基于多因素方差分析法的外窗隔声性能分析与研究

鲍 全

（镇江市建设工程质量检测中心有限公司，江苏 镇江 212004）

0 引言

随着国民经济快速发展及城镇化进程的推进，各种交通噪声、施工噪声和社会生活噪声无处不在。噪声污染做为现代城市主要环境污染源之一［1-2］，所引发的环境和社会问题受到愈加广泛的关注。它不仅影响睡眠、干扰工作学习，还会造成听力损伤，甚至引发各类疾病［3-5］；中低频段的交通噪声危害则更为明显。实践表明外窗是建筑围护结构中隔声性能较薄弱的部分［6-7］，240 mm 厚黏土砖墙的隔声量约 45 dB，240 mm 厚混凝土构件的隔声量约 50 dB，而普通外窗的隔声量仅为 25～30 dB［8］。提高外窗的空气声隔声性能，能显著改善建筑室内声环境质量［9-10］。国内现阶段对外窗隔声性能研究工作，有的基于噪声频谱特性分析不同窗型的应用特点［11］，有的针对声波在窗体中的传播特性进行理论研究［12］，或通过计算机软件进行外窗隔声效果的数值模拟［13-15］，也有从双层隔声窗、自然通风隔声窗的窗型结构优化设计开展研究分析［16-18］。玻璃作为外窗的主要配件，分析其对外窗隔声性能的影响特性，对提高外窗整体隔声性能具有十分重要的现实意义。

本文使用多因素方差分析中的相伴概率（Sig.）来量化玻璃规格对外窗隔声性能的影响，判断出玻璃规格与其它因素的交互效应是否会产生显著影响，用描述性统计量差值来表征因变量的变化程度。研究过程中使用了 SPSS 软件辅助多因素方差分析计算，并使用 Virtual lab 软件模拟对试验测试结果的准确性进行验证。

1 试验测试

建筑构件隔声性能的测试方法有实验室测试法和现场测试法，本文依据 GB/T 8485－2008《建筑门窗空气声隔声性能分级及检测方法》［19］，采用隔声室法进行外窗隔声性能测试。隔声实验室建设采用了“房中房”结构形式，有效降低了测试过程中外界噪声对混响接收室本底噪声的影响，提高了试验结果的准确性。

相关研究［20-21］表明影响外窗隔声性能的因素有型材种类、开启方式、玻璃规格等。为了使研究对象具有代表性，笔者到本地区多家门窗生产企业，对近 5 年不同窗型的产品规格进行了调研。同时查阅了镇江市工程质量检测数据平台内相关信息，对不同窗型的工程检测数量分类统计。本地区建筑市场上塑钢窗、断桥隔热铝合金窗应用较为广泛，开启方式主要以推拉、平开方式为主。外窗玻璃规格主要有 6+12A+6、5+19A+5 等，为了满足建筑节能要求，三玻两腔玻璃（如 5+6A+5+6A+5）的使用率也逐渐提高。将 240 余组外窗隔声性能试验数据按上述窗型材种类、开启方式、玻璃规格进行分类，取各类的“能量平均值”［19］，并以生产厂家为特征划分区组，以消除生产水平的影响，试验结果汇总如表 1 所示。试验和计算过程在 GB/T 8485－2008《建筑门窗空气声隔声性能分级及检测方法》 中均有详细表述，此处不做赘述。

标准中以计权隔声量和频谱修正量 Rw和频谱修正量（粉红噪声频谱修正量 C 或交通噪声频谱修正量 Ctr）来表征建筑门窗的隔声性能。例如，Rw（C；Ctr）=27（-1；-2）dB，当该樘试验窗为建筑外窗时，其隔声量为25dB，为了使研究工作方便，表 1 中的隔声量数值均为按用途“建筑外墙用”计算后的隔声量。

表1 试验结果汇总

2 多因素方差分析

多因素方差分析法［22］是指在有两个或两个以上的因素对因变量产生影响时，利用方差比较，通过假设检验来判断各因素是否对因变量产生显著影响。在分析中，把某个因素单独对因变量产生的影响称为“主效应”，把因素之间共同产生的影响称为“交互效应”，因素的特定状态或者数量等级称为“水平”。

2.1 模型的建立和计算

设影响外窗隔声性能的 3 个因素分别为型材种类、开启方式、玻璃规格。设“型材种类”为因素 Ai，水平 A1为塑料（钢）窗、A2为断桥隔热铝合金窗；设“开启方式”为因素 Bj，水平 B1为平开窗、B2为推拉窗；设“玻璃规格”为因素 Ck，水平 C1为“6+12A+6”、C2为“5+19A+5”，C3为“5+6A+5+6A+5”。每个水平组合Ai×Bj×Ck，重复进行 n 次实验（此处 n=4，表 1 以厂家为特征划分区组），用 ηikjn表示每次试验结果，即该试验窗的隔声量。

