李敏敏 王韻璐 曹 瑜 王 正

近年來，輕型木結(jié)構(gòu)建筑行業(yè)在中國發(fā)展迅速，呈現(xiàn)快速增長的趨勢。作為居住的木房屋，其聲學(xué)性能，直接影響到人們的生活質(zhì)量；而木建筑的墻體是分隔房屋內(nèi)外空間的主要界面，其結(jié)構(gòu)的吸聲聲學(xué)性能尤為關(guān)鍵，是創(chuàng)造人們居住美好舒適生活環(huán)境的前提。在北美地區(qū)，約有85%的多層住宅和95%的低層住宅采用輕型木結(jié)構(gòu)體系[1]。目前，我國的輕型木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展尚處于起步階段，特別是在開展木建筑聲學(xué)性能方面的基礎(chǔ)研究水平較為薄弱，與歐美、日本等國的研究成果仍存在一定的差距。值得一提的是，采用吸聲材料達到降噪的效果是最有效的噪聲治理方法[2]，在木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)中合理使用保溫棉材料，利用多孔性材料自身的聲學(xué)特性，對傳播中的聲波能量進行消耗，用于控制和調(diào)整室內(nèi)的混響時間，消除回聲，以改善室內(nèi)的聽聞條件[3]。國內(nèi)外專家學(xué)者對多孔吸聲材料的相關(guān)性能研究取得較多成果。2008年，周成飛等人對聚氨酯泡沫吸聲材料的吸聲頻率特性作了相關(guān)研究，研究發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)良的吸聲性能[4]。2011年，劉鵬輝等人采用多孔吸聲材料的圓管理論模型，并對此進行數(shù)學(xué)編程計算與分析，結(jié)合工程實際，研究影響吸聲性能的因素，對實際的設(shè)計有一定參考價值[5]。2015年，Bo-Seung Kim和Sung-Jin Cho等人對多層纖維吸聲結(jié)構(gòu)進行研究，通過阻抗管測量吸聲系數(shù)，分析孔隙度對聲學(xué)特性的影響，利用吸聲裝置實現(xiàn)狹縫中波傳遞方向的預(yù)測，并提出提高吸聲性能的簡單方法[6]。2016年，Bo-Seung Kim和Sung-Jin Cho等對纖維層和碳纖維構(gòu)成的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能進行了實驗研究，提出結(jié)構(gòu)的吸聲性能取決于纖維層之間的空氣腔的間隙[7]。為開展對輕型木結(jié)構(gòu)建筑同一種墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)置不同種保溫棉材料的墻體結(jié)構(gòu)吸聲性能測試研究，筆者基于傳遞函數(shù)法，實測國內(nèi)外保溫棉材料的吸聲系數(shù)，以及將其保溫棉材料作為填充材料置于墻體內(nèi)部后的墻體結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)，優(yōu)選出吸聲性能好且性價比高的保溫棉填充材料，為工程應(yīng)用提供借鑒。

1 試件與儀器

1.1 墻體結(jié)構(gòu)與試件制作

該吸聲性能測試的對象是某一輕型木結(jié)構(gòu)建筑外墻，其外墻體結(jié)構(gòu)內(nèi)置3種不同的保溫棉材料，即美國歐文斯科寧住宅用R11玻璃棉、美國佳殿牛皮紙 R13玻璃棉和河北大城離心玻璃棉。其輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of light wood structure wall

根據(jù)墻體正立面結(jié)構(gòu)圖（圖2），為了保證整個墻體測試吸聲系數(shù)的客觀準(zhǔn)確性，筆者在該輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)上的3個不同位置進行取樣，見表1。制作墻體結(jié)構(gòu)試件實物見圖3。

圖2 輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體正立面結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Facade structure diagram of light wood structure wall

表1 墻體結(jié)構(gòu)取樣試件一覽表Tab.1 Table of sampling for wall structures

圖3 墻體結(jié)構(gòu)試件實物圖Fig.3 The physical diagram of wall structure specimen

因測試用的阻抗管套件的管徑有測試件中低頻的大管直徑為100 mm、測試件高頻的小管直徑為30 mm兩種規(guī)格，因此該測試試件有兩種規(guī)格，即第一種試件規(guī)格為：30 mm（圓截面直徑）×89 mm（厚）；第二種試件規(guī)格為：100 mm（圓截面直徑）×89 mm（厚）。測試的保溫棉材料試件平均密度為20 kg/m3。表1中，墻體結(jié)構(gòu)1試件數(shù)量共4個，其中美國佳殿和歐文斯兩種保溫棉材料置于測試管徑為100 mm和管徑為30 mm內(nèi)的試件各2個。由于墻骨柱截面寬度為38 mm，故墻體結(jié)構(gòu)2、墻體結(jié)構(gòu)3試件數(shù)量各2個，其中美國佳殿和歐文斯兩種保溫棉材料置于測試管徑為100 mm的試件各1個。

