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離心玻璃棉的聲學特性及應用特點範圍

發表時間:2019-05-03【

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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,可以大量吸收房间内的声能,降低混响时间,有利于提高语言清晰度,也有利于减少室内噪声。在轻体隔墙的空腔内填入离心玻璃棉,不但起到良好的保温作用,还可以较大幅度地提高墙体的隔声性能,有利于隔绝噪声,也有利于保证室内谈话的私密性。使用离心玻璃棉製成管道或风机罩的衬里可以起到消声作用,有利于降低管道中气流和机械振动产生的噪声,使空调系统更加安静。离心玻璃棉具有良好的弹性,可以作为楼板减振垫层的主要材料,显着地降低楼上的脚步、奔跑、拖动物品等撞击产生的噪声对楼下房间的影响。 离心玻璃棉的声学特性不但与厚度和容重有关,也与罩面材料、结构构造等因素有关。在建筑应用中还需同时兼顾造价、美观、防火、防潮、粉尘、耐老化等多方面问题。本文将就离心玻璃棉相关的建筑声学基本概念、建筑吸声应用、建筑隔声应用、建筑消声应用、国内外不同声学产品对比,以及相关的国家规範标準等方面近可能详细地讨论离心玻璃棉的建筑声学特性及应用。 


离心玻璃棉的声学使用特点


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,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凈土。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120dB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範围是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的範围内声音被增强,这一频率在语言中的辅音中佔主导地位,有利于听清语言和交流,但人耳最先老化的频率也在这个範围内。一般认为,500Hz以下为低频,500Hz-2000Hz为中频,2000Hz以上为高频。语言的频率範围主要集中在中频。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。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範围在100Hz到5KHz。如果将声音的频率分量绘製成曲线就形成了频谱。 对于各种建筑声学材料来讲,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,因此採用分贝,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 10lg(1-0.8)=7dB。如果某种隔墙隔声量为50dB,那幺透过去的声音为0.00001。分贝的计算较为複杂,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,或吸声係数是多少,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50.5dB,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範都是按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係数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,那幺它的a=0;如果某种材料将入射声能全部吸收,那幺它的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係数。