不同结构型式与参数单层窗隔声性能试验分析

蔡乐刚，朱 杰，陈 洋

（上海市房地产科学研究院，上海 200031）

随着城市交通建设的快速发展,交通噪声污染己成为我国城市主要环境矛盾之一，而人们生活水平质量提升对居住声环境的要求越来越高，《民用建筑隔声设计规范》GB50118-2010规定：卧室室内允许噪声级昼间、夜间分别不超过45 dB、37 dB，起居室（厅）则不超过45 dB。一般而言，外立面窗往往为建筑围护结构隔声的薄弱点，提高建筑外窗的隔声性能是降低外界噪声对室内声环境影响的重要措施之一。鉴于窗是一种复合结构体，其隔声性能影响因素众多，包括开启方式、型材类型、玻璃配置、密封胶条性能、五金配件耐久性及加工工艺等[1–2]。理论研究一般将窗简化为均质材料进行有限元数值模拟，与实际情况差异较大,难于准确计算成型窗的隔声量[3–4]。试验研究则针对窗构件整体进行隔声量测试，得出结果比较符合实际,然而已发表文献多为对不同系列窗产品的测试，较少系统考虑不同因素对窗整体隔声性能的影响，以及对新型配置如三玻双夹层玻璃形式等的分析[5–7]。

本文以单层窗为研究对象，定制加工不同结构型式与参数的样窗,在实验室进行测试，分析得出各参数对单层窗隔声性能的影响规律。

1 试验方案设计

单层窗主要由窗框、窗扇及五金件组成，其中窗扇一般由玻璃（通过密封胶、压条形成整体）、扇框（一般与窗框型材相同）组成。试验样窗由同一专业门窗厂定制加工，构配件统一采购；样窗在实验室安装后由专业技术人员严格检查，以降低样窗因加工、材质及安装差异造成的影响。本试验样窗设计参数包括玻璃形式与规格、窗框型材类型、开启方式与密封形式。

已有数据显示单片玻璃窗的隔声量较小，采用复合层玻璃对窗整体隔声性能有较大提升[2]，故本试验仅考虑复合层玻璃形式，共设计了6种形式（中空玻璃、夹层玻璃、真空玻璃、夹层中空玻璃、三玻双夹层玻璃、三玻双中空玻璃），各形式又根据玻璃厚度与构造分不同规格。窗框型材采用当前使用最广泛的塑钢、普通铝合金及断桥铝型材三种。考虑隔声量需求，仅分析窗框型材对平开窗隔声性能的影响。常用开启方式包括平开、推拉、上悬、下悬、内开内倒及固定等形式。考虑既有住宅特征，试验对比分析推拉、平开及内开内倒三种形式的影响。而密封形式与开启方式密切相关，当开启方式为平开或内开内倒时，一般采用三元乙丙密封胶条；当为推拉形式时，一般采用毛条或者包覆式密封条。本试验所制作平开窗均采用三道密封形式。具体样窗设计参数如表1。

表1 样窗设计参数

2 测试方法与结果

窗试样空气声隔声性能测试方法严格按照GBT 19889.3-2005《声学建筑和建筑构件隔声测量第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量》进行，以1/3倍频程100 Hz～5 000 Hz共18个中心频率为测试范围，测试前测量实验室温湿度，尽可能保持相近的测试环境。

测试结果依照GB/T 50121-2005《建筑隔声评价标准》计算，考虑到隔声窗为外立面窗，故只考虑交通噪声频谱修正量Ctr，测试结果见表2。

表2 单层窗隔声量测试结果/dB

3 试验结果分析

3.1 玻璃形式与规格影响

本研究分别考虑玻璃形式与规格对平开窗、推拉窗隔声性能的影响，从表2中可以发现：

（1）对于平开窗（D1－D21），不同玻璃形式与规格窗的计权隔声量Rw均超过34 dB，交通噪声频谱修正后的隔声量Rw+Ctr超过32 dB，即试验所设计参数的平开窗均达3级及以上，其中构件D10、D11、D17隔声量Rw+Ctr达35 dB及以上，达到4级标准[8]；

（2）实测数据显示，6种玻璃形式的计权隔声量Rw差异不大，基本为35 dB～36 dB，对比修正后隔声量看出，真空玻璃、夹层中空玻璃两种形式稍好，但也不显著，主要表现为交通噪声频谱修正量小；

