消聲室的尖劈吸聲結(jié)構(gòu)與自由場

何鷺鳳

（廈門嘉達(dá)聲學(xué)技術(shù)有限公司，福建 廈門 361009）

消聲室的尖劈吸聲結(jié)構(gòu)與自由場

何鷺鳳

（廈門嘉達(dá)聲學(xué)技術(shù)有限公司，福建 廈門 361009）

消聲室的吸聲結(jié)構(gòu)對自由聲場的形成至關(guān)重要。文章對目前消聲室普遍使用的尖劈吸聲結(jié)構(gòu)的長度、平頭設(shè)置、填充的吸聲材料、護(hù)面層對吸聲特性以及自由聲場的影響進(jìn)行了討論。

消聲室；尖劈吸聲結(jié)構(gòu)；平頭尖劈；自由聲場半徑

為了準(zhǔn)確地測量出聲源的特性，應(yīng)該把聲源放在一個沒有干擾的理想空間中。在這個空間中，傳播聲波的介質(zhì)均勻地向各個方向無限延伸，使聲源輻射的聲波能“自由”地傳播，既無障礙物的反射，也無環(huán)境噪聲的干擾，這樣的空間，稱為“自由聲場”。

由于消聲室的空間容積有限，通過在消聲室界面設(shè)置強(qiáng)吸聲材料，吸收入射聲波，形成局部無反射的空間，該空間即所謂的自由場空間。由于點(diǎn)聲源的聲波是以球形波的形式傳播，在傳播過程中球形波的任何反射都將破壞該自由場，所謂的自由場半徑指的是在此半徑內(nèi)沒有任何的反射存在。自由場半徑是用于衡量自由場空間大小的指標(biāo)。

1 尖劈吸聲結(jié)構(gòu)分析

1.1 尖劈狀吸聲結(jié)構(gòu)

尖劈狀吸聲結(jié)構(gòu)是一種用于消聲室的特殊吸聲結(jié)構(gòu)。通常可分為尖部和基部兩部分。安裝時在尖壁和壁面之間留有空氣層。其結(jié)構(gòu)是用直徑3.2～3.5mm的鋼絲制成一定形狀和尺寸的骨架，外面套上玻纖布、塑料窗紗等罩面材料，里面裝以多孔材料，如玻璃棉氈、玻璃纖維、礦渣棉、泡沫塑料等。

由于尖劈吸聲結(jié)構(gòu)有多個吸聲表面。在投影面積相同的情況下，有效的吸聲面積＞2倍，加上聲波的衍射作用，大大提高了有效吸聲面積。即使吸聲材料的中高頻吸聲系數(shù)較低，也容易滿足中高頻有效吸聲系數(shù)≥0.99的要求。尖劈吸聲系統(tǒng)從頂部到底部逐漸增大的結(jié)構(gòu)，

在滿足較大的吸聲面積的同時實(shí)現(xiàn)了與空氣阻抗的匹配（即逐漸過渡理論），從而滿足對低頻的有效吸收。

一般認(rèn)為，當(dāng)吸聲材料出現(xiàn)在聲波波峰位置（1/4波長）的時候，將會出現(xiàn)最大的吸收率（≥0.99%）。尖劈的聲學(xué)特性常用聲壓反射系數(shù)表示，反射系數(shù)≤0.1時（吸聲系數(shù)≥0.99）所對應(yīng)的最低頻率，稱為截止頻率。

1.2 尖劈長度對吸聲特性的影響

尖劈吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲特性主要取決于尖劈的長度和形狀，尖劈的長度L決定了截止頻率，通常尖劈的長度不小于對應(yīng)截止頻率的1/4波長；尖劈尖部（即L1部分）越長，尖劈低頻吸聲性能越好；尖劈基部（即L2部分）主要對低頻（小于200Hz）的吸收起很大影響，對高頻吸收則很小；尖劈背后留有空腔，相當(dāng)于增加尖劈長度，可調(diào)整共振頻率，提高低頻吸收特性，一般取尖劈總長度的5%～25%。

1.3 填充材料對吸聲特性的影響

改變材料的容重可以間接控制材料內(nèi)部微孔尺寸。一般來講，多孔吸聲材料容重的適當(dāng)增加，意味著微孔的減少，能使低頻吸聲效果有所提高，但中高頻吸聲性能卻可能下降。由于尖劈吸聲結(jié)構(gòu)的中高頻吸聲性能比較容易滿足，所以，適當(dāng)增加填充材料的容重，在不影響中高頻吸聲性能的前提下，可以進(jìn)一步提高低頻吸聲效果。

1.4 護(hù)面材料對吸聲特性的影響

1.4.1 纖維織物面層材料

纖維織物層也是吸聲材料，當(dāng)纖維織物面層的流阻較低時，可以提高中高頻吸聲性能。同時，基本上對吸聲特性不構(gòu)成影響。但同時存在纖維織物的防火等級較低，容易滯留灰塵，不利于保持尖劈吸聲結(jié)構(gòu)的整潔美觀的不足。