人们使用吸声係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标準和国家标準,吸声测试报告中吸声係数的频率範围是100-5KHz。将 100-5KHz的吸声係数取平均得到的数值是平均吸声係数,平均吸声係数反映了材料总体的吸声性能。在工程中常使用降噪係数NRC粗略地评价在语言频率範围内的吸声性能,这一数值是材料在250、500、1K、2K四个频率的吸声係数的算术平均值,四捨五入取整到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係数的材料。离心玻璃棉属于高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係数逐渐增大,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係数。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係,也就是建筑声学中着名的塞宾公式:T=0.161V/(S×a) ,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係数。由塞宾公式可以看出,房间体积越大混响时间越长;平均吸声係数越大,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声量,隔声量的定义是R=10lg(1/τ),其中τ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是使用标準评价曲线与墙体隔声量频率特性曲线进行比较得到的,标準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GBJ121-88“建筑隔声评价标準”。 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”,而是表示在使用标準打击器(一种能够产生标準撞击能量的设备)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,为了使用单一指标比较不同楼板的隔绝撞击声的性能,人们使用计权撞击声压级Lpn,w。Lpn,w同样使用标準评价曲线与撞击声隔声频率特性曲线进行比较得到的,具体评价方法可参见国标GBJ121-88“建筑隔声评价标準”。 比较理想的住宅楼板计权撞击声压级应小于65dB。然而,大量使用的普通10cm厚混凝土楼板计权撞击声压级为80-82dB,楼板隔声问题比较严重,住户多有抱怨,谁没有听到楼上的脚步声以及孩子的跑跳声的经历呢?採用浮筑地板的方法可以提高楼板隔声性能,如在结构楼板上铺一层高容重的玻璃棉减振垫层再做40mm厚的混凝土地面,计权撞击声压级可以小于60dB。 


二、离心玻璃棉在建筑吸声中的应用 1)离心玻璃棉的吸声机理 离心玻璃棉属于多孔吸声材料,具有良好的吸声性能。离心玻璃棉能够吸声的原因不是由于表面粗糙,而是因为具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。当声波入射到离心玻璃棉上时,声波能顺着孔隙进入材料内部,引起空隙中空气分子的振动。由于空气的粘滞阻力和空气分子与孔隙壁的摩擦,声能转化为热能而损耗。多孔材料吸声的必要条件是 :材料有大量空隙,空隙之间互相连通,孔隙深入材料内部。错误认识之一是认为表面粗糙的材料具有吸声性能,其实不然,例如拉毛水泥、表面凸凹的石才基本不具有吸声能力。错误认识之二是认为材料内部具有大量孔洞的材料,如聚苯、聚乙烯、闭孔聚氨脂等,具有良好的吸声性能,事实上,这些材料由于内部孔洞没有连通性,声波不能深入材料内部振动摩擦,因此吸声係数很小。 测量材料吸声係数的方法有两种,一种是混响室法,一种是驻波管法。混响室法测量声音无规入射时的吸声係数,即声音由四面八方射入材料时能量损失的比例,而驻波管法测量声音正入射时的吸声係数,声音入射角度仅为90度。