隔声降噪技术：1 隔声的基本概念
隔声的基本概念[1]
当声源发出的声波传播到其它区域并对该区域形成噪声影响时，往往在声波传播的途径上设置阻挡声波传播的材料和结构，使得声波不能顺利穿透这些材料和结构，或在透过这些材料时产生很大的能量损失，从而达到降低需保护区域噪声影响的目的。这种在声波传播路径上设置阻挡结构的降噪方式称为隔声。根据声波传播方式的不同，通常把隔声分成两类：一类是空气声隔声；另一类是撞击声隔声，又称固体声隔声。一般把通过空气传播的噪声称为空气声，如飞机噪声、汽车喇叭声以及人们唱歌声等。利用墙、门、窗或屏障等隔离在空气中传播的声音就叫做空气声隔声。建筑因机械振动中通过结构产生和传播而来的噪声，如楼板上行走的脚步声、桌椅的拖动声、小孩蹦跳以及开关门窗时的碰撞声等，称为撞击声，又叫结构声或固体声。利用弹性阻尼材料进行隔振或减振的方法来隔离在结构中传播的撞击噪声就叫做撞击声隔声。
(图片来自同济大学莫方朔《建筑声学》教学课件)
墙、板、门、窗和屏障等构件及其组成材料常称为建筑隔声材料。一般说来，建筑隔声构件的表面应该是比较坚硬密实的材料，对于入射其上的声波具有较强的反射，使透射的声波大大减小，从而起到隔声作用。声波在穿透隔声材料时所产生的能量损失称为透射损失，其大小用声能透射系数来表征。
描述隔声性能的基本物理量[1]
2.1 声能透射系数
声波传播到隔声结构表面时，绝大部分声波被反射，一小部分声波透过结构进入隔声结构的另一侧。记入射声波的声能为，透射声波的声能为，将透射声能与入射声能之比定义为透射系数，即
(图片来自同济大学莫方朔《建筑声学》教学课件)
(图片来自https://www.acousticsciences.com)
透射系数有时也称为传声系数。的值总是小于1。例如，一墙体的=0.00001，表示只有十万分之一的入射声能透过墙体。的数值越小表示透过墙体的声能越小，说明墙体的隔声效果越好。反之，的数值越大，表示透过墙体的声能越大，说明墙体的隔声效果越差。=1，称为全透射，表示入射的声能全部传透过去，意味着毫无隔声效果。一般门、窗和墙的值约在0.1～0.00001之间。
2.2 隔声量
由于隔声材料及构件透射系数的变化范围很大，用透射系数来表示隔声材料及构件的隔声性能很不方便。因此需采用一种比较简单实用方便的隔声量R来表示材料及构件的隔声性能：
隔声量的单位为dB，隔声量又叫做传声损失(Transmission Loss)，记作TL。对于给定的隔声构件，隔声量与声波频率密切相关。图4中给出了典型隔声量的频谱曲线型式。一般来说，低频时的隔声量较低，高频时的隔声量较高。
隔声量的测量方法根据GB/T 19889《声学建筑和建筑构件隔声测量》中的相关要求进行。此标准为一由十八个部分标准组成的系列标准，详细规定了各种条件下隔声测量的方法和要求。
图4 典型隔声量频谱曲线
2.3 平均隔声量
由于隔声量是频率的函数，给出各个频率的隔声量才能比较全面反映构件的隔声性能，但在隔声性能评价时由于数值很多造成表达上的复杂。工程上通常将125Hz至2000Hz的5个倍频带或100Hz至3150Hz的16个1/3倍频带隔声量的算术平均值作为构件隔声性能的单值评价量，称为平均隔声量，用公式可表示为：
式中：
—— 平均隔声量，dB；
—— 1/1倍频带或1/3倍频带隔声量；
n —— 测量隔声的频带数，对1/1倍频程n=5；对1/3倍频程n=16。
平均隔声量相同的不同构件，其隔声频率特性曲线有时会有很大的差异。如图5所示的两种平均隔声量均为31dB的构件，其中一种隔声频率特性曲线呈现隔声低谷，实际感觉的隔声效果也较差，但采用平均隔声量来评价难以反应它们之间的隔声效果的差异。因此采用平均隔声量来评价构件的隔声性能是不充分的，具有一定的局限性。
图5 具有相同平均隔声量但不同隔声频率曲线构件的实例
隔声性能的单值评价量
3.1 计权隔声量Rw[1]
为了弥补用平均隔声量进行隔声性能评价的不足，声学研究者提出了一种考虑了隔声频率特性曲线隔声低谷并与主观听感的隔声效果相符的单值评价量，称为计权隔声量，并由国际标准ISO717-1996和我国国家标准GB/T 50121-2005 《建筑隔声评价标准》给出了明确的定义和评价方法。计权隔声量用符号表示，单位为dB。
计权隔声量是通过将隔声构件125Hz至2000Hz的5个倍频带或100Hz至3150Hz的16个1/3倍频程的隔声量与一组基准值曲线按一定的方法进行比较确定的。基准值曲线一方面考虑了人耳的听觉特性，即人耳对低频声的感觉不如高频声那么灵敏；另一方面还考虑到通常隔声构件低频的隔声量较低，而高频的隔声量较高。标准曲线是随频率而变化的一条折线，其中100～400Hz的低频部分折线的斜率每倍频程增加9dB，400～1250Hz的中频部分折线斜率每倍频程增加3dB，1250～3150Hz的高频部分保持水平直线，如图6所示。这一标准曲线虽然各频率的隔声量不同，但其主观感觉到的隔声效果是相同的，与等响曲线类似，实际上它是一条等隔声效果曲线。
图6 空气声隔声基准曲线（1/3倍频程）
3.2 声传输指数STC
