李敏敏 王韵璐 曹 瑜 王 正

近年来，轻型木结构建筑行业在中国发展迅速，呈现快速增长的趋势。作为居住的木房屋，其声学性能，直接影响到人们的生活质量；而木建筑的墙体是分隔房屋内外空间的主要界面，其结构的吸声声学性能尤为关键，是创造人们居住美好舒适生活环境的前提。在北美地区，约有85%的多层住宅和95%的低层住宅采用轻型木结构体系[1]。目前，我国的轻型木结构建筑的发展尚处于起步阶段，特别是在开展木建筑声学性能方面的基础研究水平较为薄弱，与欧美、日本等国的研究成果仍存在一定的差距。值得一提的是，采用吸声材料达到降噪的效果是最有效的噪声治理方法[2]，在木结构建筑墙体结构中合理使用保温棉材料，利用多孔性材料自身的声学特性，对传播中的声波能量进行消耗，用于控制和调整室内的混响时间，消除回声，以改善室内的听闻条件[3]。国内外专家学者对多孔吸声材料的相关性能研究取得较多成果。2008年，周成飞等人对聚氨酯泡沫吸声材料的吸声频率特性作了相关研究，研究发现其具有优良的吸声性能[4]。2011年，刘鹏辉等人采用多孔吸声材料的圆管理论模型，并对此进行数学编程计算与分析，结合工程实际，研究影响吸声性能的因素，对实际的设计有一定参考价值[5]。2015年，Bo-Seung Kim和Sung-Jin Cho等人对多层纤维吸声结构进行研究，通过阻抗管测量吸声系数，分析孔隙度对声学特性的影响，利用吸声装置实现狭缝中波传递方向的预测，并提出提高吸声性能的简单方法[6]。2016年，Bo-Seung Kim和Sung-Jin Cho等对纤维层和碳纤维构成的复合吸声结构的声学性能进行了实验研究，提出结构的吸声性能取决于纤维层之间的空气腔的间隙[7]。为开展对轻型木结构建筑同一种墙体结构内置不同种保温棉材料的墙体结构吸声性能测试研究，笔者基于传递函数法，实测国内外保温棉材料的吸声系数，以及将其保温棉材料作为填充材料置于墙体内部后的墙体结构的吸声系数，优选出吸声性能好且性价比高的保温棉填充材料，为工程应用提供借鉴。

1 试件与仪器

1.1 墙体结构与试件制作

该吸声性能测试的对象是某一轻型木结构建筑外墙，其外墙体结构内置3种不同的保温棉材料，即美国欧文斯科宁住宅用R11玻璃棉、美国佳殿牛皮纸 R13玻璃棉和河北大城离心玻璃棉。其轻型木结构建筑墙体框架结构如图1所示。

图1 轻型木结构建筑墙体结构示意图Fig.1 Structure diagram of light wood structure wall

根据墙体正立面结构图（图2），为了保证整个墙体测试吸声系数的客观准确性，笔者在该轻型木结构建筑墙体结构上的3个不同位置进行取样，见表1。制作墙体结构试件实物见图3。

图2 轻型木结构建筑墙体正立面结构图Fig.2 Facade structure diagram of light wood structure wall

表1 墙体结构取样试件一览表Tab.1 Table of sampling for wall structures

图3 墙体结构试件实物图Fig.3 The physical diagram of wall structure specimen

因测试用的阻抗管套件的管径有测试件中低频的大管直径为100 mm、测试件高频的小管直径为30 mm两种规格，因此该测试试件有两种规格，即第一种试件规格为：30 mm（圆截面直径）×89 mm（厚）；第二种试件规格为：100 mm（圆截面直径）×89 mm（厚）。测试的保温棉材料试件平均密度为20 kg/m3。表1中，墙体结构1试件数量共4个，其中美国佳殿和欧文斯两种保温棉材料置于测试管径为100 mm和管径为30 mm内的试件各2个。由于墙骨柱截面宽度为38 mm，故墙体结构2、墙体结构3试件数量各2个，其中美国佳殿和欧文斯两种保温棉材料置于测试管径为100 mm的试件各1个。

试验用保温棉试件按照实际施工用厚度89 mm进行制作，用电子天平称量得到试件质量。经实测，30 mm（圆截面直径）×89 mm（厚）的试件规格所需保温棉材料质量为1.259 g；第二种100 mm（圆截面直径）×89 mm（厚）的试件规格所需保温棉材料质量为13.980 g。

