不同結構型式與參數單層窗隔聲性能試驗分析

蔡樂剛，朱 杰，陳 洋

（上海市房地產科學研究院，上海 200031）

隨著城市交通建設的快速發展,交通噪聲污染己成為我國城市主要環境矛盾之一，而人們生活水平質量提升對居住聲環境的要求越來越高，《民用建筑隔聲設計規范》GB50118-2010規定：臥室室內允許噪聲級晝間、夜間分別不超過45 dB、37 dB，起居室（廳）則不超過45 dB。一般而言，外立面窗往往為建筑圍護結構隔聲的薄弱點，提高建筑外窗的隔聲性能是降低外界噪聲對室內聲環境影響的重要措施之一。鑒于窗是一種復合結構體，其隔聲性能影響因素眾多，包括開啟方式、型材類型、玻璃配置、密封膠條性能、五金配件耐久性及加工工藝等[1–2]。理論研究一般將窗簡化為均質材料進行有限元數值模擬，與實際情況差異較大,難于準確計算成型窗的隔聲量[3–4]。試驗研究則針對窗構件整體進行隔聲量測試，得出結果比較符合實際,然而已發表文獻多為對不同系列窗產品的測試，較少系統考慮不同因素對窗整體隔聲性能的影響，以及對新型配置如三玻雙夾層玻璃形式等的分析[5–7]。

本文以單層窗為研究對象，定制加工不同結構型式與參數的樣窗,在實驗室進行測試，分析得出各參數對單層窗隔聲性能的影響規律。

1 試驗方案設計

單層窗主要由窗框、窗扇及五金件組成，其中窗扇一般由玻璃（通過密封膠、壓條形成整體）、扇框（一般與窗框型材相同）組成。試驗樣窗由同一專業門窗廠定制加工，構配件統一采購；樣窗在實驗室安裝后由專業技術人員嚴格檢查，以降低樣窗因加工、材質及安裝差異造成的影響。本試驗樣窗設計參數包括玻璃形式與規格、窗框型材類型、開啟方式與密封形式。

已有數據顯示單片玻璃窗的隔聲量較小，采用復合層玻璃對窗整體隔聲性能有較大提升[2]，故本試驗僅考慮復合層玻璃形式，共設計了6種形式（中空玻璃、夾層玻璃、真空玻璃、夾層中空玻璃、三玻雙夾層玻璃、三玻雙中空玻璃），各形式又根據玻璃厚度與構造分不同規格。窗框型材采用當前使用最廣泛的塑鋼、普通鋁合金及斷橋鋁型材三種。考慮隔聲量需求，僅分析窗框型材對平開窗隔聲性能的影響。常用開啟方式包括平開、推拉、上懸、下懸、內開內倒及固定等形式。考慮既有住宅特征，試驗對比分析推拉、平開及內開內倒三種形式的影響。而密封形式與開啟方式密切相關，當開啟方式為平開或內開內倒時，一般采用三元乙丙密封膠條；當為推拉形式時，一般采用毛條或者包覆式密封條。本試驗所制作平開窗均采用三道密封形式。具體樣窗設計參數如表1。

表1 樣窗設計參數

2 測試方法與結果

窗試樣空氣聲隔聲性能測試方法嚴格按照GBT 19889.3-2005《聲學建筑和建筑構件隔聲測量第3部分：建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》進行，以1/3倍頻程100 Hz～5 000 Hz共18個中心頻率為測試范圍，測試前測量實驗室溫濕度，盡可能保持相近的測試環境。

測試結果依照GB/T 50121-2005《建筑隔聲評價標準》計算，考慮到隔聲窗為外立面窗，故只考慮交通噪聲頻譜修正量Ctr，測試結果見表2。

表2 單層窗隔聲量測試結果/dB

3 試驗結果分析

3.1 玻璃形式與規格影響

本研究分別考慮玻璃形式與規格對平開窗、推拉窗隔聲性能的影響，從表2中可以發現：

（1）對于平開窗（D1－D21），不同玻璃形式與規格窗的計權隔聲量Rw均超過34 dB，交通噪聲頻譜修正后的隔聲量Rw+Ctr超過32 dB，即試驗所設計參數的平開窗均達3級及以上，其中構件D10、D11、D17隔聲量Rw+Ctr達35 dB及以上，達到4級標準[8]；

（2）實測數據顯示，6種玻璃形式的計權隔聲量Rw差異不大，基本為35 dB～36 dB，對比修正后隔聲量看出，真空玻璃、夾層中空玻璃兩種形式稍好，但也不顯著，主要表現為交通噪聲頻譜修正量小；