两种方法测量的吸声係数是不同的,工程上最常使用的是混响室法测量的吸声係数,因为建筑实际应用中声音入射都是无规的。在某些测量报告中会出现吸声係数大于1的情况,这是由于测量的实验室条件等造成的,理论上任何材料吸收的声能不可能大于入射声能,吸声係数永远小于1。任何大于1的测量吸声係数值在实际声学工程计算中都不能按大于1使用,最多按1进行计算。 在房间中,声音会很快充满各个角落,因此,将离心玻璃棉等吸声材料放置在房间任何錶面都有吸声效果。吸声材料吸声係数越大,吸声面积越多,吸声效果越明显。离心玻璃棉可以被製成吸声天花、吸声墙板、空间吸聲體等各种建筑吸声构件。 2)影响离心玻璃棉吸声係数的因素 离心玻璃棉对声音中高频有较好的吸声性能。影响离心玻璃棉吸声性能的主要因素是厚度、密度、孔隙率、结构因子和空气流阻等。密度是每立方米材料的重量。孔隙率是材料中孔隙体积和材料总体积之比。结构因子反映离心玻璃棉内部纤维或颗粒排列的情况,是衡量材料微孔或狭缝分布情况的物理量。空气流阻是单位厚度时材料两侧空气气压和空气流速之比。 空气流阻是影响离心玻璃棉吸声性能最重要的因素。流阻太小,说明材料稀疏,空气振动容易穿过,吸声性能下降;流阻太大,说明材料密实,空气振动难于传入,吸声性能亦下降。对于离心玻璃棉来讲,吸声性能存在最佳流阻。在实际工程中,测定空气流阻比较困难,但可以通过厚度和容重粗略估计和控制。1)随着厚度增加,中低频吸声係数显着地增加,但高频变化不大(高频吸收总是较大的)。2)厚度不变,容重增加,中低频吸声係数亦增加;但当容重增加到一定程度时,材料变得密实,流阻大于最佳流阻,吸声係数反而下降。对于厚度超过5cm的容重为16Kg/m3的离心玻璃棉,低频125Hz约为0.2,中高频(>500Hz)的吸声係数已经接近于1了。当厚度由5cm继续增大时,低频的吸声係数逐渐提高,当厚度大于1m以上时,低频125Hz的吸声係数也将接近于1。当5cm厚度不变,容重增大时,离心玻璃棉的低频吸声係数也将不断提高,当容重接近110kg/m3时吸声性能达到最大值,频率125Hz处接近0.6-0.7。容重超过120kg/m3时,吸声性能反而下降,是因为材料变得緻密,中高频吸声性能受到很大影响,当容重超过300kg/m3时,吸声性能已经很小了。建筑声学中常用的吸声玻璃棉的厚度有2.5cm、5cm、10cm,容重有16、24、32、48、80、96、112kg/m3。 离心玻璃棉的吸声性能还与安装条件有着密切的关係。当玻璃棉板背后有空气层时,与相同厚度无空气层的玻璃棉板吸声效果类似。尤其是中低频吸声性能比材料实贴在硬底面上会有较大提高,吸声係数将随空气层的厚度增加而增加,但增加到一定值后效果就不明显了。 使用不同容重的玻璃棉叠和在一起,形成容重逐渐增大的形式,可以获得更大的吸声效果。例如将一层2.5cm厚24kg/m3的棉板与一层2.5cm厚32kg/m3的棉板叠和在一起的吸声效果要好于一层5cm厚32kg/m3的棉板。将24kg/m3的玻璃棉板製成1m长的断面为三角型的尖劈,材料面密度逐渐增大,平均吸声係数可接近于1。 离心玻璃棉在建筑使用中,表面往往要附加有一定透声作用的饰面,如小于0.5mm的塑料薄膜、金属网、窗纱、防火布、玻璃丝布等,基本可以保持原来的吸声特性,若饰面的透气性差时,如塑料薄膜,高频吸声特性会下降。 3)常见的离心玻璃棉吸声建筑构件 离心玻璃棉具有防火、保温、易于切割等优良特性,是建筑吸声最常用的材料之一。但是由于离心玻璃棉表面无装饰性,而且会有纤维洒落,因此必须製成各种吸声构件隐蔽使用。 最常使用也是造价最低廉的构造是纸面穿孔石膏板吊顶或墙面内填离心玻璃棉。纸面穿孔石膏板与墙或顶棚之间存在空气层时可以形成亥姆霍兹共振吸收,一般空气层为5cm、10cm、20cm、40cm,吊顶的空气层可能更大。在空腔内填入离心玻璃棉时,由于玻璃棉本身吸声,共振吸声的效率也提高很多,吸声係数将大大提高,吸声曲线的共振峰的频率範围变宽,中高频吸声性能提高。