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離心玻璃棉的建築聲學特性及應用

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    離心玻璃棉內部纖維蓬鬆交錯,存在大量微小的孔隙,是典型的多孔性吸聲材料,具有良好的吸聲特性。離心玻璃棉可以製成牆板、天花板、空間吸聲體等,可以大量吸收房間內的聲能,降低混響時間,有利於提高語言清晰度,也有利於減少室內雜訊。在輕體隔牆的空腔內填入離心玻璃棉,不但起到良好的保溫作用,還可以較大幅度地提高牆體的隔聲性能,有利於隔絕雜訊,也有利於保證室內談話的私密性。使用離心玻璃棉製成管道或風機罩的襯裡可以起到消聲作用,有利於降低管道中氣流和機械振動產生的雜訊,使空調系統更加安靜。離心玻璃棉具有良好的彈性,可以作為樓板減振墊層的主要材料,顯著地降低樓上的腳步、奔跑、拖動物品等撞擊產生的雜訊對樓下房間的影響。

        離心玻璃棉的聲學特性不但與厚度和容重有關,也與罩面材料、結構構造等因素有關。在建築應用中還需同時兼顧造價、美觀、防火、防潮、粉塵、耐老化等多方面問題。本文將就離心玻璃棉相關的建築聲學基本概念、建築吸聲應用、建築隔聲應用、建築消聲應用、國內外不同聲學產品對比,以及相關的國家規範標準等方面近可能詳細地討論離心玻璃棉的建築聲學特性及應用。

        一、建築聲學的基本概念

        1)聲音

        物體的振動產生「聲」,振動的傳播形成「音」。人們通過聽覺器官感受聲音,聲音是物理現象,不同的聲音人們有不同的感受,相同聲音的感受也會因人而異。美妙的音樂令人陶醉,清晰激昂的演講令人鼓舞,但有時侯,鄰居傳來的音樂聲使人難以入睡,他人之間的甜言蜜語也許令人煩惱。建築聲學不同於其他物理聲學,主要研究目的在於如何使人們在建築中獲得良好的聲音環境,涉及的問題不局限於聲音本身,還包括心理感受、建築學、結構學、材料學甚至群體行為學等多方面問題。 

        人耳的聽覺下限是0dB,低於15dB的環境是極為安靜的環境,安靜的會使人不知所措。鄉村的夜晚大多是25-30dB,除了細心才能夠體會到的流水、風、小動物等自然聲音以外,其他感覺一片寧靜,這也是生活在喧囂之中的城市人所追求的凈土。城市的夜晚會因區域不同而有所不同。較為安靜區域的室內一般在30-35dB,如果你住在繁華的鬧市區或是交通幹線附近,將不得不忍受40-50dB(甚至更高)的雜訊,如果碰巧鄰居是一位不通情達理的人,夜深人靜時蹦蹦跳跳、高聲喧嘩,也許更要飽受煎熬了。人們正常講話的聲音大約是60-70dB,大聲呼喊可達100dB。在中式餐館中,往往由於缺乏吸聲處理,人聲鼎沸,聲音將達到70-80dB,有國外研究報道雜訊中進餐會影響健康。人耳的聽覺上限一般是120dB,超過120dB的聲音會造成聽覺器官的損傷,140dB的聲音會使人失去聽覺。高分貝喇叭、重型機械、噴氣飛機引擎等都能夠產生超過120dB的聲音。

        人耳聽覺非常敏感,正常人能夠察覺1dB的聲音變化,3dB的差異將感到明顯不同。人耳存在掩蔽效應,當一個聲音高於另一個聲音10dB時,較小的聲音因掩蔽而難於被聽到和理解,由於掩蔽效應,在90-100dB的環境中,即使近距離講話也會聽不清。人耳有感知聲音頻率的能力,頻率高的聲音人們會有「高音」的感覺,頻率低的聲音人們會有「低音」的感覺,人耳正常的聽覺頻率範圍是20-20KHz。人耳耳道類似一個2-3cm的小管,由於頻率共振的原因,在2000-3000Hz的範圍內聲音被增強,這一頻率在語言中的輔音中佔主導地位,有利於聽清語言和交流,但人耳最先老化的頻率也在這個範圍內。一般認為,500Hz以下為低頻,500Hz-2000Hz為中頻,2000Hz以上為高頻。語言的頻率範圍主要集中在中頻。人耳聽覺敏感性由於頻率的不同有所不同,頻率越低或越高時敏感度變差,也就是說,同樣大小的聲音,中頻聽起來要比低頻和高頻的聲音響。

        2)頻率特性

        聲音可以分解為若干(甚至無限多)頻率分量的合成。為了測量和描述聲音頻率特性,人們使用頻譜。頻率的表示方法常用倍頻程和1/3倍頻程。倍頻程的中心頻率是31.5、63、125、250、500、1K、2K、4K、8K、16KHz十個頻率,后一個頻率均為前一個頻率的兩倍,因此被稱為倍頻程,而且后一個頻率的頻率帶寬也是前一個頻率的兩倍。在有些更為精細的要求下,將頻率更細地劃分,形成1/3倍頻程,也就是把每個倍頻程再劃分成三個頻帶,中心頻率是20、31.5、40、50、63、80、100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1K、1.25K、1.6K、2K、2.5K、3.15K、4K、5K、6.3K、8K、10K、12.5K、16K、20KHz等三十個頻率,后一個頻率均為前一個頻率的21/3倍。在實際工程中更關心人耳敏感的部分,因此,除進行必要的科學研究以外,大多數情況下考慮的頻率範圍在100Hz到5KHz。如果將聲音的頻率分量繪製成曲線就形成了頻譜。

        對於各種建築聲學材料來講,不同頻率條件下聲學性能是不同的。有的材料具有良好的高頻吸聲性能,有的材料具有良好的低頻吸聲性能,有的材料對某些頻率具有良好的吸聲性能,不一而同。隔聲等其他聲學性能也是如此。

