3 种轻型木结构建筑浮筑楼盖的隔声性能研究与应用∗

杨 静 饶 鑫 王 正 李敏敏 黄俣劼

（1.江苏农林职业技术学院风景园林学院，江苏 句容 212400；2.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；3.同济大学土木工程学院，上海 200092）

随着我国经济的高速发展，人们对居住环境质量的要求亦不断提升，特别是对建筑楼盖的隔声性能有了更高的要求。建筑楼盖结构材料的固有频率、阻尼比等模态参数与楼盖结构的撞击声隔声性能密切相关。目前，竹木材料[1-3]、软木、石墨聚苯乙烯板（BGL板）和聚丙烯塑料发泡材料（EPP板）等新材料备受建筑[4-7]、室内装饰[8]、家具等诸多行业青睐[9-14]，2019 年仅葡萄牙软木在我国的销售量近5 万 m2。软木材料具有天然材料的诸多优点[15-16]、优良的隔声性能[17-18]，Carvalho等[19]在混凝土建筑楼盖结构设计上增设一层软木板，整体撞击声隔声试验研究表明，软木板的使用能提高隔声量18～25 dB。邱威等[20]利用BGL弹性垫层材料对钢筋混凝土楼盖进行优化设计，改善了浮筑楼盖的整体隔声效果。本文将葡萄牙软木板（简称软木板）、BGL板、EPP板3 种弹性垫层材料，分别应用于一栋轻型木结构建筑同一间卧室的3 种楼盖结构的隔声设计，并与普通定向刨花板（OSB）楼盖隔声性能进行比较。对软木板、BGL板、EPP板材料开展了阻尼比和弹性模量参数的动态测试，并对日常行为跳跃激励方式下的楼盖隔声量进行测试与分析比较，以期为我国轻型木结构建筑楼盖隔声结构的优化设计与应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 传递函数法试件

表1 传递函数法试件参数表Tab.1 Parameter table of specimen by transfer function method

用于本试验楼盖结构的OSB材料和3 种弹性垫层材料，直径为100 mm的试件用于中低频（1 600 Hz以下）范围测试，直径为30 mm的试件用于高频（1 600～6 300 Hz）范围测试。

1.1.2 阻尼比和弹性模量试件

轻型木结构建筑楼盖结构的材料阻尼比ξ和弹性模量E参数是直接影响建筑结构减振隔声性能的重要因素。楼盖结构材料参数如表2 所示。通过瞬态激励法动态测试试件的阻尼比ξ和弹性模量E，并对楼盖结构的减振隔声性能进行分析。

表2 楼盖结构材料参数表Tab.2 Material parameter table of floor structure

1.1.3 日常行为跳跃激励方式下楼盖隔声量测试的4种楼盖结构体

研究对象为一幢二层轻型木结构建筑内二楼一间面积为9 m2卧房的楼盖结构，试验采用4 种楼盖结构包括1种普通楼盖和3 种浮筑楼盖。3 种浮筑楼盖是在普通楼盖的楼面板与地板间增加了3 种不同弹性垫层构成的楼盖，分别为软木板浮筑楼盖、BGL板浮筑楼盖和EPP聚丙烯塑料发泡板的隔声板浮筑楼盖。楼盖结构形式如图1 所示。

图1 轻型木结构4 种楼盖结构示意图Fig.1 Four floor structures of light timber building

图2 轻型木结构4 种楼盖结构现场图Fig.2 Site drawings of four floor structures of light timber building

1.2 设备

试验主要仪器与设备：BSWA SW422 510045 型阻抗管，大、小管径为100 mm和30 mm；室内温湿度计，北京声望声电技术有限公司。CRAS振动与动态信号采集分析系统，南京安正软件工程有限责任公司； CA YD-125 型压电式加速度计，扬州市巨丰科技有限公司；TES1350B型声级计，泰仕电子工业股份有限公司；AWA6221A声级校准器，杭州爱华仪器有限公司；HK 30 木材含水率仪，上海婉源电子科技有限公司；TG328B电光分析天平（0.1 g），南京联创分析仪器制造有限公司。台虎钳、橡胶锤、钢卷尺（0～5 m）、游标卡尺（0～150 mm）等常用实验室工具。