1.2 试验仪器

1）BSWA SW422 510045型阻抗管套件：大管直径100 mm，小管直径30 mm；其配套设备包括：声级通道校准器、数模转换器、BSWA TECH功率放大器、BSWA TECH信号发生器、信号接收器及计算机（VA-Lab测试及分析系统）；

2）DYM3型空盒气压表1只；逸品博洋温湿度计1只等。

2 测量原理与方法

2.1 传递函数法

传递函数法是测量材料声学特性参数的常用方法，利用管道及结构的动态特性与声学特性[8]，完成材料声学特性参数的测量，可通过一次测量，得到材料在连续频带的声学特性参数的方法。将测试样品装在一个平置、刚性、气密的阻抗管的一端，如图4所示。管中的平面声波由声源（白噪声）产生，在靠近测试样品的两个位置上分别测量声压，可求得两个传声器之间的声传递函数，由此计算测试样品的法向入射吸声系数[9]。

图4 510045型阻抗管结构图Fig.4 510045-type impedance tube structure disgram

2.2 测试原理

吸声系数是描述材料吸声本领的物理量，指材料吸收的声能和入射声能之比，通常用符号α表示[10]。而阻抗管测量材料吸声性能的原理基于传递函数法，其测试系统连接示意图如图5所示。

将宽带稳态随机信号分解成入射波pi和反射波pr，pi和pr大小由安装在管上的两个传声器测得的声压决定，s为双传声器的间距，l为传声器2至基准面（测量表面）的距离，入射波声压和反射波声压分别可写为[11]：

式中:PI——基准面上Pi的幅值；

PR——基准面上Pr的幅值。

两个传声器位置处的声压分别为：

图5 阻抗管测量吸声系数系统连接示意图Fig.5 Connection diagram of impedance tube system for measurement of sound absorption coefficient

入射波的传递函数Hi为：

其中s为两个传声器之间的距离,反射波的传递函数Hr为：

总声场的传递函数H12可由P1、P2获得，并有PR=rPI，则：

使用Hi、Hr改写上式：

反射系数r可通过测得的传递函数、距离s、l和波数k0确定，因此，吸声系数α和阻抗率Z分别为：

2.3 测试过程

按图5实现测试仪器连接。首先，开启电源，将试件安装进试件筒（低频测试时用直径为100 mm×厚89 mm的试件，高频测试用直径为30 mm×厚89 mm的试件），用铁丝网来保证表面的平整度，再固定试件筒，并进行声级通道校准；其次，完成主要参数设置；再次，进行试件的吸声系数的测试。通过多次交换通道的测试，对相差不大时的测量值取其平均值加入计算，分别测量3组数据再得到平均值；调节模式到1/3倍频程，输出相应数据及图形，每种试件分别在低频、中频及高频模式下进行测试；最后，输出相应数据，对其数据进行拟合，输出总的拟合数据及图形。分别对3种不同的保温棉材料试件及内置2种规格试件进行重复测试，输出不同频率下试件的吸声系数。参考保温棉材料的理论吸声特性，对保温棉试件进行不同频率段的吸声性能对比分析。同时对墙体结构进行测试与分析比较，总结内置不同保温棉材料对轻型木结构墙体结构的吸声性能的影响，并得出相应结果。

3 结果与分析

3.1 测试结果

测量数据采用Origin 8.0做数据平滑处理，同时用Savitzky-Golay对其局部数据进行多项式回归，可有效保留数据的原始特征[12]。

图6为3种保温棉材料吸声系数的实测值曲线，图7为墙体结构1（分别内置2种不同的保温棉材料）的吸声系数实测值曲线。

图6 3种保温棉吸声系数实测值曲线Fig.6 Measured curve of sound absorption coefficient of three insulated cotton

图7 墙体结构1吸声系数实测值曲线Fig.7 Measured curve of sound absorption coefficient of wall structure 1

图8 与图9分别为墙体结构2与墙体结构3的吸声系数实测值曲线，这两种墙体结构都分别内置2种不同的保温棉材料。

图8 墙体结构2吸声系数实测值曲线Fig.8 Measured curve of sound absorption coefficient of wall structure 2

图9 墙体结构3吸声系数实测值曲线Fig.9 Measured curve of sound absorption coefficient of wall structure 3

3.2 吸声系数与降噪系数分析

根据ISO标准和国家标准GB/T 20247—2006 《声学 混响室吸声测量》[13]，在吸声测试报告中吸声系数的频率范围为100～5 000 Hz，将材料在100～5 000 Hz频率段的吸声系数求取平均得到的数值即为平均吸声系数，计算公式如下：

