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1、噪音-建筑声学不可忽视的参数在公共建筑和高层建筑中,传统粘土砖墙因其自重过大、土地保护等问题基本已被轻质隔墙取代。但轻墙隔声比粘土砖墙差,所以解决轻质隔墙的隔声问题是应用的关键问题。理论和实践都证明,试图使用单一轻质材料,如加气混凝土板、膨胀珍珠岩、陶粒混凝土等构成单层墙,隔声性能不可能好。这是因为单层墙的隔声受质量定律的控制,即墙越厚重、单位面积质量越大,隔声越好。所以单一轻质材料做成单层墙,不可能克服既要轻又要隔声好的矛盾。本文就建筑声学中一些基本概念,结合纸面石膏板的隔声及应用进行一些讨论。一、建筑声学的基本概念1)声音物体的振动产生“声”,振动的传播形成“音”。人们通过听觉器官感受声音
2、,声音是物理现象,不同的声音人们有不同的感受,相同声音的感受也会因人而异。美妙的音乐令人陶醉,清晰激昂的演讲令人鼓舞,但有时侯,邻居传来的音乐声使人难以入睡,他人之间的甜言蜜语也许令人烦恼。建筑声学不同于其他物理声学,主要研究目的在于如何使人们在建筑中获得良好的声音环境,涉及的问题不局限于声音本身,还包括心理感受、建筑学、结构学、材料学甚至群体行为学等多方面问题。人耳的听觉下限是 0dB,低于 15dB 的环境是极为安静的环境,安静的会使人不知所措。乡村的夜晚大多是 25-30dB,除了细心才能够体会到的流水、风、小动物等自然声音以外,其他感觉一片宁静,这也是生活在喧嚣之中的城市人所追求的净土
3、。城市的夜晚会因区域不同而有所不同。较为安静区域的室内一般在 30-35dB,如果你住在繁华的闹市区或是交通干线附近,将不得不忍受 40-50dB(甚至更高)的噪声, 如果碰巧邻居是一位不通情达理的人,夜深人静时蹦蹦跳跳、高声喧哗,也许更要饱受煎熬了。人们正常讲话的声音大约是 60-70dB,大声呼喊可达 100dB。在中式餐馆中,往往由于缺乏吸声处理,人声鼎沸,声音将达到 70-80dB,有国外研究报道噪声中进餐会影响健康。人耳的听觉上限一般是 120dB,超过 120dB 的声音会造成听觉器官的损伤,140dB 的声音会使人失去听觉。高分贝喇叭、重型机械、喷气飞机引擎等都能够产生超过 12
4、0dB 的声音。人耳听觉非常敏感,正常人能够察觉 1dB 的声音变化,3dB 的差异将感到明显不同。人耳存在掩蔽效应,当一个声音高于另一个声音 10dB 时,较小的声音因掩蔽而难于被听到和理解,由于掩蔽效应,在 90-100dB 的环境中,即使近距离讲话也会听不清。人耳有感知声音频率的能力,频率高的声音人们会有“高音”的感觉,频率低的声音人们会有“低音”的感觉,人耳正常的听觉频率范围是 20-20KHz。人耳耳道类似一个 2-3cm 的小管,由于频率共振的原因,在 2000-3000Hz 的范围内声音被增强,这一频率在语言中的辅音中占主导地位,有利于听清语言和交流,但人耳最先老化的频率也在这个
5、范围内。一般认为,500Hz以下为低频,500Hz-2000Hz 为中频,2000Hz 以上为高频。语言的频率范围主要集中在中频。人耳听觉敏感性由于频率的不同有所不同,频率越低或越高时敏感度变差,也就是说,同样大小的声音,中频听起来要比低频和高频的声音响。2)频率特性声音可以分解为若干(甚至无限多)频率分量的合成。为了测量和描述声音频率特性,人们使用频谱。频率的表示方法常用倍频程和 1/3 倍频程。倍频程的中心频率是31.5、63、125、250、500、1K、2K、4K、8K、16KHz 十个频率,后一个频率均为前一个频率的两倍,因此被称为倍频程,而且后一个频率的频率带宽也是前一个频率的两倍