       3)分貝和A聲級

       分貝對於非專業人員來講是最難理解的,然而對於專業人士來講分貝又是再熟悉不過了。分貝(dB)是以美國電話發明家貝爾命名的,因為貝的單位太大,因此採用分貝,代表1/10貝。 

       分貝的概念比較特別,它的運算不是線性比例的,而是對數比例的,例如兩個音箱分別發出60dB的聲音,合在一起並不是120dB,而是63dB。如果某種吸聲材料吸收了80%的聲能,聲音降低了不是0.8dB也不是80dB而是 10lg(1-0.8)=7dB。如果某種隔牆隔聲量為50dB,那麼透過去的聲音為0.00001。分貝的計算較為複雜,需要具備專業知識才能完成。

使用分貝描述聲音時需要同時給出頻率。任何一個聲音,不同頻率的分貝數可能是不同的。我們可以說在某頻率時,聲壓級是多少,或吸聲係數是多少,或隔聲量是多少等等。

A聲級的概念會使普通人感到迷惑。聲級是將各個頻率的聲音計權相加(不是簡單的算術相加)得到的聲音大小,A聲級是各個頻率的聲音通過A計權網路后再相加得到的大小,A聲級反映了人耳對低頻和高頻不敏感的聽覺特性。例如,如果100Hz的聲壓級為80dB,在計算A聲級時,將按計權減去50.5dB,即按29.5dB來計算;而1KHz的聲壓級為80dB,計權值為0dB,即仍按80dB計算。A聲級的目的在於,A聲級越大,則表明聲音聽起來越響。A聲級分貝通常計為dBA。許多與雜訊有關的國家規範都是按A聲級作為指標的。

4)吸聲

吸聲是聲波撞擊到材料表面后能量損失的現象,吸聲可以降低室內聲壓級。描述吸聲的指標是吸聲係數a,代表被吸收的聲能與入射聲能的比值。理論上,如果某種材料完全反射聲音,那麼它的a=0;如果某種材料將入射聲能全部吸收,那麼它的a=1。事實上,所有材料的a介於0和1之間,也就是不可能全部反射,也不可能全部吸收。

不同頻率上會有不同的吸聲係數。人們使用吸聲係數頻率特性曲線描述材料在不同頻率上的吸聲性能。按照ISO標準和國家標準,吸聲測試報告中吸聲係數的頻率範圍是100-5KHz。將 100-5KHz的吸聲係數取平均得到的數值是平均吸聲係數,平均吸聲係數反映了材料總體的吸聲性能。在工程中常使用降噪係數NRC粗略地評價在語言頻率範圍內的吸聲性能,這一數值是材料在250、500、1K、2K四個頻率的吸聲係數的算術平均值,四捨五入取整到0.05。一般認為NRC小於0.2的材料是反射材料,NRC大於0.4的材料才被認為是吸聲材料。當需要吸收大量聲能降低室內混響及雜訊時,常常推薦使用高吸聲係數的材料。離心玻璃棉屬於高NRC吸聲材料,5cm厚的24kg/m³的離心玻璃棉的NRC可達到0.90。

多孔吸聲材料,如離心玻璃棉、岩棉、礦棉、植物纖維噴塗等,吸聲機理是材料內部有大量微小的孔隙,聲波沿著這些孔隙可以深入材料內部,與材料發生摩擦作用將聲能轉化為熱能。多孔吸聲材料的吸聲特性是隨著頻率的增高吸聲係數逐漸增大,這意味著低頻吸收沒有高頻吸收好。與牆面或天花存在空氣層的穿孔板,即使材料本身吸聲性能很差,這種結構也具有吸聲性能,如穿孔的石膏板、木板、金屬板、甚至是狹縫磚等,它的吸聲機理是亥姆霍茲共振,類似於暖水瓶,外部空間與內部空間通過窄的瓶頸連接,聲波入射時,在共振頻率上與頸部的空氣及內部空間之間產生劇烈的共振作用而損失聲能。亥姆霍茲共振吸收的特點是只有在某些頻率上具有較大的吸聲係數。薄膜或薄板與其他結構體形成空腔時也能吸聲,如木板、金屬板等,這種結構的吸聲機理是薄板共振,在共振頻率上,由於薄板劇烈振動而大量吸收聲能。薄板共振吸收大多在低頻具有較好的吸聲性能。

5)混響和混響時間

混響是房間中聲音被界面不斷反射而積累的結果,混響可以使室內的聲音增加15dB,同時會降低語言清晰度。對於音樂演奏的空間,如音樂廳、劇場等,需要混響效果使樂曲更加舒緩而愉悅。對於語言使用的空間,如電影院、教室、禮堂、錄音室等需要減少混響使講話更加清晰。因此,不同使用要求的房間需要不同的混響效果。

描述混響效果的指標是混響時間,它是室內聲源停止發聲后,聲壓級衰減60dB所經歷的時間,單位是秒。混響時間與室內吸聲存在數學關係,也就是建築聲學中著名的塞賓公式:T=0.161V/(S×a) ,其中T是混響時間,V是房間體積,S是房間牆面的總表面積,a是房間表面的平均吸聲係數。由塞賓公式可以看出,房間體積越大混響時間越長;平均吸聲係數越大,混響時間越短。如體育館等體積巨大的空間,如果不進行吸聲處理的話,混響時間會很長,將嚴重影響語言清晰度。由於室內吸聲與頻率有關,不同頻率的混響時間也有所不同,房間音質指標常指的是中頻混響時間。據研究,就較理想的混響時間而言(中頻),音樂廳為1.8-2.2秒,劇院為1.3-1.5秒,多功能禮堂為1.0-1.4秒,電影院為0.6-1.0秒,教室為0.4-0.8秒,錄音室為0.2-0.4秒,體育館為低於2.0秒。在建築設計中正確地應用吸聲材料可以控制混響時間,保證音質效果滿足使用要求。

