謝東，謝小利，楊陽，盧凌寰

(1.廣西建設職業(yè)技術學院土木工程學院，廣西南寧 530007；2.廣西壯族自治區(qū)建筑科學研究設計院，廣西南寧 540005)

0 引 言

墻體在圍護結構中占據(jù)面積最大，其隔聲性能對室內聲環(huán)境具有決定性的影響，常用的墻體包括混凝土墻、燒結頁巖多孔磚或多孔砌塊墻、混凝土空心砌塊墻、輕鋼龍骨石膏板等，常見的墻體構造基本能滿足現(xiàn)行國家標準民用建筑隔聲設計規(guī)范：GB 50118—2010 對一般房間的空氣聲隔聲性能的要求[1]，但對有特殊要求的房間和高品質建筑的房間，仍需進一步提高其隔聲性能[2]。

墻體聲能的傳播途徑主要包括兩個方面，一方面是聲能在空氣層的傳播，另一方面是聲能通過聲橋進行傳播[3-4]。對于單層墻體隔聲，通常可通過增加墻體的剛度和阻尼的方法來提高聲能在傳播過程中的損耗，從而提高墻體的隔聲性能[5-6]，如增加墻體的纖維、聚苯乙烯泡沫顆粒、玻璃泡沫顆粒、沸石等成分[7-9]。對于雙層或多層墻體的隔聲，因層間壓力波的振動耦合作用，使聲波的傳輸更為復雜，聲能的傳播不僅受剛度、阻尼材料的影響，同時還受層間聲腔共振的影響[10]，因此對于雙層或多層墻體，尤其是針對低頻段的噪聲[11-13]還可通過在層間填充吸聲材料如聚合物泡沫、吸聲棉等來提高聲能的消耗和削弱吻合效應。其中鋼龍骨輕質隔墻還可采用彈性鋼墊條連接，板材、龍骨、腔厚及填充組分、構造形式等來改變間壁的隔聲性能[14-16]。如Vi‐gran[17]、Nguyen等[18]的研究表明，不同剛度的輕鋼龍骨在各頻率下對隔聲量的影響具有明顯的區(qū)別，并將有效剛度作為剛性聲橋間壁隔聲量預估的參量。Antonio 等[19]采用一側為單層面板，另一側為雙層面板的輕質隔墻構造形式來改善墻體的隔聲性能，使墻體系統(tǒng)在低頻段未出現(xiàn)共振現(xiàn)象。近年來，這些研究為墻體隔聲性能的改善提供了有效的方法，但針對不同的墻體構造和不同噪聲頻段的隔聲性能的改善措施和效果的綜合研究還較少。因此本文對常用的墻體進行現(xiàn)場測試，并結合COMSOL Multiphysics 5.5 計算軟件模擬分析了墻體的不同參數(shù)和構造對隔聲性能的影響，提出了不同噪聲頻段下常用墻體隔聲性能的改善措施，從而對墻體隔聲構造技術在各頻段噪聲環(huán)境下的噪聲控制工程中的應用進行指導，為高品質建筑隔聲墻體的推廣應用提供技術支持及保障。

1 實驗方法和墻體構造

1.1 研究方法

本文對常用墻體的空氣聲隔聲性能進行現(xiàn)場測試，現(xiàn)場測試采用的建筑聲學測量系統(tǒng)、設備和方法，符合現(xiàn)行國家標準聲學 建筑和建筑構件隔聲測量 第4部分：房間之間空氣聲隔聲的現(xiàn)場測量：GB /T—19889.4規(guī)定的要求[20]。計權隔聲量的計算采用1/3 倍頻程中心頻率在100～5 000 Hz 范圍的頻段。同時采用振動——聲分析有限元計算軟件COMSOL Multiphysics 5.5 對不同墻體的隔聲性能進行仿真分析，通過有限元結構模型和間接邊界元流體模型之間的耦合，獲得常用的墻體構造的五階結構模態(tài)和隔聲曲線，用于分析不同頻段下墻體的隔聲特性。

