建筑隔聲測量不確定度及其在分級評價(jià)中的應(yīng)用

蔡陽生，趙越喆

（1.福建工程學(xué)院 建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院,福州 350118；2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

建筑和建筑構(gòu)件的隔聲性能一般是用一組1/3倍頻程或者1/1倍頻程的隔聲數(shù)據(jù)表示，體現(xiàn)了其對不同頻帶噪聲的隔絕能力不同。GB/T 50121標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了將這一組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)能代表所測對象隔聲性能的單值量的方法，同時(shí)考慮了不同的頻譜修正量，方便評價(jià)不同建筑和建筑構(gòu)件的隔聲性能，還規(guī)定了建筑和建筑構(gòu)件隔聲性能的分級方法[1]。在我國綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，功能房間相關(guān)建筑構(gòu)件的空氣聲隔聲性能應(yīng)滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑隔聲設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50118-2010中的低限值[2]，比如對分戶墻的隔聲性能要求為“計(jì)權(quán)隔聲量+粉紅噪聲頻譜修正量＞45 dB”。

在實(shí)際應(yīng)用中，隔聲測量存在分散性，即測量不確定度。這對于建筑工程商、建筑師和研究人員在確定建筑物和建筑構(gòu)件是否滿足上述標(biāo)準(zhǔn)要求或者比較不同產(chǎn)品的隔聲性能時(shí)必須考慮的。如果這種不確定度在隔聲測量中是確定的，則在隔聲設(shè)計(jì)、測量以及評價(jià)階段不需要加大隔聲余量以保證工程完成后滿足相關(guān)法律和標(biāo)準(zhǔn)的要求，而避免加大建造成本而產(chǎn)生浪費(fèi)[3-4]。在我國，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19889.2規(guī)定了隔聲測量數(shù)據(jù)的精密度的確定和應(yīng)用方法，主要體現(xiàn)在重復(fù)性和再現(xiàn)性的應(yīng)用[5]，但未規(guī)定評價(jià)一組隔聲數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求或者標(biāo)準(zhǔn)和法律規(guī)定的單值量時(shí)所對應(yīng)的不確定度。因此有必要結(jié)合GB/T 50121標(biāo)準(zhǔn)和綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)開展隔聲單值量不確定度的研究。

Wittstock利用蒙特卡羅方法對1869組不同實(shí)驗(yàn)室間的復(fù)現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)對比數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析得到一種計(jì)算一組隔聲量數(shù)據(jù)的測量不確定度的方法，指出在計(jì)算不確定度時(shí)應(yīng)考慮不同頻率的隔聲數(shù)據(jù)間的相關(guān)性，其研究結(jié)果還建議應(yīng)采用全正相關(guān)不確定度進(jìn)行評定，且考慮到小數(shù)點(diǎn)后一位數(shù)作為隔聲單值量及其頻率修正量的不確定度[6]。在該文的研究成果上，GB/T 19889.2的參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 140-2更新為ISO 12999-1[7]。新標(biāo)準(zhǔn)采納了Wittstock的上述建議。Jeffery Mahn采用相同的方法對加拿大國家研究委員會測量的200組石膏輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的隔聲數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，指出隔聲單值量的不確定度與隔聲量頻率曲線的形狀高度相關(guān)[8]。N.Garg研究了印度的建筑隔聲材料的不確定度，其研究結(jié)果顯示在阻尼控制區(qū)里較差的低頻隔聲性能對不確定度的影響很大[9]。在我國，亦有研究者開展了隔聲的不確定度評定[10]，其是利用JJF1059.1-2012所規(guī)定的測量不確定度評定方法[11]對建立隔聲單值量的分量不確定度評定模型，與ISO 12999-1所規(guī)定的方法不同。因此，本文擬根據(jù)ISO 12999-1所規(guī)定的隔聲單值量不確定度方法對GB/T 50121規(guī)定的分級評價(jià)體系進(jìn)行研究，以促進(jìn)隔聲量分級評價(jià)體系和綠色建筑中隔聲評價(jià)方法的科學(xué)應(yīng)用。

