基于賽賓原理的車內(nèi)平均吸聲系數(shù)現(xiàn)場測量

張晉源，袁苗達(dá)，楊洋，褚志剛

（1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院，重慶401120；2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400044)

基于賽賓原理的車內(nèi)平均吸聲系數(shù)現(xiàn)場測量

張晉源1，袁苗達(dá)1，楊洋1，褚志剛2

（1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程學(xué)院，重慶401120；2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400044)

為有效測量內(nèi)飾材料在實際汽車中的平均吸聲系數(shù)，準(zhǔn)確評價分析車內(nèi)聲學(xué)性能，提出基于賽賓原理的車內(nèi)平均吸聲系數(shù)現(xiàn)場測量方法以及詳細(xì)的測量計算流程。針對某轎車的測量試驗結(jié)果表明：該方法有效可行；1 250 Hz以上頻段，該轎車的車內(nèi)平均吸聲系數(shù)基本保持穩(wěn)定，約為0.33。研究結(jié)果為車內(nèi)平均吸聲系數(shù)的現(xiàn)場測量提供有效方法，為轎車內(nèi)飾聲學(xué)性能的評價分析提供依據(jù)。

聲學(xué)；賽賓原理；車內(nèi)平均吸聲系數(shù)；現(xiàn)場測量

汽車車內(nèi)噪聲是汽車性能的重要方面，采用具有優(yōu)良吸聲性能的內(nèi)飾材料是改善車內(nèi)噪聲品質(zhì)的重要措施。吸聲系數(shù)是衡量內(nèi)飾材料吸聲性能的重要指標(biāo)，采用合理有效的方法準(zhǔn)確測定車內(nèi)平均吸聲系數(shù)是評價、分析、改進(jìn)內(nèi)飾聲學(xué)性能的前提，對進(jìn)一步降低車內(nèi)噪聲、改善車內(nèi)聲學(xué)環(huán)境具有重要意義。

傳統(tǒng)的聲學(xué)材料吸聲系數(shù)測量常在實驗室內(nèi)進(jìn)行，采用的典型測量方法主要有混響室法[1，2]和駐波管（阻抗管）法[3―6]?；祉懯曳▽⒉牧蠘蛹糜诨祉懯覂?nèi)，在混響室內(nèi)測量從聲源停止發(fā)聲到其聲能衰減60 dB時所經(jīng)歷的時間，即混響時間，基于賽賓原理所建立的混響時間與混響室體積、材料樣件表面積、混響室表面積間的關(guān)系來確定材料的吸聲系數(shù)，其可以得出聲波無規(guī)則入射時材料的平均吸聲系數(shù)[7―9]。駐波管法將材料按照一定規(guī)格準(zhǔn)確切割后放入駐波管內(nèi)，利用移動的單傳聲器測量駐波管中聲壓的極小值和極大值或利用雙傳聲器測量兩傳聲器間的傳遞函數(shù)來確定吸聲系數(shù)，其測量結(jié)果為聲波垂直入射時材料的吸聲系數(shù)[8，9]。上述實驗室測量無法有效考慮材料在實際汽車中的安裝布置、邊界條件、材料成形參數(shù)等因素，測量結(jié)果不能完全反映材料在實際汽車中的吸聲性能[10]，因此，近年來，材料吸聲系數(shù)的現(xiàn)場測量方法備受關(guān)注，丹麥Brüel&K j?r公司[11]將實驗室駐波管法引入到現(xiàn)場測量中，開發(fā)了手持式駐波管，其可以在車內(nèi)測量不同局部位置內(nèi)飾的吸聲系數(shù)，但無法測量計算整個車內(nèi)空間的平均吸聲系數(shù)，因此無法反映整體吸聲性能。為有效測量車內(nèi)平均吸聲系數(shù)，本文提出了基于賽賓原理的現(xiàn)場測量方法，把密封的汽車車內(nèi)聲場近似作為一個混響場，放置聲源于車內(nèi)發(fā)聲，布置傳聲器于車內(nèi)典型位置測量聲音信號并計算混響時間，基于賽賓原理確定平均吸聲系數(shù)，該方法簡單方便，不需要昂貴的混響室，成本低，能夠有效測量內(nèi)飾的平均吸聲系數(shù)，具有較高的工程應(yīng)用價值。

1 測量原理

吸聲系數(shù)為材料吸收的聲能量與入射到材料表面的總聲能量的比值，是衡量材料吸聲性能的重要指標(biāo)。定義混響時間T為混響聲場內(nèi)聲源停止發(fā)聲至車內(nèi)聲能衰減60 dB時所經(jīng)歷的時間，賽賓原理表明混響時間T反比于混響場內(nèi)壁面材料的平均吸聲系數(shù)α，如式1所示