1.2 墻體構造

仿真分析的墻體分別為混凝土墻體、燒結頁巖多孔磚墻體和輕鋼龍骨石膏板墻體，墻體構造圖如圖1 所示。模擬計算采用的墻體材料的參數(shù)如表1所示。

表1 墻體模擬計算的參數(shù)Table 1 Parameters for wall simulation calculations

2 常用墻體參數(shù)對隔聲性能的影響

2.1 常用墻體厚度、面密度與隔聲量的關系

大量的研究結果表明，墻體的隔聲性能受墻體厚度及墻體面密度的影響[21-,22]，為進一步探討二者與隔聲量之間的關系。本文根據(jù)建筑隔聲與吸聲構造：GJBT—1041 標準[23]及實驗測試結果，建立了輕骨料混凝土砌塊類、石膏砌塊類及增強水泥輕質條板類墻體的厚度、面密度與隔聲量之間的關系，擬合結果如圖2和圖3所示。

圖2 墻體總厚度與計權隔聲量的關系Fig.2 Relationship between weighted sound insulation and total thickness of the wall

圖3 墻體面密度與計權隔聲量的關系Fig.3 Relationship between weighted sound insulation and surface density of the wall

由圖2可見，墻體的隔聲量與墻厚度有較好的線性關系，線性擬合相關系數(shù)R分別為0.818 1 和0.895 7?？傮w而言，墻體越厚，隔聲量越大。除此之外，隔聲量還與墻體常用的材料的特性有關，當墻體采用剛性、高聲阻及勻質密實材料時，可提高質量、惰性抗力，減小振動、傳聲，從而提高隔聲性能。從圖2也可看出，相同厚度的輕骨料混凝土砌塊和增強水泥輕質條板，前者的隔聲性能相對較好。

由圖3可見，輕骨料混凝土砌塊類、增強水泥輕質條板類和石膏砌塊類的計權隔聲量與墻體面密度的線性相關系數(shù)分別為0.791 1、0.912 0和0.953 1?？傮w而言，計權隔聲量隨墻體面密度的變化趨勢一致，即計權隔聲量隨面密度的增大而增大。此外，從圖3還可看出，相同面密度的水泥輕質條板與石膏砌塊，前者具有相對更好的隔聲性能。目前常用的墻體厚度一般為90～200 mm，大多為輕集料墻體、多孔磚、石膏墻體、燒結頁巖空心砌塊、加氣混凝土砌塊以及其他形式的輕質墻體等，其面密度一般不大于300 kg·m-2。通過圖3 輕骨料混凝土砌塊類的擬合曲線可以看出，曲線的斜率為0.042 5，相關系數(shù)R為0.791 1，說明隔聲量隨墻面密度增加而增加的趨勢并不明顯，單一地增大面密度并不是改善輕骨料混凝土砌塊類隔聲性能的理想途徑。

由此可見，墻體厚度、面密度對墻體的隔聲性能有顯著影響，增加厚度在一定程度上能提高隔聲性能，但也會增加結構的承重并大幅度提高生產(chǎn)和施工成本[24]，因此該方法并不提倡。所以在提高墻體隔聲性能時，應綜合考慮所處環(huán)境的噪聲頻段，合理選擇剛性、高聲阻及勻質密實的材料，而不應盲目地提高墻體厚度。

2.2 墻體隔聲仿真模型的建立和分析

為進一步分析在不同噪聲頻段下墻體的隔聲特性，采用COMSOL Multiphysics 5.5 軟件對圖1 中的三種墻體構造分別擬合至1 000 Hz，獲得5階結構模態(tài)和隔聲曲線，其結果如圖4～6所示。

圖4 混凝土墻體的振動模態(tài)圖及其隔聲曲線Fig.4 Vibration modal diagrams of concrete wall and its sound insulation curves

圖5 燒結頁巖多孔磚墻體的振動模態(tài)圖及其隔聲曲線Fig.5 Vibration modal diagrams of sintered shale perforated brick wall and its sound insulation curves

圖6 輕鋼龍骨石膏板墻體的振動模態(tài)圖及其隔聲曲線Fig.6 Vibration modal diagrams of light steel keel gypsum board wall and its sound insulation curves