1 隔聲單值量及其分級

隔聲單值量的計(jì)算是將一組精確到0.1 dB的1/3倍頻帶的隔聲量Ri與一組基準(zhǔn)參考曲線Rref,i移動(dòng)對比，且移動(dòng)步長為1 dB，得到各頻帶的不利偏差之和

其中：i為頻帶序號，Rref,i為第i個(gè)1/3倍頻帶的空氣聲隔聲基準(zhǔn)值，Pi為第i個(gè)1/3倍頻帶的隔聲量與對應(yīng)頻帶的空氣聲隔聲基準(zhǔn)值的差值，稱為不利偏差。要求該不利偏差之和盡量大，但不超過32.0 dB，此時(shí)參考曲線上的0 dB線（頻率500 Hz）就是對應(yīng)的空氣聲隔聲單值量Rw?？紤]到噪聲的頻譜特性，一般要在單值評價(jià)量上加上一頻譜修正量C，該修正量由下式計(jì)算得出

上式可以改寫成

其中：j為頻譜序號，j=1或2，1為計(jì)算C的頻譜1（A計(jì)權(quán)粉紅噪聲），2為計(jì)算Ctr的頻譜2（A計(jì)權(quán)交通噪聲），Lij為第j號頻譜計(jì)算頻譜修正量的第i個(gè)頻帶的聲壓級，隔聲單值量及頻譜修正量在使用時(shí)應(yīng)取整數(shù)。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50121中，建筑構(gòu)件的空氣聲隔聲性能宜分成9個(gè)等級，每個(gè)等級單值量的范圍應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 建筑構(gòu)件空氣聲隔聲性能分級/dB

2 隔聲單值量的不確定度

根據(jù)ISO 12999-1標(biāo)準(zhǔn)，不考慮該組1/3倍頻帶隔聲量的相關(guān)性時(shí)，計(jì)權(quán)隔聲量的不確定度稱為非相關(guān)不確定度

式中：u(Ri)為對應(yīng)1/3倍頻帶的標(biāo)準(zhǔn)偏差?？紤]該組1/3倍頻帶隔聲量的相關(guān)性時(shí)，計(jì)權(quán)隔聲量的不確定度需要由兩次計(jì)算結(jié)果得出，第1次計(jì)算是1/3倍頻帶的隔聲量加上每個(gè)1/3倍頻帶的不確定度，見式(5)。

第2次計(jì)算是1/3倍頻帶的隔聲量減去每個(gè)1/3倍頻帶的不確定度，見式(6)。

對式（5）和式（6）求和取平均，可得到計(jì)權(quán)隔聲量的不確定度如式（7）所示，即全相關(guān)性不確定度。

計(jì)算不帶頻譜修正的計(jì)權(quán)隔聲量的不確定度時(shí)，只需要將式（5）至式（7）的Cj替換成其對應(yīng)的參考頻譜即可，且不確定度的結(jié)果取小數(shù)點(diǎn)后一位數(shù)。不同相關(guān)性且?guī)Р煌l譜修正的計(jì)權(quán)隔聲量的不確定度共有6個(gè)量，為了方便后續(xù)表達(dá)與分析，其含義及在本文中表示符號見表2。

表2 不確定度含義及符號

隔聲單值量的測量不確定度主要受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲源室和接收室的聲學(xué)特性、測量方法以及隔聲頻率特性等其他因素所決定[12]。

根據(jù)式（5）至式（7）計(jì)算的不確定度，再乘以包含因子，可得擴(kuò)展不確定度如式（8）所示。

k為包含因子，由概率分布及置信水平所決定，當(dāng)雙邊置信水平為68%(單邊置信水平為84%)時(shí)，k=1[7]。如果要驗(yàn)證測量結(jié)果是否符合要求，則應(yīng)用單邊置信水平的包含因子來計(jì)算擴(kuò)展不確定度U，并將該值加到最佳估計(jì)y（在隔聲單值量不確定度評定時(shí)一般取計(jì)權(quán)隔聲量）以檢查測量結(jié)果是否滿足要求。