6、。在有些更为精细的要求下,将频率更细地划分,形成 1/3 倍频程,也就是把每个倍频程再划分成三个频带,中心频率是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 等三十个频率,后一个频率均为前一个频率的 21/3 倍。在实际工程中更关心人耳敏感的部分,因此,除进行必要的科学研究以外,大多数情况下考虑的频率范围在 100Hz 到 5KHz。如果将声音的频率分量绘制成曲线就形成了频谱。对于各种建筑声学材料来
7、讲,不同频率条件下声学性能是不同的。有的材料具有良好的高频吸声性能,有的材料具有良好的低频吸声性能,有的材料对某些频率具有良好的吸声性能,不一而同。隔声等其他声学性能也是如此。3)分贝和 A 声级分贝对于非专业人员来讲是最难理解的,然而对于专业人士来讲分贝又是再熟悉不过了。分贝(dB)是以美国电话发明家贝尔命名的,因为贝的单位太大,因此采用分贝,代表 1/10贝。分贝的概念比较特别,它的运算不是线性比例的,而是对数比例的,例如两个音箱分别发出 60dB 的声音,合在一起并不是 120dB,而是 63dB。如果某种吸声材料吸收了 80%的声能,声音降低了不是 0.8dB 也不是 80dB 而是
8、10lg(1-0.8)=7dB。如果某种隔墙隔声量为 50dB,那么透过去的声音为 0.00001。分贝的计算较为复杂,需要具备专业知识才能完成。使用分贝描述声音时需要同时给出频率。任何一个声音,不同频率的分贝数可能是不同的。我们可以说在某频率时,声压级是多少,或吸声系数是多少,或隔声量是多少等等。A 声级的概念会使普通人感到迷惑。声级是将各个频率的声音计权相加(不是简单的算术相加)得到的声音大小,A 声级是各个频率的声音通过 A 计权网络后再相加得到的大小,A声级反映了人耳对低频和高频不敏感的听觉特性。例如,如果 100Hz 的声压级为 80dB,在计算 A 声级时,将按计权减去 50.5d
9、B,即按 29.5dB 来计算;而 1KHz 的声压级为 80dB,计权值为 0dB,即仍按 80dB 计算。A 声级的目的在于,A 声级越大,则表明声音听起来越响。A 声级分贝通常计为 dBA。许多与噪声有关的国家规范都是按 A 声级作为指标的。4)吸声吸声是声波撞击到材料表面后能量损失的现象,吸声可以降低室内声压级。描述吸声的指标是吸声系数 a,代表被吸收的声能与入射声能的比值。理论上,如果某种材料完全反射声音,那么它的 a=0;如果某种材料将入射声能全部吸收,那么它的 a=1。事实上,所有材料的 a 介于 0 和 1 之间,也就是不可能全部反射,也不可能全部吸收。不同频率上会有不同的吸声
10、系数。人们使用吸声系数频率特性曲线描述材料在不同频率上的吸声性能。按照 ISO 标准和国家标准,吸声测试报告中吸声系数的频率范围是 100-5KHz。将 100-5KHz 的吸声系数取平均得到的数值是平均吸声系数,平均吸声系数反映了材料总体的吸声性能。在工程中常使用降噪系数 NRC 粗略地评价在语言频率范围内的吸声性能,这一数值是材料在 250、500、1K、2K 四个频率的吸声系数的算术平均值,四舍五入取整到 0.05。一般认为 NRC 小于 0.2 的材料是反射材料,NRC 大于 0.4 的材料才被认为是吸声材料。当需要吸收大量声能降低室内混响及噪声时,常常推荐使用高吸声系数的材料。离心玻
11、璃棉属于高 NRC 吸声材料,5cm 厚的24kg/m的离心玻璃棉的 NRC 可达到 0.90。多孔吸声材料,如离心玻璃棉、岩棉、矿棉、植物纤维喷涂等,吸声机理是材料内部有大量微小的孔隙,声波沿着这些孔隙可以深入材料内部,与材料发生摩擦作用将声能转化为热能。多孔吸声材料的吸声特性是随着频率的增高吸声系数逐渐增大,这意味着低频吸收没有高频吸收好。与墙面或天花存在空气层的穿孔板,即使材料本身吸声性能很差,这种结构也具有吸声性能,如穿孔的石膏板、木板、金属板、甚至是狭缝砖等,它的吸声机理是亥姆霍兹共振,类似于暖水瓶,外部空间与内部空间通过窄的瓶颈连接,声波入射时,在共振频率上与颈部的空气及内部空间之