1.3 测试原理与主要步骤

1.3.1 材料隔声测试

采用基于传递函数理论的四传声器法测试软木板、BGL板、EPP板、OSB板试件隔声量[21-23]。其测试原理如图1所示。通道1和通道2测得的P1和P2分别用入射声压Pi、反射声压Pr表示，材料隔声量、声压透射系数和透射声压分别用TL、τP和Pti表示。

首先，按图3 连接系统并放置好试件；然后校准系统进行中频-大管（100 mm）、高频-小管（30 mm）和样品厚度t（m）等参数设置；采用传递函数测试法，通过加端盖与无端盖方式交替进行隔声循环测试；最后得到材料隔声结果与曲线图。

图3 基于传递函数法的隔声测量原理Fig.3 Sound insulation measurement principle based on transfer function method

1.3.2 动力特性参数测试

式中：E为试件弹性模量，MPa；ρ为试件密度，kg/m；l为试件长度，mm；f1为试件一阶弯曲频率，Hz；h为试件厚度，mm。

主要测试步骤：首先按图4 实现自由板支撑方式，并连接仪器，在试件一端安装好加速度计；然后用橡胶锤锤击试件另一端进行激振，识别其一阶弯曲频率值，得到试件弹性模量E。

图4 自由板瞬态激励法测试试件弹性模量示意图Fig.4 Schematic diagram of elastic modulus of specimen tested by free plate transient excitation method

1.3.3 日常行为跳跃激励方式下楼盖隔声量测试

跳跃为日常生活中较为常见的活动方式之一，试验在关闭门窗条件下，采用瞬态激励法实测4 种楼盖跳跃方式的撞击声隔声量[26]，以研究其撞击声隔声特性，其测试框图见图5。

图5 跳跃撞击声隔声特性测试框图Fig.5 Test block diagram of sound insulationcharacteristics of jumping impact sound

在实际测量中，被测房间内的计权撞击平均声压级表达式为：

式中：L为计权撞击平均声压级，dB；Lj为室内n个不同测点的计权声压级（从L1到Ln），dB。

撞击声改善量ΔL（dB）为：

主要测试步骤：首先设置9 个声级计固定测点；然后一位体重60 kg的成人在各点以跳跃高度为（150±10） mm的定点跳跃方式撞击楼盖，如图6 所示，并通过瞬态激励法测试成人分别对4 种楼盖的撞击隔声量，其单人跳跃激励撞击点布置如图7 所示。

图7 单人跳跃撞击点与声级计布置图Fig.7 Layout of impact point and sound level meter of single person jumping

2 结果与分析

2.1 材料隔声

4 种材料板试件的隔声曲线如图8 所示。

图8 材料板试件的隔声曲线Fig.8 Sound insulation curve of material plate specimen

由图8 可知，厚度为20 mm的软木板在500～1 000 Hz频率段上的隔声性能较好；而厚度为30 mm软木板在高于1 000 Hz频率段上的隔声效果较佳。这是因为声波在软木板内传递时产生共振，使其隔声曲线呈现出隔声低谷特征。挤塑发泡型材料BGL板和EPP板在1 000 Hz时均产生明显的隔声低谷现象。此处的隔声低谷由板整体的共振引起，泡沫结构提供阻尼，减小板的振幅与板向透射侧辐射的声能，从而一定程度上改善了共振时的隔声性能。在低于1 000 Hz频率段时，BGL板和EPP板的隔声性能出现随其频率增高而逐渐降低的现象。BGL板在2 000～3 000 Hz频率段内隔声性能较好，而EPP板在1 000～4 000 Hz频率段上随其频率增高呈下降趋势。BGL板和EPP板在高频段上的隔声性能均相对较低。OSB板的空气声隔声性能在中高频段上呈现较为稳定的特征，这与OSB材料较好的密实性密切相关。

2.2 材料阻尼比和弹性模量

2.2.1 阻尼比

通过瞬态激励法对本试验轻型木结构浮筑楼盖的弹性垫层材料——软木板、BGL板和EPP板进行阻尼比ξ的动态测试，弹性垫层材料阻尼比均值ξ见表3，软木板时域谱如图9 所示。

