窗隔声、防噪设计

窗隔声、防噪设计


前言

   所谓隔声就是用建筑围护结构把声音限制在某一范围内,或者在声波传播的途径上用屏蔽物把它遮挡住一部分,这种做法称之为隔声。一般说来,这样隔掉的声音都是噪音,所以也称之为防噪。隔声一般分为两大类:其一是隔绝空气声,就是用屏蔽物如门、窗、墙等隔绝在空气中传播的声音;其二是隔绝楼板撞击声,它实际上是用标准打击器撞击楼板时,在楼板下边房间内产生的撞击声级。本节主要是叙述用玻璃如何隔绝空气声。

 当玻璃幕墙密封很好,空气声是如何传过去的哪?建筑中空气声的传透过程是:当声波投射到围护结构上时,如图1所示,墙壁由于左侧入射的声波的疏密交替作用,除发生部分反射现象外,同时使墙象膜片一样产生受迫振动,有一受迫弯曲波沿墙传播,同时又引起构件右侧空气作同样的振动,这样声音就传透过去了。

薄而轻的墙比厚而重的墙在声波作用下容易产生振动而且振幅大,所以薄而轻的墙隔声性能差,即薄玻璃的隔声性能比厚玻璃的隔声性能差。低频声比高频声容易引起结构的振动,所以玻璃的高频隔声性能比低频好。当受迫振动产生的受迫弯曲波速度与墙本身固有的自由弯曲波速度相吻合时,声传透最大,即墙的隔声性能这时最差,这种现象称为吻合谷效应。满足吻合谷效应的最低频率称为临界频率。可以通过减少墙的厚度,在墙上作凹槽减少墙的劲度,或在墙上加一层软面层的措施,以提高临界频率。相反,可以通过在墙上加肋增加劲度的方法,降低临界频率,改善隔声效果。由此可见,构件对空气声的隔声性能与构件本身的质量、劲度、阻尼、声音的频率、构件的造型以及施工质量等因素有关。

 人们在衡量任何一个物理量的时候,都要有相应的单位和方法,衡量一片玻璃隔声好坏的方法是用隔声量,单位用分贝数大小来表示,隔声量的分贝数越大,玻璃的隔声性能越好,否则就不好。

 声波在空气中传播时遇到一片玻璃要发生如下的情况:一部分声能被反射,一部分声能透过玻璃传到第二个空间。反射的那部分声能这里不考虑,只考虑入射到玻璃上的总声能和透过玻璃的声能,分别用Eλ和E通来表示。把透过玻璃的声能与入射到玻璃上的总声能之比定义为投射系数,即

t是小于1的数,在全投射的情况下t=1t值一般为10的负几次方,t值小,表明透过玻璃的声能少,它的隔声性能好;t值大,表明透过玻璃的声能多,它的隔声性能差。因为t值是小数,使用起来不方便,因此用t的倒数取以10为底的对数,在乘以10,这样所得的数值,就是用“分贝”为单位的隔声量(R),也称为传声损失。

不同隔声量使人的感觉是不同的,详情见图2

2.建筑玻璃隔声、防噪性能计算方法

二、单片玻璃的隔声量

 玻璃隔绝空气声的能力和哪些因素有关哪?与频率、劲度、阻尼、质量有关。对于单层玻璃,它的典型隔声频率特性曲线见图3

由图3可见,单层玻璃的传声损失随着频率的增加而出现劲度控制、阻尼控制、质量控制和吻合谷等现象。在很低的频率范围,劲度起主要作用,单板的劲度由下式计算:

式中  E-玻璃的弹性模量;

     t-玻璃板厚度;

     v-玻璃的泊松比。

 在劲度控制范围内,传声损失随频率的增加而降低。随着频率继续增高而出现质量控制,在质量控制范围内,传声损失按每倍程3-6分贝的斜率增加。在质量控制和劲度控制之间,可能出现劲度和质量效应相抵消而产生的共振现象,共振幅度随玻璃的阻尼大小而变,称为阻尼控制。单板的共振频率fr由劲度B、面密度m和板的尺寸所决定,即

式中ab是玻璃板的两边边长,pq是任意正整数。一般情况下,玻璃板的fr低于日常的声频范围,因此,玻璃的隔声性能一般是由质量控制。

在质量控制范围内以上则出现吻合效应,对于玻璃这样薄板材料,吻合效应通常出现在主要听闻范围内。在临界频率处,传声损失出现隔声低谷,称为吻合谷。吻合谷随着玻璃阻尼的减少而加深,而且越过吻合谷之后,传声损失以每倍频程10分贝斜率上升,然后逐渐减缓,又与质量控制时相一致。临界频率按下式计算:

式中c是声速。

  公式(6.6)可改写为:

式中t是玻璃板厚,单位是cm

 上式表明,同一材料fc值与板厚度成反比,当板厚度小于5mm,则临界频率在4000Hz以上,隔声的吻合谷就不会出现在常用的声频范围。当板厚度大于10mm,则吻合谷将发生在高频段,并将随板厚度的增加而逐渐推移到中频和低频段。

在质量控制范围内,在垂直入射条件下,隔声量与频率和质量的关系为:

式中ρ-空气的密度,kg/m³;

   c-空气中的声速,m/s

   m-玻璃的面密度,kg/m²;

   f-频率,赫兹。

8)式就是垂直条件下的质量定律。它的推导公式这里不介绍了,但是在推导公式(8)所作的一些假设必须说明,因为这些条件是公式(8)的使用范围。这些假设条件是:

a.声波垂直入射到玻璃上;

b.为单层玻璃;

c.玻璃将空间氛围两个半无限空间,而且玻璃的两侧均为通常状况下的空气;

d.玻璃为无限大,即不考虑边界影响;

e.把玻璃看成一个质量系统,即不考虑玻璃的刚性和阻尼;

f.玻璃上的各点以相同的速度振动。

在实际生活中,玻璃的面积不可能无限大,而是有边界,有弹性,有阻尼,有损耗。因此按公式(9)计算的结果与实测值之间有差异,一般来说实测值的斜率达不到每倍频程6分贝,面密度增加一倍传声损失也提高不了6分贝。

为什么有了空气层隔声量就提高了?这时因为声波入射到第一层玻璃上的时候,玻璃就产生“薄膜”振动,这个振动作用在空气层上,而被封闭的空气层是有弹性的,由于空气层的弹性作用将使振动衰减,然后再传给第二层玻璃,于是总的隔声量就提高了。

  当入射声波频率与fo相同时,将发生共振,声能透过显著增加。只有当f>√2×fo以后,中空玻璃的隔声量才明显地提高。图4.9.9是中空玻璃的隔声量与频率的关系。虚线表示重量与两层玻璃总重量相等的单层玻璃隔声。用字母c表示第一个下降,相当于中空玻璃在基频上的共振,这时隔声量几乎减小到零。在声波频率比中空玻璃的固有频率低的ab段上,中空玻璃如同一个整体一样振动,因此与同样重量的单层玻璃的隔声没有区别。但声波频率大于中空玻璃的固有频率,如图中的def段,隔声量明显增加。

四、夹层玻璃的隔声量

夹层玻璃由于在两片玻璃之间夹有PVB胶片,因此不能将其作为单片玻璃来计算。PVB胶片是粘弹性材料,消除了两片玻璃之间的声波耦合,极大地提高了玻璃的隔声性能。由于没有计算公式,夹层玻璃的隔声性能只能依靠测试。下表给出的结果是依据ASTM  E90的测试结果。

由于夹层玻璃没有隔声量的计算公式,所以夹层中空玻璃也没有隔声量的计算公式,只能依据测试。下表给出的结果是依据ASTM  E90的测试结果。由表2可见,夹层中空玻璃的隔声性能最为优异

五、门窗隔声量

玻璃幕墙上既有窗,也有门,因此应计算门窗的隔声量。门窗的隔声量最主要取决于门窗的重量和门窗的构造,特别是门窗扇与门窗框之间的缝隙大小。在缝隙大的情况下,即使门窗的重量大,隔声效果也不好。

例如,有一1×2m²的窗,其四周因施工和构造的关系出现平均1mm宽的缝隙。试问该窗的最大隔声量将限制在多少分贝?如果要求将此窗的隔声量提高到28分贝,缝隙应如何改进?

由式(2)知隔声量R=101/τ分贝,如果窗是由不同的透视系数 τ1、τ2、τ3……τi和不同的面积S1S2S3……Si构件组成是,窗的投射系数一般可以近似地认为孔洞的投射系数τ11R=0

由此可见,门窗隔声设计的关键在于缝隙的密封处理,由于一般门窗总存在隔声上的薄弱环节—缝隙,因此隔声量一般都较低。

六、玻璃幕墙隔声

 上面介绍了玻璃幕墙和门窗等构件本身的隔声量设计,而工程上常遇到是吧这些构件组成一个组合墙,这时这堵组合墙的实际有效隔声量既不等于原来墙的隔声量,也不等于门或窗的隔声量,它的实际有效隔声量与组成它的各个构件的隔声量有关。

 设组合墙隔构件的声波投射系数分别是τ1、τ2、τ3……τi,其面积分别是S1S2S3……Si,组合墙的投射系数为

组合墙的隔声量为

组合墙隔声量基本决定于门,所以如果幕墙上设有一般门时,则要求幕墙的隔声量比门窗隔声量大15分贝左右足够了。

组合墙的隔声量也可按照“等传声量设计”的原则,使幕墙的隔声量略高于门或窗即可。如幕墙的投射系数为τw,面积为Sωw,门的投射系数为τd,面积为Sd,按照等传声量设计原理,即τw×Sw=τd×Sd

由上式可见,幕墙的隔声量等于门的隔声量,加上幕墙面积与门面积之比的对数乘以10

七、结论

玻璃幕墙和门窗的隔声量决定于开启扇的密封性和玻璃板的种类,因此应尽可能提高玻璃幕墙和门窗的密封性,其次是选择玻璃。夹层玻璃的隔声、防噪性能是最好的,因此单纯从隔声、防噪性能考虑,夹层玻璃是首选。其次是中空玻璃,单片玻璃的隔声、防噪性能最差。当对玻璃的隔声防噪有特殊要求时,还可选择夹层中空玻璃,如机场的航站楼和候机厅。


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