試驗用保溫棉試件按照實際施工用厚度89 mm進行制作，用電子天平稱量得到試件質(zhì)量。經(jīng)實測，30 mm（圓截面直徑）×89 mm（厚）的試件規(guī)格所需保溫棉材料質(zhì)量為1.259 g；第二種100 mm（圓截面直徑）×89 mm（厚）的試件規(guī)格所需保溫棉材料質(zhì)量為13.980 g。

1.2 試驗儀器

1）BSWA SW422 510045型阻抗管套件：大管直徑100 mm，小管直徑30 mm；其配套設(shè)備包括：聲級通道校準(zhǔn)器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、BSWA TECH功率放大器、BSWA TECH信號發(fā)生器、信號接收器及計算機（VA-Lab測試及分析系統(tǒng)）；

2）DYM3型空盒氣壓表1只；逸品博洋溫濕度計1只等。

2 測量原理與方法

2.1 傳遞函數(shù)法

傳遞函數(shù)法是測量材料聲學(xué)特性參數(shù)的常用方法，利用管道及結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性與聲學(xué)特性[8]，完成材料聲學(xué)特性參數(shù)的測量，可通過一次測量，得到材料在連續(xù)頻帶的聲學(xué)特性參數(shù)的方法。將測試樣品裝在一個平置、剛性、氣密的阻抗管的一端，如圖4所示。管中的平面聲波由聲源（白噪聲）產(chǎn)生，在靠近測試樣品的兩個位置上分別測量聲壓，可求得兩個傳聲器之間的聲傳遞函數(shù)，由此計算測試樣品的法向入射吸聲系數(shù)[9]。

圖4 510045型阻抗管結(jié)構(gòu)圖Fig.4 510045-type impedance tube structure disgram

2.2 測試原理

吸聲系數(shù)是描述材料吸聲本領(lǐng)的物理量，指材料吸收的聲能和入射聲能之比，通常用符號α表示[10]。而阻抗管測量材料吸聲性能的原理基于傳遞函數(shù)法，其測試系統(tǒng)連接示意圖如圖5所示。

將寬帶穩(wěn)態(tài)隨機信號分解成入射波pi和反射波pr，pi和pr大小由安裝在管上的兩個傳聲器測得的聲壓決定，s為雙傳聲器的間距，l為傳聲器2至基準(zhǔn)面（測量表面）的距離，入射波聲壓和反射波聲壓分別可寫為[11]：

式中:PI——基準(zhǔn)面上Pi的幅值；

PR——基準(zhǔn)面上Pr的幅值。

兩個傳聲器位置處的聲壓分別為：

圖5 阻抗管測量吸聲系數(shù)系統(tǒng)連接示意圖Fig.5 Connection diagram of impedance tube system for measurement of sound absorption coefficient

入射波的傳遞函數(shù)Hi為：

其中s為兩個傳聲器之間的距離,反射波的傳遞函數(shù)Hr為：

總聲場的傳遞函數(shù)H12可由P1、P2獲得，并有PR=rPI，則：

使用Hi、Hr改寫上式：

反射系數(shù)r可通過測得的傳遞函數(shù)、距離s、l和波數(shù)k0確定，因此，吸聲系數(shù)α和阻抗率Z分別為：

2.3 測試過程

按圖5實現(xiàn)測試儀器連接。首先，開啟電源，將試件安裝進試件筒（低頻測試時用直徑為100 mm×厚89 mm的試件，高頻測試用直徑為30 mm×厚89 mm的試件），用鐵絲網(wǎng)來保證表面的平整度，再固定試件筒，并進行聲級通道校準(zhǔn)；其次，完成主要參數(shù)設(shè)置；再次，進行試件的吸聲系數(shù)的測試。通過多次交換通道的測試，對相差不大時的測量值取其平均值加入計算，分別測量3組數(shù)據(jù)再得到平均值；調(diào)節(jié)模式到1/3倍頻程，輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)及圖形，每種試件分別在低頻、中頻及高頻模式下進行測試；最后，輸出相應(yīng)數(shù)據(jù)，對其數(shù)據(jù)進行擬合，輸出總的擬合數(shù)據(jù)及圖形。分別對3種不同的保溫棉材料試件及內(nèi)置2種規(guī)格試件進行重復(fù)測試，輸出不同頻率下試件的吸聲系數(shù)。參考保溫棉材料的理論吸聲特性，對保溫棉試件進行不同頻率段的吸聲性能對比分析。同時對墻體結(jié)構(gòu)進行測試與分析比較，總結(jié)內(nèi)置不同保溫棉材料對輕型木結(jié)構(gòu)墻體結(jié)構(gòu)的吸聲性能的影響，并得出相應(yīng)結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 測試結(jié)果

