【摘 要】 建筑的空气声隔声问题对声泄漏防护影响很大。本文从隔声量评价方法、材料隔声原理、构造隔声规律及影响因素、隔声防护与保密性等方面进行了全面综合阐述。本文认为，空气声隔声防护的最终效果，不仅受到建筑构件隔声性能的影响，还与声源强度、接收房间安静程度等信噪比因素有关。

【关键词】 空气声隔声   隔声量   信噪比   保密性

1 引言

古代成语“隔墙有耳”，意思是隔着墙有人偷听，劝人说话小声谨慎，免得泄露。从现代科学来看，“隔墙有耳”涉及的是建筑声学的空气声隔声问题。研究表明，通常当建筑隔墙的空气声隔声量大于50dB时，隔壁的普通音量讲话是听不到的。但是，当隔声量低至40dB时，在周围环境较为安静的情况下，则可能“隔墙有耳”，甚至是“声声入耳”。

所谓空气声隔声，即声源发出声音后先将能量辐射到空气中，再通过空气振动传播至墙体、楼板、屋顶、门窗等建筑构件，受到其阻碍而声能降低的现象。属于空气声的有：人讲话的声音、扩声系统的声音等。另一种传声是固体声，不同之处在于声源直接作用在建筑结构上引起声波，如敲门、楼上跑跳，电梯轨道振动、电机水泵基础振动等也属于固体声。影响空气声隔声的主要因素有缝隙泄漏、构件质量、构件材质构造等。一般地，密封越好、质量越大、构件构造越不利于振动传播，则空气声隔声越好。

2 隔声量评价

专业上使用隔声量R（或称为透射损失TL）来表示构件对空气声的隔绝能力，它与透射系数的关系是：

                              或：                               (1)

透射系数是声波透过构件的声能与入射声能的比。若一个构件透过的声能是入射声能的千分之一，则，R=30dB。越大则R越小，构件隔声性能越差；反之，越小则R越大，隔声性能越好。

同一构造对不同频率的入射声波有不同的隔声量。人们常用中心频率为125～4kHz的6个倍频带，或100～3150Hz的16个1／3倍频带的隔声量来表示某一个构件的隔声性能。考虑到人耳听觉的频率特性和一般构件的隔声频率特性，人们使用计权隔声量Rw作为单一数值评价量，这样不同的构件之间有一定的可比性。Rw应按国家标准GB/T50121《建筑隔声评价标准》确定。

需要注意的是，计权隔声量Rw是构件的自身属性，不随材料面积、室内吸声状况等外界条件的改变而改变。尤其是不能理所当然地看作相邻房间的声级差（即发声室声压级减去接收室声压级）。在建筑中，相邻房间的声压级差不仅与两房间之间的构件隔声量有关（一般地，隔声量越大，降噪量也越大），还与构件的面积、房间内的吸声量关系很大。隔声量相同时，构件面积越大，或接收室吸声量越少，房间之间的声压级差越小，声泄漏的防护性越差。

一些国家（如美国、加拿大）的标准中采用标准传声等级STC，基本概念同Rw，所不同的是，STC的频率范围在125～4kHz，Rw在100～3150Hz。

3 单层匀质密实材料隔声规律

常见的板材，如混凝土板、石膏板、玻璃板、金属板、塑料板，乃至砖墙等，均属于匀质材料。单层材料而言，可以看作是硬质各向同性的理想平板，其隔声量决定于质量定律、共振效应和吻合效应的共同作用。

3.1 质量定律

理论上，单层匀质密实板的面密度（每平方米的重量）越大，隔声量越高。在一定范围内，面密度每增加1倍，隔声量提高6dB，这一规律称为质量定律。

由质量定律可以看出，构件越重，隔声量越有优势。同一材料的板材而言，厚度越大，面密度越大，空气声隔声量越高。例如，100厚的混凝土墙Rw为48dB，200厚的混凝土墙Rw就可达54dB。相同厚度的不同材料，越重隔声量越高。例如，塑料泡沫密度很轻，隔声量就差。同样是12mm的板材，纸面石膏板的面密度约为10kg/m2，其隔声量约为28dB，要比玻璃板（面密度约25kg/m2）的隔声量34dB小很多。

质量定律是控制空气声隔声的主导性因素，若希望隔声好，必须具有一定重量。

3.2 共振效应

隔声与声波频率有关，其频率特性不仅取决于板材自身的单位面积质量，还与刚度、材料的内阻尼及板材的边界条件等因素有关。在某较低的频率处，板材会发生共振，这时振动幅度很大，隔声量出现极小值。任何板材均有共振频率，由于语言主要频率和人耳听觉敏感的频率大多在100Hz以上，因此，共振频率低于100Hz的板材对语言隔声影响较小。

