錯縫結(jié)構(gòu)對隔墻傳聲損失的影響研究

劉平，劉勝楠 ，蔡銳，廖國峰，伍發(fā)元，蔡俊

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錯縫結(jié)構(gòu)對隔墻傳聲損失的影響研究

劉平1，劉勝楠2，蔡銳1，廖國峰2，伍發(fā)元1，蔡俊2

(1. 國網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，江西南昌 330029；2. 上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240)

縫隙的存在一直制約著傳統(tǒng)隔墻結(jié)構(gòu)隔聲性能的提高。以錯縫雙層石膏板結(jié)構(gòu)為研究對象，分別研究了錯縫深度和錯縫距離對隔墻傳聲損失的影響。結(jié)果表明，錯縫結(jié)構(gòu)比直縫結(jié)構(gòu)具有更好的隔聲性能；縫隙深度的影響主要取決于隔墻面密度和聲波傳播路徑的變化；而當(dāng)錯縫距離與隔墻厚度接近時，其隔聲量最高，這是由于聲能在墻體和錯縫縫隙中的透射程度相當(dāng)，從而彌補(bǔ)了縫隙在隔墻結(jié)構(gòu)中的透聲“短板”。

縫隙；隔墻；錯縫距離；阻抗管；傳聲損失

0 引言

噪聲作為危害環(huán)境的四大污染之一，對人們的工作學(xué)習(xí)和身心健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，長時間暴露在噪聲中會損傷聽力視力、誘發(fā)疾病、影響睡眠，嚴(yán)重的還會引發(fā)心血管疾病[1-3]。在人口密集交通發(fā)達(dá)的工業(yè)城市，為降低噪聲對居民生活的影響，人們對住房隔墻的隔聲效果要求也越來越高，《民用建筑隔聲設(shè)計規(guī)范》(GB50118-2010)中規(guī)定分隔臥室、起居室(廳)的分戶墻，空氣聲隔聲量應(yīng)大于45 dB(A)；用來分割住宅和非居住空間之間的樓板，空氣聲隔聲量應(yīng)大于51 dB(A)[4]。當(dāng)前國內(nèi)無論是對公共建筑還是住宅，隔聲相關(guān)的評價要求都屬于綠色建筑的控制項評價標(biāo)準(zhǔn)之一[5]。

在嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求下，日本開發(fā)了隔聲量為64 dB的雙層石膏板隔墻、隔聲量為86 dB的三層石膏板隔墻、隔聲量為90 dB的四層石膏板隔墻[6]。A. Uris[7]等研究了巖棉密度對隔墻隔聲量的影響，發(fā)現(xiàn)頻率在1 250 Hz以下時，增加巖棉密度可以提高隔聲量，超過1 250 Hz，巖棉密度對隔聲量無影響。A. Uris等[8]研究了內(nèi)置板對構(gòu)件隔聲量的影響，發(fā)現(xiàn)在石膏板隔墻的空腔中加入石膏板能提高100～200 Hz低頻段的隔聲量約6～7 dB[8]。J. M. Bravo等[9]研究了石膏板之間空氣層和吸聲體對隔墻隔聲量的影響，發(fā)現(xiàn)吸聲體的存在約能使計權(quán)隔聲量提高2 dB，幾毫米厚的空氣層反而會引起共振從而降低構(gòu)件的隔聲量。

聲波在隔墻系統(tǒng)的傳播包括通過隔墻構(gòu)件的傳播和通過泄漏處的傳播，其中泄漏包括有規(guī)則的縫隙、無規(guī)則縫隙以及孔洞等[10]。研究表明，如果聲泄露不能完全消除，單純的改善墻體結(jié)構(gòu)對整體構(gòu)件的隔聲量提高不大[11]。石膏板作為目前最常用的建筑隔墻材料被廣泛用于各種室內(nèi)隔斷，由于一般是拼接結(jié)構(gòu)，其拼接面以及與天花板、地面、墻壁之間都不可避免地存在縫隙，使得石膏板隔墻結(jié)構(gòu)的整體隔聲量大大降低。為此，本研究以雙層石膏板為研究對象，通過制備不同深度和距離的錯縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗測試，研究錯縫結(jié)構(gòu)對整體結(jié)構(gòu)傳聲損失的影響。

