空氣聲隔聲防護(hù)技術(shù)研究

【摘 要】 建筑的空氣聲隔聲問題對聲泄漏防護(hù)影響很大。本文從隔聲量評價(jià)方法、材料隔聲原理、構(gòu)造隔聲規(guī)律及影響因素、隔聲防護(hù)與保密性等方面進(jìn)行了全面綜合闡述。本文認(rèn)為，空氣聲隔聲防護(hù)的最終效果，不僅受到建筑構(gòu)件隔聲性能的影響，還與聲源強(qiáng)度、接收房間安靜程度等信噪比因素有關(guān)。

【關(guān)鍵詞】 空氣聲隔聲   隔聲量   信噪比   保密性

1 引言

古代成語“隔墻有耳”，意思是隔著墻有人偷聽，勸人說話小聲謹(jǐn)慎，免得泄露。從現(xiàn)代科學(xué)來看，“隔墻有耳”涉及的是建筑聲學(xué)的空氣聲隔聲問題。研究表明，通常當(dāng)建筑隔墻的空氣聲隔聲量大于50dB時(shí)，隔壁的普通音量講話是聽不到的。但是，當(dāng)隔聲量低至40dB時(shí)，在周圍環(huán)境較為安靜的情況下，則可能“隔墻有耳”，甚至是“聲聲入耳”。

所謂空氣聲隔聲，即聲源發(fā)出聲音后先將能量輻射到空氣中，再通過空氣振動(dòng)傳播至墻體、樓板、屋頂、門窗等建筑構(gòu)件，受到其阻礙而聲能降低的現(xiàn)象。屬于空氣聲的有：人講話的聲音、擴(kuò)聲系統(tǒng)的聲音等。另一種傳聲是固體聲，不同之處在于聲源直接作用在建筑結(jié)構(gòu)上引起聲波，如敲門、樓上跑跳，電梯軌道振動(dòng)、電機(jī)水泵基礎(chǔ)振動(dòng)等也屬于固體聲。影響空氣聲隔聲的主要因素有縫隙泄漏、構(gòu)件質(zhì)量、構(gòu)件材質(zhì)構(gòu)造等。一般地，密封越好、質(zhì)量越大、構(gòu)件構(gòu)造越不利于振動(dòng)傳播，則空氣聲隔聲越好。

2 隔聲量評價(jià)

專業(yè)上使用隔聲量R（或稱為透射損失TL）來表示構(gòu)件對空氣聲的隔絕能力，它與透射系數(shù)的關(guān)系是：

                              或：                               (1)

透射系數(shù)是聲波透過構(gòu)件的聲能與入射聲能的比。若一個(gè)構(gòu)件透過的聲能是入射聲能的千分之一，則，R=30dB。越大則R越小，構(gòu)件隔聲性能越差；反之，越小則R越大，隔聲性能越好。

同一構(gòu)造對不同頻率的入射聲波有不同的隔聲量。人們常用中心頻率為125～4kHz的6個(gè)倍頻帶，或100～3150Hz的16個(gè)1／3倍頻帶的隔聲量來表示某一個(gè)構(gòu)件的隔聲性能?？紤]到人耳聽覺的頻率特性和一般構(gòu)件的隔聲頻率特性，人們使用計(jì)權(quán)隔聲量Rw作為單一數(shù)值評價(jià)量，這樣不同的構(gòu)件之間有一定的可比性。Rw應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50121《建筑隔聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》確定。

需要注意的是，計(jì)權(quán)隔聲量Rw是構(gòu)件的自身屬性，不隨材料面積、室內(nèi)吸聲狀況等外界條件的改變而改變。尤其是不能理所當(dāng)然地看作相鄰房間的聲級差（即發(fā)聲室聲壓級減去接收室聲壓級）。在建筑中，相鄰房間的聲壓級差不僅與兩房間之間的構(gòu)件隔聲量有關(guān)（一般地，隔聲量越大，降噪量也越大），還與構(gòu)件的面積、房間內(nèi)的吸聲量關(guān)系很大。隔聲量相同時(shí)，構(gòu)件面積越大，或接收室吸聲量越少，房間之間的聲壓級差越小，聲泄漏的防護(hù)性越差。