由式（1）可计算出3种保温棉材料的吸声系数为：大城离心玻璃棉的平均吸声系数为（0.073+0.074+…+0.907）/17=0.555；美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉的平均吸声系数为（0.062+0.053+…+0.972）/17=0.603；欧文斯科宁住宅用R11玻璃棉的平均吸声系数为（0.049+0.050+…0.978）/17=0.590。

降噪系数NRC是衡量封闭的空间内，材料对声音吸收能力的一个全面的评价指标，通过对中心频率在200～2 500 Hz范围内的各1/3倍频程的无规入射吸声系数测量值进行计算，所得到的材料吸声特性的单一值[14]。在工程中常应用降噪系数（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、1 000、2 000 Hz四个频率的吸声系数的算术平均值（精确到0.001），计算公式如下：

由式（2）可计算出3种保温棉材料的降噪系数为：大城离心玻璃棉的降噪系数为(0.168+0.360+0.829+0.970)/4=0.553；美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉降噪系数为(0.56+0.465+0.829+0.986)/4=0.609；欧文斯科宁住宅用R11玻璃棉降噪系数为（0.150+0.421+0.803+0.991）/4=0.591。

平均吸声系数较真实地反映了材料的总体吸声性能，而降噪系数是国家标准规定用于评定吸声性能等级划分的参考依据，可综合评价材料的吸声性能。保温棉材料作为多孔性吸声材料，其吸声系数的大小与吸声材料的结构、性质及声波入射的频率有关，且其厚度及密度一定时，应综合考虑材料孔隙率、孔径及结构因子对材料吸声性能的影响[15]。图6中，当保温棉材料容重一定时，3种玻璃保温棉吸声系数在中低频125～2 000 Hz随着频率的增加而增加；在高频段2 000～6 300 Hz随着频率的增加，保温棉材料出现共振吸声系数和反共振吸声系数，即吸声系数会呈现相应的极大值与极小值。随着频率的不断升高，吸声系数会不断出现极大与极小的变化，越往后其间差异越小[15]。低频段125～250 Hz，大城离心玻璃棉吸声系数最大，吸声效果最佳；美国佳殿保温棉与欧文斯保温棉相近。中频段250～2 000 Hz，美国佳殿保温棉吸声系数最大，吸声效果最佳；欧文斯保温棉次之；大城离心玻璃棉最小。高频段2 000～6 300Hz，欧文斯保温棉吸声系数最大，吸声效果最佳；美国佳殿保温棉次之；大城离心玻璃棉最小。这是由于：大城离心玻璃棉纤维结构纤维细长，构成多细小孔隙，对低频吸声性能好，低频降噪效果佳，主要依靠其细纤维的振动来实现对低频声的吸收功能。

因佳殿与欧文斯两种棉材料的纤维直径与其热阻呈现比例关系，实际两种棉纤维直径大小差异以μ计，其结构对低频声的吸收差异小，对中高频的吸声性能有一定影响，故两种棉材料低频吸声效果相近。美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉纤维细小，孔隙多，孔径小，材料结构细腻，其结构中频吸声性能好，中频降噪效果佳；欧文斯科宁住宅用R11玻璃棉纤维略粗，孔隙少，孔径大，材料结构略粗糙，对高频吸声性能好，高频降噪效果佳。

3.3 保温棉吸声结构特性分析

保温棉为多连通孔柔软性材料，其内部具有大量细小孔隙，彼此交错贯通，能吸收在空气中传播的声波能量，声波传播过程中一部分声波被材料表面反射，另一部分透入材料内部向前传播，其中部分声波在材料孔隙内传播时在材料内部与空气、孔壁及纤维之间相互作用，将声能转化为热能或动能，最终使声能衰减，直至达到相对平衡。当多孔材料构成吸声体时，一般材料高频段吸声性能优于低频段吸声性能，因此保温棉的有效吸声范围较宽，且多孔吸声材料的吸声能力与材料试件的密度有关[16]。