图9 20 mm 软木板时域谱Fig.9 Time domain spectrum of 20 mm soft board

由表3 可知，相同厚度条件下软木板的阻尼值最高，具有最好的减振性。这是因为软木板内部结构中纤维间通过树脂彼此粘连，同时其细胞腔内含有大量空气，单个细胞犹如空气弹簧，使其在振动能量经过软木时可达到较好减振效果。

表3 弹性垫层材料的阻尼比测试值Tab.3 Damping ratio test value of elastic cushion material

同理，当EPP板和BGL板受振时，其结构内部气泡构成了空气弹簧，通过分子间摩擦运动，实现消能、减振功效。

2.2.2 弹性模量

图10 为OSB、软木板、BGL板和EPP板材料的动态测试频谱。由频谱和公式（2）测算获得楼盖结构材料的弹性模量分别为：松木挂板12 366.61 MPa，实木地板10 276.7 MPa，OSB板6 078.8 MPa，软木板0.375 MPa，EPP板0.055 MPa，BGL板0.011 MPa。在相同厚度条件下，BGL板材料的弹性模量最小，弹性最好，即减振性能强。

图10 楼盖结构材料动态测试频谱图Fig.10 Spectrum of dynamic test for floor structure material

2.3 日常行为跳跃激励方式下的楼盖隔声

2.3.1 跳跃激励隔声量

在门窗关闭条件下，通过瞬态激励法测算的BGL、EPP、软木板和普通OSB的楼盖撞击声改善量ΔL分别为22.2、20.3、15.9 dB和12.6 dB。显然，这是由于软木板、BGL板和EPP板阻尼比值较高，弹性模量值较小，从而达到了上述减振隔声效果。

2.3.2 跳跃激励隔声频谱分析

图11 为4 种楼盖结构在门窗关闭条件下实测的频谱。通道Ch1 表示实测建筑声源室计权撞击声压级的频率分布特性，通道Ch2 表示实测建筑接收室计权撞击声压级的频率分布特性。由图可见，跳跃激励对楼盖结构的瞬时冲击能量集中，在800～6 000 Hz内的声压明显提高；高频范围，其撞击激励的声压大，声效亦较为明显。BGL、EPP和软木板浮筑楼盖比普通OSB楼盖更能有效改善结构中、低频段的撞击声隔声性能，与用传递函数法得到的BGL板、EPP板和软木板在高频段上的隔声性能均相对较低结果相吻合。因此，BGL、EPP和软木板等具有较好弹性和阻尼性能的弹性垫层材料可以用于减振降噪。

图11 4 种楼盖跳跃激励撞击隔声频谱图（跳跃激励-关门窗）Fig.11 Spectrum of impact sound insulation of four floor under jump excitation (jump excitation - closed window)

2.3.3 跳跃激励撞击声压倍数对比

测试时，建筑室内空间的声压计算为P=P010L/20，其中，P0=0.000 02 Pa为零分贝参考值，L为建筑室内测得计权撞击平均声压级。在撞击激励条件下，普通OSB、软木板、BGL板、EPP板的楼盖分隔建筑声源室和接收室的撞击声压倍数计算值分别为4.27、6.24、12.88、10.35。

3 结论

本文对葡萄牙软木板、BGL板、EPP板3 种弹性垫层材料与普通定向刨花板（OSB）的楼盖隔声性能进行比较研究，结果表明：软木板材料阻尼比值最高，EPP板次之，BGL板再次之，OSB最低；而OSB材料弹性模量最高，软木板次之，EPP再次之，BGL板最低。BGL、EPP和软木板3 种弹性垫层材料的减振隔声性能较强。在跳跃激励方式下，实测的BGL、EPP和软木板3 种浮筑楼盖的撞击声隔声量比普通OSB楼盖隔声量提高了3～10 dB。BGL楼盖的隔声性能最好，EPP和软木板楼盖较次之，而普通OSB楼盖最低。此外，跳跃激励方式下，由于人对楼盖结构的瞬时冲击能量集中，在高频范围内其撞击激励的声压大，声效较为明显。BGL、EPP和软木板3 种浮筑楼盖能有效改善结构中、低频段的撞击声隔声性能，可提高用户居住舒适度要求。