一般建筑构件多为重质板材构成，其共振相对较低，如面密度为260kg/m2、厚度为120mm砖墙的共振频率只有10～20Hz左右。当采用重量较低的材料时，共振频率可能进入人耳听觉较敏感的范围，如6mm厚的玻璃（面密度约12kg/m2）的共振频率约200～300Hz。此时，可采用多层结构，提高复合构件的整体重量，如采用3层中空玻璃，一方面共振频率可下降到100Hz以下，另一方面利用了质量定律增加的效果，获得隔声的双重提升。

轻薄材料的共振效应较为强烈，如1～2mm厚度的金属板出现共振时隔声受到很大影响。可在板上敷贴或涂刷阻尼材料，减弱共振的振动幅度，提高隔声量。例如，为了提高普通玻璃的隔声效果，人们采用了一种夹胶玻璃，即在两层玻璃之间夹上一层透明的PVB胶质材料，形成密致结合的整体，可看作是单层玻璃的一种。两层玻璃之间所夹PVB胶片属于柔性材料，对玻璃的振动能够形成约束阻尼，对共振具有较好的振动抑制作用，使共振在频率曲线上的隔声低谷变浅，有利于提高低频的隔声性能。

3.3 吻合效应

声波接触墙板等构件后，墙板除了垂直方向的受迫振动以外，还有沿着板面方向的受迫弯曲振动。当受迫弯曲波传播速度等于板固有的自由弯曲振动波的传播速度时，将发生“吻合”，这时板就非常顺从地跟随入射声波弯曲，造成声能大量地透射到另一侧去，形成隔声量的低谷，这种现象被称作吻合效应。隔声频率特性曲线上，隔声量低谷称为“吻合谷”，吻合谷的最低频率对应声波掠入射时发生吻合效应的最低频率，被称为吻合临界频率fc。

轻、薄、柔类材料的墙fc高，吻合效应弱；厚、重、刚类材料的墙fc低，吻合效应强。12mm、15mm纸面石膏板的fc分别为3.15kHz和2kHz左右。12mm板在3.15kHz处的隔声量产生下降，15mm板在2kHz处的隔声量下降更为严重，甚至下降的趋势强过质量定律，造成在这一频率位置上隔声量比12mm的板还低很多。双层相同的板叠合的吻合频率fc和单层板基本等同，由于双层造成振动叠加，吻合效应更加剧烈，吻合谷会变得更深。如果使用不同厚度的板进行叠合，吻合谷将彼此错开，且每个吻合谷都较浅，对隔声性能有利。实际中，双层板的剧烈吻合效应是非常明显的，会造成双层15mm板构造的隔墙在3150Hz附近的隔声量反倒低于双层12mm板的隔墙。一层12mm和一层15mm板叠合的隔墙比双层15mm隔墙的面密度低，但隔声量反倒会提高,这是吻合效应被减弱的结果。

影响吻合效应的因素比较复杂，最直接的是面密度，还和材料的弹性模量、厚度、泊松比等条件有关。在受吻合效应影响的频率范围内，减小面密度，吻合临界频率fc会变高，而且吻合效应会变弱，对隔声有利。面密度较大、较厚的轻质隔墙，如加气混凝土板、石膏砌块等，fc往往会出现在250～2kHz的范围内，越重越厚的轻质板，越在隔声曲线的中低频范围内出现很深的“吻合谷”，严重限制了墙板的隔声。即使做成中间附有空气层双层墙，也会因为吻合效应的叠加造成隔声量提高受到限制，例如双层90mm厚加气混凝土板，中空50mm，隔声量Rw只能达到48dB左右，而同样重量的双排龙骨六层12mm纸面石膏板墙（三道墙板，每道两层纸面石膏板）的隔声量Rw可达60dB，这主要是因为12mm厚纸面石膏板的吻合谷大致在3150～4kHz范围内，几乎偏出了隔声评价的主要频率范围，而90mm厚加气混凝土板的吻合谷在300～500Hz，正是语言频率感兴趣的范围，且吻合效应也更强烈。

4 双层板隔声规律

4.1 双层板中空

从质量定律可知，单层板厚度增加一倍，即单位面积质量增加一倍，理论隔声量只增加6dB，实际上还不到6dB。显然，靠增加厚度来提高隔声量是不经济的，而且增加了结构的自重，也是不合理的。如果把板材一分为二，做成双层结构，中间留有空气间层，总重量没有变，而隔声量会比单层玻璃提高很多。换句话说，两边等厚的双层板虽然比其中一层板用料多了一倍，重量加了一倍，但隔声量的增加要超过6dB。