空腔厚度最大20cm,空腔内填入的玻璃棉只需要5cm厚,容重16-24kg/m3即可达到很好的吸声效果。当然,吸声性能还与穿孔率、孔径、板厚等因素有关。与穿孔纸面石膏板类似的还有穿孔金属板(如铝板)、穿孔木板、穿孔纤维水泥板、穿孔矿棉板等,这些材料的后空腔内填入离心玻璃棉后都能够较大地提高吸声性能。为了防止玻璃棉纤维洒出,需要在穿孔板背后附一层无纺布、桑皮纸等透声织物,或使用玻璃布、塑料薄膜等包裹玻璃棉。 玻璃棉板经过处理后可以製成吸声吊顶板或吸声墙板。一般常见将80-120kg/m3的玻璃棉板周边经胶水固化处理后外包防火透声织物形成既美观又方便安装的吸声墙板,常见尺寸为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喷刷透声装饰材料形成的吸声吊顶板。无论是玻璃棉吸声墙板还是吸声吊顶板,都需要使用高容重的玻璃棉,并经过一定的强化处理,以防止板材变形或过于鬆软。这一类的建筑材料既有良好的装饰性又保留了离心玻璃棉良好的吸声特性,降噪係数NRC一般可以达到0.85以上。 在体育馆、车间等大空间内,为了吸声降噪,常常使用以离心玻璃棉为主要吸声材料的吸聲體。吸聲體可以根据要求製成板状、柱状、锥体或其他异型体。吸聲體内部填充离心玻璃棉,表面使用透声面层包裹。由于吸聲體有多个表面吸声,吸声效率很高。 在道路隔声屏障中,为了防止噪声反射,需要在面向车辆一侧採取吸声措施,往往也使用离心玻璃棉作为填充材料、面层为穿孔金属板的屏障板。为了防止玻璃棉在室外吸水受潮,有时会使用PVC或塑料薄膜包裹。 4)应用离心玻璃棉吸声的一些建筑场所 在一般厅堂中,包括语言、音乐或综合表演用厅堂,如音乐厅、报告厅、剧场、影院、礼堂、体育馆、多功能厅、会议室、演播室、录音室、听音室、排练厅、博物馆、展览馆、KTV包房、办公室、营业厅、接待室、拍卖厅、候车(机)室、审判厅等等场所均需要吸声获得良好的音质;在需要噪声控制的房间,如餐厅、图书馆、画廊、健身中心、购物中心、酒店大堂、病房、车间等等场所也需要吸声降噪;还有特殊音质要求的民用住宅卧室、书房、家庭影院等等都需要吸声处理。这些场所都可以应用离心玻璃棉进行吸声,当然,同时必须考虑建筑构造、美观、防火、粉尘、清洁等综合因素。 在音乐厅、剧场的后墙面或二层正面的眺台栏杆上常用穿孔板或透声织物为面层的吸声构造,目的是防止出现回声等缺陷。在具有凹曲表面的房间中,为了防止声聚焦而影响音质,需要使用吸声处理。在礼堂、会堂、多功能厅、影院等等场所中,为了保证良好的语言清晰度,必须根据计算在墙面、天花等部位安装吸声材料,对于像体育馆、展览馆、营业厅等这些大体量的房间可能还需要使用空間吸聲體。餐厅中,由于人员吵杂,进行吸声装修后可以得到良好的就餐环境,例如麦当劳、肯德基等国外快餐厅比较注重室内吸声处理,配合悦耳的轻音乐显得餐厅安静祥和。录音室、演播室、听音室等音质要求更为严格的场合,必须按照设计要求进行吸声处理。在工业厂房中,为了降低机器轰鸣的噪声,需要使用吸声降噪。在KTV包房中,恰当的吸声处理能够使音乐和歌声更加美妙动听,也能防止由于音箱与歌唱者的话筒距离较近造成的反馈啸叫。 最佳的离心玻璃棉吸声处理是将材料与建筑有机地融合在一起,而不是刻意地为了吸声而吸声,应在不知不觉中创造良好的声环境。吊顶、墙面、吸聲體等都应成为建筑装修中天然的组成部分,良好的声学设计不能让人们感觉吸声材料有些突兀。在一些会堂和报告厅,设计师将玻璃棉软包材料和金属穿孔铝板后附玻璃棉巧妙地应用在装修效果中,再配以祥和的灯光,视觉和听觉都使人得到享受。建筑吸声处理常常被人们忽视,但当因为缺少吸声处理而产生诸多问题时,解决起来又会使人非常头疼。在某政府“一站式”办公改革中,工商、税务、行政等管理部门都集中在一个3000m2的开敞大厅内进行,大厅的吊顶是石膏板吊顶,墙面是光滑的大理石,部门之间是玻璃隔断,室内人声鼎沸,在这样糟糕的声环境中根本无法办理手续。政府要求限期整改,但由于经费、原设计效果的变更、施工对办公使用的影响等多种因素使整改变得比事前进行吸声设计要难的多。 


