窗戶透聲的基本知識(shí)

引言

    玻璃窗的主要功能，是提供室內(nèi)采光和向外的視線，除此之外，還起隔聲作用。人們之所以關(guān)心玻璃窗，不僅僅由

于它用于建筑物的外立面，而且還涉及到建筑物的內(nèi)部如辦公室門與門之間、錄音室的隔斷等等。窗戶的聲音透射通常

影響建筑的整體隔聲效果。

    支配窗戶聲透射的物理定律與支配建筑墻體聲透的物理定律相同，但玻璃窗實(shí)際的噪音控制程度還要受玻璃本身的

性質(zhì)和窗戶的安裝特點(diǎn)的影響。例如，增加玻璃的厚度在大多數(shù)頻率區(qū)間都可以提高隔聲量，但是玻璃的剛度卻限制了

隔聲量的提高。使用多層玻璃（雙層和三層）在大多數(shù)頻率處可以降低噪音，但這取決于玻璃之間的隔離方式。

    隔聲量是用來測(cè)量在某一頻率范圍的降噪程度的標(biāo)準(zhǔn)尺度。本文中使用的單位是在北美廣泛使用的單一的數(shù)值單位，

即聲透射系數(shù)STC。

    盡管使用聲透射系數(shù)對(duì)評(píng)定建筑物的某些聲源的降噪效果，比如如人的說話聲音一般來說，是令人滿意的，但是，

使用聲透射系數(shù)來評(píng)定較低頻率的聲源來說，卻不大適用。因?yàn)�，大多�?shù)室外噪音源如飛機(jī)和公路上的交通車輛都位于

這一區(qū)間，僅僅用聲透射系數(shù)來評(píng)定建筑物的外立面的降噪程度，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

密封單層玻璃窗

    從理論上看，如果玻璃剛度的作用忽略不計(jì)的話，大片單層玻璃的聲頻或質(zhì)量每增加2倍，其隔聲量增加6dB。盡管

單層玻璃的隔聲量在某些頻率處基本服從“質(zhì)量”定律,但是由于玻璃本身的剛度和窗戶玻璃的面積有限，卻導(dǎo)致了玻

璃的隔聲量偏離質(zhì)量定律的規(guī)定。

圖1.  密封單層玻璃窗的隔聲兩曲線。

    圖1 描繪的是兩個(gè)不同厚度的密封單層玻璃的質(zhì)量定律曲線和實(shí)際隔聲量曲線。質(zhì)量定律曲線顯示的隔聲量變化隨

著頻率的增加大于實(shí)際測(cè)量窗戶的隔聲量。

    在低頻處，實(shí)際測(cè)量的隔聲量高于相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量定律曲線：這是因?yàn)榇皯裘芊獠牧系奈暫拖鄬?duì)于聲波波長(zhǎng)的窗戶

尺寸所導(dǎo)致的。一般來說，這些影響對(duì)于大片玻璃如玻璃墻隔斷來說是微不足道的。玻璃隔聲量的大小取決于窗戶的尺

寸、形狀以及窗戶是如何安裝在窗戶框內(nèi)的。使用彈性密封材料（如氯丁橡膠密封條）可提高玻璃在低頻處的隔聲量3

到5dB。

    在較高頻率處，實(shí)際測(cè)量的隔聲量降到對(duì)應(yīng)的質(zhì)量曲線以下。實(shí)際測(cè)量隔聲量的這種大幅度下降通常被稱為“符合

頻率下垂”（coincidence dip）。導(dǎo)致符合頻率下垂的原因是由玻璃板內(nèi)的彎波造成的。 符合頻率下垂發(fā)生的頻率與

玻璃的厚度成反比。2mm厚玻璃的符合頻率下垂接近于500kHz，而18mm厚的玻璃的符合頻率下垂發(fā)生在頻率為50Hz處。從

圖1可見，由于符合頻率下垂的作用，在頻率500Hz處，18mm厚玻璃的隔聲量事實(shí)上比4mm厚玻璃的隔聲量要小。在頻率

200Hz以上，實(shí)際測(cè)量的18mm厚玻璃的隔聲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于用質(zhì)量定律所表示的隔聲量曲線。由于符合頻率下垂的影響，緊

