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窗户透声的基本知识 点击:22234次
作者:联合太平洋有限公司   penster

引言
    玻璃窗的主要功能,是提供室内采光和向外的视线,除此之外,还起隔声作用。人们之所以关心玻璃窗,不仅仅由于它用于建筑物的外立面,而且还涉及到建筑物的内部如办公室门与门之间、录音室的隔断等等。窗户的声音透射通常影响建筑的整体隔声效果。
    支配窗户声透射的物理定律与支配建筑墙体声透的物理定律相同,但玻璃窗实际的噪音控制程度还要受玻璃本身的性质和窗户的安装特点的影响。例如,增加玻璃的厚度在大多数频率区间都可以提高隔声量,但是玻璃的刚度却限制了隔声量的提高。使用多层玻璃(双层和三层)在大多数频率处可以降低噪音,但这取决于玻璃之间的隔离方式。
    隔声量是用来测量在某一频率范围的降噪程度的标准尺度。本文中使用的单位是在北美广泛使用的单一的数值单位,即声透射系数STC。
    尽管使用声透射系数对评定建筑物的某些声源的降噪效果,比如如人的说话声音一般来说,是令人满意的,但是,使用声透射系数来评定较低频率的声源来说,却不大适用。因为,大多数室外噪音源如飞机和公路上的交通车辆都位于这一区间,仅仅用声透射系数来评定建筑物的外立面的降噪程度,是远远不够的。
密封单层玻璃窗
    从理论上看,如果玻璃刚度的作用忽略不计的话,大片单层玻璃的声频或质量每增加2倍,其隔声量增加6dB。尽管单层玻璃的隔声量在某些频率处基本服从“质量”定律,但是由于玻璃本身的刚度和窗户玻璃的面积有限,却导致了玻璃的隔声量偏离质量定律的规定。
图1.  密封单层玻璃窗的隔声两曲线。

    图1 描绘的是两个不同厚度的密封单层玻璃的质量定律曲线和实际隔声量曲线。质量定律曲线显示的隔声量变化随着频率的增加大于实际测量窗户的隔声量。
    在低频处,实际测量的隔声量高于相对应的质量定律曲线:这是因为窗户密封材料的吸声和相对于声波波长的窗户尺寸所导致的。一般来说,这些影响对于大片玻璃如玻璃墙隔断来说是微不足道的。玻璃隔声量的大小取决于窗户的尺寸、形状以及窗户是如何安装在窗户框内的。使用弹性密封材料(如氯丁橡胶密封条)可提高玻璃在低频处的隔声量3到5dB。
    在较高频率处,实际测量的隔声量降到对应的质量曲线以下。实际测量隔声量的这种大幅度下降通常被称为“符合频率下垂”(coincidence dip)。导致符合频率下垂的原因是由玻璃板内的弯波造成的。 符合频率下垂发生的频率与玻璃的厚度成反比。2mm厚玻璃的符合频率下垂接近于500kHz,而18mm厚的玻璃的符合频率下垂发生在频率为50Hz处。从图1可见,由于符合频率下垂的作用,在频率500Hz处,18mm厚玻璃的隔声量事实上比4mm厚玻璃的隔声量要小。在频率200Hz以上,实际测量的18mm厚玻璃的隔声量远远小于用质量定律所表示的隔声量曲线。由于符合频率下垂的影响,紧紧靠增加玻璃厚度对单片玻璃的声透射系数的影响是十分有限的。
    在符合下垂频率之上,夹胶玻璃的隔声量较之同等厚度的单片玻璃大得多。夹胶玻璃得隔声量曲线在符合下垂频率以上十分接近质量定律曲线。这种隔声量得改善显然是得益于玻璃之间的弹性胶片产生的阻尼(振动能耗散)。但必需注意,这种阻尼是温度的函数。在加拿大北部寒冷的冬天,夹层玻璃的隔声量的增加幅度会大幅度的下降。
双层中空玻璃
    双层中空玻璃的隔声量主要取决于两片玻璃之间的空气层厚度。 图2描绘的曲线表示中空玻璃的隔声量随空气层的增加而增加。图中的曲线显示,中空玻璃空气层每增加2倍,其声透射系数就大约增加3。此外,该图还显示,声透射系数还随着玻璃的厚度增加而增加。
图2. 窗户的透声系数(STC)和双层中空玻璃窗空气层间距之间的关系。