6)隔聲

為了保證室內環境的私密性,降低外界聲音的影響,房間之間需要隔聲。隔聲與吸聲是完全不同的概念,好的吸聲材料不一定是好的隔聲材料。聲音進入建築維護結構有三種形式。1)通過孔洞直接進入。2)聲波撞擊到牆面引起牆體振動而輻射聲音。3)物體撞擊地面或牆體產生結構振動而輻射聲音。前兩種方式為空氣聲傳聲,第三種方式是撞擊聲傳聲。

描述空氣聲傳聲隔聲性能的指標是隔聲量,隔聲量的定義是R=10lg(1/τ),其中τ是透射聲能與入射聲能的比,隔聲量的單位是dB。隔聲量可以粗略地理解為牆體兩邊聲音分貝數的差值,但絕對不是差值這樣簡單。孔洞的隔聲量R=0dB,隔掉99%聲能的隔牆的隔聲量是20dB,隔掉99.999%聲能的隔牆的隔聲量是50dB。

牆體在不同頻率下的隔聲量一般並不相同,一般規律是高頻隔聲量好於低頻。不同材料的隔聲量頻率特性曲線很不相同,為了使用單一指標比較不同材料及構造的隔聲性能,人們使用計權隔聲量Rw。Rw是使用標準評價曲線與牆體隔聲量頻率特性曲線進行比較得到的,標準評價曲線符合人耳低頻不敏感的聽覺特性。具體評價方法可參見國標GBJ121-88「建築隔聲評價標準」。

隔牆隔聲存在質量定律,即單層牆越重隔聲性能越好,單位面積的質量提高一倍,隔聲量提高6dB。120磚牆的面密度為260kg/m2,隔聲量為46-48dB;240磚牆的面密度為520kg/m2,隔聲量為52-54dB。磚牆牆體過重,結構荷載負擔較大,使用黏土磚也不利於耕地保護,因此,輕牆得以廣泛使用。為了使輕牆達到良好的隔聲性能,需要使用多層牆板內填吸聲材料的方法。75龍骨內填玻璃棉的雙面雙層紙面石膏板牆的面密度只有60kg/m2左右,隔聲量可以達到50dB。同樣面密度的90厚加氣混凝土板牆的隔聲量只有36dB。對於住宅隔聲,Rw應至少大於45dB,最好大於50dB。

描述撞擊聲傳聲隔聲性能的指標是撞擊聲壓級,它不同於空氣聲隔聲量所表達的「隔掉聲音的分貝數」,而是表示在使用標準打擊器(一種能夠產生標準撞擊能量的設備)撞擊樓板時,樓下聲音的大小。撞擊聲壓級越大表示樓板撞擊聲傳聲隔聲能力越差,反之越好。撞擊聲壓級反映了人在樓上活動時對樓下房間產生聲音的大小。樓板撞擊聲壓級隨頻率不同而變化,為了使用單一指標比較不同樓板的隔絕撞擊聲的性能,人們使用計權撞擊聲壓級LPN,w。Lpn,w同樣使用標準評價曲線與撞擊聲隔聲頻率特性曲線進行比較得到的,具體評價方法可參見國標GBJ121-88「建築隔聲評價標準」。

比較理想的住宅樓板計權撞擊聲壓級應小於65dB。然而,大量使用的普通10cm厚混凝土樓板計權撞擊聲壓級為80-82dB,樓板隔聲問題比較嚴重,住戶多有抱怨,誰沒有聽到樓上的腳步聲以及孩子的跑跳聲的經歷呢?採用浮築地板的方法可以提高樓板隔聲性能,如在結構樓板上鋪一層高容重的玻璃棉減振墊層再做40mm厚的混凝土地面,計權撞擊聲壓級可以小於60dB。

二、離心玻璃棉在建築吸聲中的應用

1)離心玻璃棉的吸聲機理

離心玻璃棉屬於多孔吸聲材料,具有良好的吸聲性能。離心玻璃棉能夠吸聲的原因不是由於表面粗糙,而是因為具有大量的內外連通的微小孔隙和孔洞。當聲波入射到離心玻璃棉上時,聲波能順著孔隙進入材料內部,引起空隙中空氣分子的振動。由於空氣的粘滯阻力和空氣分子與孔隙壁的摩擦,聲能轉化為熱能而損耗。多孔材料吸聲的必要條件是:材料有大量空隙,空隙之間互相連通,孔隙深入材料內部。錯誤認識之一是認為表面粗糙的材料具有吸聲性能,其實不然,例如拉毛水泥、表面凸凹的石才基本不具有吸聲能力。錯誤認識之二是認為材料內部具有大量孔洞的材料,如聚苯、聚乙烯、閉孔聚氨脂等,具有良好的吸聲性能,事實上,這些材料由於內部孔洞沒有連通性,聲波不能深入材料內部振動摩擦,因此吸聲係數很小。

測量材料吸聲係數的方法有兩種,一種是混響室法,一種是駐波管法。混響室法測量聲音無規入射時的吸聲係數,即聲音由四面八方射入材料時能量損失的比例,而駐波管法測量聲音正入射時的吸聲係數,聲音入射角度僅為90度。兩種方法測量的吸聲係數是不同的,工程上最常使用的是混響室法測量的吸聲係數,因為建築實際應用中聲音入射都是無規的。在某些測量報告中會出現吸聲係數大於1的情況,這是由於測量的實驗室條件等造成的,理論上任何材料吸收的聲能不可能大於入射聲能,吸聲係數永遠小於1。任何大於1的測量吸聲係數值在實際聲學工程計算中都不能按大於1使用,最多按1進行計算。

在房間中,聲音會很快充滿各個角落,因此,將離心玻璃棉等吸聲材料放置在房間任何錶面都有吸聲效果。吸聲材料吸聲係數越大,吸聲面積越多,吸聲效果越明顯。離心玻璃棉可以被製成吸聲天花、吸聲牆板、空間吸聲體等各種建築吸聲構件。

