406 mm)，腔内置有与龙骨宽度相应厚度的吸声棉等情况下间壁隔声量R的比较。可见龙骨宽度加大后，会使它的刚度变小，此变量达到一定程度时，隔声量会明显提高。图9中的150 mm龙骨间壁隔声量比90 mm龙骨的在中频段竞有10 dB的隔声增量。而90 mm龙骨间壁隔声量与65 mm的相比在中频段几乎没有变化。至于低频段隔声量的变化，是随腔厚增加而使共振频率f0下移，带动了低频段隔声量的提高，与龙骨刚度无关。腔厚(相应于龙骨宽度)与龙骨刚度分别对隔声量影响的频段交叉点在200 Hz左右。至于在高频段(本案例大致在2 000 Hz以上)的隔声量，则主要由板材性能所决定的吻合效应控制。因此三种不同宽度龙骨间壁的隔声量，正由于所用石膏板材相同(均为13 mm)，其吻合频率fC处的隔声量低谷未变，隔声量也非常一致，不受龙骨宽度的影响。

加拿大原始资科采用美制老方式的STC(隔声等级)，本文按新ISO计权隔声量RW重新计算比较图9三种间壁计权隔声量RW，150 mm龙骨的双面单层13 mm石膏板间壁达到了53 dB，超过了一砖墙的隔声效果!可见宽的龙骨对提高中、低频隔声都非常有效。

此例中，90 mm和65 mm龙骨的计权隔声量RW分别为47 dB和43 dB。此例充分说明龙骨刚度对间壁隔声起着重要作用。

2.2 龙骨刚度因厚度而变

图9 双面单层13 mm厚石膏板间壁采用三种不同宽度(65 mm、90 mm和150 mm)轻钢龙骨的隔声量比较[14]

龙骨刚度还因钢皮厚度而变，也会影响间壁的隔声性能。近年有人对不同厚度但宽度相同(92 mm)C型轻钢龙骨的石膏板间壁作了隔声测量[15]，表明龙骨钢皮厚度(分别为英制25号、20号和16号，相当于0.5 mm，0.75 mm和1.37 mm)对间壁的隔声性能影响明显。可见钢皮厚度不同改変了龙骨的刚度，也会影响间壁隔声性能，有时会非常明显。图10所示之例中，0.5 mm厚龙骨的间壁隔声量明显地比其它两种厚度的高很多，中频范围相差达8 dB～10 dB！它们的计权隔声量RW分别为44 dB，39 dB和38 dB。

图10 龙骨刚度因钢皮厚度e不同(分别为0.5 mm、0.75 mm和1.37 mm)对间壁隔声量的影响[15]

该实验结果还提供了三种不同钢皮厚度及不同层数板组合间壁的隔声量比较，见表1。它们是：双面单层板(1+1)，单层与双层板组合(1+2)和双面双层板(2+2)。可见薄钢皮(如0.5 mm)因刚度小而使间壁隔声效果明显增大。

上述资料说明龙骨刚度对间壁隔声确有不小影响，这亦是当前研究工作关注的一个热点。

表1 三种钢皮厚度在不同板材组合下的计权隔声量RW比较

3 轻钢龙骨刚度的确定

早年我们认知轻钢龙骨间壁隔声性能优于木龙骨间壁，主要由于前者的声桥具有一定弹性，其作用犹如弹簧那样起到了隔振效果。于是在Sharp(1978)[16]对作为刚性声桥-木龙骨间壁隔声量R的预计式基础上，提出了适用于弹性龙骨隔声量的预计式(1983)[17]如下

式中R1，R2分别为薄扳1和2按质量估算的隔声量（dB），K′为钢龙骨每单位长度计的侧向等效刚度(以N/m计)，nl为龙骨的全部长度/m，S为板的面积/m2，fC为面向声接受一侧薄板的吻合频率/Hz，fB为声桥频率，fC为该板片出现吻合效应低谷的频率/Hz。它与实测结果符合较好(见图11)。

亦由此推算出所用1 mm厚和宽度70 mm拉花轻钢龙骨的侧向等效刚度在107N/m左右。这一由龙骨传声影响间壁隔声量估算结果限于中频段范围。在较低率(fB以下)的隔声量，则主要由板片与空腔组合的共振条件所决定。在较高频率段则由板材的材质和厚度等因斜入射声波引起板内弯曲波产生的吻合效应所决定。它们均与龙骨传声关系不大。

轻钢龙骨的刚度作为间壁中频隔声主要参量来考虑曾备受关注，文献中有以顾王公式相称[18–19]。自上世纪90年代起，尤其是近十多年来，这个问题成为建筑构件隔声研究的一个热点。研究工作集中在下列两个方面：从不同组合间壁隔声实验结果间接估算龙骨刚度，或是用力学方法直接测量龙骨的刚度。