三、离心玻璃棉在墙体隔声中的应用 1)离心璃棉在墙体中的隔声原理 单层墙体因受质量定律的限制,必须是重墙才能获得良好的隔声性能。对于住宅分户墙,为达到国家最低标準Rw=40dB的要求单层隔墙至少需要100kg/m2以上的面密度(面密度是每平方米墙体的重量)。如果将墙体分成两层或多层,隔声量会显着提高。这是因为,声音撞击到第一层墙板时,透射的部分将进入两层墙板之间空腔,在空腔中来回反射多次后,一部分透射到墙体对面,另一部分被损耗掉。同时,两层之间的腔体有类似弹簧的作用,使墙板系统具有有利于消耗声音的弹性,进一步隔声。如果在腔体中填入离心玻璃棉等吸声材料后,声音传播过程中在腔体中来回反射的声音将被大大衰减,隔声量大为提高。对于120厚的砖墙隔声量从45dB左右提高到50dB以上需要重量提高一倍,即需要240砖墙。而对于75轻钢龙骨双面双层12纸面石膏板隔墙而言,只需在腔体内添加一层50厚24Kkg/m3的玻璃棉,计权隔声量就从44dB提高到50dB。可见,隔墙腔体中的吸声材料对隔声量的影响非常重要。根据测定,使用双层75龙骨的六层12纸面石膏板(三道墙板,每道两层石膏板,共两个龙骨空腔)的轻型墙体内添两层50厚24Kkg/m3的玻璃棉,计权隔声量将达到Rw=60dB,这是半米厚混凝土隔墙的隔声量。 然而,轻型多层板隔墙即使使内填了离心玻璃棉等吸声材料,低频的隔声能力也不能完全和重型墙相比,计权隔声量同样是Rw=50dB的混凝土墙和轻墙相比,在125Hz频率上,混凝土隔墙的隔声量R=40dB,而轻墙的隔声量只有23、24dB左右。一个有利的因素是,人耳对低频并不敏感,因此在大多语言环境下轻墙完全可以满足隔声要求,但在机械噪声、迪斯科舞厅等低频声音严重的场合必须考虑低频隔声量是否足够。轻墙低频隔声较差的主要原因是墙板比较轻柔,难于阻隔振动幅度较大、波长较长的低频声,同时,空腔中的吸声材料低频吸声性能也比较有限。 2)影响轻钢龙骨轻质板隔墙的隔声性能的因素 龙骨:龙骨弹性越好隔声性能越好,尤其低频隔声量有显着提高。轻钢龙骨的弹性好于木龙骨,故使用轻钢龙骨轻墙比木龙骨轻墙计权隔声量高1-3dB。如果採用Z型减振龙骨,计权隔声量可以提高1-2dB。如果在龙骨上採用S型的减振条,计权隔声量可以提高2dB。如果使用两层完全分离的龙骨(龙骨之间没有任何连接),隔声量能够提高5-7dB。龙骨越宽,也就是空腔越大隔声性能越好,100厚龙骨比75厚龙骨计权隔声量提高1dB左右。安装墙板的螺丝钉钉距越稀疏,隔声性能越好,因为稀疏的钉距使墙板连接的刚性变差,据测定,300mm的钉距比250mm的钉距计权隔声量提高0.5dB左右,但是钉距不能过于稀疏,因为必须保证墙体的强度。 墙板:在实验中发现,面密度越大同时越薄的墙板隔声性能越好。这是因为,密度越大隔声量越大,越薄则在中高频出现的吻合谷越往高的频率偏移,偏出感兴趣的频率範围之外。例如,同样厚度的75龙骨双面单层25mm厚内填棉的纸面石膏板墙的吻合谷在2500Hz,计权隔声量仅为47dB,而75龙骨双面双层12mm厚内填棉的纸面石膏板墙的吻合谷在3150Hz,吻合效应影响变弱,计权隔声量为50dB。对于GRC板、硅酸钙板等墙板,由于密度比石膏板大,而厚度比石膏板薄,因此具有更好的隔声性能。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将共振和吻合频率错开,有利于提高隔声量,例如使用10mm的GRC板与12mm纸面石膏板複合的双面双层填棉轻墙的计权隔声量比两层石膏板的轻墙高2dB,可达52dB。 内填棉:内填离心玻璃棉的厚度和容重越大,吸声效果越好,由于声音在空腔来回反射多次而消耗,即使每次反射吸声较小,多次反射的积累效果也非常大,因此5cm厚24kg/m3的离心玻璃棉作为内填吸声材料已经足够了,更厚或更大的密度所带来的隔声增加量非常有限,一般不会提高1dB以上的隔声量。但是,2.5cm以下、不足16kg/m3的离心玻璃棉由于过于稀鬆,吸声性能太差,会使隔声量下降2-3dB。