2)影響離心玻璃棉吸聲係數的因素

離心玻璃棉對聲音中高頻有較好的吸聲性能。影響離心玻璃棉吸聲性能的主要因素是厚度、密度、孔隙率、結構因子和空氣流阻等。密度是每立方米材料的重量。孔隙率是材料中孔隙體積和材料總體積之比。結構因子反映離心玻璃棉內部纖維或顆粒排列的情況,是衡量材料微孔或狹縫分佈情況的物理量。空氣流阻是單位厚度時材料兩側空氣氣壓和空氣流速之比。

空氣流阻是影響離心玻璃棉吸聲性能最重要的因素。流阻太小,說明材料稀疏,空氣振動容易穿過,吸聲性能下降;流阻太大,說明材料密實,空氣振動難於傳入,吸聲性能亦下降。對於離心玻璃棉來講,吸聲性能存在最佳流阻。在實際工程中,測定空氣流阻比較困難,但可以通過厚度和容重粗略估計和控制。1)隨著厚度增加,中低頻吸聲係數顯著地增加,但高頻變化不大(高頻吸收總是較大的)。2)厚度不變,容重增加,中低頻吸聲係數亦增加;但當容重增加到一定程度時,材料變得密實,流阻大於最佳流阻,吸聲係數反而下降。對於厚度超過5cm的容重為16Kg/m3的離心玻璃棉,低頻125Hz約為0.2,中高頻(>500Hz)的吸聲係數已經接近於1了。當厚度由5cm繼續增大時,低頻的吸聲係數逐漸提高,當厚度大於1m以上時,低頻125Hz的吸聲係數也將接近於1。當5cm厚度不變,容重增大時,離心玻璃棉的低頻吸聲係數也將不斷提高,當容重接近110kg/m3時吸聲性能達到最大值,頻率125Hz處接近0.6-0.7。容重超過120kg/m3時,吸聲性能反而下降,是因為材料變得緻密,中高頻吸聲性能受到很大影響,當容重超過300kg/m3時,吸聲性能已經很小了。建築聲學中常用的吸聲玻璃棉的厚度有2.5cm、5cm、10cm,容重有16、24、32、48、80、96、112kg/m3。

離心玻璃棉的吸聲性能還與安裝條件有著密切的關係。當玻璃棉板背後有空氣層時,與相同厚度無空氣層的玻璃棉板吸聲效果類似。尤其是中低頻吸聲性能比材料實貼在硬底面上會有較大提高,吸聲係數將隨空氣層的厚度增加而增加,但增加到一定值後效果就不明顯了。

使用不同容重的玻璃棉疊和在一起,形成容重逐漸增大的形式,可以獲得更大的吸聲效果。例如將一層2.5cm厚24kg/m3的棉板與一層2.5cm厚32kg/m3的棉板疊和在一起的吸聲效果要好於一層5cm厚32kg/m3的棉板。將24kg/m3的玻璃棉板製成1m長的斷面為三角型的尖劈,材料面密度逐漸增大,平均吸聲係數可接近於1。

離心玻璃棉在建築使用中,表面往往要附加有一定透聲作用的飾面,如小於0.5mm的塑料薄膜、金屬網、窗紗、防火布、玻璃絲布等,基本可以保持原來的吸聲特性,若飾面的透氣性差時,如塑料薄膜,高頻吸聲特性會下降。

3)常見的離心玻璃棉吸聲建築構件

離心玻璃棉具有防火、保溫、易於切割等優良特性,是建築吸聲最常用的材料之一。但是由於離心玻璃棉表面無裝飾性,而且會有纖維灑落,因此必須製成各種吸聲構件隱蔽使用。

最常使用也是造價最低廉的構造是紙面穿孔石膏板吊頂或牆面內填離心玻璃棉。紙面穿孔石膏板與牆或頂棚之間存在空氣層時可以形成亥姆霍茲共振吸收,一般空氣層為5cm、10cm、20cm、40cm,吊頂的空氣層可能更大。在空腔內填入離心玻璃棉時,由於玻璃棉本身吸聲,共振吸聲的效率也提高很多,吸聲係數將大大提高,吸聲曲線的共振峰的頻率範圍變寬,中高頻吸聲性能提高。空腔厚度最大20cm,空腔內填入的玻璃棉只需要5cm厚,容重16-24kg/m3即可達到很好的吸聲效果。當然,吸聲性能還與穿孔率、孔徑、板厚等因素有關。與穿孔紙面石膏板類似的還有穿孔金屬板(如鋁板)、穿孔木板、穿孔纖維水泥板、穿孔礦棉板等,這些材料的后空腔內填入離心玻璃棉后都能夠較大地提高吸聲性能。為了防止玻璃棉纖維灑出,需要在穿孔板背後附一層無紡布、桑皮紙等透聲織物,或使用玻璃布、塑料薄膜等包裹玻璃棉。

玻璃棉板經過處理后可以製成吸聲吊頂板或吸聲牆板。一般常見將80-120kg/m3的玻璃棉板周邊經膠水固化處理后外包防火透聲織物形成既美觀又方便安裝的吸聲牆板,常見尺寸為1.2m×1.2m、1.2m×0.6m、0.6m×0.6m,厚度2.5cm或5cm。也有在110Kg/m3的玻璃棉的表面上直接噴刷透聲裝飾材料形成的吸聲吊頂板。無論是玻璃棉吸聲牆板還是吸聲吊頂板,都需要使用高容重的玻璃棉,並經過一定的強化處理,以防止板材變形或過於鬆軟。這一類的建築材料既有良好的裝飾性又保留了離心玻璃棉良好的吸聲特性,降噪係數NRC一般可以達到0.85以上。

在體育館、車間等大空間內,為了吸聲降噪,常常使用以離心玻璃棉為主要吸聲材料的吸聲體。吸聲體可以根據要求製成板狀、柱狀、錐體或其他異型體。吸聲體內部填充離心玻璃棉,表面使用透聲面層包裹。由於吸聲體有多個表面吸聲,吸聲效率很高。

