常用墙体隔声性能的影响因素及改进措施

谢东，谢小利，杨阳，卢凌寰

(1.广西建设职业技术学院土木工程学院，广西南宁 530007；2.广西壮族自治区建筑科学研究设计院，广西南宁 540005)

0 引 言

墙体在围护结构中占据面积最大，其隔声性能对室内声环境具有决定性的影响，常用的墙体包括混凝土墙、烧结页岩多孔砖或多孔砌块墙、混凝土空心砌块墙、轻钢龙骨石膏板等，常见的墙体构造基本能满足现行国家标准民用建筑隔声设计规范：GB 50118—2010 对一般房间的空气声隔声性能的要求[1]，但对有特殊要求的房间和高品质建筑的房间，仍需进一步提高其隔声性能[2]。

墙体声能的传播途径主要包括两个方面，一方面是声能在空气层的传播，另一方面是声能通过声桥进行传播[3-4]。对于单层墙体隔声，通常可通过增加墙体的刚度和阻尼的方法来提高声能在传播过程中的损耗，从而提高墙体的隔声性能[5-6]，如增加墙体的纤维、聚苯乙烯泡沫颗粒、玻璃泡沫颗粒、沸石等成分[7-9]。对于双层或多层墙体的隔声，因层间压力波的振动耦合作用，使声波的传输更为复杂，声能的传播不仅受刚度、阻尼材料的影响，同时还受层间声腔共振的影响[10]，因此对于双层或多层墙体，尤其是针对低频段的噪声[11-13]还可通过在层间填充吸声材料如聚合物泡沫、吸声棉等来提高声能的消耗和削弱吻合效应。其中钢龙骨轻质隔墙还可采用弹性钢垫条连接，板材、龙骨、腔厚及填充组分、构造形式等来改变间壁的隔声性能[14-16]。如Vi‐gran[17]、Nguyen等[18]的研究表明，不同刚度的轻钢龙骨在各频率下对隔声量的影响具有明显的区别，并将有效刚度作为刚性声桥间壁隔声量预估的参量。Antonio 等[19]采用一侧为单层面板，另一侧为双层面板的轻质隔墙构造形式来改善墙体的隔声性能，使墙体系统在低频段未出现共振现象。近年来，这些研究为墙体隔声性能的改善提供了有效的方法，但针对不同的墙体构造和不同噪声频段的隔声性能的改善措施和效果的综合研究还较少。因此本文对常用的墙体进行现场测试，并结合COMSOL Multiphysics 5.5 计算软件模拟分析了墙体的不同参数和构造对隔声性能的影响，提出了不同噪声频段下常用墙体隔声性能的改善措施，从而对墙体隔声构造技术在各频段噪声环境下的噪声控制工程中的应用进行指导，为高品质建筑隔声墙体的推广应用提供技术支持及保障。

1 实验方法和墙体构造

1.1 研究方法

本文对常用墙体的空气声隔声性能进行现场测试，现场测试采用的建筑声学测量系统、设备和方法，符合现行国家标准声学 建筑和建筑构件隔声测量 第4部分：房间之间空气声隔声的现场测量：GB /T—19889.4规定的要求[20]。计权隔声量的计算采用1/3 倍频程中心频率在100～5 000 Hz 范围的频段。同时采用振动——声分析有限元计算软件COMSOL Multiphysics 5.5 对不同墙体的隔声性能进行仿真分析，通过有限元结构模型和间接边界元流体模型之间的耦合，获得常用的墙体构造的五阶结构模态和隔声曲线，用于分析不同频段下墙体的隔声特性。

1.2 墙体构造

仿真分析的墙体分别为混凝土墙体、烧结页岩多孔砖墙体和轻钢龙骨石膏板墙体，墙体构造图如图1 所示。模拟计算采用的墙体材料的参数如表1所示。

表1 墙体模拟计算的参数Table 1 Parameters for wall simulation calculations

2 常用墙体参数对隔声性能的影响

2.1 常用墙体厚度、面密度与隔声量的关系

大量的研究结果表明，墙体的隔声性能受墙体厚度及墙体面密度的影响[21-,22]，为进一步探讨二者与隔声量之间的关系。本文根据建筑隔声与吸声构造：GJBT—1041 标准[23]及实验测试结果，建立了轻骨料混凝土砌块类、石膏砌块类及增强水泥轻质条板类墙体的厚度、面密度与隔声量之间的关系，拟合结果如图2和图3所示。