5cm厚容重大于40kg/ m3岩棉和玻璃棉的隔声效果是类似的,理论上讲,因为岩棉容重往往大于玻璃棉,隔声略有优势,但很难相差1dB,那种认为轻墙中岩棉隔声好于玻璃棉的观点是不正确的。还有一点非常重要,就是空腔中的棉不能满填,这样会造成棉将两层墙板连接在一起,出现声桥,使隔声量下降。填棉时,应尽量保证棉体两边不同时接触板材,以防止声桥。如果使用50mm厚的C型龙骨,那幺填棉厚度应小于50mm,如25mm或40mm的岩棉或玻璃棉。有些设计人员认为棉体需要满填、填实在空腔中,和板之间不留空气层,这是不对的。实验表明,满填棉隔声性能将下降1-3dB。另外填棉厚度不均、回弹率过大等造成的棉板与两边板材局部或大面积接触都会引起隔声量下降,施工操作中应尽量避免。 板缝和孔洞:隔墙上如果出现缝隙和孔洞,会大大降低隔墙的隔声量。假如隔墙墙体本身的隔声量达到50dB,而墙上有万分之一的缝隙和孔洞,则综合隔声量将下降到40dB。为了防止石膏板墙和原结构之间的缝隙,通常在墙体四周安装龙骨时垫入塑料弹性胶条。另外,当每面两层石膏板时,应错缝安装,里层可以不勾缝,只对外层勾缝,这对隔墙隔声量影响不大。但是每面一层板时必须勾缝,否则隔声量将会下降12-17dB。 施工及其他等因素:以下若干因素对隔声的影响并非墙板本身,而是设计、施工、整体结构等方面疏忽造成的,这些因素有时造成纸面石膏板隔墙隔声量下降非常严重。 ①板-板之间空腔内填棉不饱满,或棉钉粘合不牢固,过一段时间后棉体下坠(玻璃棉常出现这种情况),造成出现填棉缝隙。严重时可能引起3-5dB隔声量的下降。 ③隔墙外框和房屋结构刚性连接,未按规定垫入弹性垫条,结构受荷变形或结构振动,造成板缝开列,形成缝隙漏声。 ④管道穿墙,未按规定要求密封处理,造成孔隙;电器开关盒、插销盒在墙上暗装,未按规定要求做内嵌石膏板盒隔声处理,造成隔声薄弱环节;甚至隔墙两边电器盒对装而不做任何处理,都会大大降低隔声性能。 ⑤在实际建筑物中,两个房间除了隔墙传声外,还有其他途径引起声音从一个房间进入另一个房间,这些途径的传声称为侧向传声,如地面结构传声、侧墙结构传声、门窗传声、管道风道传声等。有些有吊顶的大房间用石膏板隔墙分隔成一些小间,因为先做的吊顶,隔墙只做到吊顶下沿,而没有延伸到结构层楼板底,出现吊顶内的侧向传声,造成房间实际隔声量比隔墙隔声量低很多。 3)应用离心玻璃棉进行隔声处理的场合 离心玻璃棉除了作为轻型墙体的腔体填充材料进行隔声以外,还可以在石膏板、金属板等吊顶内满铺形成隔声吊顶。由于大量轻型屋盖逐渐地广泛使用,越来越多地使用离心玻璃棉作为保温、隔声顶棚或隔声吊顶。国家大剧院巨大的轻型屋盖结构为了隔绝环境噪声和雨噪声就在两层金属屋盖板之间加入了离心玻璃棉板,使隔声量达到42dB的要求。 在防火隔声门中,常使用玻璃棉作为内填棉提高隔声性能。在双层隔声门或隔声窗的构造中,需要在两层门或窗四周边安装玻璃棉吸声材料(需要穿孔板或透声织物罩面)形成声闸,提高隔声量。 在道路隔声屏障中,也常常使用玻璃棉作为内添隔声材料。 密封的金属板箱内部贴满玻璃棉等吸声材料可以製成隔声罩为机器设备的降噪。与没有内部吸声材料的隔声罩相比,降噪效果可以提高20dB,降噪量达70dB。 另外,在一些住宅和公建中,穿过室内的雨水管沖雨噪声或水管由于水压变化形成的水锤振动噪声也使人们非常烦恼。可以使用玻璃棉(须经过防水防潮处理)对管道进行包裹,再使用石膏板或金属板做隔声外层,处理得当,能够获得20dB以上降噪量。 