測量數(shù)據(jù)采用Origin 8.0做數(shù)據(jù)平滑處理，同時用Savitzky-Golay對其局部數(shù)據(jù)進行多項式回歸，可有效保留數(shù)據(jù)的原始特征[12]。

圖6為3種保溫棉材料吸聲系數(shù)的實測值曲線，圖7為墻體結(jié)構(gòu)1（分別內(nèi)置2種不同的保溫棉材料）的吸聲系數(shù)實測值曲線。

圖6 3種保溫棉吸聲系數(shù)實測值曲線Fig.6 Measured curve of sound absorption coefficient of three insulated cotton

圖7 墻體結(jié)構(gòu)1吸聲系數(shù)實測值曲線Fig.7 Measured curve of sound absorption coefficient of wall structure 1

圖8 與圖9分別為墻體結(jié)構(gòu)2與墻體結(jié)構(gòu)3的吸聲系數(shù)實測值曲線，這兩種墻體結(jié)構(gòu)都分別內(nèi)置2種不同的保溫棉材料。

圖8 墻體結(jié)構(gòu)2吸聲系數(shù)實測值曲線Fig.8 Measured curve of sound absorption coefficient of wall structure 2

圖9 墻體結(jié)構(gòu)3吸聲系數(shù)實測值曲線Fig.9 Measured curve of sound absorption coefficient of wall structure 3

3.2 吸聲系數(shù)與降噪系數(shù)分析

根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20247—2006 《聲學(xué) 混響室吸聲測量》[13]，在吸聲測試報告中吸聲系數(shù)的頻率范圍為100～5 000 Hz，將材料在100～5 000 Hz頻率段的吸聲系數(shù)求取平均得到的數(shù)值即為平均吸聲系數(shù)，計算公式如下：

由式（1）可計算出3種保溫棉材料的吸聲系數(shù)為：大城離心玻璃棉的平均吸聲系數(shù)為（0.073+0.074+…+0.907）/17=0.555；美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉的平均吸聲系數(shù)為（0.062+0.053+…+0.972）/17=0.603；歐文斯科寧住宅用R11玻璃棉的平均吸聲系數(shù)為（0.049+0.050+…0.978）/17=0.590。

降噪系數(shù)NRC是衡量封閉的空間內(nèi)，材料對聲音吸收能力的一個全面的評價指標(biāo)，通過對中心頻率在200～2 500 Hz范圍內(nèi)的各1/3倍頻程的無規(guī)入射吸聲系數(shù)測量值進行計算，所得到的材料吸聲特性的單一值[14]。在工程中常應(yīng)用降噪系數(shù)（NRC）粗略地評價在語言頻率范圍內(nèi)的吸聲性能，這一數(shù)值是材料在250、500、1 000、2 000 Hz四個頻率的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值（精確到0.001），計算公式如下：

由式（2）可計算出3種保溫棉材料的降噪系數(shù)為：大城離心玻璃棉的降噪系數(shù)為(0.168+0.360+0.829+0.970)/4=0.553；美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉降噪系數(shù)為(0.56+0.465+0.829+0.986)/4=0.609；歐文斯科寧住宅用R11玻璃棉降噪系數(shù)為（0.150+0.421+0.803+0.991）/4=0.591。