在道路隔聲屏障中,為了防止雜訊反射,需要在面向車輛一側採取吸聲措施,往往也使用離心玻璃棉作為填充材料、面層為穿孔金屬板的屏障板。為了防止玻璃棉在室外吸水受潮,有時會使用PVC或塑料薄膜包裹。

4)應用離心玻璃棉吸聲的一些建築場所在一般廳堂中,包括語言、音樂或綜合表演用廳堂,如音樂廳、報告廳、劇場、影院、禮堂、體育館、多功能廳、會議室、演播室、錄音室、聽音室、排練廳、博物館、展覽館、KTV包房、辦公室、營業廳、接待室、拍賣廳、候車(機)室、審判廳等等場所均需要吸聲獲得良好的音質;在需要雜訊控制的房間,如餐廳、圖書館、畫廊、健身中心、購物中心、酒店大堂、病房、車間等等場所也需要吸聲降噪;還有特殊音質要求的民用住宅卧室、書房、家庭影院等等都需要吸聲處理。這些場所都可以應用離心玻璃棉進行吸聲,當然,同時必須考慮建築構造、美觀、防火、粉塵、清潔等綜合因素。

在音樂廳、劇場的后牆面或二層正面的眺台欄杆上常用穿孔板或透聲織物為面層的吸聲構造,目的是防止出現回聲等缺陷。在具有凹曲表面的房間中,為了防止聲聚焦而影響音質,需要使用吸聲處理。在禮堂、會堂、多功能廳、影院等等場所中,為了保證良好的語言清晰度,必須根據計算在牆面、天花等部位安裝吸聲材料,對於像體育館、展覽館、營業廳等這些大體量的房間可能還需要使用空間吸聲體。餐廳中,由於人員吵雜,進行吸聲裝修后可以得到良好的就餐環境,例如麥當勞、肯德基等國外快餐廳比較注重室內吸聲處理,配合悅耳的輕音樂顯得餐廳安靜祥和。錄音室、演播室、聽音室等音質要求更為嚴格的場合,必須按照設計要求進行吸聲處理。在工業廠房中,為了降低機器轟鳴的雜訊,需要使用吸聲降噪。在KTV包房中,恰當的吸聲處理能夠使音樂和歌聲更加美妙動聽,也能防止由於音箱與歌唱者的話筒距離較近造成的反饋嘯叫。

最佳的離心玻璃棉吸聲處理是將材料與建築有機地融合在一起,而不是刻意地為了吸聲而吸聲,應在不知不覺中創造良好的聲環境。吊頂、牆面、吸聲體等都應成為建築裝修中天然的組成部分,良好的聲學設計不能讓人們感覺吸聲材料有些突兀。在一些會堂和報告廳,設計師將玻璃棉軟包材料和金屬穿孔鋁板后附玻璃棉巧妙地應用在裝修效果中,再配以祥和的燈光,視覺和聽覺都使人得到享受。建築吸聲處理常常被人們忽視,但當因為缺少吸聲處理而產生諸多問題時,解決起來又會使人非常頭疼。在某政府「一站式」辦公改革中,工商、稅務、行政等管理部門都集中在一個3000m2的開敞大廳內進行,大廳的吊頂是石膏板吊頂,牆面是光滑的大理石,部門之間是玻璃隔斷,室內人聲鼎沸,在這樣糟糕的聲環境中根本無法辦理手續。政府要求限期整改,但由於經費、原設計效果的變更、施工對辦公使用的影響等多種因素使整改變得比事前進行吸聲設計要難的多。

三、離心玻璃棉在牆體隔聲中的應用

1)離心璃棉在牆體中的隔聲原理

單層牆體因受質量定律的限制,必須是重牆才能獲得良好的隔聲性能。對於住宅分戶牆,為達到國家最低標準Rw=40dB的要求單層隔牆至少需要100kg/m2以上的面密度(面密度是每平方米牆體的重量)。如果將牆體分成兩層或多層,隔聲量會顯著提高。這是因為,聲音撞擊到第一層牆板時,透射的部分將進入兩層牆板之間空腔,在空腔中來回反射多次后,一部分透射到牆體對面,另一部分被損耗掉。同時,兩層之間的腔體有類似彈簧的作用,使牆板系統具有有利於消耗聲音的彈性,進一步隔聲。如果在腔體中填入離心玻璃棉等吸聲材料后,聲音傳播過程中在腔體中來回反射的聲音將被大大衰減,隔聲量大為提高。對於120厚的磚牆隔聲量從45dB左右提高到50dB以上需要重量提高一倍,即需要240磚牆。而對於75輕鋼龍骨雙面雙層12紙面石膏板隔牆而言,只需在腔體內添加一層50厚24Kkg/m3的玻璃棉,計權隔聲量就從44dB提高到50dB。可見,隔牆腔體中的吸聲材料對隔聲量的影響非常重要。根據測定,使用雙層75龍骨的六層12紙面石膏板(三道牆板,每道兩層石膏板,共兩個龍骨空腔)的輕型牆體內添兩層50厚24Kkg/m3的玻璃棉,計權隔聲量將達到Rw=60dB,這是半米厚混凝土隔牆的隔聲量。

然而,輕型多層板隔牆即使使內填了離心玻璃棉等吸聲材料,低頻的隔聲能力也不能完全和重型牆相比,計權隔聲量同樣是Rw=50dB的混凝土牆和輕牆相比,在125Hz頻率上,混凝土隔牆的隔聲量R=40dB,而輕牆的隔聲量只有23、24dB左右。一個有利的因素是,人耳對低頻並不敏感,因此在大多語言環境下輕牆完全可以滿足隔聲要求,但在機械雜訊、迪斯科舞廳等低頻聲音嚴重的場合必須考慮低頻隔聲量是否足夠。輕牆低頻隔聲較差的主要原因是牆板比較輕柔,難於阻隔振動幅度較大、波長較長的低頻聲,同時,空腔中的吸聲材料低頻吸聲性能也比較有限。