若滿足式（9），則稱該構(gòu)件不滿足隔聲量要求；滿足式（10），則稱該構(gòu)件滿足隔聲量要求。若式（9）和式（10）皆不滿足的話，則需進(jìn)行再次的獨(dú)立測量方能給出是否符合要求的結(jié)論。

3 隔聲單值量不確定度的分級應(yīng)用

在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50121中，建筑構(gòu)件空氣聲隔聲性能的分級并沒有考慮隔聲量單值的不確定度，為此下面將使用ISO 12999-1標(biāo)準(zhǔn)[7]給出的普通頻率范圍（100 Hz～5 000 Hz）和擴(kuò)展低頻范圍（50 Hz～5 000 Hz）的不確定度偏差計(jì)算。參考文獻(xiàn)[13]中的30個(gè)建筑構(gòu)件的隔聲數(shù)據(jù)，這30個(gè)構(gòu)件在一聲源室（68 m3）和接收室（250 m3）組成的隔聲室測量，測量聲源為放在4個(gè)位置的獨(dú)立揚(yáng)聲器系統(tǒng)，且在兩個(gè)房間都有9個(gè)測量傳聲器位置。因此，盡管其聲源室的容積較小，低頻的擴(kuò)散程度較差，但通過增加聲源和傳聲器位置數(shù)量可在一定程度上改善其測量結(jié)果。這30個(gè)構(gòu)件在頻率范圍50 Hz～5 000 Hz內(nèi)的隔聲量如圖1所示。

圖1 建筑構(gòu)件的隔聲量

參考文獻(xiàn)[13]中的序號及構(gòu)件的計(jì)權(quán)隔聲量如表3所示。未考慮頻譜修正時(shí)的計(jì)權(quán)隔聲量分布在表1中所示的第4等級到第9級，每個(gè)等級都有5個(gè)構(gòu)件。采用擴(kuò)展至50 Hz的低頻范圍，是因?yàn)榈皖l隔聲測量及評價(jià)越來越重要[14-15]。

表3 構(gòu)件的序號及其計(jì)權(quán)隔聲量/dB

3.1 普通頻率范圍的不確定度

計(jì)算30個(gè)構(gòu)件在普通頻率范圍的隔聲單值量不確定度結(jié)果，如圖2所示?？梢钥闯觯?/p>

(1)對于3種不同頻譜修正的全正相關(guān)不確定度，uc,Ctr隨計(jì)權(quán)隔聲量的增加而加大，且變大的斜率最大，uc,c次之，uc最小；

(2)對于非相關(guān)不確定度，uu,Ctr也體現(xiàn)了隨計(jì)權(quán)隔聲量的增加而加大的規(guī)律，而uu,c和uu與計(jì)權(quán)隔聲量的擬合直線方程的斜率是負(fù)的，即uu,c和uu不僅沒有隨計(jì)權(quán)隔聲量的增加而加大，還略有減??；

(3)3種不同頻譜修正的全正相關(guān)的不確定度皆大于對應(yīng)的非相關(guān)不確定度。

3.2 擴(kuò)展低頻范圍的不確定度

計(jì)算30個(gè)構(gòu)件在擴(kuò)展低頻范圍的隔聲單值量不確定度的結(jié)果，如圖3所示。

因?yàn)樵跀U(kuò)展低頻范圍內(nèi)未考慮頻譜修正的計(jì)權(quán)隔聲量，不需要計(jì)算50 Hz～80 Hz這3個(gè)頻段的值，因此和普通頻率范圍的uu和uc完全相同。圖3顯示了一些跟圖2相同的規(guī)律：