图2 墙体总厚度与计权隔声量的关系Fig.2 Relationship between weighted sound insulation and total thickness of the wall

图3 墙体面密度与计权隔声量的关系Fig.3 Relationship between weighted sound insulation and surface density of the wall

由图2可见，墙体的隔声量与墙厚度有较好的线性关系，线性拟合相关系数R分别为0.818 1 和0.895 7。总体而言，墙体越厚，隔声量越大。除此之外，隔声量还与墙体常用的材料的特性有关，当墙体采用刚性、高声阻及匀质密实材料时，可提高质量、惰性抗力，减小振动、传声，从而提高隔声性能。从图2也可看出，相同厚度的轻骨料混凝土砌块和增强水泥轻质条板，前者的隔声性能相对较好。

由图3可见，轻骨料混凝土砌块类、增强水泥轻质条板类和石膏砌块类的计权隔声量与墙体面密度的线性相关系数分别为0.791 1、0.912 0和0.953 1。总体而言，计权隔声量随墙体面密度的变化趋势一致，即计权隔声量随面密度的增大而增大。此外，从图3还可看出，相同面密度的水泥轻质条板与石膏砌块，前者具有相对更好的隔声性能。目前常用的墙体厚度一般为90～200 mm，大多为轻集料墙体、多孔砖、石膏墙体、烧结页岩空心砌块、加气混凝土砌块以及其他形式的轻质墙体等，其面密度一般不大于300 kg·m-2。通过图3 轻骨料混凝土砌块类的拟合曲线可以看出，曲线的斜率为0.042 5，相关系数R为0.791 1，说明隔声量随墙面密度增加而增加的趋势并不明显，单一地增大面密度并不是改善轻骨料混凝土砌块类隔声性能的理想途径。

由此可见，墙体厚度、面密度对墙体的隔声性能有显著影响，增加厚度在一定程度上能提高隔声性能，但也会增加结构的承重并大幅度提高生产和施工成本[24]，因此该方法并不提倡。所以在提高墙体隔声性能时，应综合考虑所处环境的噪声频段，合理选择刚性、高声阻及匀质密实的材料，而不应盲目地提高墙体厚度。

2.2 墙体隔声仿真模型的建立和分析

为进一步分析在不同噪声频段下墙体的隔声特性，采用COMSOL Multiphysics 5.5 软件对图1 中的三种墙体构造分别拟合至1 000 Hz，获得5阶结构模态和隔声曲线，其结果如图4～6所示。

图4 混凝土墙体的振动模态图及其隔声曲线Fig.4 Vibration modal diagrams of concrete wall and its sound insulation curves

图5 烧结页岩多孔砖墙体的振动模态图及其隔声曲线Fig.5 Vibration modal diagrams of sintered shale perforated brick wall and its sound insulation curves

图6 轻钢龙骨石膏板墙体的振动模态图及其隔声曲线Fig.6 Vibration modal diagrams of light steel keel gypsum board wall and its sound insulation curves

墙体的隔声特性受材料的阻尼、密度、厚度、噪声源频率以及边界条件等多种因素的共同影响[25]，因此墙体的隔声性能模拟结果与实际情况存在一定的偏差。墙体隔声特性曲线依据频率从低到高可分为四个区，依次为刚度控制区、阻尼控制区和质量控制区及吻合效应区，如图7所示[25]。刚度控制区指起始频率到共振频率的区间，在该区域面板刚度成为隔声量的主要控制因素，且刚度与隔声量呈正相关；当频率增大，墙体隔声曲线进入到阻尼控制区，发生共振，面板阻尼成为隔声量的主要控制因素；当频率超过阻尼控制区，则进入质量控制区，在该区域的隔声量受质量效应的影响较大，频率保持一定的情况下，适当地提高面板的面密度也就是质量时，面板隔声量会随之提高，而对于同一面板来说，频率提高的同时隔声量也会增加；当频率增加到临界吻合频率时，墙体的隔声性能则从质量控制区跃到吻合效应区，在该阶段随着频率的增加隔声量会出现一个吻合低谷。因此随着频率的增加，墙体会出现不同的控制区，可通过改变不同频率时起主导作用的材料特性来改善墙体的隔声性能。

图7 墙体隔声特性曲线及分区[25]Fig.7 Sound insulation characteristic curves and partitions of wall[25]