四、离心玻璃棉在楼板撞击声隔声中的应用 1)楼板撞击声隔声原理 当楼板等建筑构件受到撞击时,振动将在构件及其连接结构内传播,最后通过墙体、顶棚、地面等向房间振动辐射声音。振动在固体中传播时的衰减很小,只要固体构件一直是连接在一起的,振动将会传播很远,将耳朵贴在铁轨上可以听到几公里以外火车行驶的声音就是这个原理。在建筑中振动还有一个特点,就是向四面八方传播,所有有固体连接的部分都会振动,在房间中,由于四周都会振动发声,往往很难辨别振动声源的位置。但是,如果固体构件是脱离的(哪怕只是非常小的缝隙)或构件之间存在弹性的减振垫层,振动的传播将在这些位置处受到极大的阻碍,当使用弹簧或与弹簧效果类似的玻璃棉减振垫层对楼板进行隔振处理后,将提高楼板撞击声隔声的能力。 隔振楼板和下面的支撑弹性垫层构成了一个弹性系统,一般的隔振规律是,楼板越重、垫层弹性越好、静态下沉度(楼板压上去以后的压缩量)越大,隔振效果就越好。8cm厚的混凝土楼板比4cm的楼板更重,减振效果更好;两层2.5cm厚的离心玻璃棉垫层的静态下沉度大于一层2.5cm厚的同样垫层,减振效果要好一些。压缩后的垫层必须处于弹性範围内,也就是说,将楼板移去后,垫层可以在弹性的作用下恢复原来的厚度,如果垫层被压实而失去回弹性,将失去减振效果。因此,使用离心玻璃棉做减振垫层时,需要使用容重较大的垫层,防止玻璃棉被压实,上层混凝土越厚重,玻璃棉就要越厚,容重也需要越大,一般容重应大于96kg/m3。 在用于隔绝机器振动的减振台或减振地面时需要更加专业的设计,如果设计不当,造成减振系统的固有频率与机器的振动频率接近时,不但不能起到减振作用,还会使振动加大,甚至损坏机器及楼板结构。 2)离心玻璃棉楼板隔声垫层 楼板撞击声隔声是建筑中最难处理的隔声部分之一。使用玻璃棉减振垫层上面现浇混凝土的做法可以获得20-30dB以上的撞击声隔声效果,这种隔振方法叫做浮筑地面。对于住宅,由于层高所限,一般的做法是使用2.5cm厚(压缩后为 2cm左右)96-150kg/m3的离心玻璃棉做垫层,上铺一层塑料布或1mm聚乙烯泡沫做防水层,再灌注4cm厚的混凝土形成浮筑地板。这种做法已经在北京格林小镇房地产开发中得以应用,效果非常良好,经实测,普通水泥地面的Lpn,w=78dB,这种浮筑地板的Lpn,w=56dB,隔声性能提高了22dB。在有楼板隔声要求的公建中,如演播室、录音室或上部房间为球馆及迪斯科舞厅的地板做法是,使用5cm厚(压缩后为 4.5cm左右)150-200kg/m3的离心玻璃棉做垫层,上铺一层塑料布或1mm聚乙烯泡沫做防水层,再灌注8-10cm厚的混凝土。经实测,这种地面做法的Lpn,w达到44dB, 隔声性能提高了34dB。 使用离心玻璃棉做浮筑地板时需非常注意几个问题。一是玻璃棉容重不能过低,否则玻璃棉将被压实,失去回弹性,无法起到减振效果。二是混凝土必须配筋,防止地面断裂,可以採用Φ6的钢筋间距20cm排列;配筋时,必须防止刺破防水层而造成混凝土浇灌时玻璃棉渗水。还有一点是,不能出现两层地面之间的硬连接,如水管、钢筋等,这样会导致声桥传声;浇灌地面与墙面连接处应使用玻璃棉、橡胶垫隔开,防止墙体将两层地面连接在一起。


 五、离心玻璃棉在空调管道消声中的应用 通风管道中产生的振动噪声和气流噪声是空调系统中较大的问题,在音乐厅、会堂、酒店客房、办公室等空间中往往由于通风系统的问题造成噪声不能达标。使用铁皮风道的通风系统中,管道不能起到良好的消声作用,风机产生的噪声会沿着管道传播到室内。由于铁皮很薄,气流和风机的振动也会使铁皮共振,形成二次噪声。气流喷出风口时,若缺乏有效的消声,也会因摩擦产生风口再生噪声。 为了降低风机产生的噪声,需要使用消声器。常见的消声器是铁皮管道内表面使用玻璃棉加穿孔透声饰面(防止玻璃纤维被气流带走)吸声处理的阻性消声器,消声的原理是利用了吸声材料对气流产生的声阻。阻性消声器按气流通道的几何形状不同,可分为直管式、片式、迷道式、障板式、弯头式等形式。一般说来,阻性消声器具有良好的中高频消声特性,对低频消声性能较差。为了提高阻性消声器的消声性能,可适当增加消声器中离心玻璃棉吸声材料的容重和厚度,并提高饰面材料的穿孔率。 軟包吸音板可以將玻璃棉板直接製成消聲管道,用于管道消聲,因爲這種産品消聲性能好,易于安裝,又具有保溫隔熱性能,被稱爲“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,作爲外保護層兼熱反射層。使用玻璃棉超級風管的通風系統,由于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爲管道相通形成的聲音串擾方面也有很好效果。 


