空氣聲隔聲防護技術研究

【摘 要】 建筑的空氣聲隔聲問題對聲泄漏防護影響很大。本文從隔聲量評價方法、材料隔聲原理、構造隔聲規律及影響因素、隔聲防護與保密性等方面進行了全面綜合闡述。本文認為，空氣聲隔聲防護的最終效果，不僅受到建筑構件隔聲性能的影響，還與聲源強度、接收房間安靜程度等信噪比因素有關。

【關鍵詞】 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，勸人說話小聲謹慎，免得泄露。從現代科學來看，“隔墻有耳”涉及的是建筑聲學的空氣聲隔聲問題。研究表明，通常當建筑隔墻的空氣聲隔聲量大于50dB時，隔壁的普通音量講話是聽不到的。但是，當隔聲量低至40dB時，在周圍環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，即聲源發出聲音后先將能量輻射到空氣中，再通過空氣振動傳播至墻體、樓板、屋頂、門窗等建筑構件，受到其阻礙而聲能降低的現象。屬于空氣聲的有：人講話的聲音、擴聲系統的聲音等。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構上引起聲波，如敲門、樓上跑跳，電梯軌道振動、電機水泵基礎振動等也屬于固體聲。影響空氣聲隔聲的主要因素有縫隙泄漏、構件質量、構件材質構造等。一般地，密封越好、質量越大、構件構造越不利于振動傳播，則空氣聲隔聲越好。

2 隔聲量評價

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

                              或：                               (1)

透射系數是聲波透過構件的聲能與入射聲能的比。若一個構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，構件隔聲性能越差；反之，越小則R越大，隔聲性能越好。

同一構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個倍頻帶，或100～3150Hz的16個1／3倍頻帶的隔聲量來表示某一個構件的隔聲性能。考慮到人耳聽覺的頻率特性和一般構件的隔聲頻率特性，人們使用計權隔聲量Rw作為單一數值評價量，這樣不同的構件之間有一定的可比性。Rw應按國家標準GB/T50121《建筑隔聲評價標準》確定。

需要注意的是，計權隔聲量Rw是構件的自身屬性，不隨材料面積、室內吸聲狀況等外界條件的改變而改變。尤其是不能理所當然地看作相鄰房間的聲級差（即發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件隔聲量有關（一般地，隔聲量越大，降噪量也越大），還與構件的面積、房間內的吸聲量關系很大。隔聲量相同時，構件面積越大，或接收室吸聲量越少，房間之間的聲壓級差越小，聲泄漏的防護性越差。

一些國家（如美國、加拿大）的標準中采用標準傳聲等級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 單層勻質密實材料隔聲規律

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，均屬于勻質材料。單層材料而言，可以看作是硬質各向同性的理想平板，其隔聲量決定于質量定律、共振效應和吻合效應的共同作用。

3.1 質量定律

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

由質量定律可以看出，構件越重，隔聲量越有優勢。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。

質量定律是控制空氣聲隔聲的主導性因素，若希望隔聲好，必須具有一定重量。

3.2 共振效應

隔聲與聲波頻率有關，其頻率特性不僅取決于板材自身的單位面積質量，還與剛度、材料的內阻尼及板材的邊界條件等因素有關。在某較低的頻率處，板材會發生共振，這時振動幅度很大，隔聲量出現極小值。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。

一般建筑構件多為重質板材構成，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。當采用重量較低的材料時，共振頻率可能進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，可采用多層結構，提高復合構件的整體重量，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較為強烈，如1～2mm厚度的金屬板出現共振時隔聲受到很大影響?？稍诎迳戏筚N或涂刷阻尼材料，減弱共振的振動幅度，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膠質材料，形成密致結合的整體，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，對玻璃的振動能夠形成約束阻尼，對共振具有較好的振動抑制作用，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