2)影響輕鋼龍骨輕質板隔牆的隔聲性能的因素

龍骨:龍骨彈性越好隔聲性能越好,尤其低頻隔聲量有顯著提高。輕鋼龍骨的彈性好於木龍骨,故使用輕鋼龍骨輕牆比木龍骨輕牆計權隔聲量高1-3dB。如果採用Z型減振龍骨,計權隔聲量可以提高1-2dB。如果在龍骨上採用S型的減振條,計權隔聲量可以提高2dB。如果使用兩層完全分離的龍骨(龍骨之間沒有任何連接),隔聲量能夠提高5-7dB。龍骨越寬,也就是空腔越大隔聲性能越好,100厚龍骨比75厚龍骨計權隔聲量提高1dB左右。安裝牆板的螺絲釘釘距越稀疏,隔聲性能越好,因為稀疏的釘距使牆板連接的剛性變差,據測定,300mm的釘距比250mm的釘距計權隔聲量提高0.5dB左右,但是釘距不能過於稀疏,因為必須保證牆體的強度。

牆板:在實驗中發現,面密度越大同時越薄的牆板隔聲性能越好。這是因為,密度越大隔聲量越大,越薄則在中高頻出現的吻合谷越往高的頻率偏移,偏出感興趣的頻率範圍之外。例如,同樣厚度的75龍骨雙面單層25mm厚內填棉的紙面石膏板牆的吻合谷在2500Hz,計權隔聲量僅為47dB,而75龍骨雙面雙層12mm厚內填棉的紙面石膏板牆的吻合谷在3150Hz,吻合效應影響變弱,計權隔聲量為50dB。對於GRC板、硅酸鈣板等牆板,由於密度比石膏板大,而厚度比石膏板薄,因此具有更好的隔聲性能。另外,使用不同厚度的板材複合,或使用不同材料的板材複合可以將共振和吻合頻率錯開,有利於提高隔聲量,例如使用10mm的GRC板與12mm紙面石膏板複合的雙面雙層填棉輕牆的計權隔聲量比兩層石膏板的輕牆高2dB,可達52dB。

內填棉:內填離心玻璃棉的厚度和容重越大,吸聲效果越好,由於聲音在空腔來回反射多次而消耗,即使每次反射吸聲較小,多次反射的積累效果也非常大,因此5cm厚24kg/m3的離心玻璃棉作為內填吸聲材料已經足夠了,更厚或更大的密度所帶來的隔聲增加量非常有限,一般不會提高1dB以上的隔聲量。但是,2.5cm以下、不足16kg/m3的離心玻璃棉由於過於稀鬆,吸聲性能太差,會使隔聲量下降2-3dB。5cm厚容重大於40kg/ m3岩棉和玻璃棉的隔聲效果是類似的,理論上講,因為岩棉容重往往大於玻璃棉,隔聲略有優勢,但很難相差1dB,那種認為輕牆中岩棉隔聲好於玻璃棉的觀點是不正確的。還有一點非常重要,就是空腔中的棉不能滿填,這樣會造成棉將兩層牆板連接在一起,出現聲橋,使隔聲量下降。填棉時,應盡量保證棉體兩邊不同時接觸板材,以防止聲橋。如果使用50mm厚的C型龍骨,那麼填棉厚度應小於50mm,如25mm或40mm的岩棉或玻璃棉。有些設計人員認為棉體需要滿填、填實在空腔中,和板之間不留空氣層,這是不對的。實驗表明,滿填棉隔聲性能將下降1-3dB。另外填棉厚度不均、回彈率過大等造成的棉板與兩邊板材局部或大面積接觸都會引起隔聲量下降,施工操作中應盡量避免。

板縫和孔洞:隔牆上如果出現縫隙和孔洞,會大大降低隔牆的隔聲量。假如隔牆牆體本身的隔聲量達到50dB,而牆上有萬分之一的縫隙和孔洞,則綜合隔聲量將下降到40dB。為了防止石膏板牆和原結構之間的縫隙,通常在牆體四周安裝龍骨時墊入塑料彈性膠條。另外,當每面兩層石膏板時,應錯縫安裝,裡層可以不勾縫,只對外層勾縫,這對隔牆隔聲量影響不大。但是每面一層板時必須勾縫,否則隔聲量將會下降12-17dB。

施工及其他等因素:以下若干因素對隔聲的影響並非牆板本身,而是設計、施工、整體結構等方面疏忽造成的,這些因素有時造成紙面石膏板隔牆隔聲量下降非常嚴重。

①板-板之間空腔內填棉不飽滿,或棉釘粘合不牢固,過一段時間后棉體下墜(玻璃棉常出現這種情況),造成出現填棉縫隙。嚴重時可能引起3-5dB隔聲量的下降。

③隔牆外框和房屋結構剛性連接,未按規定墊入彈性墊條,結構受荷變形或結構振動,造成板縫開列,形成縫隙漏聲。

④管道穿牆,未按規定要求密封處理,造成孔隙;電器開關盒、插銷盒在牆上暗裝,未按規定要求做內嵌石膏板盒隔聲處理,造成隔聲薄弱環節;甚至隔牆兩邊電器盒對裝而不做任何處理,都會大大降低隔聲性能。

⑤在實際建築物中,兩個房間除了隔牆傳聲外,還有其他途徑引起聲音從一個房間進入另一個房間,這些途徑的傳聲稱為側向傳聲,如地面結構傳聲、側牆結構傳聲、門窗傳聲、管道風道傳聲等。有些有吊頂的大房間用石膏板隔牆分隔成一些小間,因為先做的吊頂,隔牆只做到吊頂下沿,而沒有延伸到結構層樓板底,出現吊頂內的側向傳聲,造成房間實際隔聲量比隔牆隔聲量低很多。

3)應用離心玻璃棉進行隔聲處理的場合

離心玻璃棉除了作為輕型牆體的腔體填充材料進行隔聲以外,還可以在石膏板、金屬板等吊頂內滿鋪形成隔聲吊頂。由於大量輕型屋蓋逐漸地廣泛使用,越來越多地使用離心玻璃棉作為保溫、隔聲頂棚或隔聲吊頂。國家大劇院巨大的輕型屋蓋結構為了隔絕環境雜訊和雨雜訊就在兩層金屬屋蓋板之間加入了離心玻璃棉板,使隔聲量達到42dB的要求。