其中V為混響場空間體積，S為混響場內(nèi)總表面積。

混響時間的測定是計算吸聲系數(shù)的關(guān)鍵，試驗把密封的汽車車內(nèi)聲場近似作為一個混響場，采用單一聲源在車內(nèi)發(fā)聲，采用多個固定位置的傳聲器測量聲音信號，稱聲源與傳聲器間的相對位置關(guān)系為配置，圖1為兩個配置的布局示意圖。為準(zhǔn)確地測量混響時間，采用多個配置，且每個配置進(jìn)行多次重復(fù)測量。設(shè)配置總數(shù)為I，傳聲器數(shù)目為M，每個配置進(jìn)行N次重復(fù)測量。

圖1 配置布局示意圖

圖2為由各傳聲器測量的聲音信號計算吸聲系數(shù)的算法流程圖，首先，對每個配置的每個傳聲器的N次重復(fù)測量信號分別進(jìn)行CPB濾波得各次測量的信號在不同頻率時的衰減曲線，然后，在某頻率條件下，平均化對應(yīng)該頻率的N條衰減曲線得平均衰減曲線，并由該曲線獲取該頻率的混響時間，同理計算所有頻率對應(yīng)的混響時間得混響時間譜，接著，平均所有配置所有傳聲器的共I×M個混響時間譜得平均混響時間譜，最后，基于賽賓原理求取各頻率的吸聲系數(shù)。

圖2 算法流程圖

2 試驗測量

為驗證上述方法的有效性，進(jìn)行某轎車車內(nèi)平均吸聲系數(shù)的現(xiàn)場測量試驗，圖3為試驗布局示意圖，采用如圖3(a)所示的無指向性聲源置于車內(nèi)4個不同位置發(fā)聲，對每個聲源位置，均采用4個傳聲器測量聲音信號，4個傳聲器分別固定在不同座椅頭枕上，如圖3(b)所示，即本試驗采用4個配置，此外，每個配置下重復(fù)測量3次。試驗時，為了降低孔縫泄漏對吸聲系數(shù)測量結(jié)果的影響，對車輛上的孔縫進(jìn)行了堵塞密封，并利用彩霧試驗進(jìn)行確認(rèn)。

以第1個配置的第1個傳聲器為例，第一步，對其3次重復(fù)測量的信號分別進(jìn)行CPB濾波得各次測量的信號在不同頻率時的衰減曲線，圖4為其3次測量的信號經(jīng)CPB濾波后得到的衰減曲線瀑布圖，三幅圖均在約0.5 s時刻，聲源停止發(fā)聲，此后，各頻率條件下的聲能量均開始衰減，最終在本底噪聲值附近波動，此外，對比圖(a)、(b)、(c)，三者差異很小，表明試驗工況穩(wěn)定，測量一致性好；第二步，在某頻率條件下，平均化對應(yīng)該頻率的3條衰減曲線得該頻率的平均衰減曲線。

圖3 試驗布局示意圖

圖5(a)中的淺灰色曲線為1 000 Hz時第1個配置的第1個傳聲器的測量信號的平均衰減曲線，在平均衰減曲線上選擇20 dB的區(qū)段進(jìn)行線性回歸，計算所擬合直線的斜率，60 dB與該斜率絕對值的比值即為混響時間，20 dB區(qū)段的極大值通常由衰減曲線起點到開始衰減點的平均聲能量減去5 dB來確定，極小值由極大值減去20 dB確定，圖5(a)中的黑色粗實線即為20 dB區(qū)段線性回歸擬合的直線段，其斜率約為-560.7 dB/s，因此，1 000 Hz時第1個配置的第1個傳聲器測得的混響時間約為0.107 s，除20 dB區(qū)段線性擬合外，30 dB區(qū)段線性擬合也是求取混響時間常用的方法，其基本思路與20 dB區(qū)段線性擬合相同，只是將擬合區(qū)段設(shè)為30 dB，圖5(a)中的深灰色虛線為30 dB區(qū)段線性回歸擬合的直線段，由此求得的混響時間約為0.105 s，與20d B區(qū)段線性擬合法求得的0.107 s僅相差0.002 s，表明1 000 Hz時二者具有較好的一致性，進(jìn)一步，圖5(b)給出了100 Hz低頻時第1個配置的第1個傳聲器的測量信號的平均衰減曲線，顯然，其平均衰減曲線下降段波動較大，線性區(qū)段較短，這將造成擬合區(qū)段越長，計算誤差越大，因此，為減小低頻時的擬合誤差，本文采用20 dB區(qū)段線性擬合來計算混響時間；第三步，按照第二步描述的方法計算所有頻率的混響時間得混響時間譜，圖6中帶“〇”實線為第1個配置的第1個傳聲器測得的混響時間譜。按照上述步驟對第1個配置的第2、3、4傳聲器的測量信號進(jìn)行計算，所得的混響時間譜如圖6中破折線、點線、點畫線所示，對比可見，315 Hz以下低頻段，四個傳聲器測得的混響時間差異較大，250 Hz時，第1個傳聲器測得的混響時間低于第2個傳聲器約0.15 s，這主要是因為低頻段車內(nèi)空腔聲場具有較多的整體聲腔模態(tài)，這些聲腔模態(tài)的存在使其無法形成較好的混響場[12]的緣故，315 Hz以上頻段，四個傳聲器測得的混響時間差異很小，車內(nèi)聲場很接近混響場。