平均吸聲系數(shù)較真實地反映了材料的總體吸聲性能，而降噪系數(shù)是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用于評定吸聲性能等級劃分的參考依據(jù)，可綜合評價材料的吸聲性能。保溫棉材料作為多孔性吸聲材料，其吸聲系數(shù)的大小與吸聲材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及聲波入射的頻率有關(guān)，且其厚度及密度一定時，應(yīng)綜合考慮材料孔隙率、孔徑及結(jié)構(gòu)因子對材料吸聲性能的影響[15]。圖6中，當(dāng)保溫棉材料容重一定時，3種玻璃保溫棉吸聲系數(shù)在中低頻125～2 000 Hz隨著頻率的增加而增加；在高頻段2 000～6 300 Hz隨著頻率的增加，保溫棉材料出現(xiàn)共振吸聲系數(shù)和反共振吸聲系數(shù)，即吸聲系數(shù)會呈現(xiàn)相應(yīng)的極大值與極小值。隨著頻率的不斷升高，吸聲系數(shù)會不斷出現(xiàn)極大與極小的變化，越往后其間差異越小[15]。低頻段125～250 Hz，大城離心玻璃棉吸聲系數(shù)最大，吸聲效果最佳；美國佳殿保溫棉與歐文斯保溫棉相近。中頻段250～2 000 Hz，美國佳殿保溫棉吸聲系數(shù)最大，吸聲效果最佳；歐文斯保溫棉次之；大城離心玻璃棉最小。高頻段2 000～6 300Hz，歐文斯保溫棉吸聲系數(shù)最大，吸聲效果最佳；美國佳殿保溫棉次之；大城離心玻璃棉最小。這是由于：大城離心玻璃棉纖維結(jié)構(gòu)纖維細長，構(gòu)成多細小孔隙，對低頻吸聲性能好，低頻降噪效果佳，主要依靠其細纖維的振動來實現(xiàn)對低頻聲的吸收功能。

因佳殿與歐文斯兩種棉材料的纖維直徑與其熱阻呈現(xiàn)比例關(guān)系，實際兩種棉纖維直徑大小差異以μ計，其結(jié)構(gòu)對低頻聲的吸收差異小，對中高頻的吸聲性能有一定影響，故兩種棉材料低頻吸聲效果相近。美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉纖維細小，孔隙多，孔徑小，材料結(jié)構(gòu)細膩，其結(jié)構(gòu)中頻吸聲性能好，中頻降噪效果佳；歐文斯科寧住宅用R11玻璃棉纖維略粗，孔隙少，孔徑大，材料結(jié)構(gòu)略粗糙，對高頻吸聲性能好，高頻降噪效果佳。

3.3 保溫棉吸聲結(jié)構(gòu)特性分析

保溫棉為多連通孔柔軟性材料，其內(nèi)部具有大量細小孔隙，彼此交錯貫通，能吸收在空氣中傳播的聲波能量，聲波傳播過程中一部分聲波被材料表面反射，另一部分透入材料內(nèi)部向前傳播，其中部分聲波在材料孔隙內(nèi)傳播時在材料內(nèi)部與空氣、孔壁及纖維之間相互作用，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能或動能，最終使聲能衰減，直至達到相對平衡。當(dāng)多孔材料構(gòu)成吸聲體時，一般材料高頻段吸聲性能優(yōu)于低頻段吸聲性能，因此保溫棉的有效吸聲范圍較寬，且多孔吸聲材料的吸聲能力與材料試件的密度有關(guān)[16]。

3.4 墻體結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)分析

圖7中，當(dāng)填充的保溫棉材料容重一定時，墻體結(jié)構(gòu)1的吸聲系數(shù)在中低頻125～2 000 Hz條件下隨著頻率的增加而增加，在高頻段2 000～6 300 Hz時，隨著頻率的增加，吸聲系數(shù)趨于恒定。在125～630 Hz頻率段，美國佳殿保溫棉、歐文斯保溫棉作為墻體結(jié)構(gòu)的填充材料，對墻體結(jié)構(gòu)整體的吸聲系數(shù)影響差異極小，原因在于聲波傳播透入至墻體結(jié)構(gòu)的各個部分，其能量逐漸衰減，最終達到平衡，低頻段兩種保溫棉材料的吸聲性能差異小。同時OSB是由大量小刨花定向鋪裝膠合而成，結(jié)構(gòu)內(nèi)部有大量孔隙，能夠有效吸收一部分中低頻聲波，降低聲能；在630～2 000 Hz頻率段，美國佳殿保溫棉作填充材料的墻體結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)大，吸聲效果好，原因在于相同的墻體結(jié)構(gòu)，其吸聲性能主要取決于保溫棉填充材料的吸聲性能，佳殿保溫棉材料對中頻聲吸收效果佳；在2 000～6 300 Hz頻率段，美國佳殿保溫棉與歐文斯保溫棉作填充材料的墻體結(jié)構(gòu)吸聲效果趨于一致，原因在于聲波透入墻體結(jié)構(gòu)，通過各組成部分的振動、摩擦消耗聲能，歐文斯保溫棉材料結(jié)構(gòu)粗，對高頻吸聲效果好。佳殿保溫棉材料纖維結(jié)構(gòu)細小，與OSB板接觸面積大，聲波傳播過程中保溫棉與OSB之間摩擦作用增大，可有效降低其聲能。