12、间产生剧烈的共振作用而损失声能。亥姆霍兹共振吸收的特点是只有在某些频率上具有较大的吸声系数。薄膜或薄板与其他结构体形成空腔时也能吸声,如木板、金属板等,这种结构的吸声机理是薄板共振,在共振频率上,由于薄板剧烈振动而大量吸收声能。薄板共振吸收大多在低频具有较好的吸声性能。5)混响和混响时间混响是房间中声音被界面不断反射而积累的结果,混响可以使室内的声音增加 15dB,同时会降低语言清晰度。对于音乐演奏的空间,如音乐厅、剧场等,需要混响效果使乐曲更加舒缓而愉悦。对于语言使用的空间,如电影院、教室、礼堂、录音室等需要减少混响使讲话更加清晰。因此,不同使用要求的房间需要不同的混响效果。描述混响效果的指
13、标是混响时间,它是室内声源停止发声后,声压级衰减 60dB 所经历的时间,单位是秒。混响时间与室内吸声存在数学关系,也就是建筑声学中著名的塞宾公式:T=0.161V/(Sa) ,其中 T 是混响时间,V 是房间体积,S 是房间墙面的总表面积,a 是房间表面的平均吸声系数。由塞宾公式可以看出,房间体积越大混响时间越长;平均吸声系数越大,混响时间越短。如体育馆等体积巨大的空间,如果不进行吸声处理的话,混响时间会很长,将严重影响语言清晰度。由于室内吸声与频率有关,不同频率的混响时间也有所不同,房间音质指标常指的是中频混响时间。据研究,就较理想的混响时间而言(中频),音乐厅为 1.8-2.2 秒,剧院
14、为 1.3-1.5 秒,多功能礼堂为 1.0-1.4 秒,电影院为 0.6-1.0 秒,教室为0.4-0.8 秒,录音室为 0.2-0.4 秒,体育馆为低于 2.0 秒。在建筑设计中正确地应用吸声材料可以控制混响时间,保证音质效果满足使用要求。6)隔声为了保证室内环境的私密性,降低外界声音的影响,房间之间需要隔声。隔声与吸声是完全不同的概念,好的吸声材料不一定是好的隔声材料。声音进入建筑维护结构有三种形式。1)通过孔洞直接进入。2)声波撞击到墙面引起墙体振动而辐射声音。3)物体撞击地面或墙体产生结构振动而辐射声音。前两种方式为空气声传声,第三种方式是撞击声传声。描述空气声传声隔声性能的指标是隔
15、声量,隔声量的定义是 R=10lg(1/),其中 是透射声能与入射声能的比,隔声量的单位是 dB。隔声量可以粗略地理解为墙体两边声音分贝数的差值,但绝对不是差值这样简单。孔洞的隔声量 R=0dB,隔掉 99%声能的隔墙的隔声量是 20dB,隔掉 99.999%声能的隔墙的隔声量是 50dB。墙体在不同频率下的隔声量一般并不相同,一般规律是高频隔声量好于低频。不同材料的隔声量频率特性曲线很不相同,为了使用单一指标比较不同材料及构造的隔声性能,人们使用计权隔声量 Rw。Rw 是使用标准评价曲线与墙体隔声量频率特性曲线进行比较得到的,标准评价曲线符合人耳低频不敏感的听觉特性。具体评价方法可参见国标
16、GBJ121-88“建筑隔声评价标准”。隔墙隔声存在质量定律,即单层墙越重隔声性能越好,单位面积的质量提高一倍,隔声量提高 6dB。120 砖墙的面密度为 260kg/m2,隔声量为 46-48dB;240 砖墙的面密度为520kg/m2,隔声量为 52-54dB。砖墙墙体过重,结构荷载负担较大,使用黏土砖也不利于耕地保护,因此,轻墙得以广泛使用。为了使轻墙达到良好的隔声性能,需要使用多层墙板内填吸声材料的方法。75 龙骨内填玻璃棉的双面双层纸面石膏板墙的面密度只有60kg/m2 左右,隔声量可以达到 50dB。同样面密度的 90 厚加气混凝土板墙的隔声量只有36dB。对于住宅隔声,Rw 应至少大于 45dB,最好大于 50dB。描述撞击声传声隔声性能的指标是撞击声压级,它不同于空气声隔声量所表达的“隔掉声音的分贝数”,而是表示在使用标准打击器(一种能够产生标准撞击能量的设备)撞击楼板时,楼下声音的大小。撞击声压级越大表示楼板撞击声传声隔声能力越差,反之越好。撞击声压级反映了人在楼上活动时对楼下房间产生声音的大小。楼板撞击声压级随频率不同而变化,