圖4 第1個配置的第1個傳聲器3次測量的信號的衰減曲線瀑布圖

按照上述步驟對每個配置的每個傳聲器的測量信號進(jìn)行計算，將得出4×4個混響時間譜，平均化這些混響時間譜得平均混響時間譜，如圖7所示。進(jìn)一步，基于式(1)所示的賽賓原理計算各頻率的吸聲系數(shù)，計算需要的車內(nèi)空間體積約為5.2 m3,車內(nèi)總表面積約為22.3 m2。圖8為計算得出的吸聲系數(shù)隨頻率的變化曲線，在100 Hz～315 Hz低頻段，吸聲系數(shù)較低且隨頻率波動變化，測量結(jié)果誤差大，究其原因主要是因為針對車內(nèi)空腔尺寸，上述頻率范圍內(nèi)，車內(nèi)空腔聲場具有較多的整體聲腔模態(tài)，這些聲腔模態(tài)的存在使其無法形成較好的混響場[12]，從而導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確，與圖6呈現(xiàn)的結(jié)果也相吻合；315 Hz～1 250 Hz頻段，吸聲系數(shù)隨頻率的增加而遞增，在1 250 Hz時達(dá)到0.33，隨后，吸聲系數(shù)隨頻率的變化較小，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，該趨勢與典型吸聲系數(shù)隨頻率的變化趨勢吻合，表明在315 Hz以上的頻段，本方法可行。

圖5 1 000 Hz時第1個配置的第1個傳聲器的測量信號的平均衰減曲線

圖6 第1個配置各個傳聲器測得的混響時間譜

3 結(jié)語

本文提出了基于賽賓原理的車內(nèi)平均吸聲系數(shù)現(xiàn)場測量方法，進(jìn)行了某轎車車內(nèi)平均吸聲系數(shù)的現(xiàn)場測量試驗，取得的主要結(jié)論如下：

提出的基于賽賓原理的車內(nèi)平均吸聲系數(shù)現(xiàn)場測量方法能夠有效測量汽車內(nèi)飾的平均吸聲系數(shù)，該方法不僅有效可行，而且簡單方便，成本低，具有較高的工程應(yīng)用價值；

圖7 平均混響時間譜

圖8 吸聲系數(shù)隨頻率的變化曲線

針對某轎車的測量試驗結(jié)果表明：中高頻段該轎車的車內(nèi)平均吸聲系數(shù)約為0.33。為評價分析該轎車內(nèi)飾的聲學(xué)性能提供依據(jù)。

[1]ISO 354-2003,Acoustics-measurement of sound absorption in a reverberation room[S].

[2]GBJ47-1983,混響室法吸聲系數(shù)測量規(guī)范[S].

[3]ISO10534.1-1996,Acoustics-determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes-Part 1:Method using standing wave ratio[S].

[4]GB/T 18696.1-2004,聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量第1部分：駐波比法[S].

[5]ISO10534.2-1998,Acoustics-determ ination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes-Part 2:Transfer function method[S].

[6]GB/T 18696.2-2002,聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量第2部分：傳遞函數(shù)法[S].

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In-situ Measurement of Average Sound Absorption Coefficients in Cars Based on Sabin Principle

ZHANG Jin-yuan1,YUAN M iao-da1,YANG Yang1,CHU Zhi-gang2

(1.Faculty of Vehicle Engineering,Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120,China; 2.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

To effectively measure the average sound absorption coefficient of the interior trim materials of cars and accurately evaluate their acoustical performance inside the car,an in-situ measurement method of the average sound absorption coefficients based on Sabin principle is proposed.The corresponding process for measurement and calculation is given in detail.The measurement result of a car testing shows that this method is effective and practical,and the average sound absorption coefficient,approximately 0.33,in the car holds steady in the frequency range above 1 250 Hz.This work provides a method for acoustical performance evaluation and analysis of the interior trim materials of cars.

acoustics;Sabin principle;average sound absorption coefficient in car;in-suit measurement

TB52；U467.1

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.045

1006-1355(2014)01-0201-04

2013-03-13

張晉源（1981-），男，碩士，講師，主要從事汽車振動噪聲及故障檢測方面的研究工作。

E-mail:jyzhang25@163.com

褚志剛，博士，副教授。

E-mail:zgchu@cqu.edu.cn