一些國家（如美國、加拿大）的標(biāo)準(zhǔn)中采用標(biāo)準(zhǔn)傳聲等級STC，基本概念同Rw，所不同的是，STC的頻率范圍在125～4kHz，Rw在100～3150Hz。

3 單層勻質(zhì)密實(shí)材料隔聲規(guī)律

常見的板材，如混凝土板、石膏板、玻璃板、金屬板、塑料板，乃至磚墻等，均屬于勻質(zhì)材料。單層材料而言，可以看作是硬質(zhì)各向同性的理想平板，其隔聲量決定于質(zhì)量定律、共振效應(yīng)和吻合效應(yīng)的共同作用。

3.1 質(zhì)量定律

理論上，單層勻質(zhì)密實(shí)板的面密度（每平方米的重量）越大，隔聲量越高。在一定范圍內(nèi)，面密度每增加1倍，隔聲量提高6dB，這一規(guī)律稱為質(zhì)量定律。

由質(zhì)量定律可以看出，構(gòu)件越重，隔聲量越有優(yōu)勢。同一材料的板材而言，厚度越大，面密度越大，空氣聲隔聲量越高。例如，100厚的混凝土墻Rw為48dB，200厚的混凝土墻Rw就可達(dá)54dB。相同厚度的不同材料，越重隔聲量越高。例如，塑料泡沫密度很輕，隔聲量就差。同樣是12mm的板材，紙面石膏板的面密度約為10kg/m2，其隔聲量約為28dB，要比玻璃板（面密度約25kg/m2）的隔聲量34dB小很多。

質(zhì)量定律是控制空氣聲隔聲的主導(dǎo)性因素，若希望隔聲好，必須具有一定重量。

3.2 共振效應(yīng)

隔聲與聲波頻率有關(guān)，其頻率特性不僅取決于板材自身的單位面積質(zhì)量，還與剛度、材料的內(nèi)阻尼及板材的邊界條件等因素有關(guān)。在某較低的頻率處，板材會(huì)發(fā)生共振，這時(shí)振動(dòng)幅度很大，隔聲量出現(xiàn)極小值。任何板材均有共振頻率，由于語言主要頻率和人耳聽覺敏感的頻率大多在100Hz以上，因此，共振頻率低于100Hz的板材對語言隔聲影響較小。

一般建筑構(gòu)件多為重質(zhì)板材構(gòu)成，其共振相對較低，如面密度為260kg/m2、厚度為120mm磚墻的共振頻率只有10～20Hz左右。當(dāng)采用重量較低的材料時(shí)，共振頻率可能進(jìn)入人耳聽覺較敏感的范圍，如6mm厚的玻璃（面密度約12kg/m2）的共振頻率約200～300Hz。此時(shí)，可采用多層結(jié)構(gòu)，提高復(fù)合構(gòu)件的整體重量，如采用3層中空玻璃，一方面共振頻率可下降到100Hz以下，另一方面利用了質(zhì)量定律增加的效果，獲得隔聲的雙重提升。

輕薄材料的共振效應(yīng)較為強(qiáng)烈，如1～2mm厚度的金屬板出現(xiàn)共振時(shí)隔聲受到很大影響。可在板上敷貼或涂刷阻尼材料，減弱共振的振動(dòng)幅度，提高隔聲量。例如，為了提高普通玻璃的隔聲效果，人們采用了一種夾膠玻璃，即在兩層玻璃之間夾上一層透明的PVB膠質(zhì)材料，形成密致結(jié)合的整體，可看作是單層玻璃的一種。兩層玻璃之間所夾PVB膠片屬于柔性材料，對玻璃的振動(dòng)能夠形成約束阻尼，對共振具有較好的振動(dòng)抑制作用，使共振在頻率曲線上的隔聲低谷變淺，有利于提高低頻的隔聲性能。

3.3 吻合效應(yīng)