緊靠增加玻璃厚度對(duì)單片玻璃的聲透射系數(shù)的影響是十分有限的。

    在符合下垂頻率之上，夾膠玻璃的隔聲量較之同等厚度的單片玻璃大得多。夾膠玻璃得隔聲量曲線在符合下垂頻率

以上十分接近質(zhì)量定律曲線。這種隔聲量得改善顯然是得益于玻璃之間的彈性膠片產(chǎn)生的阻尼（振動(dòng)能耗散）。但必需

注意，這種阻尼是溫度的函數(shù)。在加拿大北部寒冷的冬天，夾層玻璃的隔聲量的增加幅度會(huì)大幅度的下降。

雙層中空玻璃

    雙層中空玻璃的隔聲量主要取決于兩片玻璃之間的空氣層厚度。 圖2描繪的曲線表示中空玻璃的隔聲量隨空氣層的

增加而增加。圖中的曲線顯示，中空玻璃空氣層每增加2倍，其聲透射系數(shù)就大約增加3。此外，該圖還顯示，聲透射系

數(shù)還隨著玻璃的厚度增加而增加。

圖2. 窗戶的透聲系數(shù)（STC）和雙層中空玻璃窗空氣層間距之間的關(guān)系。

    如果兩片玻璃之間的間隔小（小于25mm），則雙層中空玻璃的聲透射系數(shù)可能比相同厚度的單片玻璃的聲透射系數(shù)

僅僅高一點(diǎn)點(diǎn)（或事實(shí)上可能還要低一些）。之所以如此，是因?yàn)閮蓪硬Ａеg的空氣像彈簧一樣將振動(dòng)能從一層玻

璃傳到另一層玻璃上，從而導(dǎo)致中空玻璃隔聲量的大幅度減少， 這種現(xiàn)象稱為質(zhì)量－空氣－質(zhì)量共振。中空玻璃的共

振頻率可由下列公式求出：

    1150(t1+t2)1/2 /(t1t2d)1/2

    式中，t1和t2 分別表示兩片玻璃的厚度、d表示空氣層距離，單位為mm。一般來說，在工廠種制作的密封中空玻璃

的共振頻率位于200－400Hz之間。圖3 描繪的是這類中空玻璃共振頻率的下降恰恰處于這一區(qū)間。。天空中的飛機(jī)和路

面上的交通車輛的絕大部分聲能都處于該頻率范圍。通過增加空氣層的厚度和使用較厚的玻璃，這類共振頻率就可降低，

從而改善對(duì)這種噪聲源的隔音效果。

圖3. 小空氣層對(duì)中空玻璃隔聲量的影響。

    在質(zhì)量－空氣－質(zhì)量共振頻率以下，雙層中空玻璃和相同厚度的單層玻璃的隔聲量相同。在位于共振頻率以上時(shí)，

中空玻璃的隔聲量較之其中單層玻璃的要大；當(dāng)空氣層每增加2倍時(shí)，其聲透射系數(shù)的增加大約為3dB。

三玻中空玻璃與雙玻中空玻璃

    盡管人們普遍認(rèn)為在雙玻中空基礎(chǔ)上增加一層玻璃對(duì)隔聲效果會(huì)起作用，但實(shí)際上除非中間空氣層間隔相應(yīng)地增加