在防火隔聲門中,常使用玻璃棉作為內填棉提高隔聲性能。在雙層隔聲門或隔聲窗的構造中,需要在兩層門或窗四周邊安裝玻璃棉吸聲材料(需要穿孔板或透聲織物罩面)形成聲閘,提高隔聲量。

在道路隔聲屏障中,也常常使用玻璃棉作為內添隔聲材料。

密封的金屬板箱內部貼滿玻璃棉等吸聲材料可以製成隔聲罩為機器設備的降噪。與沒有內部吸聲材料的隔聲罩相比,降噪效果可以提高20dB,降噪量達70dB。

另外,在一些住宅和公建中,穿過室內的雨水管沖雨雜訊或水管由於水壓變化形成的水錘振動雜訊也使人們非常煩惱。可以使用玻璃棉(須經過防水防潮處理)對管道進行包裹,再使用石膏板或金屬板做隔聲外層,處理得當,能夠獲得20dB以上降噪量。

四、離心玻璃棉在樓板撞擊聲隔聲中的應用

1)樓板撞擊聲隔聲原理

當樓板等建築構件受到撞擊時,振動將在構件及其連接結構內傳播,最後通過牆體、頂棚、地面等向房間振動輻射聲音。振動在固體中傳播時的衰減很小,只要固體構件一直是連接在一起的,振動將會傳播很遠,將耳朵貼在鐵軌上可以聽到幾公里以外火車行駛的聲音就是這個原理。在建築中振動還有一個特點,就是向四面八方傳播,所有有固體連接的部分都會振動,在房間中,由於四周都會振動發聲,往往很難辨別振動聲源的位置。但是,如果固體構件是脫離的(哪怕只是非常小的縫隙)或構件之間存在彈性的減振墊層,振動的傳播將在這些位置處受到極大的阻礙,當使用彈簧或與彈簧效果類似的玻璃棉減振墊層對樓板進行隔振處理后,將提高樓板撞擊聲隔聲的能力。

隔振樓板和下面的支撐彈性墊層構成了一個彈性系統,一般的隔振規律是,樓板越重、墊層彈性越好、靜態下沉度(樓板壓上去以後的壓縮量)越大,隔振效果就越好。8cm厚的混凝土樓板比4cm的樓板更重,減振效果更好;兩層2.5cm厚的離心玻璃棉墊層的靜態下沉度大於一層2.5cm厚的同樣墊層,減振效果要好一些。壓縮后的墊層必須處於彈性範圍內,也就是說,將樓板移去后,墊層可以在彈性的作用下恢復原來的厚度,如果墊層被壓實而失去回彈性,將失去減振效果。因此,使用離心玻璃棉做減振墊層時,需要使用容重較大的墊層,防止玻璃棉被壓實,上層混凝土越厚重,玻璃棉就要越厚,容重也需要越大,一般容重應大於96kg/m3。

在用於隔絕機器振動的減振台或減振地面時需要更加專業的設計,如果設計不當,造成減振系統的固有頻率與機器的振動頻率接近時,不但不能起到減振作用,還會使振動加大,甚至損壞機器及樓板結構。

2)離心玻璃棉樓板隔聲墊層

樓板撞擊聲隔聲是建築中最難處理的隔聲部分之一。使用玻璃棉減振墊層上面現澆混凝土的做法可以獲得20-30dB以上的撞擊聲隔聲效果,這種隔振方法叫做浮築地面。對於住宅,由於層高所限,一般的做法是使用2.5cm厚(壓縮後為2cm左右)96-150kg/m3的離心玻璃棉做墊層,上鋪一層塑料布或1mm聚乙烯泡沫做防水層,再灌注4cm厚的混凝土形成浮築地板。這種做法已經在北京格林小鎮房地產開發中得以應用,效果非常良好,經實測,普通水泥地面的Lpn,w=78dB,這種浮築地板的Lpn,w=56dB,隔聲性能提高了22dB。在有樓板隔聲要求的公建中,如演播室、錄音室或上部房間為球館及迪斯科舞廳的地板做法是,使用5cm厚(壓縮後為4.5cm左右)150-200kg/m3的離心玻璃棉做墊層,上鋪一層塑料布或1mm聚乙烯泡沫做防水層,再灌注8-10cm厚的混凝土。經實測,這種地面做法的Lpn,w達到44dB,隔聲性能提高了34dB。

使用離心玻璃棉做浮築地板時需非常注意幾個問題。一是玻璃棉容重不能過低,否則玻璃棉將被壓實,失去回彈性,無法起到減振效果。二是混凝土必須配筋,防止地面斷裂,可以採用Φ6的鋼筋間距20cm排列;配筋時,必須防止刺破防水層而造成混凝土澆灌時玻璃棉滲水。還有一點是,不能出現兩層地面之間的硬連接,如水管、鋼筋等,這樣會導致聲橋傳聲;澆灌地面與牆面連接處應使用玻璃棉、橡膠墊隔開,防止牆體將兩層地面連接在一起。

五、離心玻璃棉在空調管道消聲中的應用

通風管道中產生的振動雜訊和氣流雜訊是空調系統中較大的問題,在音樂廳、會堂、酒店客房、辦公室等空間中往往由於通風系統的問題造成雜訊不能達標。使用鐵皮風道的通風系統中,管道不能起到良好的消聲作用,風機產生的雜訊會沿著管道傳播到室內。由於鐵皮很薄,氣流和風機的振動也會使鐵皮共振,形成二次雜訊。氣流噴出風口時,若缺乏有效的消聲,也會因摩擦產生風口再生雜訊。