聲波接觸墻板等構(gòu)件后，墻板除了垂直方向的受迫振動(dòng)以外，還有沿著板面方向的受迫彎曲振動(dòng)。當(dāng)受迫彎曲波傳播速度等于板固有的自由彎曲振動(dòng)波的傳播速度時(shí)，將發(fā)生“吻合”，這時(shí)板就非常順從地跟隨入射聲波彎曲，造成聲能大量地透射到另一側(cè)去，形成隔聲量的低谷，這種現(xiàn)象被稱作吻合效應(yīng)。隔聲頻率特性曲線上，隔聲量低谷稱為“吻合谷”，吻合谷的最低頻率對應(yīng)聲波掠入射時(shí)發(fā)生吻合效應(yīng)的最低頻率，被稱為吻合臨界頻率fc。

輕、薄、柔類材料的墻fc高，吻合效應(yīng)弱；厚、重、剛類材料的墻fc低，吻合效應(yīng)強(qiáng)。12mm、15mm紙面石膏板的fc分別為3.15kHz和2kHz左右。12mm板在3.15kHz處的隔聲量產(chǎn)生下降，15mm板在2kHz處的隔聲量下降更為嚴(yán)重，甚至下降的趨勢強(qiáng)過質(zhì)量定律，造成在這一頻率位置上隔聲量比12mm的板還低很多。雙層相同的板疊合的吻合頻率fc和單層板基本等同，由于雙層造成振動(dòng)疊加，吻合效應(yīng)更加劇烈，吻合谷會(huì)變得更深。如果使用不同厚度的板進(jìn)行疊合，吻合谷將彼此錯(cuò)開，且每個(gè)吻合谷都較淺，對隔聲性能有利。實(shí)際中，雙層板的劇烈吻合效應(yīng)是非常明顯的，會(huì)造成雙層15mm板構(gòu)造的隔墻在3150Hz附近的隔聲量反倒低于雙層12mm板的隔墻。一層12mm和一層15mm板疊合的隔墻比雙層15mm隔墻的面密度低，但隔聲量反倒會(huì)提高,這是吻合效應(yīng)被減弱的結(jié)果。

影響吻合效應(yīng)的因素比較復(fù)雜，最直接的是面密度，還和材料的彈性模量、厚度、泊松比等條件有關(guān)。在受吻合效應(yīng)影響的頻率范圍內(nèi)，減小面密度，吻合臨界頻率fc會(huì)變高，而且吻合效應(yīng)會(huì)變?nèi)?，對隔聲有利。面密度較大、較厚的輕質(zhì)隔墻，如加氣混凝土板、石膏砌塊等，fc往往會(huì)出現(xiàn)在250～2kHz的范圍內(nèi)，越重越厚的輕質(zhì)板，越在隔聲曲線的中低頻范圍內(nèi)出現(xiàn)很深的“吻合谷”，嚴(yán)重限制了墻板的隔聲。即使做成中間附有空氣層雙層墻，也會(huì)因?yàn)槲呛闲?yīng)的疊加造成隔聲量提高受到限制，例如雙層90mm厚加氣混凝土板，中空50mm，隔聲量Rw只能達(dá)到48dB左右，而同樣重量的雙排龍骨六層12mm紙面石膏板墻（三道墻板，每道兩層紙面石膏板）的隔聲量Rw可達(dá)60dB，這主要是因?yàn)?2mm厚紙面石膏板的吻合谷大致在3150～4kHz范圍內(nèi)，幾乎偏出了隔聲評價(jià)的主要頻率范圍，而90mm厚加氣混凝土板的吻合谷在300～500Hz，正是語言頻率感興趣的范圍，且吻合效應(yīng)也更強(qiáng)烈。

4 雙層板隔聲規(guī)律

4.1 雙層板中空

從質(zhì)量定律可知，單層板厚度增加一倍，即單位面積質(zhì)量增加一倍，理論隔聲量只增加6dB，實(shí)際上還不到6dB。顯然，靠增加厚度來提高隔聲量是不經(jīng)濟(jì)的，而且增加了結(jié)構(gòu)的自重，也是不合理的。如果把板材一分為二，做成雙層結(jié)構(gòu)，中間留有空氣間層，總重量沒有變，而隔聲量會(huì)比單層玻璃提高很多。換句話說，兩邊等厚的雙層板雖然比其中一層板用料多了一倍，重量加了一倍，但隔聲量的增加要超過6dB。