根据隔声特性曲线的分区，从图4～6可见，三种墙体的隔声仿真曲线与图7中墙体在中低频范围内的隔声特性曲线是相似的，即在刚度控制区域，频率一定时，隔声量与面板刚度呈正相关，当刚度增大时，隔声量增加；面板一定时，隔声量则随着频率的增加而降低。当频率继续增加到共振频率时，隔声曲线进入到阻尼控制区，在该阶段材料阻尼特性显著影响材料的共振情况，当阻尼作用增加时，隔声低谷越浅，隔声性能越好；随着频率的继续增大，隔声曲线进入质量控制区，在该区域面板的隔声性能主要由材料的面密度也就是质量决定，当面板的质量增大时面板的隔声量增加。通过上述三种墙体模型的隔声仿真曲线图可知，设计墙体隔声时应针对墙体的频率特性曲线进行考虑，从而更好地达到墙体的隔声降噪效果。

通过计算获得混凝土、烧结页岩多孔砖和轻钢龙骨石膏板墙体(内墙填充50 mm厚玻璃棉)三种墙体的计权隔声量分别为52、45和43 dB。混凝土墙体的隔声曲线在刚度控制区、质量控制区的隔声效果比较好，但阻尼控制区的隔声效果相对较差，其计权隔声量大于其他两种墙体，说明刚度、密度即质量效应在影响混凝土墙体中低频的隔声量中占比较大。但在阻尼控制区的隔声量低谷较大，因此可提高混凝土的阻尼特性来进一步改善墙体的隔声性能，如在混凝土中增加纤维、聚苯乙烯颗粒等材料的含量。烧结页岩多孔砖仿真模拟得到的隔声曲线与混凝土的隔声曲线相似，也是在阻尼控制区的隔声量较低，在刚度控制区和质量控制区的隔声量较钢筋混凝土的隔声量低，但高于轻钢龙骨石膏板墙体的隔声量。因此，对于多孔砖或砌块类材料，可以在孔洞内填充阻尼材料如岩棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫等来进一步提高隔声量。轻钢龙骨石膏板(内墙填充50 mm 厚玻璃棉)的墙体计权隔声量最小，虽然轻钢龙骨的密度最大，但龙骨较薄，主要起支撑作用，内部填充了低密度的玻璃棉，导致其在刚度控制区和质量控制区的隔声量相对其他两种墙体低。但由于填充了大量的玻璃棉，墙体阻尼较大，使其在阻尼控制区产生的共振影响比较弱，所以其隔声低谷较其他两种墙体的浅。因此可通过增加轻钢龙骨或面板材料的厚度来提高刚度和面密度，进一步提升其隔声性能。

3 墙体隔声性能优化结果与分析

根据上述的模拟结果，分别对混凝土墙体、砌块类墙体和轻钢龙骨石膏板墙体进行隔声性能优化，其中混凝土实验墙的隔声改进措施主要是在强度等级为30 MPa 的混凝土中掺入质量为混凝土质量0.3%的聚丙烯纤维和0.5%的聚氨酯吸声材料，混凝土墙体厚度分别为120 mm和150 mm。砌块类墙体的改进措施是在290 mm×190 mm×90 mm烧结页岩空心砖中填满密度为31.5 kg·m-3的岩棉，砌筑成实验墙后双面进行20 mm厚的水泥砂浆抹灰。轻钢龙骨(内填50 mm厚玻璃棉)石膏板墙体的轻钢龙骨厚度增加，使单位长度质量从0.82 kg·m-1增加至1.23 kg·m-1，双面石膏板厚度从12 mm增至15 mm。现场测试时声源室的尺寸为4.5 m×4.6 m×3.1 m，接收室的尺寸为4.3 m×4.6 m×3.1 m，墙体的长和高分别为4.6 m×3.1 m，测试结果如表2及图8～10所示。

表2 不同墙体的隔声量Table 2 Sound transmission losses of different walls

图8 不同混凝土墙体在不同频段的隔声性能Fig.8 Sound insulation performances of different concrete walls in different frequency ranges