双层板可以提高隔声能力的主要原因是空气间层的作用。空气间层可以看作是与两层板相联的“弹簧”，声波入射到第一层板时，使板发生振动，此振动通过空气间层传至第二层板，再由第二层板向邻室辐射声能。由于空气间层的弹性变形具有减振作用，传递给第二层板的振动大为减弱，从而提高了总的隔声量。双层隔声量可以用单位面积质量等于双层板面积质量之和的单层玻璃的隔声量加上一个空气间层附加隔声量来表示。

空气间层附加隔声量与空气间层的厚度有关。根据大量实验结果的综合，两者的关系如图1所示。

图1中实线是双层板完全分开时的附加隔声量。但是实际工程中，两层板之间常是有连接的，如纸面石膏板墙或顶的支撑龙骨。这些连接能够传递声音能量，使附加隔声量降低。降低到的低限值是图1虚线所示。一般情况下，空气层引起的附加隔声量基本在虚线和实线之间。

如果在板与板之间的中空腔体内填入吸声棉，由于狭小空腔所形成的声场对声波剧烈耗能作用，还会进一步增加附加隔声量。例如，在75mm空腔的纸面石膏板轻质隔墙的中空内层满填50mm厚（仍留25mm空气层）的吸声棉，附加隔声量将增加将近5dB，隔声效果相当于质量定律增加了一倍的重量。

4.2 双层板共振

因为空气间层的弹性，双层玻璃及其空气间层组成了一个振动系统，其共振频率f0可由下式得出：

                                        (2)

式中，m1、m2表示每层墙的单位面积质量，单位为kg／m2；

L表示空气间层厚度，单位为cm。

当入射声波频率f0相同时，会发生共振，声能透射显著增加，隔声量有很大下降；只有当        以后，双层墙的隔声量才能使用前面的附加隔声量方法，隔声量才会提高。图2为双层板的隔声量与频率的关系。虚直线表示重量与双层墙总重量相等的单层板的隔声（按质量定律）。为了使f0不落在主要听觉声频范围内，在设计时应使        。

4.3 双层板吻合效应

双层板的每一层都会产生吻合现象，如果两侧板是同样厚度的，则两者的吻合临界频率fc是相同的，在fc处，双层板的隔声量会下降，出现“更深的”吻合谷。如果两侧的板不一样厚，则两者的吻合临界频率不一样，可使两者的吻合谷错开。这样，双层墙隔声曲线上不至于出现太深的低谷。

另外一种降低吻合效应影响的方式是采用阻尼。

4.4 其他因素

4.4.1声桥

板材直接固定在龙骨上时，受声一侧板的振动会通过龙骨传到另一侧板，这种像桥一样传递声能的现象被称为声桥。声桥越多、接触面积越大、刚性连接越强，声桥现象越严重，隔声效果越差。轻钢龙骨本身刚度比较小，弹性较好，对两侧板材的声桥作用要好于矩形截面的木龙骨和石膏龙骨，因此，轻钢龙骨石膏板隔墙要比相同构造的木龙骨和石膏龙骨隔墙隔声效果好。将C型龙骨改制成截面是M型或Z型的龙骨，或在板材和龙骨之间加弹性垫（如弹性金属条或弹性材料垫）等，使龙骨具有更好的弹性，均有利于减弱声桥等影响。

为了减少声桥，获得更高的隔声量，有时将龙骨结构做成错列结构和双层结构。错列结构是竖龙骨错列分立，两边板不同时固定在一根龙骨上，天地龙骨共用一套；双层结构是天地龙骨和竖龙骨分别做两层，中间没有任何连接，板固定在各自的龙骨上。

4.4.2板缝和孔洞

隔墙上如果出现缝隙和孔洞，会大大降低隔墙的隔声量。假如墙体本身的隔声量达到50dB，而墙上有万分之一的缝隙和孔洞，则综合隔声量将下降到40dB。为了防止墙板和原建筑结构之间的缝隙，有时在墙体四周垫入塑料弹性胶条，目的是防止缝隙漏声。条板墙安装时，拼接处勾缝对隔墙隔声影响很大，勾缝腻子或沙浆必须饱满密实。

4.4.3施工影响

以下因素对隔声的影响并非由墙板本身引起，而是由设计、施工、整体结构等方面疏忽造成的，这些因素有时造成隔声量下降非常严重。

（1）双层板板与板之间空腔内填棉未满铺，或棉钉粘合不牢固，过一段时间后棉体下坠（离心玻璃棉常出现这种情况），出现填棉缝隙。这种情况严重时可能引起3～5dB隔声量的下降。