3.4 墙体结构吸声系数分析

图7中，当填充的保温棉材料容重一定时，墙体结构1的吸声系数在中低频125～2 000 Hz条件下随着频率的增加而增加，在高频段2 000～6 300 Hz时，随着频率的增加，吸声系数趋于恒定。在125～630 Hz频率段，美国佳殿保温棉、欧文斯保温棉作为墙体结构的填充材料，对墙体结构整体的吸声系数影响差异极小，原因在于声波传播透入至墙体结构的各个部分，其能量逐渐衰减，最终达到平衡，低频段两种保温棉材料的吸声性能差异小。同时OSB是由大量小刨花定向铺装胶合而成，结构内部有大量孔隙，能够有效吸收一部分中低频声波，降低声能；在630～2 000 Hz频率段，美国佳殿保温棉作填充材料的墙体结构吸声系数大，吸声效果好，原因在于相同的墙体结构，其吸声性能主要取决于保温棉填充材料的吸声性能，佳殿保温棉材料对中频声吸收效果佳；在2 000～6 300 Hz频率段，美国佳殿保温棉与欧文斯保温棉作填充材料的墙体结构吸声效果趋于一致，原因在于声波透入墙体结构，通过各组成部分的振动、摩擦消耗声能，欧文斯保温棉材料结构粗，对高频吸声效果好。佳殿保温棉材料纤维结构细小，与OSB板接触面积大，声波传播过程中保温棉与OSB之间摩擦作用增大，可有效降低其声能。

图8与图9中，当填充的保温棉材料容重一定时，随着墙体结构中墙骨柱（或横撑）组成比例的增加，墙骨柱对结构吸声系数的影响增大，木材吸声特性与其自身物理特性有关，一般在低频段吸声效果好，中频段吸声效果差[17]。对于墙体结构2与墙体结构3，其吸声系数均在125～1 600 Hz频率范围内随着频率的增加而增加。在125～250 Hz频率段，美国佳殿保温棉与欧文斯保温棉在低频段两种保温棉材料的吸声效果差异小，用作墙体填充材料时墙体结构吸声性能相同；在250～1 600 Hz频率段，因美国佳殿保温棉材料结构细小，作填充材料的墙体结构吸声系数大，其吸声性能好。

3.5 保温棉材料性价比分析

欧文斯科宁保温棉材料市场价格为2 000元/m3，美国佳殿保温棉材料市场价格为543.5元/m3，大城离心玻璃棉材料市场价格为80元/m3。在低频段，大城离心玻璃棉材料的吸声效果最好，其市场价格具有优势，可认为大城离心玻璃棉材料的低频吸声效果好且性价比高；在中频段，佳殿保温棉材料的吸声效果好，性价比高；在高频段，欧文斯保温棉材料的综合吸声效果好，其市场价格最贵，吸声系数比佳殿保温棉材料略大，其价格是佳殿保温棉材料的4倍；综合分析美国佳殿保温棉材料性价比高。

4 结论

1）经分析比较3种保温棉材料的平均吸声系数为：美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉＞欧文斯科宁住宅用R11玻璃棉＞大城离心玻璃棉，即美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉材料的综合吸声性能最佳，欧文斯科宁住宅用R11玻璃棉次之，大城离心玻璃棉最差。

2）测算出3种保温棉材料的降噪系数均大于0.5，说明3种保温棉材料具有明显降低室内混响作用。分析比较3种保温棉材料的降噪系数为：美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉＞欧文斯科宁住宅用R11玻璃棉＞大城离心玻璃棉，即在封闭的空间内，美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉材料对声音吸收能力最佳，欧文斯科宁住宅用R11玻璃棉次之，大城离心玻璃棉最差。

3）3种玻璃保温棉吸声材料的吸声特性对高频声吸声效果好，而对低频声效果较差，这是由于多孔材料的孔隙尺寸与高频声波的波长相近所致。

4）3种玻璃保温棉吸声材料中，大城离心玻璃棉在低频段吸声效果明显，中高频段吸声效果相对不明显；美国佳殿保温棉在中频段吸声效果明显，低频与高频段相对不明显；欧文斯保温棉在高频段吸声效果明显，中低频段相对不明显。综合分析得知，佳殿保温棉材料的综合吸声效果最好，性价比最高。

5）实测并分析特定轻型木结构建筑墙体的结构吸声系数，在低频段，选择美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉与欧文斯科宁住宅用R11玻璃棉用作建筑墙体的墙骨柱框架系统填充材料都具有较好的吸声性能；在中频段，选择美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉用作建筑墙体的墙骨柱框架系统填充材料，可以达到更好的吸声效果。

轻型木结构建筑墙体结构的声学性能与其填充材料、内部结构有密切关系。研究结果表明，美国佳殿保温棉材料的综合吸声效果最好，性价比最高。美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉应用于建筑墙体结构填充材料的吸声效果比欧文斯科宁住宅用R11玻璃棉好。建议可根据木结构建筑的具体功能进行保温棉填充材料的选择，对于接待室、家庭影院之类的功能区，对建筑室内的吸声要求高，需要尽量减少室内混响时间，可以选择吸声效果好的美国佳殿牛皮纸R13玻璃棉用于墙体结构填充，建议可以适当对轻型木结构建筑墙体结构进行优化设计，提升建筑整体的声学性能。

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