由表2和图8可见，有限元仿真分析结果与实际测试结果基本一致，墙体的隔声性能变化趋势符合墙体的质量定律，且混凝土墙体厚度增大，隔声量增大。此外，在125～250 Hz 频率范围内，受刚度的影响混凝土出现了低频共振，从而导致出现了隔声量低谷。增加了纤维和聚氨酯的混凝土墙体刚度较低，因此表观隔声量在该频率范围稍低于普通混凝土墙体，随后表观隔声量随着频率的增大呈增大趋势，且增加了纤维和聚氨酯的混凝土墙体的表观隔声量大于普通混凝土墙体。纤维常用于约束混凝土裂缝的扩展，但作为一种有机材料也具有一定的阻尼特性，而聚氨酯泡沫塑料则具有较好的吸声性能。两种材料使混凝土墙体在阻尼控制区具有很好的隔声性能，因此在500～630 Hz 频率范围内受阻尼及刚度共同作用，混凝土墙产生共振也导致出现了隔声量低谷，但添加纤维和聚氨酯材料的混凝土墙体的隔声量低谷明显更浅。在1 250 Hz 及2 500 Hz频率附近由于吻合效应的存在形成了较大的隔声量低谷，添加了纤维和聚氨酯材料后隔声量低谷也得到了明显改善。结合表2中数据可见，混凝土墙体厚度增大，计权表观隔声量增大，添加纤维和聚氨酯后，混凝土墙体的计权表观隔声量可提高1～2 dB，且混凝土墙的粉红噪声修正使隔声量减少约1～2 dB，交通噪声修正对混凝土墙的影响较大，使隔声量减少约3～4 dB。

由图9可见，烧结页岩空心砌块墙体的隔声曲线与混凝土墙体的隔声曲线相似。填充岩棉后的烧结页岩空心砌块的表观隔声量在各频段均高于未填充的墙体。在125～250 Hz 频率范围受刚度的影响也出现了低频共振，出现了隔声量低谷。随后表观隔声量随着频率的增大呈增大趋势，尤其是填充岩棉后的烧结页岩空心砌块墙体，在阻尼控制区的隔声量低谷并不明显，因为岩棉填充在孔洞中会增加声传播的衰减量，从而使阻尼控制区的隔声性能得到明显的提高。因此在500～630 Hz 频率范围受阻尼及刚度共同作用产生共振，虽然导致了隔声量低谷的出现，但填充岩棉后的墙体的隔声量低谷并不明显。在1 250 Hz及2 500 Hz频率附近，由于吻合效应的存在形成了较大的隔声量低谷，填充了岩棉后的表观隔声量也得到了明显改善。结合表2中的数据可见，烧结页岩空心砌块墙体填充岩棉后，墙体的计权表观隔声量可提高4 dB，烧结页岩多孔砌块墙体的粉红噪声和交通噪声修正使隔声量分别减少1 dB和2 dB。

图9 不同烧结页岩空心砌块墙体在不同频段的隔声性能Fig.9 Sound insulation performances of different sintered shale hollow block walls in different frequency ranges

由图10 可见，有限元仿真分析结果与实际测试结果基本一致。墙体的隔声性能变化趋势符合墙体的质量定律，即增加轻钢龙骨的厚度(即单位长度质量)和石膏板的厚度，表观隔声量在各频段均有提高。在125～250 Hz 频率范围，受刚度的影响出现了低频共振，从而导致出现了隔声量低谷，轻钢龙骨厚度和石膏板厚度增加(即刚度、面密度增加)后，刚度控制区的表观隔声量明显得到了改善。随后表观隔声量随着频率的增大呈增大趋势，在500～630 Hz频率范围受阻尼及刚度共同作用出现了共振，从而导致了隔声量低谷的出现，但在空腔中填充了玻璃棉后削弱了声传播的能量，因此阻尼控制区的隔声量低谷并不明显。在1 000 Hz及2 500 Hz频率附近由于吻合效应的存在形成了较大的隔声量低谷，增加了轻钢龙骨的厚度和石膏板的厚度后，该隔声量低谷明显变浅，说明增加轻钢龙骨和石膏板厚度后，隔声性能得到明显提高。结合表2 可见，100系列的轻钢龙骨石膏板墙体较75系列的隔声性能得到了一定的提升。轻钢龙骨(内填50 mm厚玻璃棉)石膏板墙体的轻钢龙骨单位长度质量从0.82 kg·m-1增加至1.23 kg·m-1，双面石膏板厚度从12 mm 增至15 mm，计权表观隔声量提高了2～3 dB。轻钢龙骨壁厚增加后，提高了轻钢龙骨的刚度，从而降低了临界频率，不利于隔声量的改善[14]。然而墙体的隔声性能不仅受刚度的影响，同时还受阻尼效应、质量效应等多种因素的综合影响[25]。本研究同时也增加了石膏板的厚度，根据质量定律，墙板质量增加，双面墙板在各频率时的传输损耗增加[13]，因此使墙体系统的隔声性能有所提高。此外，从表2还可看出，轻钢龙骨(内填50 mm厚玻璃棉)石膏板墙体的粉红噪声修正使隔声量减少约2～3 dB，交通噪声修正对该种墙的影响较大，使隔声量减少约5～7 dB。