（3）對于推拉窗，試驗所設計測試的4種玻璃形式的隔聲量Rw+Ctr均不超過30 dB（如圖1），隔聲性能顯著較平開窗差，且玻璃形式對窗隔聲量影響較大，玻璃總厚度相近的情況下，中空玻璃、夾層玻璃推拉窗的修正后隔聲量（均23 dB）較夾層中空玻璃（25 dB）、三玻雙夾層玻璃（29 dB）推拉窗偏小。

圖1 不同玻璃形式推拉窗的隔聲性能測試結果

為進一步研究玻璃規格對平開窗的影響規律，梳理各玻璃形式下的不同規格窗構件的空氣聲隔聲量頻率特性曲線（如圖2），分析發現：

（1）因復合層玻璃之間的空氣層或夾膠層的耦合作用，測試窗構件的1/3倍頻程隔聲性能頻譜曲線均存在較明顯的低谷點，但不同玻璃形式的低頻共振現象存在顯著差異。例如，中空玻璃窗、三玻雙中空玻璃窗共振低谷點主要出現在160 Hz～250 Hz頻段；夾層玻璃形式窗低谷點主要位于400 Hz～500 Hz，且125 Hz～500 Hz區段呈低谷平臺；真空玻璃窗低谷點出現在500 Hz附近；夾層中空玻璃窗低谷點主要位于200 Hz～250 Hz；三玻雙夾層玻璃則出現兩次較明顯的共振低谷現象，低谷點分別為160 Hz和400 Hz附近。

（2）對比圖2（a）中的4條曲線可發現，不同玻璃厚度和空氣層間距條件下，中空玻璃窗的頻率特性曲線基本相似，共振低谷點頻率相差不大，且均在2 kHz附近存在吻合谷效應，其中玻璃厚度、空氣層較大的構件D4在中低頻段隔聲量稍好于其它窗構件，這也是其修正后隔聲量較高的主要原因。另與三玻雙中空玻璃窗（圖2（f））對比看出，除中高頻段吻合谷稍深一點，隔聲頻率特性基本相同。

（3）從夾層玻璃窗的隔聲性能頻率曲線看出，構件D8在中低頻段隔聲量相較其它構件偏小外，增大玻璃厚度和夾層厚度對窗的隔聲性能影響較小；另與圖2（e）對比分析看到，夾層玻璃與三玻雙夾層玻璃形式窗的隔聲頻率曲線基本相似，無顯著變化。

（4）從圖2（c）分析可發現，真空玻璃窗受共振效應影響較大，而在測試頻段未出現吻合效應，隨玻璃厚度增大，共振頻率稍有減小，且在200 Hz～5 000 Hz范圍內隔聲量均超過30 dB。

圖2 不同玻璃規格的隔聲性能頻譜曲線（平開窗）

（5）從圖2（d）分析發現，夾層中空玻璃窗的隔聲性能與玻璃構造特征無明顯規律，構件D11、D14存在較明顯的吻合效應，而構件D13受低頻共振影響較大，但隔聲性能總體較好，主要原因可能是空氣層、夾膠層兩種不同特性介質共同作用減弱聲波的透射作用。

另選取6種玻璃形式的典型構件并將其隔聲頻率特性曲線繪制于同一圖中（圖3）可看出，在低頻段（200 Hz以下），除中空玻璃相對較差外，其余各形式窗隔聲性能基本相近；在中低頻段（200 Hz～2 kHz），真空玻璃、夾層中空玻璃窗的隔聲性能相對最好，而對于2 kHz以上頻段，真空玻璃窗隔聲效果最佳。

分析不同玻璃形式推拉窗的隔聲量頻率特性曲線（圖4）可以看出，推拉窗在中低頻段隔聲效果整體較差，除構件D30外，各構件在2 kHz以下頻率段的隔聲量均不超過30 dB，各構件在160 Hz附近存在共振現象，且存在很明顯的吻合效應，臨界頻率主要位于1 000 Hz～1 250 Hz區段。

3.2 窗框型材影響

從測試結果（圖5）可看出，窗框型材對單層窗的隔聲性能影響較大，塑鋼窗的隔聲性能顯著較普通鋁合金窗好，修正后隔聲量差值達6 dB～8 dB；斷橋鋁型材窗隔聲性能較普通鋁合金窗好，修正后隔聲量可達30 dB。另對比不同型材尺寸對窗隔聲性能的影響可發現，構件D13（70系列）的計權隔聲量和修正后隔聲量均較構件D22（60系列）高2 dB，說明增大窗框型材厚度對提高窗隔聲量有一定效果。