雙層板可以提高隔聲能力的主要原因是空氣間層的作用。空氣間層可以看作是與兩層板相聯(lián)的“彈簧”，聲波入射到第一層板時(shí)，使板發(fā)生振動(dòng)，此振動(dòng)通過空氣間層傳至第二層板，再由第二層板向鄰室輻射聲能。由于空氣間層的彈性變形具有減振作用，傳遞給第二層板的振動(dòng)大為減弱，從而提高了總的隔聲量。雙層隔聲量可以用單位面積質(zhì)量等于雙層板面積質(zhì)量之和的單層玻璃的隔聲量加上一個(gè)空氣間層附加隔聲量來表示。

空氣間層附加隔聲量與空氣間層的厚度有關(guān)。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合，兩者的關(guān)系如圖1所示。

圖1中實(shí)線是雙層板完全分開時(shí)的附加隔聲量。但是實(shí)際工程中，兩層板之間常是有連接的，如紙面石膏板墻或頂?shù)闹锡埞?。這些連接能夠傳遞聲音能量，使附加隔聲量降低。降低到的低限值是圖1虛線所示。一般情況下，空氣層引起的附加隔聲量基本在虛線和實(shí)線之間。

如果在板與板之間的中空腔體內(nèi)填入吸聲棉，由于狹小空腔所形成的聲場對聲波劇烈耗能作用，還會(huì)進(jìn)一步增加附加隔聲量。例如，在75mm空腔的紙面石膏板輕質(zhì)隔墻的中空內(nèi)層滿填50mm厚（仍留25mm空氣層）的吸聲棉，附加隔聲量將增加將近5dB，隔聲效果相當(dāng)于質(zhì)量定律增加了一倍的重量。

4.2 雙層板共振

因?yàn)榭諝忾g層的彈性，雙層玻璃及其空氣間層組成了一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，其共振頻率f0可由下式得出：

                                        (2)

式中，m1、m2表示每層墻的單位面積質(zhì)量，單位為kg／m2；

L表示空氣間層厚度，單位為cm。

當(dāng)入射聲波頻率f0相同時(shí)，會(huì)發(fā)生共振，聲能透射顯著增加，隔聲量有很大下降；只有當(dāng)        以后，雙層墻的隔聲量才能使用前面的附加隔聲量方法，隔聲量才會(huì)提高。圖2為雙層板的隔聲量與頻率的關(guān)系。虛直線表示重量與雙層墻總重量相等的單層板的隔聲（按質(zhì)量定律）。為了使f0不落在主要聽覺聲頻范圍內(nèi)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使        。

4.3 雙層板吻合效應(yīng)

雙層板的每一層都會(huì)產(chǎn)生吻合現(xiàn)象，如果兩側(cè)板是同樣厚度的，則兩者的吻合臨界頻率fc是相同的，在fc處，雙層板的隔聲量會(huì)下降，出現(xiàn)“更深的”吻合谷。如果兩側(cè)的板不一樣厚，則兩者的吻合臨界頻率不一樣，可使兩者的吻合谷錯(cuò)開。這樣，雙層墻隔聲曲線上不至于出現(xiàn)太深的低谷。

另外一種降低吻合效應(yīng)影響的方式是采用阻尼。

4.4 其他因素

4.4.1聲橋

板材直接固定在龍骨上時(shí)，受聲一側(cè)板的振動(dòng)會(huì)通過龍骨傳到另一側(cè)板，這種像橋一樣傳遞聲能的現(xiàn)象被稱為聲橋。聲橋越多、接觸面積越大、剛性連接越強(qiáng)，聲橋現(xiàn)象越嚴(yán)重，隔聲效果越差。輕鋼龍骨本身剛度比較小，彈性較好，對兩側(cè)板材的聲橋作用要好于矩形截面的木龍骨和石膏龍骨，因此，輕鋼龍骨石膏板隔墻要比相同構(gòu)造的木龍骨和石膏龍骨隔墻隔聲效果好。將C型龍骨改制成截面是M型或Z型的龍骨，或在板材和龍骨之間加彈性墊（如彈性金屬條或彈性材料墊）等，使龍骨具有更好的彈性，均有利于減弱聲橋等影響。