六、 离心玻璃棉与其他建筑声学材料的对比 1)离心玻璃棉与岩棉的对比 离心玻璃棉的建筑声学特性与岩棉比较类似,因为离心玻璃棉的纤维比岩棉的纤维更细,因此在相同容重的条件下,前者的声学性能要优于后者,或者说,低容重的离心玻璃棉与高容重的岩棉可能具有相同的声学性能。例如相同厚度的24kg/m3的玻璃棉板与80kg/m3的岩棉板的吸声、隔声、减振(实际使用中需更大的容重)的性能类似。 吸声、隔声、楼板减振应用中,离心玻璃棉可以与岩棉互换使用,施工方法基本一致,造价也基本相同。例如,作为吸声使用,常用24kg/m3的离心玻璃棉板,也可以使用80kg/m3的岩棉板;作为轻钢龙骨石膏板墙体的内填棉,既可以使用24kg/m3的离心玻璃棉板,也可以使用80kg/m3的岩棉板;对于住宅浮筑楼板的减振垫层,一般使用96kg/m3的离心玻璃棉板或150kg/m3以上的岩棉板,使用200kg/m3的离心玻璃棉板可以获得最大的减振效果,但超过200kg/m3的离心玻璃棉难于生产,由于过于密实,减振效果会出现降低。 2)离心玻璃棉与矿棉板的对比 吸声矿棉天花板的降噪係数一般在0.3-0.4,几乎比离心玻璃棉板低一倍。矿棉板本身具有较好的装饰性,而玻璃棉板需要覆以罩面材料才能在建筑中使用,相比之下造价显然要高出较多。矿棉板每平方米的价格一般在20~30元人民币左右,作为天花或墙面使用的离心玻璃棉板为了防止变形,需要80kg/m3以上的容重,再加上罩面透声防火材料,造价每平米达到200~300元人民币。不考虑价格因素,单从装饰效果和吸声效果两方面来讲,建筑师往往更倾向于离心玻璃棉的成型产品。许多进口离心玻璃棉软包墙板或天花吊顶板因其良好的装饰性、防火性、易于安装性等在市场上非常畅销。 3)离心玻璃棉与植物纤维素喷涂材料的对比 有一种植物纤维喷涂吸声材料除价格以外,在很多方面性能都要优于离心玻璃棉或岩棉,这种材料的代表性产品是美国生产的K13。K13的原料是木材粉碎后并经防火处理的木屑,使用时与特製胶水混合进行喷涂。K13可以喷涂在各种墙面、顶棚等处,乾燥固化以后视觉效果类似于普通粉刷白墙。 K13的容重大约100kg/m2左右,5cm厚降噪係数NRC可达0.9。由于K13施工简便、装饰效果佳、吸声效果好,因此美国等发达国家的体育馆、餐馆、演讲大厅等广泛使用。K13在美国已经有50几年的历史了,刚刚进入我国。K13在轻体隔墙的隔声中也具有一定优势,轻钢龙骨纸面石膏板隔墙系统中,安装一面的墙板后,在龙骨空腔中喷涂5cm厚的K13,再安装另一面墙板,这样构造的75龙双面双层12mm纸面纸面石膏板的计权隔声量可达55dB,比同样构造的内填玻璃绵的隔墙隔声量提高3-5dB。K13之所以具有良好的隔声性能,一是由于喷涂对处理墙板之间的缝隙有密封作用,二是喷涂材料与墙板粘连在一起,增加了墙板的阻尼,使墙板隔声量提高。但是,K13喷涂以后,必须在完全乾透以后才能安装外层石膏板,给施工带来一定不便。 4)离心玻璃棉与聚苯、聚氨酯材料的对比 聚苯、聚氨酯(这里指的是闭孔聚氨酯)等材料是良好的保温材料,但不是良好的建筑声学材料。这些材料内部虽有大量孔隙,但相互之间不连通,因此基本没有吸声性能。由于没有吸声性能,在轻型墙体内使用也没有提高隔声量的作用,例如内芯为100mm厚聚苯的压型钢板(钢板厚度0.5mm,一面一层)的计权隔声量只能达到30dB左右,与一层12mm厚的纸面石膏板近似。聚苯、聚氨酯不具有良好的回弹性,当作为楼板垫层时不能起到和玻璃棉一样的减振效果,据测定,2.5cm厚的聚苯的撞击声隔声改善量最多能达到7dB,而且主要隔振频率只有高频。认为聚苯、聚氨酯与玻璃棉一样具有声学性能的认识是错误的,木質吸音板廠家認爲使用聚苯作爲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。

離心玻璃棉的聲學特性及應用特點範圍
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