（3）对于推拉窗，试验所设计测试的4种玻璃形式的隔声量Rw+Ctr均不超过30 dB（如图1），隔声性能显著较平开窗差，且玻璃形式对窗隔声量影响较大，玻璃总厚度相近的情况下，中空玻璃、夹层玻璃推拉窗的修正后隔声量（均23 dB）较夹层中空玻璃（25 dB）、三玻双夹层玻璃（29 dB）推拉窗偏小。

图1 不同玻璃形式推拉窗的隔声性能测试结果

为进一步研究玻璃规格对平开窗的影响规律，梳理各玻璃形式下的不同规格窗构件的空气声隔声量频率特性曲线（如图2），分析发现：

（1）因复合层玻璃之间的空气层或夹胶层的耦合作用，测试窗构件的1/3倍频程隔声性能频谱曲线均存在较明显的低谷点，但不同玻璃形式的低频共振现象存在显著差异。例如，中空玻璃窗、三玻双中空玻璃窗共振低谷点主要出现在160 Hz～250 Hz频段；夹层玻璃形式窗低谷点主要位于400 Hz～500 Hz，且125 Hz～500 Hz区段呈低谷平台；真空玻璃窗低谷点出现在500 Hz附近；夹层中空玻璃窗低谷点主要位于200 Hz～250 Hz；三玻双夹层玻璃则出现两次较明显的共振低谷现象，低谷点分别为160 Hz和400 Hz附近。

（2）对比图2（a）中的4条曲线可发现，不同玻璃厚度和空气层间距条件下，中空玻璃窗的频率特性曲线基本相似，共振低谷点频率相差不大，且均在2 kHz附近存在吻合谷效应，其中玻璃厚度、空气层较大的构件D4在中低频段隔声量稍好于其它窗构件，这也是其修正后隔声量较高的主要原因。另与三玻双中空玻璃窗（图2（f））对比看出，除中高频段吻合谷稍深一点，隔声频率特性基本相同。

（3）从夹层玻璃窗的隔声性能频率曲线看出，构件D8在中低频段隔声量相较其它构件偏小外，增大玻璃厚度和夹层厚度对窗的隔声性能影响较小；另与图2（e）对比分析看到，夹层玻璃与三玻双夹层玻璃形式窗的隔声频率曲线基本相似，无显著变化。

（4）从图2（c）分析可发现，真空玻璃窗受共振效应影响较大，而在测试频段未出现吻合效应，随玻璃厚度增大，共振频率稍有减小，且在200 Hz～5 000 Hz范围内隔声量均超过30 dB。

图2 不同玻璃规格的隔声性能频谱曲线（平开窗）

（5）从图2（d）分析发现，夹层中空玻璃窗的隔声性能与玻璃构造特征无明显规律，构件D11、D14存在较明显的吻合效应，而构件D13受低频共振影响较大，但隔声性能总体较好，主要原因可能是空气层、夹胶层两种不同特性介质共同作用减弱声波的透射作用。

另选取6种玻璃形式的典型构件并将其隔声频率特性曲线绘制于同一图中（图3）可看出，在低频段（200 Hz以下），除中空玻璃相对较差外，其余各形式窗隔声性能基本相近；在中低频段（200 Hz～2 kHz），真空玻璃、夹层中空玻璃窗的隔声性能相对最好，而对于2 kHz以上频段，真空玻璃窗隔声效果最佳。

分析不同玻璃形式推拉窗的隔声量频率特性曲线（图4）可以看出，推拉窗在中低频段隔声效果整体较差，除构件D30外，各构件在2 kHz以下频率段的隔声量均不超过30 dB，各构件在160 Hz附近存在共振现象，且存在很明显的吻合效应，临界频率主要位于1 000 Hz～1 250 Hz区段。

3.2 窗框型材影响

从测试结果（图5）可看出，窗框型材对单层窗的隔声性能影响较大，塑钢窗的隔声性能显著较普通铝合金窗好，修正后隔声量差值达6 dB～8 dB；断桥铝型材窗隔声性能较普通铝合金窗好，修正后隔声量可达30 dB。另对比不同型材尺寸对窗隔声性能的影响可发现，构件D13（70系列）的计权隔声量和修正后隔声量均较构件D22（60系列）高2 dB，说明增大窗框型材厚度对提高窗隔声量有一定效果。