(1)對于3種不同頻譜修正的全正相關(guān)不確定度，三者皆隨計(jì)權(quán)隔聲量的增加而加大，且uc,Ctr變大的斜率最大，uc,c次之，uc最小；

(2)對于非相關(guān)不確定度，uu,c和uu,Ctr體現(xiàn)了隨計(jì)權(quán)隔聲量的增加而加大的規(guī)律，而uu與計(jì)權(quán)隔聲量的擬合直線方程的斜率是負(fù)的，即uu不僅沒有隨計(jì)權(quán)隔聲量的增加而加大，還略有減小；

(3)3種不同頻譜修正的全正相關(guān)的不確定度皆大于對應(yīng)的非相關(guān)不確定度；

(4)不考慮頻譜修正，普通頻率范圍和擴(kuò)展低頻范圍的隔聲單值量不確定度相同，這是因?yàn)橛?jì)算隔聲單值量只考慮100 Hz～3 150 Hz頻率范圍的隔聲量。

圖3與圖2不同的結(jié)果包括：

(1)對于全正相關(guān)的不確定度，擴(kuò)展低頻范圍的uc,c和uc,Ctr隨計(jì)權(quán)隔聲量的增加而增加的斜率較普通頻率范圍的大；

(2)無論是考慮生活噪聲頻譜還是交通噪聲頻譜修正的隔聲單值量，擴(kuò)展低頻范圍的不確定度會隨計(jì)權(quán)隔聲量的增大而顯著增大，而普通頻率范圍的不確定度隨計(jì)權(quán)隔聲量的增大而發(fā)生的變化并不那么顯著。

3.3 不確定度個(gè)例分析及應(yīng)用

圖2 普通測量頻率范圍的不確定度

圖3 擴(kuò)展低頻范圍的不確定度

盡管大部分構(gòu)件的分析結(jié)果都體現(xiàn)了圖2和圖3的規(guī)律，但仍有個(gè)別構(gòu)件由于其頻譜特性的原因，體現(xiàn)出比較有意思的不確定度。以構(gòu)件TL-93-344和TL-93-216為例，其不確定度和隔聲量分別如表4和圖4所示，TL-93-344的計(jì)權(quán)隔聲量RW(C；Ctr；C50-3150；Ctr,50-3150)=45(-7；-15；-7；-18)dB，TL-93-216 的計(jì)權(quán)隔聲量RW(C；Ctr；C50-3150；Ctr,50-3150)=62(-3；-10；-8；-21)dB，可以看出，雖然TL-93-216的計(jì)權(quán)隔聲量比TL-93-344大，但是其在普通頻率范圍內(nèi)的不確定度卻比TL-93-344??；且在未考慮頻率修正時(shí)，無論是在普通頻率范圍內(nèi)，還是考慮到擴(kuò)展頻率范圍的TL-93-216的不確定度都比TL-93-344小。這個(gè)與圖2、圖3所顯示的規(guī)律不一樣。從圖4可以看出，TL-93-344在低頻范圍受阻尼控制作用有一個(gè)“低谷”，而高頻范圍受吻合作用產(chǎn)生的“低谷”較TL-93-216的大，這是其產(chǎn)生較大的不確定度的原因。