為了減少聲橋，獲得更高的隔聲量，有時(shí)將龍骨結(jié)構(gòu)做成錯(cuò)列結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)。錯(cuò)列結(jié)構(gòu)是豎龍骨錯(cuò)列分立，兩邊板不同時(shí)固定在一根龍骨上，天地龍骨共用一套；雙層結(jié)構(gòu)是天地龍骨和豎龍骨分別做兩層，中間沒有任何連接，板固定在各自的龍骨上。

4.4.2板縫和孔洞

隔墻上如果出現(xiàn)縫隙和孔洞，會(huì)大大降低隔墻的隔聲量。假如墻體本身的隔聲量達(dá)到50dB，而墻上有萬分之一的縫隙和孔洞，則綜合隔聲量將下降到40dB。為了防止墻板和原建筑結(jié)構(gòu)之間的縫隙，有時(shí)在墻體四周墊入塑料彈性膠條，目的是防止縫隙漏聲。條板墻安裝時(shí)，拼接處勾縫對隔墻隔聲影響很大，勾縫膩?zhàn)踊蛏碀{必須飽滿密實(shí)。

4.4.3施工影響

以下因素對隔聲的影響并非由墻板本身引起，而是由設(shè)計(jì)、施工、整體結(jié)構(gòu)等方面疏忽造成的，這些因素有時(shí)造成隔聲量下降非常嚴(yán)重。

（1）雙層板板與板之間空腔內(nèi)填棉未滿鋪，或棉釘粘合不牢固，過一段時(shí)間后棉體下墜（離心玻璃棉常出現(xiàn)這種情況），出現(xiàn)填棉縫隙。這種情況嚴(yán)重時(shí)可能引起3～5dB隔聲量的下降。

（2）隔墻外框和房屋結(jié)構(gòu)剛性連接，未按規(guī)定墊入彈性墊條，結(jié)構(gòu)受荷變形或結(jié)構(gòu)振動(dòng)，造成板縫開裂，形成縫隙漏聲。

（3）管道穿墻，未按規(guī)定要求密封處理，造成孔隙；電器開關(guān)盒、插銷盒在墻上暗裝，未按規(guī)定要求做內(nèi)嵌石膏板盒隔聲處理，造成隔聲薄弱環(huán)節(jié)；甚至隔墻兩邊電器盒對裝而不做任何處理，都會(huì)大大降低隔聲性能。

（4）在實(shí)際建筑物中，2個(gè)房間除了隔墻傳聲外，還有其他途徑引起聲音從一個(gè)房間進(jìn)入另一個(gè)房間，這些途徑的傳聲稱為側(cè)向傳聲，如地面結(jié)構(gòu)傳聲、側(cè)墻結(jié)構(gòu)傳聲、門窗傳聲、管道風(fēng)道傳聲等。有些有吊頂?shù)拇蠓块g分隔成一些小間，因?yàn)橄茸龅牡蹴?，小間隔墻只做到吊頂下沿，而沒有延伸到結(jié)構(gòu)層樓板底，出現(xiàn)吊頂內(nèi)的側(cè)向傳聲，造成房間實(shí)際隔聲量比隔墻隔聲量低很多。

5 隔聲防護(hù)

5.1 聲音保密性

聲音保密性是指人講話的言語聲不易被聽懂的程度。聽懂與否是一個(gè)心理學(xué)概念，存在主觀能力差異。客觀表征是清晰度（speech intelligibility），即是否清晰地聽到，可設(shè)全聽清為1，完全聽不清為0。例如，清晰度AI=0.4，可代表講了100個(gè)字（或音節(jié)），聽清了其中的40%。從心理學(xué)角度而言，聽懂一句話不見得需要完全聽清每一個(gè)字。在漢語中，通過上下文判斷，0.3～0.4的清晰度也能聽懂。