    如果两片玻璃之间的间隔小(小于25mm),则双层中空玻璃的声透射系数可能比相同厚度的单片玻璃的声透射系数仅仅高一点点(或事实上可能还要低一些)。之所以如此,是因为两层玻璃之间的空气像弹簧一样将振动能从一层玻璃传到另一层玻璃上,从而导致中空玻璃隔声量的大幅度减少, 这种现象称为质量-空气-质量共振。中空玻璃的共振频率可由下列公式求出:
    1150(t1+t2)1/2 /(t1t2d)1/2
    式中,t1和t2 分别表示两片玻璃的厚度、d表示空气层距离,单位为mm。一般来说,在工厂种制作的密封中空玻璃的共振频率位于200-400Hz之间。图3 描绘的是这类中空玻璃共振频率的下降恰恰处于这一区间。。天空中的飞机和路面上的交通车辆的绝大部分声能都处于该频率范围。通过增加空气层的厚度和使用较厚的玻璃,这类共振频率就可降低,从而改善对这种噪声源的隔音效果。
图3. 小空气层对中空玻璃隔声量的影响。

    在质量-空气-质量共振频率以下,双层中空玻璃和相同厚度的单层玻璃的隔声量相同。在位于共振频率以上时,中空玻璃的隔声量较之其中单层玻璃的要大;当空气层每增加2倍时,其声透射系数的增加大约为3dB。
三玻中空玻璃与双玻中空玻璃
    尽管人们普遍认为在双玻中空基础上增加一层玻璃对隔声效果会起作用,但实际上除非中间空气层间隔相应地增加许多的话,否则三玻中空玻璃与双玻中空玻璃的隔声效果基本上是一致的。图4描绘的是总厚度类似的双玻中空和三玻中空玻璃的隔声量比较曲线。图中的玻璃规格分别为,双层中空玻璃:3mm+12mm+3mm, 三层中空玻璃:3mm+6mm+3mm+6mm+3mm,两者的空气层总厚度同为12mm。
图4. 双玻中空玻璃和三玻中空玻璃的隔声量曲线。

    从图中可见,在低于质量-空气-质量的共振频率(约250Hz)时,三层中空玻璃的隔声量较三玻中空玻璃高3dB,这与质量定律所预测的相一致,因为从双玻到三玻,玻璃窗的质量增加了50%。在位于共振频率以上的位置,两条曲线几乎完全一致。因此,三玻和双玻的声透射级相同, 即STC 31。
    无论是双玻中空还是三玻中空,除非它们的空气层距离在25mm以上,否则三玻中空的隔声量与双玻中空的隔声量就十分近似。假定两个双玻中空玻璃,它们的质量相同,但其中一个的空腔很大,另一个较小。如果用后者替代前者中的一层玻璃的话,STC的增加是十分有限的。
玻璃窗降噪设计
    除非对门窗的降噪要求特别大的话,否则人们一般就选用双玻中空窗。双玻窗的空气间隔必需相当大,才足以达到大量降噪的要求。
    在双玻中空和三玻中空玻璃中采用非对称厚度的玻璃,其降噪效果较之相同厚度的玻璃的降噪量要大。图2 中的双玻中空的玻璃厚为6mm。如果将其中的一片用3mm厚的玻璃来替代,其透声系数与之替代前相比,相同或更大一些。中空玻璃中采用不同厚度的玻璃来降噪,是十分有效的一种方法,原因是,不同厚度的玻璃的声音共振频率是位于不同区间的。双层玻璃的厚度比为1比2时,效果是最明显的。
    从窗框的透射的声能会限制中空玻璃的降噪效果,特别对隔声量大的中空窗的影响更大。图2中的STC数据取自于安装在木质窗框的中空玻璃,窗框的总厚度为40mm。实验表明声音透过木窗框的能量是为不足道的,但对安装在重量轻的金属框的中空玻璃来说,STC是较低的,很明显是由于声音透过金属窗框导致其共振造成的。一般来说,应避免使用轻体的窗框材料。如果对降噪量要求很高的话,应使窗框从结构上看应分离,与墙体接触,从而避免声能通过窗框的传递。
    总之,中空玻璃窗具有节能作用,应该大力推广。但是不能因为节能,就认为其降噪的结果就一定比单层玻璃窗好。切记住,影响二者的物理原理是不同的。影响的降噪的因素包括,中空玻璃的安装、空气层内所充的气体、玻璃厚度、空气层距离、窗户边缘部的密封程度、玻璃种类 (普通玻璃、夹层玻璃)、间隔条种类、边部的阻尼效果和窗框材料等等(有关分析,笔者拟另行文详细论述,在此存而不论)。此外,同样需要记住的是,虽然惰性气体和胶片在中空玻璃内的使用,在一定的意义上说,可以对降噪起到作用,但是,在使用时必须对应用的条件做具体分析,如使用胶片夹层玻璃在寒冷的冬天条件下,由于阻尼作用的丧失,其降噪效果与同等厚度的单层玻璃是一样的。

 发布时间:2006-10-01  信息来源:中国玻璃行业信息网
 
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