基于极差分析法的外窗隔声性能研究

谢小利，卢凌寰，梁 凯，杨 阳（广西壮族自治区建筑科学研究设计院， 广西 南宁 530011)

建筑围护结构通常通过外窗来采光和通风，而窗是围护结构中隔声最薄弱的环节，尤其是受可开启扇的影响[1]。普通墙体构造如水泥砂浆（20 mm）+混凝土小型空心砌块（190 mm)+石灰水泥砂浆（20 mm）的计权隔声量可以达到 50 dB，而中空玻璃铝合金窗和单层玻璃窗计权隔声量仅为 30～27 dB[2]。处于交通干线旁、商业中心等闹市的建筑外窗的隔声性能，直接影响人们正常的生活质量。提高建筑外窗的隔声性能，是保证室内声学环境的有效果途径[3-4]。已有的研究表明建筑外窗隔声性能的影响因素包括了型材种类、开启方式、玻璃规格、厚度等[3]，但这些影响因素的主次顺序和改进措施仍需要进一步的研究。因此，本文基于正交试验方法对不同构造的外窗的隔声性能进行现场测试，并结合 COMSOL Multiphysics 5.5 计算软件模拟分析了外窗的不同参数和构造对隔声性能的影响。

1 试验方法

本区域建材市场上常用的建筑外窗型材有塑钢窗框和铝合金窗框，开启方式以推拉、平开方式为主。本文以上述窗型材种类和开启方式作为研究对象，同时为了使研究具有明显差异性，外窗玻璃规格选用了 6+12A+6 和 5+19A+5 两种玻璃规格，通过正交设计的方法来研究不同因素对外窗隔声性能的影响，即选择型材种类、开启方式、玻璃规格 3 个因素，并选取 2 个水平，正交设计表如表1 所示。

表1 正交设计表

试验依据规范 GBT 19889.5—2006《建筑和建筑构件隔声测量第 5 部分：外墙构件和外墙空气声隔声的现场测量》，采取声压法对各窗户进行测量，并按规范对测量数据进行计算处理。

2 结果与分析

2.1 极差分析

极差分析法常用于正交试验的结果分析，由于计算简单、直观易懂而被称为直观分析法。该方法在分析问题时采用每一个因素的平均极差来获得极差值，从而得出考察指标的影响因素的主次顺序及最佳的因素水平组合。本文的正交试验的隔声性能结果也采用了极差分析方法来分析，研究开启方式、玻璃规格和型材种类 3 个因素和 2 个水平对外窗隔声性能的影响情况，计算结果如表2 所示。

表2 外窗隔声性能试验结果和极差分析

从表2 可以很直观地看出，开启方式对外窗隔声性能影响最显著，其次为玻璃规格。从各因素的优水平来看，平开方式较推拉开启方式的隔声性能更好，塑钢窗框的隔声性能优于铝合金窗框，且 5+19A+5 的玻璃规格优于 6+12A+6，后者的玻璃厚度虽然有所增加，但其中空玻璃的空气夹层的厚度较小，导致隔声性能略低。根据 08 J 931《建筑隔声与吸声构造》中提供的单层玻璃的厚度和计权隔声量建立的关系，如图1 所示。

图1 玻璃厚度与隔声量的关系图

由图1 可知，玻璃的厚度与隔声量具有较明显的线性关系，因此增加玻璃的厚度对窗的隔声性能也具有明显的提高作用。

2.2 外窗隔声性能模拟分析

通过上述外窗正交试验的研究分析可见，外窗的开启方式是影响外窗隔声性能的关键，为进一步探索外窗隔声性能的薄弱环节，采用 COMSOL Multiphysics 5.5 计算软件对建筑外窗的隔声性能进行仿真。本模拟假设条件为：测试样本对声源侧的声场影响很小，外窗侧为理想的扩散场，接收侧为理想的消声终端。对推拉铝合金玻璃窗（6+12A+6）进行拟合。拟合结果表明，在 250 Hz 处，窗的透射声能分布不均匀，在窗框的四周透射声能较大，说明该处的窗扇与四周的滑轨间存在的缝隙引起漏声较大。1 000 Hz 和 2 000 Hz的声强等值线拟合结果也表明，在窗的左右两侧透射声能较其他部位大，说明该处有较大的漏声，这与 250 Hz 低频率的透射声能分布不同。250 Hz 时为低频声波，具有较强的衍射能力，但随着频率的升高，声波的衍射能力减弱，导致窗四周透射的声能更加不均匀[5]。因此，外窗在高频率段时的隔声性能较好，但在中低频率段的较差，而生活和交通噪声主要为中低频噪声，且人耳对该频段的噪声更敏感[6]。所以，改善外窗在该频率段的隔声性能具有重大意义。

2.3 外窗隔声性能的技术措施

通过上述分析可知，围护结构外窗隔声性能的改善应主要针对低频段的噪声，具体改善措施如下：

（1）选择外窗时应选择远离所处的噪声频率集中的某一频段的产品，以减小共振带对外窗隔声性能的影响。

（2）根据外窗的朝向、安装高度、噪声环境和房间的功能进行隔声设计，可有效降低经济成本。

（3）对声环境要求高的场所，可通过采用夹层玻璃或中空玻璃、增加型材的厚度和面密度、增加玻璃厚度和中空玻璃空气层厚度等方式来达到隔声效果。

（4）对有特殊隔声要求的外窗，可将推拉方式改为平开方式，且用密封条来降低开启扇的漏声。

3 结 语

本文基于正交试验方法对不同构造的外窗的隔声性能进行现场测试，并结合计算机模拟，分析了外窗的不同参数和构造对隔声性能的影响，获得以下结论：

（1）平开方式的隔声性能优于推拉开启方式的隔声性能，塑钢窗框的隔声性能优于铝合金窗框的隔声性能，且5+19A+5 的玻璃规格的隔声性能优于 6+12A+6 的隔声性能。

（2）开启方式对外窗隔声性能的影响最显著，其次为玻璃规格，窗框型材种类对外窗隔声性能的影响作用最小。

（3）玻璃的厚度与隔声量具有较明显的线性关系，因此增加玻璃的厚度对窗的隔声性能也具有明显的提高作用。

（4）入射噪声为低频噪声时，外窗透射声能分布不均匀，在可开启扇与窗框的缝隙之间存在较大漏声，增大入射噪声频率时，外窗透射声能分布不均匀程度将进一步提高。

（5）窗在高频率段时的隔声效果较好，但在中低频率段的隔声效果较差，因此改善外窗在中低频的隔声性能具有重大意义。在外窗隔声性能改善措施中，优先选择将推拉开启方式改为平开方式，可同时采用夹层玻璃或中空玻璃、增加玻璃和中空玻璃空气层厚度、增加型材的厚度和面密度等方式来达到更好的隔声效果。