墻體的隔聲特性受材料的阻尼、密度、厚度、噪聲源頻率以及邊界條件等多種因素的共同影響[25]，因此墻體的隔聲性能模擬結果與實際情況存在一定的偏差。墻體隔聲特性曲線依據(jù)頻率從低到高可分為四個區(qū)，依次為剛度控制區(qū)、阻尼控制區(qū)和質量控制區(qū)及吻合效應區(qū)，如圖7所示[25]。剛度控制區(qū)指起始頻率到共振頻率的區(qū)間，在該區(qū)域面板剛度成為隔聲量的主要控制因素，且剛度與隔聲量呈正相關；當頻率增大，墻體隔聲曲線進入到阻尼控制區(qū)，發(fā)生共振，面板阻尼成為隔聲量的主要控制因素；當頻率超過阻尼控制區(qū)，則進入質量控制區(qū)，在該區(qū)域的隔聲量受質量效應的影響較大，頻率保持一定的情況下，適當?shù)靥岣呙姘宓拿婷芏纫簿褪琴|量時，面板隔聲量會隨之提高，而對于同一面板來說，頻率提高的同時隔聲量也會增加；當頻率增加到臨界吻合頻率時，墻體的隔聲性能則從質量控制區(qū)躍到吻合效應區(qū)，在該階段隨著頻率的增加隔聲量會出現(xiàn)一個吻合低谷。因此隨著頻率的增加，墻體會出現(xiàn)不同的控制區(qū)，可通過改變不同頻率時起主導作用的材料特性來改善墻體的隔聲性能。

圖7 墻體隔聲特性曲線及分區(qū)[25]Fig.7 Sound insulation characteristic curves and partitions of wall[25]

根據(jù)隔聲特性曲線的分區(qū)，從圖4～6可見，三種墻體的隔聲仿真曲線與圖7中墻體在中低頻范圍內的隔聲特性曲線是相似的，即在剛度控制區(qū)域，頻率一定時，隔聲量與面板剛度呈正相關，當剛度增大時，隔聲量增加；面板一定時，隔聲量則隨著頻率的增加而降低。當頻率繼續(xù)增加到共振頻率時，隔聲曲線進入到阻尼控制區(qū)，在該階段材料阻尼特性顯著影響材料的共振情況，當阻尼作用增加時，隔聲低谷越淺，隔聲性能越好；隨著頻率的繼續(xù)增大，隔聲曲線進入質量控制區(qū)，在該區(qū)域面板的隔聲性能主要由材料的面密度也就是質量決定，當面板的質量增大時面板的隔聲量增加。通過上述三種墻體模型的隔聲仿真曲線圖可知，設計墻體隔聲時應針對墻體的頻率特性曲線進行考慮，從而更好地達到墻體的隔聲降噪效果。

通過計算獲得混凝土、燒結頁巖多孔磚和輕鋼龍骨石膏板墻體(內墻填充50 mm厚玻璃棉)三種墻體的計權隔聲量分別為52、45和43 dB?；炷翂w的隔聲曲線在剛度控制區(qū)、質量控制區(qū)的隔聲效果比較好，但阻尼控制區(qū)的隔聲效果相對較差，其計權隔聲量大于其他兩種墻體，說明剛度、密度即質量效應在影響混凝土墻體中低頻的隔聲量中占比較大。但在阻尼控制區(qū)的隔聲量低谷較大，因此可提高混凝土的阻尼特性來進一步改善墻體的隔聲性能，如在混凝土中增加纖維、聚苯乙烯顆粒等材料的含量。燒結頁巖多孔磚仿真模擬得到的隔聲曲線與混凝土的隔聲曲線相似，也是在阻尼控制區(qū)的隔聲量較低，在剛度控制區(qū)和質量控制區(qū)的隔聲量較鋼筋混凝土的隔聲量低，但高于輕鋼龍骨石膏板墻體的隔聲量。因此，對于多孔磚或砌塊類材料，可以在孔洞內填充阻尼材料如巖棉、玻璃棉、聚苯乙烯泡沫等來進一步提高隔聲量。輕鋼龍骨石膏板(內墻填充50 mm 厚玻璃棉)的墻體計權隔聲量最小，雖然輕鋼龍骨的密度最大，但龍骨較薄，主要起支撐作用，內部填充了低密度的玻璃棉，導致其在剛度控制區(qū)和質量控制區(qū)的隔聲量相對其他兩種墻體低。但由于填充了大量的玻璃棉，墻體阻尼較大，使其在阻尼控制區(qū)產(chǎn)生的共振影響比較弱，所以其隔聲低谷較其他兩種墻體的淺。因此可通過增加輕鋼龍骨或面板材料的厚度來提高剛度和面密度，進一步提升其隔聲性能。