公式（3）经计算，得到结果如表 2 所示。

2.2 利用 SPSS 求解

SPSS 是我国高校、科研机构应用最为广泛的专业统计软件之一。它的基本功能包括数据维护管理、统计分析和图表输出等。基本统计过程有描述性统计、均值比较、一般线性模型、回归分析等大类。本文主要利用其一般线性模型中的单变量分析功能。

SPSS 输入的变量为数值型，依据 2.1 节建立的数学模型，进行变量设置，如图 1 所 示。再将表 1、表 2 中的数据输入 SPSS 软件中，如图 2 所示。利用一般线性模型中的单变量方法，设置外窗空气声隔声性能为因变量，型材种类、开启方式、玻璃规格 3 个因素为自变量，在显著性水平 0.05 下进行了分析，输出描述性统计量，如表 3 所示。

图1 SPSS（18.0 版）变量视图界面

图2 SPSS（18.0 版）数据视图界面

3 验证和检验

3.1 试验结果验证

Virtual lab 软件是一款声学仿真分析的软件（见图 3），基于匀质构件隔声原理，对单层或多层匀质构件隔声性能进行分析研究。由于建筑外窗是由型材、玻璃、五金件等配件组装而成，整体结构形式复杂，因此只能对 6+12A+6，5+19A+5，5+6A+5+6A+5 三种规格的玻璃制品的隔声量进行模拟分析，模拟计算结果如表 4 所示。

表2 多因素方差分析表

表3 描述性统计量

图3 Virtual lab 软件操作界面

表4 中空玻璃制品隔声量模拟计算结果

一方面，使用隔声室法测试 6+12A+6，5+19A+5，5+6A+5+6A+5 三种规格玻璃制品的隔声量，声频谱曲线如图 4 所示，按照 GB/T 8485－2008《建筑门窗空气声隔声性能分级及检测方法》计算得 3 种玻璃制品隔声量分别为 31.0、33.1、35.3 dB。与表 4 中 Virtual lab 模拟计算结果基本一致。

图4 中空玻璃制品隔声量试验测试频谱曲线图

另一方面，在变量因素为“玻璃规格”唯一因素时，对比隔声量差值的变化。由表 3 第 33～35 行数据计算可知，玻璃由 6+12A+6 换为 5+19A+5，外窗隔声量增加 1.5 dB，玻璃由 6+12A+6 换为 5+6A+5+6A+5，外窗隔声量增加 3.9 dB。由表 4 计算得，5+19A+5 玻璃制品比 6+12A+6 玻璃制品隔声量模拟计算值高 1.7 dB，5+6A+5+6A+5 玻璃制品比 6+12A+6 玻璃制品隔声量模拟计算值高 3.6 dB，差值结果基本一致，也间接验证了试验测试结果的准确性。

3.2 方差等同性检验

在保证试验结果准确的前提下，再次利用 SPSS 软件对表 3 中的试验结果进行误差方差等同性检验，得到方差齐次性检验结果如表 5 所示。表 5 中相伴概率（Sig.）为 0.928，大于显著性水平0.05，各组之间的总体方差相等，满足方差分析的前提，因此证明多因素方差分析法适用于本次研究。最后进行主体间效应检验，结果如表 6 所示。

表5 误差方差等同性检验结果

表6 主体间效应检验结果

表 6 中因素 C 主效应的相伴概率（Sig.）为 0.008，小于显著水平 0.05，可知玻璃规格对外窗隔声性能影响显著。主因素 A、B 主效应的相伴概率（Sig.）分别为 0.152 和 0.000，0.000＜0.008＜0.152，可知玻璃规格对外窗隔声性能的影响大于型材种类对外窗隔声性能的影响，且小于开启方式对外窗隔声性能的影响。因素 B×C 的相伴概率（Sig.）为 0.010，小于显著水平 0.05，可知玻璃规格与开启方式的交互效应对外窗隔声性能的影响显著，其它交互效应影响均不显著。

4 结论

通过研究得到以下结论：

1）玻璃规格对外窗隔声性能影响显著。玻璃规格对外窗隔声性能的影响大于型材种类对外窗隔声性能的影响，且小于开启方式对外窗隔声性能的影响。

2）玻璃规格与开启方式的交互效应对外窗隔声性能的影响显著，其它因素交互效应的影响均不显著。

3）玻璃由 6+12A+6 换为 5+19A+5，外窗隔声量增加约 1.5 dB，玻璃由 6+12A+6 换为 5+6A+5+6A+5，外窗隔声量增加约 3.9 dB。