1 實驗原理及儀器與方法設(shè)計

1.1 實驗原理

聲波在墻體中的傳播途徑如圖1所示。當(dāng)聲波入射到隔墻表面時，透射聲能的大小關(guān)系到隔墻隔聲能力的好壞。聲能透射一部分是通過引起墻體局部振動傳播的，即空氣聲引起固體振動，再引起空氣聲；另一部分是通過墻體縫隙透射的。

圖1 聲能在隔墻結(jié)構(gòu)中的傳播

1.2 實驗儀器與方法設(shè)計

本研究采用阻抗管測試方法探究石膏板縫隙結(jié)構(gòu)的聲傳遞損失，如圖2所示。阻抗管測試系統(tǒng)配置包括：阻抗管SW422(直徑100 mm，測試頻率范圍為100～1 600 Hz)、4通道數(shù)據(jù)采集器、1/4 in傳聲器、功率放大器等。

為探究隔墻縫隙結(jié)構(gòu)對傳聲損失的影響規(guī)律，研究對象采用直徑為100 mm、厚度分別為9.5、12 mm和15 mm的單層石膏板組合成雙層石膏板結(jié)構(gòu)，在每側(cè)單層石膏板板上開出長20 mm、寬2 mm的縫隙(約占隔板總面積的0.5%)，上下板的縫隙錯開(如圖3所示)。錯縫位置分別設(shè)置距中線0、5、7.5、10、12.5、15和17.5 mm處(即錯縫距離為0、10、15、20、25、30和35 mm)。

圖2 實驗室測試用阻抗管

圖3 錯縫雙層石膏板結(jié)構(gòu)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 錯縫與直縫結(jié)構(gòu)的隔聲量比較

在建筑石膏板隔墻的安裝施工中，不可避免地存在縫隙。常規(guī)對待縫隙的方式是材料的搭接，即錯縫形式更有利于結(jié)構(gòu)的整體隔聲。為了了解錯縫與直縫形式對整體結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響，本研究將不同厚度(縫隙深度)、不同錯縫距離的雙層石膏板在100～1 600 Hz頻段所測得的平均隔聲量列于下表1中。

表1 直縫和錯縫結(jié)構(gòu)雙層石膏板的平均隔聲量(dB)

從表1中可以看出，錯縫結(jié)構(gòu)的隔聲量均大于直縫結(jié)構(gòu)的隔聲量。當(dāng)直縫結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殄e縫結(jié)構(gòu)時，整體結(jié)構(gòu)的平均隔聲量至少提高1 dB。這是因為錯縫的設(shè)置避免了直縫結(jié)構(gòu)存在的聲能“直接穿透”的現(xiàn)象，尤其是低頻聲波，避免了衍射現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外，錯縫結(jié)構(gòu)使得聲波在傳播中不可避免地接觸壁面，增加了聲能的損耗。

2.2 錯縫深度對隔墻結(jié)構(gòu)隔聲量的影響

本研究的錯縫深度就是雙層石膏板的厚度。為此，選取相同錯縫距離、不同錯縫深度的石膏板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了傳聲損失的試驗測試，試驗結(jié)果見圖4。從圖4中可以看出，不同錯縫深度的石膏板結(jié)構(gòu)的隔聲量均隨著頻率的增加而增加。錯縫深度越大，傳聲損失越大。這可以從隔墻整體結(jié)構(gòu)的面密度和聲波傳播路徑兩方面的變化來進(jìn)行解釋：一方面，錯縫深度的增加是石膏板整體結(jié)構(gòu)厚度的增加，即單位體積整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量增加，依據(jù)質(zhì)量作用定律[12]，整體結(jié)構(gòu)的隔聲性能得到了提高；另一方面，錯縫深度的增加使聲波在縫隙中的傳播路徑變長，增加了聲波與縫隙壁面發(fā)生摩擦而產(chǎn)生的耗能，從而衰減了隔墻整體結(jié)構(gòu)的透射聲能。