3 墻體隔聲性能優(yōu)化結果與分析

根據(jù)上述的模擬結果，分別對混凝土墻體、砌塊類墻體和輕鋼龍骨石膏板墻體進行隔聲性能優(yōu)化，其中混凝土實驗墻的隔聲改進措施主要是在強度等級為30 MPa 的混凝土中摻入質量為混凝土質量0.3%的聚丙烯纖維和0.5%的聚氨酯吸聲材料，混凝土墻體厚度分別為120 mm和150 mm。砌塊類墻體的改進措施是在290 mm×190 mm×90 mm燒結頁巖空心磚中填滿密度為31.5 kg·m-3的巖棉，砌筑成實驗墻后雙面進行20 mm厚的水泥砂漿抹灰。輕鋼龍骨(內填50 mm厚玻璃棉)石膏板墻體的輕鋼龍骨厚度增加，使單位長度質量從0.82 kg·m-1增加至1.23 kg·m-1，雙面石膏板厚度從12 mm增至15 mm。現(xiàn)場測試時聲源室的尺寸為4.5 m×4.6 m×3.1 m，接收室的尺寸為4.3 m×4.6 m×3.1 m，墻體的長和高分別為4.6 m×3.1 m，測試結果如表2及圖8～10所示。

表2 不同墻體的隔聲量Table 2 Sound transmission losses of different walls

圖8 不同混凝土墻體在不同頻段的隔聲性能Fig.8 Sound insulation performances of different concrete walls in different frequency ranges

由表2和圖8可見，有限元仿真分析結果與實際測試結果基本一致，墻體的隔聲性能變化趨勢符合墻體的質量定律，且混凝土墻體厚度增大，隔聲量增大。此外，在125～250 Hz 頻率范圍內，受剛度的影響混凝土出現(xiàn)了低頻共振，從而導致出現(xiàn)了隔聲量低谷。增加了纖維和聚氨酯的混凝土墻體剛度較低，因此表觀隔聲量在該頻率范圍稍低于普通混凝土墻體，隨后表觀隔聲量隨著頻率的增大呈增大趨勢，且增加了纖維和聚氨酯的混凝土墻體的表觀隔聲量大于普通混凝土墻體。纖維常用于約束混凝土裂縫的擴展，但作為一種有機材料也具有一定的阻尼特性，而聚氨酯泡沫塑料則具有較好的吸聲性能。兩種材料使混凝土墻體在阻尼控制區(qū)具有很好的隔聲性能，因此在500～630 Hz 頻率范圍內受阻尼及剛度共同作用，混凝土墻產(chǎn)生共振也導致出現(xiàn)了隔聲量低谷，但添加纖維和聚氨酯材料的混凝土墻體的隔聲量低谷明顯更淺。在1 250 Hz 及2 500 Hz頻率附近由于吻合效應的存在形成了較大的隔聲量低谷，添加了纖維和聚氨酯材料后隔聲量低谷也得到了明顯改善。結合表2中數(shù)據(jù)可見，混凝土墻體厚度增大，計權表觀隔聲量增大，添加纖維和聚氨酯后，混凝土墻體的計權表觀隔聲量可提高1～2 dB，且混凝土墻的粉紅噪聲修正使隔聲量減少約1～2 dB，交通噪聲修正對混凝土墻的影響較大，使隔聲量減少約3～4 dB。