在美国采用声传输指数STC(Sound Transmission Class)来评价构件的空气声隔声量， STC(Sound Transmission Class)从物理概念以及确定方法上和计权隔声量Rw是一样的，差别是评价的下限和上限频率不同。隔声量评价的1/3倍频程频率范围，STC规定的范围是从125-4000Hz，而计权隔声量Rw规定的是从100-3150Hz。
3.3 STC和Rw的对比
由于评价的频率范围不同，计权隔声量Rw和声传输指数STC不能直接比较。
从两者的评价的频率范围上可以发现，STC在低频噪声的评估方面不够充分，一个具有较高STC的隔声结构对户外车辆的轰鸣声、嗡嗡的设备这样具有较多低频成分的声音，不会有很好的隔声效果。
下图中我们给出两个隔声结构的隔声性能曲线，从曲线上可以看出，他们都具有相近的隔声性能，仅是隔声谷点的位置分别在100Hz和125Hz。由于STC不考虑125Hz以下的频段，所以红色曲线中的谷点没有被计算进来，因而计算得到高得多的STC(42 dB STC)，而绿色曲线由于谷点正好在125Hz被计算进来，因而STC要低很多(32 dB STC)。用STC来评价，两者相差10dB，而采用Rw来评价，两者的评价结果分别为32(-0.3;-6.6) dB Rw和35(-0.1; -7.8) dB Rw，两者的差异较小，更加能恰如其分地反应两者的隔声性能。
计权隔声量Rw的评价结果和平时大家所熟悉的分贝[dB]尺度一致，即51dB Rw的隔声量意味着可以将你需要被隔离的噪声“隔掉”50dB。因此，一些专业设计人员更加倾向于使用Rw评价量。
如果一定要给出STC和Rw的粗略关系，那么可以说STC的值一般要比Rw的值大3~4dB，即51dB Rw = 54dB STC。
计权隔声量Rw的完善
4.1 频谱修正量C和Ctr[1]
计权隔声量考虑了人对不同频率噪声的感觉差异，但是由于不同声源辐射噪声的频谱差异往往比较大，因此同样的隔声结构用在不同的场合时，人耳实际感觉到的隔声效果仍然会有差异。为了解决这个问题，GB/T 50121-2005 《建筑隔声评价标准》中引入了两个频谱修正量C和Ctr，以评价同一墙体材料在不同声源情况下的实际隔声效果。频谱修正量C和Ctr分别考虑了以社会生活噪声为代表的中高频成分较多的噪声源和以交通噪声为代表的中低频成分较多的噪声源对隔声结构实际隔声性能的影响。频谱修正量C和Ctr又分别被称为粉红噪声修正和交通噪声修正。
4.2 新的计权隔声量R起居，R语言和R交通[3]
在频谱修正量的基础上，ISO 16717-1对评价的频率范围进行了进一步的扩充，该标准中规定的隔声量评价的频率范围为50Hz~5000Hz，并针对不同类型的应用环境定义了R起居，R语言和R交通三个评价量，代替原理的C和Ctr修正。下图中给出两个标准的频谱修正曲线的对比。
研究者将不同环境条件下实测的噪声频谱(如下图中灰色区域)与ISO 16717-1中定义的几天修正频谱进行了比较，这可以更好地理解新标准中的改进和仍存在的不足。
4.3 实际使用
虽然ISO 16717-1做了很多的改进，可以更好地适用与不同环境噪声条件下的隔声效果的评价。但在具体应用中，对于噪声频谱特性和标准曲线有显著偏离的，还是需要更加隔声量的频谱曲线来进行隔声设计。如下图中给出了计权隔声量均为47dB Rw的隔声结构，绿色线为混凝土墙体，红色线为轻质隔声结构。从曲线对比中可以看出两者在低频隔声性能上的显著差异，如果在有显著低频噪声的环境中(如上图中重低音的音乐环境)，就必须选择混凝土结构材料获得预期的隔声效果。
参考文献
1. 毛东兴，洪宗辉 主编. 环境噪声控制工程（第二版），普通高等教育“十一五”国家级规划教材，北京：高等教育出版社，2010年1月
2. 钟祥璋. 建筑吸声材料与隔声材料(第2版), 北京：化学工业出版社， 2012年5月
3. N. Granzotto, A. Bella. Analysis between weighted sound reduction index according to ISO 717-1 and indices according to ISO 16717-1.
4. ISO 16717-1 Acoustics. Evaluation of sound insulation spectra by single numbers. Airborne sound insulation.
5. D. Mašović, D Pavlović, M. Mijić. On the Suitability of ISO 16717-1 Reference Spectra for Rating Airborne Sound Insulation. J. Acous. Soc. Am. 134, EL420 (2013)
6. A. Warnock, J. Birta. Detailed report for consortium on fire resistance and sound insulation of floors: sound transmission and impact insulation data in 1/3 octave bands. National Research Council Canada IRC Internal Report. July 2000。
声学演义 之 隔声降噪技术
Something about sound
系列谈之一