聲波接觸墻板等構件后，墻板除了垂直方向的受迫振動以外，還有沿著板面方向的受迫彎曲振動。當受迫彎曲波傳播速度等于板固有的自由彎曲振動波的傳播速度時，將發生“吻合”，這時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去，形成隔聲量的低谷，這種現象被稱作吻合效應。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聲波掠入射時發生吻合效應的最低頻率，被稱為吻合臨界頻率fc。

輕、薄、柔類材料的墻fc高，吻合效應弱；厚、重、剛類材料的墻fc低，吻合效應強。12mm、15mm紙面石膏板的fc分別為3.15kHz和2kHz左右。12mm板在3.15kHz處的隔聲量產生下降，15mm板在2kHz處的隔聲量下降更為嚴重，甚至下降的趨勢強過質量定律，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，由于雙層造成振動疊加，吻合效應更加劇烈，吻合谷會變得更深。如果使用不同厚度的板進行疊合，吻合谷將彼此錯開，且每個吻合谷都較淺，對隔聲性能有利。實際中，雙層板的劇烈吻合效應是非常明顯的，會造成雙層15mm板構造的隔墻在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，但隔聲量反倒會提高,這是吻合效應被減弱的結果。

影響吻合效應的因素比較復雜，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。在受吻合效應影響的頻率范圍內，減小面密度，吻合臨界頻率fc會變高，而且吻合效應會變弱，對隔聲有利。面密度較大、較厚的輕質隔墻，如加氣混凝土板、石膏砌塊等，fc往往會出現在250～2kHz的范圍內，越重越厚的輕質板，越在隔聲曲線的中低頻范圍內出現很深的“吻合谷”，嚴重限制了墻板的隔聲。即使做成中間附有空氣層雙層墻，也會因為吻合效應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60dB，這主要是因為12mm厚紙面石膏板的吻合谷大致在3150～4kHz范圍內，幾乎偏出了隔聲評價的主要頻率范圍，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，且吻合效應也更強烈。

4 雙層板隔聲規律

4.1 雙層板中空

從質量定律可知，單層板厚度增加一倍，即單位面積質量增加一倍，理論隔聲量只增加6dB，實際上還不到6dB。顯然，靠增加厚度來提高隔聲量是不經濟的，而且增加了結構的自重，也是不合理的。如果把板材一分為二，做成雙層結構，中間留有空氣間層，總重量沒有變，而隔聲量會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的“彈簧”，聲波入射到第一層板時，使板發生振動，此振動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量等于雙層板面積質量之和的單層玻璃的隔聲量加上一個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。根據大量實驗結果的綜合，兩者的關系如圖1所示。

圖1中實線是雙層板完全分開時的附加隔聲量。但是實際工程中，兩層板之間常是有連接的，如紙面石膏板墻或頂的支撐龍骨。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線之間。

如果在板與板之間的中空腔體內填入吸聲棉，由于狹小空腔所形成的聲場對聲波劇烈耗能作用，還會進一步增加附加隔聲量。例如，在75mm空腔的紙面石膏板輕質隔墻的中空內層滿填50mm厚（仍留25mm空氣層）的吸聲棉，附加隔聲量將增加將近5dB，隔聲效果相當于質量定律增加了一倍的重量。

4.2 雙層板共振

因為空氣間層的彈性，雙層玻璃及其空氣間層組成了一個振動系統，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量，單位為kg／m2；

L表示空氣間層厚度，單位為cm。

當入射聲波頻率f0相同時，會發生共振，聲能透射顯著增加，隔聲量有很大下降；只有當        以后，雙層墻的隔聲量才能使用前面的附加隔聲量方法，隔聲量才會提高。圖2為雙層板的隔聲量與頻率的關系。虛直線表示重量與雙層墻總重量相等的單層板的隔聲（按質量定律）。為了使f0不落在主要聽覺聲頻范圍內，在設計時應使        。

4.3 雙層板吻合效應

雙層板的每一層都會產生吻合現象，如果兩側板是同樣厚度的，則兩者的吻合臨界頻率fc是相同的，在fc處，雙層板的隔聲量會下降，出現“更深的”吻合谷。如果兩側的板不一樣厚，則兩者的吻合臨界頻率不一樣，可使兩者的吻合谷錯開。這樣，雙層墻隔聲曲線上不至于出現太深的低谷。

