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离心玻璃棉在建筑声学中特性及应用(1)

时间:2012-04-15来源:河南博福环保科技有限公作者:博福

离心玻璃棉内部纤维蓬松交错,存在大量微小的孔隙,是典型的多孔性吸声材料,具有良好的吸声特性。离心玻璃棉可以制成墙板、天花板、空间吸声体等,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。使用离心玻璃棉制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,显著地降低楼上的脚步、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,以及相关的国家规范标准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。

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净土。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。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 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50.5dB,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。离心玻璃棉属于高NRC吸声材料,5cm厚的24kg/m3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/(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,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同样使用标准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“建筑隔声评价标准”。

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?采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,因此吸声系数很小。

测量材料吸声系数的方法有两种,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系数,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系数,声音入射角度仅为90度。两种方法测量的吸声系数是不同的,工程上最常使用的是混响室法测量的吸声系数,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系数大于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,吸声系数永远小于1。任何大于1的测量吸声系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表面都有吸声效果。吸声材料吸声系数越大,吸声面积越多,吸声效果越明显。离心玻璃棉可以被制成吸声天花、吸声墙板、空间吸声体等各种建筑吸声构件。

2)影响离心玻璃棉吸声系数的因素

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,中低频吸声系数显著地增加,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,中低频吸声系数亦增加;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,吸声系数反而下降。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)的吸声系数已经接近于1了。当厚度由5cm继续增大时,低频的吸声系数逐渐提高,当厚度大于1m以上时,低频125Hz的吸声系数也将接近于1。当5cm厚度不变,容重增大时,离心玻璃棉的低频吸声系数也将不断提高,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,是因为材料变得致密,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系。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,吸声系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的玻璃棉板制成1m长的断面为三角型的尖劈,材料面密度逐渐增大,平均吸声系数可接近于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。