由于不同窗框型材窗的结构形式和制作工艺存在差别，窗框自身构造，以及其与窗扇、墙体连接密封的差异影响窗的隔声性能。从图6分析看出，普通铝合金窗在各频率下均差于断桥铝窗、塑钢窗，且在200 Hz～250 Hz段受共振影响严重；断桥铝窗中低频段隔声效果与塑钢60系列塑钢窗基本相同，且在高频段的2.5 kHz附近产生波谷；型材尺寸较大的塑钢窗D13各频段隔声性均较其它试件好，主要原因可能为型材尺寸较大，其自身隔声性能更好，且窗框与窗扇、墙体接触面更大，连接密封性更佳。

图3 不同玻璃形式的隔声性能频谱曲线（平开窗）

图4 玻璃形式对推拉窗的空气声隔声量频率特性曲线影响

图5 窗框型材对隔声性能的影响

3.3 开启方式与密封形式影响

图6 窗框型材和空气声隔声量频率特性曲线的关系

从表2测试结果看到，相同设计参数下，平开窗与内开内倒窗隔声量基本相当，修正后隔声量分别为33 dB、34 dB，显著优于推拉窗，其中，采用包覆式密封条较采用普通毛条的推拉窗隔声量提高了2 dB，如图7。分析开启方式与密封形式对窗隔声性能的影响的主要原因主要为窗扇与窗框的密闭程度和窗框构造存在的差异；因包覆式密封条采用PE膜包裹PU发泡海绵，具有一定吸声效果，且填塞窗扇与窗框缝隙更加密实，可有效提升窗隔声性能。

图7 不同开启方式和密封形式窗构件的隔声量

分析试验窗构件空气声隔声量频率特性曲线（图8）看出，推拉窗和平开窗在500 Hz以下中低频段的隔声效果没有明显规律，两者的差异主要体现在中高频段，即推拉窗在1 000 Hz附近产生严重的吻合效应，而平开窗受吻合效应影响较小，甚至在测试频率范围内无吻合效应。

此外，从表2交通噪声频谱修正量Ctr看出，推拉窗的修正量Ctr范围为-2 dB～-1 dB，而平开窗的修正量Ctr一般为-4 dB～-2 dB，甚至存在-5 dB，波动较大，与文献6统计结果基本吻合。

4 结语

图8 开启方式及密封形式与隔声量频率特性曲线的关系

（1）当开启形式、密封形式及窗框型材相同时，不同玻璃形式平开窗的隔声量均可满足3级隔声效果，交通噪声频谱修正后隔声量Rw+Ctr均超过32 dB，且玻璃规格对单层平开窗的计权隔声量影响较小，差值基本在1 dB～3 dB之间；而推拉窗的隔声量Rw+Ctr均不超过30 dB，玻璃总厚度相近的情况下，中空玻璃、夹层玻璃推拉窗的修正后隔声量较夹层中空玻璃、三玻双夹层玻璃形式推拉窗小。

（2）不同玻璃形式平开窗在200 Hz以下低频段的隔声性能基本相近，在200 Hz～2 kHz频段，真空玻璃、夹胶中空玻璃窗隔声性能相对更好，考虑交通噪声成分主要为中低频段噪声，故在条件允许下，交通噪声隔声改造工程可优先采用真空玻璃、夹胶中空玻璃隔声窗。

（3）对于平开单层窗，相同玻璃形式下，增加玻璃厚度、空气层或夹层厚度对窗隔声性能无显著提升效果。因此，设计隔声窗时不宜单纯通过增大玻璃厚度、增加空气层或夹胶层厚度来提高隔声性能，需综合其它因素合理设计。

（4）窗框型材对单层窗的隔声性能影响较大，塑钢窗、断桥铝型材窗隔声量均可达30 dB以上，隔声性能显著优于普通铝合金窗，且增大窗框型材厚度可有效提升隔声性能。

（5）平开窗与内开内倒窗的隔声性能基本相当，显著优于推拉窗，采用包覆式密封条较采用普通毛条的推拉窗隔声量有效提高。

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