信噪比是影響清晰度的重要因素之一，也就是，講話音量越小，環(huán)境噪聲干擾越大，則越不容易聽清楚，聲音保密性也就越好。

5.2 隔聲與保密性關(guān)系

人說話產(chǎn)生的語音主要由元音和輔音等音節(jié)復(fù)合而成。通過聽清音節(jié)及音節(jié)之間的關(guān)聯(lián)，就聽清了語義。元音的聲能主要集中在500Hz以下的低頻，且持續(xù)時(shí)間較長（200～800ms），輔音的聲能相對于元音要小很多，且主要集中在1k～2kHz甚至以上的高頻，持續(xù)時(shí)間也較短（大部分為幾十毫秒）。由此，輔音的音節(jié)清晰度對聽覺極為關(guān)鍵。人的耳道類似一段小管子，大約2.5～3cm長，會(huì)在2k～3kHz產(chǎn)生共振而放大聲音，具有促進(jìn)聽清輔音的作用。但是，耳道這種機(jī)制也有缺點(diǎn)，當(dāng)人變老時(shí)，由于長期的刺激，會(huì)首先失去2k～3kHz輔音的聽覺敏感性而降低聽力水平，即俗語講的“人老耳先衰”，實(shí)際上并不是聽不到聲音了，而是輔音聽覺下降造成聽不清單詞進(jìn)而語義理解能力下降。

從隔聲角度而言，大部分建筑構(gòu)件中高頻隔聲量更大，對輔音隔絕的能力更強(qiáng)，這對保證言語保密性有利。

表1給出了空氣聲隔聲量Rw與保密性的關(guān)系。

5.3 背景噪聲對保密性的影響

背景噪聲對語言可懂度的影響與“信噪比”有關(guān)，信噪比是言語信號(hào)減去背景噪聲的聲壓級差值。相關(guān)研究表明，當(dāng)信噪比為0dB時(shí)，即背景噪聲等于言語聲級時(shí)，音節(jié)可懂度將低于60%；信噪比大于10dB時(shí)，可懂度達(dá)99%以上；信噪比小于10dB時(shí)，可懂度低于20%?？梢钥闯觯词拐Z音低于背景噪聲，人們也具有一定理解能力，這是因?yàn)槿四X是一個(gè)超級靈敏的計(jì)算系統(tǒng)，若聽懂60%以上的音節(jié)，通過上下文之間的關(guān)聯(lián)，整個(gè)句子基本上都能聽懂了。如果音節(jié)可懂度低于40%，聽眾會(huì)感到嚴(yán)重的聽音困難，即便通過上下文推斷，也只能隱約知其含義。

衡量背景噪聲對言語的干擾程度可采用言語干擾級（SIL），即在言語頻率范圍內(nèi)，500、1k、2k、4kHz（倍頻帶）的背景噪聲的平均值。SIL值越大或語音的聲級越小，聽音可懂度就越差。

由圖3可以看出，正常語言交流較好的SIL應(yīng)小于40dB，當(dāng)SIL超過60dB正常講話的言語聲就難于聽清了；SIL超過90dB，講話距離就必須縮短幾米范圍并加大音量；SIL超過110dB，只能在耳邊（0.25m以內(nèi)）大聲喊叫才能聽懂了。

隔聲通過降低言語聲的能量，使人無法聽清聲音，從而保證了保密性。另外，在聽音環(huán)境中，適當(dāng)?shù)卦黾颖尘霸肼暎缡褂迷肼曆诒纹?，提高言語干擾級（SIL），也可以為隔聲提供進(jìn)一步的保密性保障。

6 結(jié)語

重要場所的聲音保密作為防護(hù)手段，對信息安全保密整體來說是關(guān)鍵一環(huán)。保護(hù)聲音信息，需要綜合采用技術(shù)手段和管理措施。對于空氣聲隔聲的防護(hù)來說，一方面要進(jìn)一步提高隔聲防護(hù)量，盡可能降低泄漏的聲音強(qiáng)度；在工藝上、材料上加大研究力度，確保隔聲量的同時(shí)，減少重量，沿著輕型化的方向前進(jìn)。另一方面要合理利用背景噪聲，加大聲掩蔽的聲源研究和科學(xué)布局，在確保能夠干擾防護(hù)的基礎(chǔ)上，增加舒適度。

 （原載于《保密科學(xué)技術(shù)》雜志2023年3月刊）