許多的話，否則三玻中空玻璃與雙玻中空玻璃的隔聲效果基本上是一致的。圖4描繪的是總厚度類似的雙玻中空和三玻中

空玻璃的隔聲量比較曲線。圖中的玻璃規(guī)格分別為，雙層中空玻璃：3mm＋12mm＋3mm, 三層中空玻璃：3mm＋6mm＋3mm＋

6mm＋3mm，兩者的空氣層總厚度同為12mm。

圖4. 雙玻中空玻璃和三玻中空玻璃的隔聲量曲線。

    從圖中可見，在低于質(zhì)量－空氣－質(zhì)量的共振頻率（約250Hz）時(shí)，三層中空玻璃的隔聲量較三玻中空玻璃高3dB，

這與質(zhì)量定律所預(yù)測(cè)的相一致，因?yàn)閺碾p玻到三玻，玻璃窗的質(zhì)量增加了50％。在位于共振頻率以上的位置，兩條曲線幾

乎完全一致。因此，三玻和雙玻的聲透射級(jí)相同， 即STC 31。

    無論是雙玻中空還是三玻中空，除非它們的空氣層距離在25mm以上，否則三玻中空的隔聲量與雙玻中空的隔聲量就十

分近似。假定兩個(gè)雙玻中空玻璃，它們的質(zhì)量相同，但其中一個(gè)的空腔很大，另一個(gè)較小。如果用后者替代前者中的一層

玻璃的話，STC的增加是十分有限的。

玻璃窗降噪設(shè)計(jì)

    除非對(duì)門窗的降噪要求特別大的話，否則人們一般就選用雙玻中空窗。雙玻窗的空氣間隔必需相當(dāng)大，才足以達(dá)到大

量降噪的要求。

    在雙玻中空和三玻中空玻璃中采用非對(duì)稱厚度的玻璃，其降噪效果較之相同厚度的玻璃的降噪量要大。圖2 中的雙玻

中空的玻璃厚為6mm。如果將其中的一片用3mm厚的玻璃來替代，其透聲系數(shù)與之替代前相比，相同或更大一些。中空玻璃

中采用不同厚度的玻璃來降噪，是十分有效的一種方法，原因是，不同厚度的玻璃的聲音共振頻率是位于不同區(qū)間的。雙

層玻璃的厚度比為1比2時(shí)，效果是較明顯的。

    從窗框的透射的聲能會(huì)限制中空玻璃的降噪效果，特別對(duì)隔聲量大的中空窗的影響更大。圖2中的STC數(shù)據(jù)取自于安裝

在木質(zhì)窗框的中空玻璃，窗框的總厚度為40mm。實(shí)驗(yàn)表明聲音透過木窗框的能量是為不足道的，但對(duì)安裝在重量輕的金屬

框的中空玻璃來說，STC是較低的，很明顯是由于聲音透過金屬窗框?qū)е缕涔舱裨斐傻�。一般來說，應(yīng)避免使用輕體的窗

框材料。如果對(duì)降噪量要求很高的話，應(yīng)使窗框從結(jié)構(gòu)上看應(yīng)分離，與墻體接觸，從而避免聲能通過窗框的傳遞。

    總之，中空玻璃窗具有節(jié)能作用，應(yīng)該大力推廣。但是不能因?yàn)楣?jié)能，就認(rèn)為其降噪的結(jié)果就一定比單層玻璃窗好。

切記住，影響二者的物理原理是不同的。影響的降噪的因素包括，中空玻璃的安裝、空氣層內(nèi)所充的氣體、玻璃厚度、空

氣層距離、窗戶邊緣部的密封程度、玻璃種類 (普通玻璃、夾層玻璃)、間隔條種類、邊部的阻尼效果和窗框材料等等（

有關(guān)分析，筆者擬另行文詳細(xì)論述，在此存而不論）。此外，同樣需要記住的是，雖然惰性氣體和膠片在中空玻璃內(nèi)的使

用，在一定的意義上說，可以對(duì)降噪起到作用，但是，在使用時(shí)必須對(duì)應(yīng)用的條件做具體分析，如使用膠片夾層玻璃在寒

冷的冬天條件下，由于阻尼作用的喪失，其降噪效果與同等厚度的單層玻璃是一樣的。