表4 兩個(gè)構(gòu)件的不確定度

圖4 兩個(gè)構(gòu)件的隔聲量

不確定度對于建筑構(gòu)件隔聲性能的分級也有較大影響。以構(gòu)件TL-93-344為例，若不考慮不確定度，此時(shí)RW(C；Ctr；C50-3150；Ctr,50-3150)=45.6(-6.3；-14.4；-6.5；-17.4)，即RW＋C為39.3 dB，滿足4級隔聲性能，RW＋Ctr為31.2 dB，滿足3級隔聲性能，RW＋C50-3150為39.1 dB，滿足4級隔聲性能，RW＋Ctr,50-3150為28.2 dB，滿足2級隔聲性能。若考慮不確定度，根據(jù)ISO 12999-1的建議采用全正相關(guān)不確定度，則有RW＋C－U為36.5 dB，滿足4級隔聲性能，RW＋Ctr－U為28.3 dB，滿足2級隔聲性能，RW＋C50-3150－U為35.9 dB，滿足3級隔聲性能，RW＋Ctr,50-3150－U為24.5 dB，滿足1級隔聲性能?？梢娍紤]了不確定度后，同一構(gòu)件的隔聲性所能滿足的等級較不考慮不確定度時(shí)低，若進(jìn)一步考慮頻譜修正量后，隔聲性能等級下降更為厲害，這是因?yàn)檩p質(zhì)結(jié)構(gòu)的低頻性能較弱從而產(chǎn)生較大的不確定度所引起的。

利用不確定度可以明確建筑構(gòu)件滿足某個(gè)等級的隔聲要求，也可以明確其不滿足某個(gè)等級的隔聲要求。還是以構(gòu)件TL-93-344為例，如RW＋C＋U為42.1 dB，小于45.0 dB，即不滿足6級隔聲性能，亦不滿足綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對分戶墻的隔聲量要求。同理，RW＋Ctr＋U為34.1 dB，不滿足4級隔聲性能，RW＋C50-3150＋U為42.3 dB，不滿足6級隔聲性能，RW＋Ctr,50-3150＋U為31.9 dB，不滿足4級隔聲性能。可見考慮了不確定度后，建筑構(gòu)件的隔聲性能往往會落在一個(gè)評價(jià)區(qū)間，且不確定度越大，該區(qū)間越大，要確定建筑和建筑構(gòu)件的隔聲性能等級則越困難。

4 結(jié)語

評價(jià)建筑和建筑構(gòu)件的隔聲性能是否達(dá)到某一個(gè)級別或者是否滿足規(guī)范所要求的隔聲量，并非直接評價(jià)其計(jì)權(quán)隔聲量是否達(dá)到相關(guān)要求，而是需要考慮其隔聲單值量的不確定度。本文根據(jù)ISO 12999-1所規(guī)定的隔聲單值量不確定度方法計(jì)算30個(gè)構(gòu)件的隔聲單值量不確定度，并結(jié)合GB/T 50121規(guī)定的分級評價(jià)體系進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

(1)對于3種不同頻譜修正的全正相關(guān)不確定度，三者皆隨計(jì)權(quán)隔聲量的增加而加大，且uc,Ctr變大的斜率最大，uc,c次之，uc最小，特別是在擴(kuò)展低頻圍時(shí)，這種斜率的差異會更明顯，這與建筑構(gòu)件在低頻范圍的隔聲性能較弱有關(guān)；

(2)若構(gòu)件在低頻范圍和高頻范圍分別受阻尼控制作用和吻合作用而產(chǎn)生“低谷”，則其隔聲單值量不確定度會比較大；

(3)考慮了測量不確定度后，建筑構(gòu)件的隔聲性能往往會落在一個(gè)評價(jià)區(qū)間，該區(qū)間為不確定度的兩倍，該區(qū)間越大，要確定建筑和建筑構(gòu)件的隔聲性能等級越困難。在不確定度較大時(shí)，建筑構(gòu)件的隔聲性能可能會落在幾個(gè)不同的隔聲等級中，這在GB/T 50121的分級評價(jià)體系中未體現(xiàn)出來，也未在綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)出來。因此在我國加快推進(jìn)建筑和建筑構(gòu)件的隔聲單值量不確定度評定的應(yīng)用，不僅有助于建筑隔聲評價(jià)的科學(xué)應(yīng)用，也可以推進(jìn)綠色建筑的隔聲性能評價(jià)應(yīng)用，更有助于國際上對我國隔聲實(shí)驗(yàn)室的測量結(jié)果的認(rèn)可以及基于“一帶一路”的產(chǎn)能輸出。

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