图10 不同轻钢龙骨石膏板墙体在不同频段的隔声性能Fig.10 Sound insulation performances of different light steel keel plasterboard walls in different frequency ranges

通过上述分析可见，该测试结果与拟合结果基本一致。各墙体的隔声性能变化趋势符合墙体的质量定律，即刚度、面密度(质量效应)增大，隔声量增大。隔声量主要取决于材料的刚度、质量和共振时的阻尼特性，其中墙体材料的阻尼越大，共振的影响就越小。因此在设计相应的降噪构造时，为防止发生共振情况，应该通过控制面板的固有频率，避免与目标噪声的频率相近，在达到面板的固有频率之前，由材料的刚度来控制降噪效果，在达到面板的固有频率之后，则由面板质量起控制作用。经过上述对各墙体构造的仿真和现场测试结果分析，初步总结出了如下的墙体构造方法：对于面板材料，应该首先考虑其刚度，通过高刚度提高低频段(刚度控制区内)的隔声量。如果需要重点降噪的频段在中频段，根据质量定律，则应首先选择密度更大的墙体面板材料来提高质量控制区的隔声量。但在实际工程应用中，材料的面密度是有限的，不可能无限增大墙体的厚度及质量，而且常用的轻质墙体在中低频段的隔声性能较差。因此可以在墙体内部填充高阻尼层或添加阻尼吸声材料来降低共振的影响，从而来提高墙体的隔声性能。

4 结 论

本文基于工程质量检测获得的常用墙体的隔声性能，并结合数理统计的方法分析了墙体隔声性能的影响参数。同时基于有限元模拟和现场测试结果，文中提出了常用墙体构造隔声性能的改善措施，结论如下：

(1) 墙体的隔声量与墙体厚度、墙体面密度具有较好的线性关系。计权隔声量随墙体厚度、面密度的增加而增大，但墙体厚度和面密度增大会增加结构的承重并大幅度提高生产与施工成本。因此该方法并不提倡，但可以通过提高面板的声阻、刚性及匀质密实性来提高墙体的隔声性能。

(2) 采用振动—声分析有限元计算软件COMSOL Multiphysics 5.5 对不同墙体的隔声性能进行仿真分析，获得的常用墙体的五阶结构模态和隔声曲线与实际测试结果基本一致。各墙体的隔声性能变化趋势符合墙体的质量定律，即刚度、面密度(质量效应)增大，隔声量增大。

(3) 混凝土、多孔砖或砌块类墙体的刚度和密度较大，在低频段的隔声性能较好，但在阻尼控制区的隔声量低谷较深。在强度等级为30 MPa 的混凝土中添加0.3%的聚丙烯纤维和0.5%的聚氨酯吸声材料后，计权表观隔声量可提高1～2 dB，在多孔砖或砌块类的孔洞中填充密度为31.5 kg·m-3的岩棉，计权表观隔声量可提高4 dB。轻钢龙骨石膏板(内墙填充50 mm厚玻璃棉)由于内部填充了大量的玻璃棉，墙体阻尼较大，使其在阻尼控制区受共振的影响较小，但在刚度控制区和质量控制区的隔声量相对较低。因此可通过改善轻钢龙骨、面板材料参数来进一步提高隔声性能。当轻钢龙骨单位长度质量从0.82 kg·m-1增加至1.23 kg·m-1，双面石膏板厚度从12 mm增至15 mm时，计权表观隔声量可提高2 ～3 dB。

(4) 墙体隔声构造设计时，面板材料的选择应重点考虑所处的噪声频段，处于低频段和中频段的噪声环境，则应分别通过选择刚度高和面板密度大的墙体材料，来提高刚度控制区和质量控制区的隔声量。此外，可以在墙体内部填充高阻尼层来增加声传播的衰减量，降低共振对隔声效果的影响。