另外一種降低吻合效應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，受聲一側板的振動會通過龍骨傳到另一側板，這種像橋一樣傳遞聲能的現象被稱為聲橋。聲橋越多、接觸面積越大、剛性連接越強，聲橋現象越嚴重，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，有時將龍骨結構做成錯列結構和雙層結構。錯列結構是豎龍骨錯列分立，兩邊板不同時固定在一根龍骨上，天地龍骨共用一套；雙層結構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

隔墻上如果出現縫隙和孔洞，會大大降低隔墻的隔聲量。假如墻體本身的隔聲量達到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構之間的縫隙，有時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，拼接處勾縫對隔墻隔聲影響很大，勾縫膩子或沙漿必須飽滿密實。

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，而是由設計、施工、整體結構等方面疏忽造成的，這些因素有時造成隔聲量下降非常嚴重。

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

（2）隔墻外框和房屋結構剛性連接，未按規定墊入彈性墊條，結構受荷變形或結構振動，造成板縫開裂，形成縫隙漏聲。

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

（4）在實際建筑物中，2個房間除了隔墻傳聲外，還有其他途徑引起聲音從一個房間進入另一個房間，這些途徑的傳聲稱為側向傳聲，如地面結構傳聲、側墻結構傳聲、門窗傳聲、管道風道傳聲等。有些有吊頂的大房間分隔成一些小間，因為先做的吊頂，小間隔墻只做到吊頂下沿，而沒有延伸到結構層樓板底，出現吊頂內的側向傳聲，造成房間實際隔聲量比隔墻隔聲量低很多。

5 隔聲防護

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。聽懂與否是一個心理學概念，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個字（或音節），聽清了其中的40%。從心理學角度而言，聽懂一句話不見得需要完全聽清每一個字。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 隔聲與保密性關系

人說話產生的語音主要由元音和輔音等音節復合而成。通過聽清音節及音節之間的關聯，就聽清了語義。元音的聲能主要集中在500Hz以下的低頻，且持續時間較長（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，持續時間也較短（大部分為幾十毫秒）。由此，輔音的音節清晰度對聽覺極為關鍵。人的耳道類似一段小管子，大約2.5～3cm長，會在2k～3kHz產生共振而放大聲音，具有促進聽清輔音的作用。但是，耳道這種機制也有缺點，當人變老時，由于長期的刺激，會首先失去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而語義理解能力下降。

從隔聲角度而言，大部分建筑構件中高頻隔聲量更大，對輔音隔絕的能力更強，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，信噪比是言語信號減去背景噪聲的聲壓級差值。相關研究表明，當信噪比為0dB時，即背景噪聲等于言語聲級時，音節可懂度將低于60%；信噪比大于10dB時，可懂度達99%以上；信噪比小于10dB時，可懂度低于20%。可以看出，即使語音低于背景噪聲，人們也具有一定理解能力，這是因為人腦是一個超級靈敏的計算系統，若聽懂60%以上的音節，通過上下文之間的關聯，整個句子基本上都能聽懂了。如果音節可懂度低于40%，聽眾會感到嚴重的聽音困難，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，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應小于40dB，當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）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，在聽音環境中，適當地增加背景噪聲，如使用噪聲掩蔽器，提高言語干擾級（SIL），也可以為隔聲提供進一步的保密性保障。

6 結語

重要場所的聲音保密作為防護手段，對信息安全保密整體來說是關鍵一環。保護聲音信息，需要綜合采用技術手段和管理措施。對于空氣聲隔聲的防護來說，一方面要進一步提高隔聲防護量，盡可能降低泄漏的聲音強度；在工藝上、材料上加大研究力度，確保隔聲量的同時，減少重量，沿著輕型化的方向前進。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布局，在確保能夠干擾防護的基礎上，增加舒適度。

 （原載于《保密科學技術》雜志2023年3月刊）