2.3 錯縫距離對隔墻結(jié)構(gòu)隔聲量的影響

研究分別以19、24 mm和30 mm厚的雙層石膏板為試驗對象，測試了不同錯縫距離情況下的隔墻結(jié)構(gòu)的傳聲損失，得到的傳聲損失曲線見圖5。

從圖5中可以看出，不同錯縫距離的石膏板結(jié)構(gòu)的隔聲量均隨頻率的增加而增加。隨著錯縫距離的增大，隔墻整體結(jié)構(gòu)的隔聲性能逐漸提高，到達(dá)一個最大值后發(fā)生下降。當(dāng)隔聲結(jié)構(gòu)的隔聲性能最大時，錯縫距離和雙層石膏板隔墻的厚度是最接近的。表1顯示了經(jīng)計算得到的不同錯縫距離雙層石膏板隔墻結(jié)構(gòu)的平均隔聲量，也驗證了上述說法。經(jīng)分析，這可能是因為當(dāng)縫隙錯縫距離小于隔墻厚度時，聲波容易從縫隙透過；當(dāng)縫隙錯縫距離大于隔墻厚度時，聲波容易從墻體透過；只有當(dāng)縫隙錯縫距離與隔墻厚度接近時，聲波通過墻體傳播和縫隙傳播的透射難易程度相當(dāng)，從而彌補(bǔ)了縫隙在隔墻結(jié)構(gòu)中的透聲“短板”，提高了整體隔聲效果。

圖4 錯縫深度對雙層石膏板結(jié)構(gòu)隔聲量的影響

圖5 錯縫距離對雙層石膏板結(jié)構(gòu)隔聲量的影響

3 結(jié)論

在建筑石膏板隔墻的安裝施工過程中，不可避免地存在拼接，即直縫和錯縫形式。本文通過阻抗管實測對雙層石膏板隔墻結(jié)構(gòu)的縫隙進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，縫隙存在的情況下，錯縫的設(shè)置提高了隔墻整體結(jié)構(gòu)的隔聲性能。錯縫深度越大，隔墻結(jié)構(gòu)的隔聲量也大。當(dāng)縫隙錯縫距離與隔墻厚度接近時，聲波通過墻體傳播和縫隙傳播的透射難易程度相當(dāng)，從而彌補(bǔ)了縫隙在隔墻結(jié)構(gòu)中的透聲“短板”，提高了整體隔聲效果。本研究結(jié)果可為今后雙層及多層隔墻結(jié)構(gòu)的縫隙隔聲設(shè)計和處理提供科學(xué)依據(jù)。

致謝 感謝杰森石膏板集團(tuán)公司提供的不同厚度的石膏板樣板。

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The effect of staggered slit structure on the sound transmission loss of partition wall

LIU Ping1, LIU Sheng-nan2, CAI Rui1, LIAO Guo-feng2, WU Fa-yuan1, CAI Jun2

(1. State Grid Jiangxi Electric Power Research Institute, Nanchang 330029, Jiangxi, China;2.School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

The existence of slits has restricted the improvement of sound insulation performance of the conventional partition wall structure. The sound transmission loss of partition wall under the existence of slits is studied. The effects of the staggered slit depth and the staggered slit distance on the sound transmission loss of partition wall are analyzed. The experimental results show that the sound insulation performance of the plasterboard whole component with the staggered slits is better than that with the straight slits. The effect of the staggered slit depth depends on the variations of the surface density of partition wall structure and the sound wave propagation path. When the staggered slit distance is close to the partition wall thickness, the sound insulation performance of the partition wall reaches the best. The reason might be explained is that the transmission degree of sound energy through the wall is quite equal to that through the staggered slits, which makes up for the “short board” of sound transmission in the partition wall structure with slits.

slit; partition wall; staggered slit distance; impedance tube; sound transmission loss

TB535+.1

A

1000-3630(2018)-03-0268-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2018.03.013

2017-06-20；

2017-08-01

國網(wǎng)江西省電力公司科研項目(5218201350F3)

劉平(1984－), 男, 湖北隨州人, 博士研究生, 研究方向為電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)研究。

蔡俊, E-mail: juncai@sjtu.edu.cn