由圖9可見，燒結頁巖空心砌塊墻體的隔聲曲線與混凝土墻體的隔聲曲線相似。填充巖棉后的燒結頁巖空心砌塊的表觀隔聲量在各頻段均高于未填充的墻體。在125～250 Hz 頻率范圍受剛度的影響也出現(xiàn)了低頻共振，出現(xiàn)了隔聲量低谷。隨后表觀隔聲量隨著頻率的增大呈增大趨勢，尤其是填充巖棉后的燒結頁巖空心砌塊墻體，在阻尼控制區(qū)的隔聲量低谷并不明顯，因為巖棉填充在孔洞中會增加聲傳播的衰減量，從而使阻尼控制區(qū)的隔聲性能得到明顯的提高。因此在500～630 Hz 頻率范圍受阻尼及剛度共同作用產(chǎn)生共振，雖然導致了隔聲量低谷的出現(xiàn)，但填充巖棉后的墻體的隔聲量低谷并不明顯。在1 250 Hz及2 500 Hz頻率附近，由于吻合效應的存在形成了較大的隔聲量低谷，填充了巖棉后的表觀隔聲量也得到了明顯改善。結合表2中的數(shù)據(jù)可見，燒結頁巖空心砌塊墻體填充巖棉后，墻體的計權表觀隔聲量可提高4 dB，燒結頁巖多孔砌塊墻體的粉紅噪聲和交通噪聲修正使隔聲量分別減少1 dB和2 dB。

圖9 不同燒結頁巖空心砌塊墻體在不同頻段的隔聲性能Fig.9 Sound insulation performances of different sintered shale hollow block walls in different frequency ranges

由圖10 可見，有限元仿真分析結果與實際測試結果基本一致。墻體的隔聲性能變化趨勢符合墻體的質量定律，即增加輕鋼龍骨的厚度(即單位長度質量)和石膏板的厚度，表觀隔聲量在各頻段均有提高。在125～250 Hz 頻率范圍，受剛度的影響出現(xiàn)了低頻共振，從而導致出現(xiàn)了隔聲量低谷，輕鋼龍骨厚度和石膏板厚度增加(即剛度、面密度增加)后，剛度控制區(qū)的表觀隔聲量明顯得到了改善。隨后表觀隔聲量隨著頻率的增大呈增大趨勢，在500～630 Hz頻率范圍受阻尼及剛度共同作用出現(xiàn)了共振，從而導致了隔聲量低谷的出現(xiàn)，但在空腔中填充了玻璃棉后削弱了聲傳播的能量，因此阻尼控制區(qū)的隔聲量低谷并不明顯。在1 000 Hz及2 500 Hz頻率附近由于吻合效應的存在形成了較大的隔聲量低谷，增加了輕鋼龍骨的厚度和石膏板的厚度后，該隔聲量低谷明顯變淺，說明增加輕鋼龍骨和石膏板厚度后，隔聲性能得到明顯提高。結合表2 可見，100系列的輕鋼龍骨石膏板墻體較75系列的隔聲性能得到了一定的提升。輕鋼龍骨(內填50 mm厚玻璃棉)石膏板墻體的輕鋼龍骨單位長度質量從0.82 kg·m-1增加至1.23 kg·m-1，雙面石膏板厚度從12 mm 增至15 mm，計權表觀隔聲量提高了2～3 dB。輕鋼龍骨壁厚增加后，提高了輕鋼龍骨的剛度，從而降低了臨界頻率，不利于隔聲量的改善[14]。然而墻體的隔聲性能不僅受剛度的影響，同時還受阻尼效應、質量效應等多種因素的綜合影響[25]。本研究同時也增加了石膏板的厚度，根據(jù)質量定律，墻板質量增加，雙面墻板在各頻率時的傳輸損耗增加[13]，因此使墻體系統(tǒng)的隔聲性能有所提高。此外，從表2還可看出，輕鋼龍骨(內填50 mm厚玻璃棉)石膏板墻體的粉紅噪聲修正使隔聲量減少約2～3 dB，交通噪聲修正對該種墻的影響較大，使隔聲量減少約5～7 dB。

圖10 不同輕鋼龍骨石膏板墻體在不同頻段的隔聲性能Fig.10 Sound insulation performances of different light steel keel plasterboard walls in different frequency ranges