3.1 间接估算

图11 45 mm×75 mm拉花钢龙骨石膏板间壁隔声量测量值o与(1)式预计值曲线的比较[17]

最早注意到我们上述工作的是Davy(1987)，并致力于进一步完善对间壁隔声预估的研究，发表论文多篇，例如文献[8]和文献[20]。他或（和）合作研究者根据（主要借用别人的）实验结果，认为我们过去文中得出的龙骨刚度有数量级的差异[21–22]，因此对我们的工作提出怀疑。事实上，根据本文第3节的资料和讨论，鉴于实用中因龙骨宽度和所用钢皮厚度的变化，造成间壁在中频段隔声量变化如此之大(5 dB～10 dB的差异是常见的)，推算其刚度出现大幅度変化是可能而且实际存在的。Davy则并未注意及此。除了龙骨侧向刚度是影响间壁隔声量的重要因素之外，还存在一些其它方面因素。例如：两侧薄板与龙骨固定后对龙骨实际刚度的影响，龙骨刚度除平移度之外，还存在转动刚度等问题均未考虑在内；刚度随频率変化的规律问题；板与龙骨连接处，按点状或线状连接来考虑对间壁隔声效果是不同的，但迄今仍未有明确结果等等问题。再则，所有作为理论推算依据的间壁隔声实验结果的精度还需提高。鉴于上述种种问题的存在，目前用间接估算方法来确定龙骨刚度有其局限性。

3.2 直接测量

如果能够直接测量龙骨刚度，则有利于选择和改进龙骨的设计。近年有人曾做一些尝试，看来都不合适。例如：Hongisto等[23](2002)借用测试浮筑楼板弹性垫层方法(ISO 9052)[24]，Puig等[25]（2009)借用测试机座隔振弹簧(ISO 10846[26])的方法来测定龙骨的刚度。鉴于使用条件和被测定的材料性质不同，这些标准在此并不适用，即使用于不同龙骨刚度互比也不妥当。例如ISO 9052中，规定被测弹性材抖是整片式的，在预加静态荷载下测得的以单位面积计的动态刚度，显然不适用于间壁中的龙骨。钢龙骨的侧向刚度是影响双层墙隔声性能的重要因素，遗憾的是到目前为止，尚未有确切方法可循。有关龙骨刚度及其对间壁隔声影响，将另文展开讨论。

4 间壁组合的隔声设计

间壁的隔声性能是由各构件组合后的综合效果所决定。为了便于说明问题，在此分别进行讨论。

4.1 板材的选用

板材对间壁隔声特性的影响，除了板材容重之外，它的材质和厚度也很重要，尤其对高频段会出现突然下降的所谓吻合低谷(参见图3)。至于常用(普通和高强)的两种石膏板，根据我们的隔声实验资料，并无明显差异。板材重量问题可简单地通过增加板材层数来解决。我国生产的石膏板常规厚度是12.5±0.5 mm，重约10 kg/m2。间壁每增加一层板后，大致可使RW提升4 dB左右(参见图12)。

图12 三种不同层数石膏板(16 mm厚)间壁的隔声量比较[15]

又因龙骨或间壁构造差异，使间壁隔声增量略有不同(参见表1)。出现吻合谷的频率fC(又称吻合频率)由板片特性决定，即

式中c0为空气中声速/(m∙s-1)，h为厚度/m，cL为板片内纵波的波速/(m∙s-1)，(对石膏板约为1 500 m/s～1 800 m/s)。由此可见，加大板厚使吻合谷向低频前移，对间壁隔声并不有利。薄而坚实的板将使吻合谷移向更高频率，但是对石膏板来说这个变化量很有限。至于吻合谷深度和宽度的影响，从实验结果可知与石膏板厚度、层数和材质有关，与龙骨性能则无关。

4.2 轻钢龙骨的选型

根据上述第3和第4节的讨论，薄钢皮和宽龙骨是经济有效的首选。除非由于结构安全和消防上提出加厚钢皮要求，从隔声效果上以选用0.5 mm厚度及宽度大于75 mm的钢龙骨最为经济有效。

轻钢龙骨造型也会改变龙骨刚度。例如采用异型Ω形龙骨，根据我们有限的实验资料，它比同宽、同厚钢龙骨间壁的隔声量RW约有1 dB～2 dB的提高。据国外资料报导[23，25]，曾利用力学实验对不同造型和尺寸轻钢龙骨的刚度进行测量，以冀获得优选的结果。但由于所用测试方法存在问题，目前尚无可靠资料可循。

