基于多因素方差分析法的外窗隔聲性能分析與研究

鮑 全

（鎮江市建設工程質量檢測中心有限公司，江蘇 鎮江 212004）

0 引言

隨著國民經濟快速發展及城鎮化進程的推進，各種交通噪聲、施工噪聲和社會生活噪聲無處不在。噪聲污染做為現代城市主要環境污染源之一［1-2］，所引發的環境和社會問題受到愈加廣泛的關注。它不僅影響睡眠、干擾工作學習，還會造成聽力損傷，甚至引發各類疾病［3-5］；中低頻段的交通噪聲危害則更為明顯。實踐表明外窗是建筑圍護結構中隔聲性能較薄弱的部分［6-7］，240 mm 厚黏土磚墻的隔聲量約 45 dB，240 mm 厚混凝土構件的隔聲量約 50 dB，而普通外窗的隔聲量僅為 25～30 dB［8］。提高外窗的空氣聲隔聲性能，能顯著改善建筑室內聲環境質量［9-10］。國內現階段對外窗隔聲性能研究工作，有的基于噪聲頻譜特性分析不同窗型的應用特點［11］，有的針對聲波在窗體中的傳播特性進行理論研究［12］，或通過計算機軟件進行外窗隔聲效果的數值模擬［13-15］，也有從雙層隔聲窗、自然通風隔聲窗的窗型結構優化設計開展研究分析［16-18］。玻璃作為外窗的主要配件，分析其對外窗隔聲性能的影響特性，對提高外窗整體隔聲性能具有十分重要的現實意義。

本文使用多因素方差分析中的相伴概率（Sig.）來量化玻璃規格對外窗隔聲性能的影響，判斷出玻璃規格與其它因素的交互效應是否會產生顯著影響，用描述性統計量差值來表征因變量的變化程度。研究過程中使用了 SPSS 軟件輔助多因素方差分析計算，并使用 Virtual lab 軟件模擬對試驗測試結果的準確性進行驗證。

1 試驗測試

建筑構件隔聲性能的測試方法有實驗室測試法和現場測試法，本文依據 GB/T 8485－2008《建筑門窗空氣聲隔聲性能分級及檢測方法》［19］，采用隔聲室法進行外窗隔聲性能測試。隔聲實驗室建設采用了“房中房”結構形式，有效降低了測試過程中外界噪聲對混響接收室本底噪聲的影響，提高了試驗結果的準確性。

相關研究［20-21］表明影響外窗隔聲性能的因素有型材種類、開啟方式、玻璃規格等。為了使研究對象具有代表性，筆者到本地區多家門窗生產企業，對近 5 年不同窗型的產品規格進行了調研。同時查閱了鎮江市工程質量檢測數據平臺內相關信息，對不同窗型的工程檢測數量分類統計。本地區建筑市場上塑鋼窗、斷橋隔熱鋁合金窗應用較為廣泛，開啟方式主要以推拉、平開方式為主。外窗玻璃規格主要有 6+12A+6、5+19A+5 等，為了滿足建筑節能要求，三玻兩腔玻璃（如 5+6A+5+6A+5）的使用率也逐漸提高。將 240 余組外窗隔聲性能試驗數據按上述窗型材種類、開啟方式、玻璃規格進行分類，取各類的“能量平均值”［19］，并以生產廠家為特征劃分區組，以消除生產水平的影響，試驗結果匯總如表 1 所示。試驗和計算過程在 GB/T 8485－2008《建筑門窗空氣聲隔聲性能分級及檢測方法》 中均有詳細表述，此處不做贅述。

標準中以計權隔聲量和頻譜修正量 Rw和頻譜修正量（粉紅噪聲頻譜修正量 C 或交通噪聲頻譜修正量 Ctr）來表征建筑門窗的隔聲性能。例如，Rw（C；Ctr）=27（-1；-2）dB，當該樘試驗窗為建筑外窗時，其隔聲量為25dB，為了使研究工作方便，表 1 中的隔聲量數值均為按用途“建筑外墻用”計算后的隔聲量。

表1 試驗結果匯總

2 多因素方差分析

多因素方差分析法［22］是指在有兩個或兩個以上的因素對因變量產生影響時，利用方差比較，通過假設檢驗來判斷各因素是否對因變量產生顯著影響。在分析中，把某個因素單獨對因變量產生的影響稱為“主效應”，把因素之間共同產生的影響稱為“交互效應”，因素的特定狀態或者數量等級稱為“水平”。

2.1 模型的建立和計算

設影響外窗隔聲性能的 3 個因素分別為型材種類、開啟方式、玻璃規格。設“型材種類”為因素 Ai，水平 A1為塑料（鋼）窗、A2為斷橋隔熱鋁合金窗；設“開啟方式”為因素 Bj，水平 B1為平開窗、B2為推拉窗；設“玻璃規格”為因素 Ck，水平 C1為“6+12A+6”、C2為“5+19A+5”，C3為“5+6A+5+6A+5”。每個水平組合Ai×Bj×Ck，重復進行 n 次實驗（此處 n=4，表 1 以廠家為特征劃分區組），用 ηikjn表示每次試驗結果，即該試驗窗的隔聲量。