圖8與圖9中，當(dāng)填充的保溫棉材料容重一定時，隨著墻體結(jié)構(gòu)中墻骨柱（或橫撐）組成比例的增加，墻骨柱對結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)的影響增大，木材吸聲特性與其自身物理特性有關(guān)，一般在低頻段吸聲效果好，中頻段吸聲效果差[17]。對于墻體結(jié)構(gòu)2與墻體結(jié)構(gòu)3，其吸聲系數(shù)均在125～1 600 Hz頻率范圍內(nèi)隨著頻率的增加而增加。在125～250 Hz頻率段，美國佳殿保溫棉與歐文斯保溫棉在低頻段兩種保溫棉材料的吸聲效果差異小，用作墻體填充材料時墻體結(jié)構(gòu)吸聲性能相同；在250～1 600 Hz頻率段，因美國佳殿保溫棉材料結(jié)構(gòu)細小，作填充材料的墻體結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)大，其吸聲性能好。

3.5 保溫棉材料性價比分析

歐文斯科寧保溫棉材料市場價格為2 000元/m3，美國佳殿保溫棉材料市場價格為543.5元/m3，大城離心玻璃棉材料市場價格為80元/m3。在低頻段，大城離心玻璃棉材料的吸聲效果最好，其市場價格具有優(yōu)勢，可認(rèn)為大城離心玻璃棉材料的低頻吸聲效果好且性價比高；在中頻段，佳殿保溫棉材料的吸聲效果好，性價比高；在高頻段，歐文斯保溫棉材料的綜合吸聲效果好，其市場價格最貴，吸聲系數(shù)比佳殿保溫棉材料略大，其價格是佳殿保溫棉材料的4倍；綜合分析美國佳殿保溫棉材料性價比高。

4 結(jié)論

1）經(jīng)分析比較3種保溫棉材料的平均吸聲系數(shù)為：美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉＞歐文斯科寧住宅用R11玻璃棉＞大城離心玻璃棉，即美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉材料的綜合吸聲性能最佳，歐文斯科寧住宅用R11玻璃棉次之，大城離心玻璃棉最差。

2）測算出3種保溫棉材料的降噪系數(shù)均大于0.5，說明3種保溫棉材料具有明顯降低室內(nèi)混響作用。分析比較3種保溫棉材料的降噪系數(shù)為：美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉＞歐文斯科寧住宅用R11玻璃棉＞大城離心玻璃棉，即在封閉的空間內(nèi)，美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉材料對聲音吸收能力最佳，歐文斯科寧住宅用R11玻璃棉次之，大城離心玻璃棉最差。

3）3種玻璃保溫棉吸聲材料的吸聲特性對高頻聲吸聲效果好，而對低頻聲效果較差，這是由于多孔材料的孔隙尺寸與高頻聲波的波長相近所致。

4）3種玻璃保溫棉吸聲材料中，大城離心玻璃棉在低頻段吸聲效果明顯，中高頻段吸聲效果相對不明顯；美國佳殿保溫棉在中頻段吸聲效果明顯，低頻與高頻段相對不明顯；歐文斯保溫棉在高頻段吸聲效果明顯，中低頻段相對不明顯。綜合分析得知，佳殿保溫棉材料的綜合吸聲效果最好，性價比最高。

5）實測并分析特定輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體的結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)，在低頻段，選擇美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉與歐文斯科寧住宅用R11玻璃棉用作建筑墻體的墻骨柱框架系統(tǒng)填充材料都具有較好的吸聲性能；在中頻段，選擇美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉用作建筑墻體的墻骨柱框架系統(tǒng)填充材料，可以達到更好的吸聲效果。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能與其填充材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。研究結(jié)果表明，美國佳殿保溫棉材料的綜合吸聲效果最好，性價比最高。美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉應(yīng)用于建筑墻體結(jié)構(gòu)填充材料的吸聲效果比歐文斯科寧住宅用R11玻璃棉好。建議可根據(jù)木結(jié)構(gòu)建筑的具體功能進行保溫棉填充材料的選擇，對于接待室、家庭影院之類的功能區(qū)，對建筑室內(nèi)的吸聲要求高，需要盡量減少室內(nèi)混響時間，可以選擇吸聲效果好的美國佳殿牛皮紙R13玻璃棉用于墻體結(jié)構(gòu)填充，建議可以適當(dāng)對輕型木結(jié)構(gòu)建筑墻體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提升建筑整體的聲學(xué)性能。

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