為了降低風機產生的雜訊,需要使用消聲器。常見的消聲器是鐵皮管道內表面使用玻璃棉加穿孔透聲飾面(防止玻璃纖維被氣流帶走)吸聲處理的阻性消聲器,消聲的原理是利用了吸聲材料對氣流產生的聲阻。阻性消聲器按氣流通道的幾何形狀不同,可分為直管式、片式、迷道式、障板式、彎頭式等形式。一般說來,阻性消聲器具有良好的中高頻消聲特性,對低頻消聲性能較差。為了提高阻性消聲器的消聲性能,可適當增加消聲器中離心玻璃棉吸聲材料的容重和厚度,並提高飾面材料的穿孔率。

可以將玻璃棉板直接製成消聲管道,用於管道消聲,因為這種產品消聲性能好,易於安裝,又具有保溫隔熱性能,被稱為「超級風管」。超級風管的內表面需要膠化處理,以防水蒸氣滲入,同時防止纖維脫落;外表面粘合一層強度加強的鋁薄膜,作為外保護層兼熱反射層。使用玻璃棉超級風管的通風系統,由於在管道全長上都有消聲作用,因此消聲作用非常明顯。另外,消聲風管在防止房間和房間之間因為管道相通形成的聲音串擾方面也有很好效果。

六、離心玻璃棉與其他建築聲學材料的對比

1)離心玻璃棉與岩棉的對比

離心玻璃棉的建築聲學特性與岩棉比較類似,因為離心玻璃棉的纖維比岩棉的纖維更細,因此在相同容重的條件下,前者的聲學性能要優於後者,或者說,低容重的離心玻璃棉與高容重的岩棉可能具有相同的聲學性能。例如相同厚度的24kg/m3的玻璃棉板與80kg/m3的岩棉板的吸聲、隔聲、減振(實際使用中需更大的容重)的性能類似。

吸聲、隔聲、樓板減振應用中,離心玻璃棉可以與岩棉互換使用,施工方法基本一致,造價也基本相同。例如,作為吸聲使用,常用24kg/m3的離心玻璃棉板,也可以使用80kg/m3的岩棉板;作為輕鋼龍骨石膏板牆體的內填棉,既可以使用24kg/m3的離心玻璃棉板,也可以使用80kg/m3的岩棉板;對於住宅浮築樓板的減振墊層,一般使用96kg/m3的離心玻璃棉板或150kg/m3以上的岩棉板,使用200kg/m3的離心玻璃棉板可以獲得最大的減振效果,但超過200kg/m3的離心玻璃棉難於生產,由於過於密實,減振效果會出現降低。

2)離心玻璃棉與礦棉板的對比

吸聲礦棉天花板的降噪係數一般在0.3-0.4,幾乎比離心玻璃棉板低一倍。礦棉板本身具有較好的裝飾性,而玻璃棉板需要覆以罩面材料才能在建築中使用,相比之下造價顯然要高出較多。礦棉板每平方米的價格一般在20~30元人民幣左右,作為天花或牆面使用的離心玻璃棉板為了防止變形,需要80kg/m3以上的容重,再加上罩面透聲防火材料,造價每平米達到200~300元人民幣。不考慮價格因素,單從裝飾效果和吸聲效果兩方面來講,建築師往往更傾向於離心玻璃棉的成型產品。許多進口離心玻璃棉軟包牆板或天花吊頂板因其良好的裝飾性、防火性、易於安裝性等在市場上非常暢銷。

3)離心玻璃棉與植物纖維素噴塗材料的對比

有一種植物纖維噴塗吸聲材料除價格以外,在很多方面性能都要優於離心玻璃棉或岩棉,這種材料的代表性產品是美國生產的K13。K13的原料是木材粉碎后並經防火處理的木屑,使用時與特製膠水混合進行噴塗。K13可以噴塗在各種牆面、頂棚等處,乾燥固化以後視覺效果類似於普通粉刷白牆。 K13的容重大約100kg/m2左右,5cm厚降噪係數NRC可達0.9。由於K13施工簡便、裝飾效果佳、吸聲效果好,因此美國等發達國家的體育館、餐館、演講大廳等廣泛使用。K13在美國已經有50幾年的歷史了,剛剛進入中國。K13在輕體隔牆的隔聲中也具有一定優勢,輕鋼龍骨紙面石膏板隔牆系統中,安裝一面的牆板后,在龍骨空腔中噴塗5cm厚的K13,再安裝另一面牆板,這樣構造的75龍雙面雙層12mm紙面紙面石膏板的計權隔聲量可達55dB,比同樣構造的內填玻璃綿的隔牆隔聲量提高3-5dB。K13之所以具有良好的隔聲性能,一是由於噴塗對處理牆板之間的縫隙有密封作用,二是噴塗材料與牆板粘連在一起,增加了牆板的阻尼,使牆板隔聲量提高。但是,K13噴塗以後,必須在完全乾透以後才能安裝外層石膏板,給施工帶來一定不便。

4)離心玻璃棉與聚苯、聚氨酯材料的對比

聚苯、聚氨酯(這裡指的是閉孔聚氨酯)等材料是良好的保溫材料,但不是良好的建築聲學材料。這些材料內部雖有大量孔隙,但相互之間不連通,因此基本沒有吸聲性能。由於沒有吸聲性能,在輕型牆體內使用也沒有提高隔聲量的作用,例如內芯為100mm厚聚苯的壓型鋼板(鋼板厚度0.5mm,一面一層)的計權隔聲量只能達到30dB左右,與一層12mm厚的紙面石膏板近似。聚苯、聚氨酯不具有良好的回彈性,當作為樓板墊層時不能起到和玻璃棉一樣的減振效果,據測定,2.5cm厚的聚苯的撞擊聲隔聲改善量最多能達到7dB,而且主要隔振頻率只有高頻。認為聚苯、聚氨酯與玻璃棉一樣具有聲學性能的認識是錯誤的,有人認為,使用聚苯作為外牆保溫時也起到了隔聲作用、使用聚苯做地面採暖保溫墊層時也起到地板減振作用,這是不正確的。另外,聚苯、聚氨酯的防火特性也比玻璃棉要差得多。

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