通過上述分析可見，該測試結果與擬合結果基本一致。各墻體的隔聲性能變化趨勢符合墻體的質量定律，即剛度、面密度(質量效應)增大，隔聲量增大。隔聲量主要取決于材料的剛度、質量和共振時的阻尼特性，其中墻體材料的阻尼越大，共振的影響就越小。因此在設計相應的降噪構造時，為防止發(fā)生共振情況，應該通過控制面板的固有頻率，避免與目標噪聲的頻率相近，在達到面板的固有頻率之前，由材料的剛度來控制降噪效果，在達到面板的固有頻率之后，則由面板質量起控制作用。經(jīng)過上述對各墻體構造的仿真和現(xiàn)場測試結果分析，初步總結出了如下的墻體構造方法：對于面板材料，應該首先考慮其剛度，通過高剛度提高低頻段(剛度控制區(qū)內)的隔聲量。如果需要重點降噪的頻段在中頻段，根據(jù)質量定律，則應首先選擇密度更大的墻體面板材料來提高質量控制區(qū)的隔聲量。但在實際工程應用中，材料的面密度是有限的，不可能無限增大墻體的厚度及質量，而且常用的輕質墻體在中低頻段的隔聲性能較差。因此可以在墻體內部填充高阻尼層或添加阻尼吸聲材料來降低共振的影響，從而來提高墻體的隔聲性能。

4 結 論

本文基于工程質量檢測獲得的常用墻體的隔聲性能，并結合數(shù)理統(tǒng)計的方法分析了墻體隔聲性能的影響參數(shù)。同時基于有限元模擬和現(xiàn)場測試結果，文中提出了常用墻體構造隔聲性能的改善措施，結論如下：

(1) 墻體的隔聲量與墻體厚度、墻體面密度具有較好的線性關系。計權隔聲量隨墻體厚度、面密度的增加而增大，但墻體厚度和面密度增大會增加結構的承重并大幅度提高生產(chǎn)與施工成本。因此該方法并不提倡，但可以通過提高面板的聲阻、剛性及勻質密實性來提高墻體的隔聲性能。

(2) 采用振動—聲分析有限元計算軟件COMSOL Multiphysics 5.5 對不同墻體的隔聲性能進行仿真分析，獲得的常用墻體的五階結構模態(tài)和隔聲曲線與實際測試結果基本一致。各墻體的隔聲性能變化趨勢符合墻體的質量定律，即剛度、面密度(質量效應)增大，隔聲量增大。

(3) 混凝土、多孔磚或砌塊類墻體的剛度和密度較大，在低頻段的隔聲性能較好，但在阻尼控制區(qū)的隔聲量低谷較深。在強度等級為30 MPa 的混凝土中添加0.3%的聚丙烯纖維和0.5%的聚氨酯吸聲材料后，計權表觀隔聲量可提高1～2 dB，在多孔磚或砌塊類的孔洞中填充密度為31.5 kg·m-3的巖棉，計權表觀隔聲量可提高4 dB。輕鋼龍骨石膏板(內墻填充50 mm厚玻璃棉)由于內部填充了大量的玻璃棉，墻體阻尼較大，使其在阻尼控制區(qū)受共振的影響較小，但在剛度控制區(qū)和質量控制區(qū)的隔聲量相對較低。因此可通過改善輕鋼龍骨、面板材料參數(shù)來進一步提高隔聲性能。當輕鋼龍骨單位長度質量從0.82 kg·m-1增加至1.23 kg·m-1，雙面石膏板厚度從12 mm增至15 mm時，計權表觀隔聲量可提高2 ～3 dB。

(4) 墻體隔聲構造設計時，面板材料的選擇應重點考慮所處的噪聲頻段，處于低頻段和中頻段的噪聲環(huán)境，則應分別通過選擇剛度高和面板密度大的墻體材料，來提高剛度控制區(qū)和質量控制區(qū)的隔聲量。此外，可以在墻體內部填充高阻尼層來增加聲傳播的衰減量，降低共振對隔聲效果的影響。