由于不同窗框型材窗的結構形式和制作工藝存在差別，窗框自身構造，以及其與窗扇、墻體連接密封的差異影響窗的隔聲性能。從圖6分析看出，普通鋁合金窗在各頻率下均差于斷橋鋁窗、塑鋼窗，且在200 Hz～250 Hz段受共振影響嚴重；斷橋鋁窗中低頻段隔聲效果與塑鋼60系列塑鋼窗基本相同，且在高頻段的2.5 kHz附近產生波谷；型材尺寸較大的塑鋼窗D13各頻段隔聲性均較其它試件好，主要原因可能為型材尺寸較大，其自身隔聲性能更好，且窗框與窗扇、墻體接觸面更大，連接密封性更佳。

圖3 不同玻璃形式的隔聲性能頻譜曲線（平開窗）

圖4 玻璃形式對推拉窗的空氣聲隔聲量頻率特性曲線影響

圖5 窗框型材對隔聲性能的影響

3.3 開啟方式與密封形式影響

圖6 窗框型材和空氣聲隔聲量頻率特性曲線的關系

從表2測試結果看到，相同設計參數下，平開窗與內開內倒窗隔聲量基本相當，修正后隔聲量分別為33 dB、34 dB，顯著優于推拉窗，其中，采用包覆式密封條較采用普通毛條的推拉窗隔聲量提高了2 dB，如圖7。分析開啟方式與密封形式對窗隔聲性能的影響的主要原因主要為窗扇與窗框的密閉程度和窗框構造存在的差異；因包覆式密封條采用PE膜包裹PU發泡海綿，具有一定吸聲效果，且填塞窗扇與窗框縫隙更加密實，可有效提升窗隔聲性能。

圖7 不同開啟方式和密封形式窗構件的隔聲量

分析試驗窗構件空氣聲隔聲量頻率特性曲線（圖8）看出，推拉窗和平開窗在500 Hz以下中低頻段的隔聲效果沒有明顯規律，兩者的差異主要體現在中高頻段，即推拉窗在1 000 Hz附近產生嚴重的吻合效應，而平開窗受吻合效應影響較小，甚至在測試頻率范圍內無吻合效應。

此外，從表2交通噪聲頻譜修正量Ctr看出，推拉窗的修正量Ctr范圍為-2 dB～-1 dB，而平開窗的修正量Ctr一般為-4 dB～-2 dB，甚至存在-5 dB，波動較大，與文獻6統計結果基本吻合。

4 結語

圖8 開啟方式及密封形式與隔聲量頻率特性曲線的關系

（1）當開啟形式、密封形式及窗框型材相同時，不同玻璃形式平開窗的隔聲量均可滿足3級隔聲效果，交通噪聲頻譜修正后隔聲量Rw+Ctr均超過32 dB，且玻璃規格對單層平開窗的計權隔聲量影響較小，差值基本在1 dB～3 dB之間；而推拉窗的隔聲量Rw+Ctr均不超過30 dB，玻璃總厚度相近的情況下，中空玻璃、夾層玻璃推拉窗的修正后隔聲量較夾層中空玻璃、三玻雙夾層玻璃形式推拉窗小。

（2）不同玻璃形式平開窗在200 Hz以下低頻段的隔聲性能基本相近，在200 Hz～2 kHz頻段，真空玻璃、夾膠中空玻璃窗隔聲性能相對更好，考慮交通噪聲成分主要為中低頻段噪聲，故在條件允許下，交通噪聲隔聲改造工程可優先采用真空玻璃、夾膠中空玻璃隔聲窗。

（3）對于平開單層窗，相同玻璃形式下，增加玻璃厚度、空氣層或夾層厚度對窗隔聲性能無顯著提升效果。因此，設計隔聲窗時不宜單純通過增大玻璃厚度、增加空氣層或夾膠層厚度來提高隔聲性能，需綜合其它因素合理設計。

（4）窗框型材對單層窗的隔聲性能影響較大，塑鋼窗、斷橋鋁型材窗隔聲量均可達30 dB以上，隔聲性能顯著優于普通鋁合金窗，且增大窗框型材厚度可有效提升隔聲性能。

（5）平開窗與內開內倒窗的隔聲性能基本相當，顯著優于推拉窗，采用包覆式密封條較采用普通毛條的推拉窗隔聲量有效提高。

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