（2）隔墙外框和房屋结构刚性连接，未按规定垫入弹性垫条，结构受荷变形或结构振动，造成板缝开裂，形成缝隙漏声。

（3）管道穿墙，未按规定要求密封处理，造成孔隙；电器开关盒、插销盒在墙上暗装，未按规定要求做内嵌石膏板盒隔声处理，造成隔声薄弱环节；甚至隔墙两边电器盒对装而不做任何处理，都会大大降低隔声性能。

（4）在实际建筑物中，2个房间除了隔墙传声外，还有其他途径引起声音从一个房间进入另一个房间，这些途径的传声称为侧向传声，如地面结构传声、侧墙结构传声、门窗传声、管道风道传声等。有些有吊顶的大房间分隔成一些小间，因为先做的吊顶，小间隔墙只做到吊顶下沿，而没有延伸到结构层楼板底，出现吊顶内的侧向传声，造成房间实际隔声量比隔墙隔声量低很多。

5 隔声防护

5.1 声音保密性

声音保密性是指人讲话的言语声不易被听懂的程度。听懂与否是一个心理学概念，存在主观能力差异。客观表征是清晰度（speech intelligibility），即是否清晰地听到，可设全听清为1，完全听不清为0。例如，清晰度AI=0.4，可代表讲了100个字（或音节），听清了其中的40%。从心理学角度而言，听懂一句话不见得需要完全听清每一个字。在汉语中，通过上下文判断，0.3～0.4的清晰度也能听懂。

信噪比是影响清晰度的重要因素之一，也就是，讲话音量越小，环境噪声干扰越大，则越不容易听清楚，声音保密性也就越好。

5.2 隔声与保密性关系

人说话产生的语音主要由元音和辅音等音节复合而成。通过听清音节及音节之间的关联，就听清了语义。元音的声能主要集中在500Hz以下的低频，且持续时间较长（200～800ms），辅音的声能相对于元音要小很多，且主要集中在1k～2kHz甚至以上的高频，持续时间也较短（大部分为几十毫秒）。由此，辅音的音节清晰度对听觉极为关键。人的耳道类似一段小管子，大约2.5～3cm长，会在2k～3kHz产生共振而放大声音，具有促进听清辅音的作用。但是，耳道这种机制也有缺点，当人变老时，由于长期的刺激，会首先失去2k～3kHz辅音的听觉敏感性而降低听力水平，即俗语讲的“人老耳先衰”，实际上并不是听不到声音了，而是辅音听觉下降造成听不清单词进而语义理解能力下降。

从隔声角度而言，大部分建筑构件中高频隔声量更大，对辅音隔绝的能力更强，这对保证言语保密性有利。

表1给出了空气声隔声量Rw与保密性的关系。

5.3 背景噪声对保密性的影响

背景噪声对语言可懂度的影响与“信噪比”有关，信噪比是言语信号减去背景噪声的声压级差值。相关研究表明，当信噪比为0dB时，即背景噪声等于言语声级时，音节可懂度将低于60%；信噪比大于10dB时，可懂度达99%以上；信噪比小于10dB时，可懂度低于20%。可以看出，即使语音低于背景噪声，人们也具有一定理解能力，这是因为人脑是一个超级灵敏的计算系统，若听懂60%以上的音节，通过上下文之间的关联，整个句子基本上都能听懂了。如果音节可懂度低于40%，听众会感到严重的听音困难，即便通过上下文推断，也只能隐约知其含义。

衡量背景噪声对言语的干扰程度可采用言语干扰级（SIL），即在言语频率范围内，500、1k、2k、4kHz（倍频带）的背景噪声的平均值。SIL值越大或语音的声级越小，听音可懂度就越差。

由图3可以看出，正常语言交流较好的SIL应小于40dB，当SIL超过60dB正常讲话的言语声就难于听清了；SIL超过90dB，讲话距离就必须缩短几米范围并加大音量；SIL超过110dB，只能在耳边（0.25m以内）大声喊叫才能听懂了。

隔声通过降低言语声的能量，使人无法听清声音，从而保证了保密性。另外，在听音环境中，适当地增加背景噪声，如使用噪声掩蔽器，提高言语干扰级（SIL），也可以为隔声提供进一步的保密性保障。

6 结语

重要场所的声音保密作为防护手段，对信息安全保密整体来说是关键一环。保护声音信息，需要综合采用技术手段和管理措施。对于空气声隔声的防护来说，一方面要进一步提高隔声防护量，尽可能降低泄漏的声音强度；在工艺上、材料上加大研究力度，确保隔声量的同时，减少重量，沿着轻型化的方向前进。另一方面要合理利用背景噪声，加大声掩蔽的声源研究和科学布局，在确保能够干扰防护的基础上，增加舒适度。

 （原载于《保密科学技术》杂志2023年3月刊）