公式（3）經計算，得到結果如表 2 所示。

2.2 利用 SPSS 求解

SPSS 是我國高校、科研機構應用最為廣泛的專業統計軟件之一。它的基本功能包括數據維護管理、統計分析和圖表輸出等。基本統計過程有描述性統計、均值比較、一般線性模型、回歸分析等大類。本文主要利用其一般線性模型中的單變量分析功能。

SPSS 輸入的變量為數值型，依據 2.1 節建立的數學模型，進行變量設置，如圖 1 所 示。再將表 1、表 2 中的數據輸入 SPSS 軟件中，如圖 2 所示。利用一般線性模型中的單變量方法，設置外窗空氣聲隔聲性能為因變量，型材種類、開啟方式、玻璃規格 3 個因素為自變量，在顯著性水平 0.05 下進行了分析，輸出描述性統計量，如表 3 所示。

圖1 SPSS（18.0 版）變量視圖界面

圖2 SPSS（18.0 版）數據視圖界面

3 驗證和檢驗

3.1 試驗結果驗證

Virtual lab 軟件是一款聲學仿真分析的軟件（見圖 3），基于勻質構件隔聲原理，對單層或多層勻質構件隔聲性能進行分析研究。由于建筑外窗是由型材、玻璃、五金件等配件組裝而成，整體結構形式復雜，因此只能對 6+12A+6，5+19A+5，5+6A+5+6A+5 三種規格的玻璃制品的隔聲量進行模擬分析，模擬計算結果如表 4 所示。

表2 多因素方差分析表

表3 描述性統計量

圖3 Virtual lab 軟件操作界面

表4 中空玻璃制品隔聲量模擬計算結果

一方面，使用隔聲室法測試 6+12A+6，5+19A+5，5+6A+5+6A+5 三種規格玻璃制品的隔聲量，聲頻譜曲線如圖 4 所示，按照 GB/T 8485－2008《建筑門窗空氣聲隔聲性能分級及檢測方法》計算得 3 種玻璃制品隔聲量分別為 31.0、33.1、35.3 dB。與表 4 中 Virtual lab 模擬計算結果基本一致。

圖4 中空玻璃制品隔聲量試驗測試頻譜曲線圖

另一方面，在變量因素為“玻璃規格”唯一因素時，對比隔聲量差值的變化。由表 3 第 33～35 行數據計算可知，玻璃由 6+12A+6 換為 5+19A+5，外窗隔聲量增加 1.5 dB，玻璃由 6+12A+6 換為 5+6A+5+6A+5，外窗隔聲量增加 3.9 dB。由表 4 計算得，5+19A+5 玻璃制品比 6+12A+6 玻璃制品隔聲量模擬計算值高 1.7 dB，5+6A+5+6A+5 玻璃制品比 6+12A+6 玻璃制品隔聲量模擬計算值高 3.6 dB，差值結果基本一致，也間接驗證了試驗測試結果的準確性。

3.2 方差等同性檢驗

在保證試驗結果準確的前提下，再次利用 SPSS 軟件對表 3 中的試驗結果進行誤差方差等同性檢驗，得到方差齊次性檢驗結果如表 5 所示。表 5 中相伴概率（Sig.）為 0.928，大于顯著性水平0.05，各組之間的總體方差相等，滿足方差分析的前提，因此證明多因素方差分析法適用于本次研究。最后進行主體間效應檢驗，結果如表 6 所示。

表5 誤差方差等同性檢驗結果

表6 主體間效應檢驗結果

表 6 中因素 C 主效應的相伴概率（Sig.）為 0.008，小于顯著水平 0.05，可知玻璃規格對外窗隔聲性能影響顯著。主因素 A、B 主效應的相伴概率（Sig.）分別為 0.152 和 0.000，0.000＜0.008＜0.152，可知玻璃規格對外窗隔聲性能的影響大于型材種類對外窗隔聲性能的影響，且小于開啟方式對外窗隔聲性能的影響。因素 B×C 的相伴概率（Sig.）為 0.010，小于顯著水平 0.05，可知玻璃規格與開啟方式的交互效應對外窗隔聲性能的影響顯著，其它交互效應影響均不顯著。

4 結論

通過研究得到以下結論：

1）玻璃規格對外窗隔聲性能影響顯著。玻璃規格對外窗隔聲性能的影響大于型材種類對外窗隔聲性能的影響，且小于開啟方式對外窗隔聲性能的影響。

2）玻璃規格與開啟方式的交互效應對外窗隔聲性能的影響顯著，其它因素交互效應的影響均不顯著。

3）玻璃由 6+12A+6 換為 5+19A+5，外窗隔聲量增加約 1.5 dB，玻璃由 6+12A+6 換為 5+6A+5+6A+5，外窗隔聲量增加約 3.9 dB。