4.3 腔内填充吸声材料的效果

板间腔内填充吸声棉可使间壁的隔声性能提高，并随着棉层厚度增大而改进。超细玻璃棉和矿(岩)棉板为最常用。前者质轻，通常为10 kg/m3～20 kg/m3，后者一般为50 kg/m3～75 kg/m3。故同样填放50 mm厚度时，后者对间壁的隔声效果好，单价也并不高。这里要注意的是：棉材对空气的流阻大小是影响间壁隔声性能的主要参量。例如，厚75 mm矿棉(45 kg/m3)的流阻约为17 000 rayls/m，而90 mm厚超细玻棉(13 kg/m3)的流阻仅为4 800 rayls/m。故前者对间壁隔声效果好。图13所示为我们的一组实验结果比较。

图13 同样构造的间壁因腔内填棉不同的实测隔声量比较

同样构造(双面单层12 mm石膏板和C75龙骨)的间壁，腔内填50 mm厚岩棉(100 kg/m3)的计权隔声量RW比之填25 mm超细棉(20 kg/m3)的间壁可高5 dB之多。

综合板材、龙骨和腔内吸声棉三者对间壁隔声的效果，大致可从图14所示资料[27]来说明。

实验所用石膏板厚度均为12.5 mm(8.6 kg/m2)，龙骨中距均为610 mm。它们的构造及计权隔声量RW分列如下：

A：双面单层石膏板、C型48 mm龙骨和腔内空的间壁，RW=34 dB

B：双面双层石膏板、C型48 mm龙骨和腔内空的间壁，RW=43 dB

图14 板材、龙骨和腔内吸声棉对间壁隔声量影响的综合效果示例(英国石膏板公司[27])

C：双面双层石膏板、C型48 mm龙骨，腔内25 mm玻棉(16 kg/m3)的间壁，RW=50 dB

D：双面双层石膏板、C型92 mm龙骨，腔内75 mm玻棉(18 kg/m3)的间壁，RW=56 dB

E：双面双层石膏板、C型146 mm龙骨双侧弹性垫条，腔内50 mm玻棉(13 kg/m3)的间壁，RW=64 dB

4.4 双排龙骨

在间壁隔声要求大于60 dB时，通常需要采用双排分离龙骨以中断声桥传声。图15所示为双排C65(壁厚0.53 mm)轻钢龙骨间壁，中留16 mm空隙，腔内双侧各置65 mm厚玻棉(容重12 kg/m3)的双面双层(2+2)13 mm石膏板间壁的隔声性能[14]，计权隔声量RW为62 dB。比之单独C65(壁厚0.53 mm)轻钢龙骨和同样(2+2)双层石膏板间壁的隔声量有明显提高，RW增加了8 dB。

图15还给出了双排与单排木龙骨间壁(也是双面双层13 mm石膏板)的隔声资料[14]，两者的RW相差达21 dB之多！而且双排木龙骨间壁的RW比双排轻钢龙骨间壁的更大一些(+3 dB)，在高频段竞有10 dB以上的差别。如以图14中双侧有弹性垫条的单排C 146轻钢龙骨、双面双层石膏板间壁相比，它的RW也可达64 dB。这些实验结果还说明：结构传声途径被切断的双排木龙骨间壁的隔声性能并不亚于轻钢龙骨间壁。

图15 双排与单排轻钢龙骨和木龙骨间壁(双面双层13 mm石膏板)的隔声量比较[14]

这里要注意到的是，这些高隔声量实验结果是间壁安装在两个结构分离的测试洞口获得的，而实用中则会受到许多侧向传声的影响，最终达不到预期效果。因此，在一些隔声要求较高(例如RW大于55 dB)的场合，如采用双排龙骨(其它高RW构件亦然)的间壁，而没有对周边侧向传声途径(包括顶面、地面和侧墙)，采取相应隔声措施，必将枉然无效。又如采用双排龙骨间壁之处总是隔声要求很高的，一些构造细节有时也得注意。为了防止相邻房间如高档旅馆客房之间，接线匣对称布置而造成传声“漏洞”，特意在双排龙骨之间再加置一层板。它虽对间壁隔声所增有限，但可防止接线匣间的串音。这些虽是细节，亦不可忽视。

5 结 语

轻钢龙骨间壁的隔声问题受到建筑设计者和声学研究者的关注。前者注意间壁隔声构造的可行性与有效性，以满足特定工程上的需求；后者则着重于间壁隔声性能的测试实验、传声机理上的探索以解释传递途径中出现的各种问题，以及如何提高间壁隔声性能的种种有效措施。此两方面的沟通很是重要。再则，双方都需要有效的间壁隔声实验数据，因此提高测试水平显得迫切。本文旨在总结国内外经验，澄清一些存在的问题，并对近年进展和其中热点作一综合评述，以冀引起各方更多关注。

致谢：作者对博罗（USG）石膏板公司汤旻骅工程师为本文提供相关资料，表示深切谢意。

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