1.4.2 耐候薄膜面層材料

耐候薄膜具不透氣、柔軟、受張拉時有彈性等材料作為護(hù)面材料，具有防止多孔吸聲散落的功能。但相當(dāng)于在材料表面上加了一層高流阻的材料，將會影響材料的中高頻吸聲特性。同時，具有一定的低頻共振吸聲作用。程度與薄膜的厚度密切相關(guān)，厚度越大影響越大。當(dāng)耐候薄膜厚度≤0.01mm時，則對吸聲特性影響不大。

1.4.3 穿孔板面層材料

一般認(rèn)為穿孔板的穿孔率＞25%時，對多孔材料起保護(hù)支撐和裝飾作用，對多孔吸聲材料的吸聲性能基本不影響；穿孔率＜20%時，它仍然具有聲阻和吸聲質(zhì)量，由于高頻聲波的繞射作用較弱，因此高頻吸聲效果會受到一定影響。同時，具有一定的低頻共振吸聲作用；穿孔率＜10%時，會降低高頻段吸聲性能，提高低頻段吸聲性能，具有低頻共振吸聲作用。

2 平頭尖劈的討論

采用平頭尖劈的設(shè)計，由于可以增加消聲室的室內(nèi)有效空間，在工程實(shí)踐上應(yīng)用非常廣泛。

2.1 平頭尖劈的影響

一般認(rèn)為將尖劈被切成平頭，對低頻吸聲影響較小，對中高頻稍有影響。將尖劈尖部切去一段（尖部長度的5%～20%），變成平尖頭，截止頻率以上的反射系數(shù)仍不超過0.1，對吸聲效果的影響不是很大。當(dāng)然，如果切掉的部分超過20%，反射系數(shù)就可能超過0.1。

2.2 尖劈吸聲結(jié)構(gòu)的安裝方式

目前的消聲室，一般設(shè)置成立方體結(jié)構(gòu)。在四面墻體及頂棚、地面平行均滿鋪裝尖劈吸聲結(jié)構(gòu)。尖劈吸聲結(jié)構(gòu)的尖部垂直于安裝面。在消聲室中測量時，無論聲源的位置位于消聲室的某位置，聲源發(fā)射的聲波相對于絕大多數(shù)尖劈吸聲結(jié)構(gòu)而言，并非處于正入射狀態(tài)。

2.3 問題的提出

聲波的斜射狀態(tài)對理想的尖劈結(jié)構(gòu)聲阻逐漸加大的設(shè)想是否產(chǎn)生影響。斜射狀態(tài)的尖劈吸聲結(jié)構(gòu)與正入射狀態(tài)下的吸聲效果是否有所差異。

相比尖劈的平頭設(shè)置，部分尖劈的劈峰側(cè)面正對著聲源，反射面遠(yuǎn)大于尖劈的平頭。如果該反射系數(shù)≥0.1時，是否會更多地影響到自由聲場范圍的允許誤差，影響到消聲室自由聲場的檢測精度。如果均不影響，是否系因?yàn)榧馀鼱钗暯Y(jié)構(gòu)的多個吸聲面（有效吸聲面積＞2）共同作用的結(jié)果。如是，可否理解為有效吸聲面積的作用大于吸聲結(jié)構(gòu)造型。

3 關(guān)于自由場半徑

3.1 自由場

自由場是指聲波在無限大空間里傳播時，不存在任何反射體和反射面。消聲室的六個界面全鋪吸聲材料的，稱為全消室。消聲室的六個界面中有五個面鋪吸聲材料的，稱為半消室。由于消聲室的空間容積有限，通過在消聲室界面設(shè)置強(qiáng)吸聲材料，吸收入射聲波，形成局部無反射的空間，該空間即所謂的自由場空間。由于點(diǎn)聲源的聲波是以球形波的形式傳播，在傳播過程中球形波的任何反射都將破壞該自由場，所謂的自由場半徑指的是在此半徑內(nèi)沒有任何的反射存在。消聲室的主要功能是為聲學(xué)測試提供一個自由場空間或半自由場空間。

3.2 自由場半徑的確定

自由場半徑是用于衡量自由場大小的指標(biāo)，自由場半徑取決于反射聲波的影響。在理想狀態(tài)下，消聲室內(nèi)尖劈結(jié)構(gòu)的劈峰均正對著聲源方向，尖劈結(jié)構(gòu)反射系數(shù)≤0.1時，聲源中心點(diǎn)到尖劈劈峰的距離應(yīng)是自由場半徑。

3.3 影響自由場半徑的主要因素

由于安裝方式的局限，絕大部分尖劈結(jié)構(gòu)是以各種角度的反射面正對著聲源方向，尖劈結(jié)構(gòu)的反射面并未完全吸收入射聲波，形成反射的影響。因此，自由場半徑應(yīng)從聲源中心點(diǎn)到離尖劈結(jié)構(gòu)反射面有一定距離，反射面對聲源的入射聲波的吸收越接近100%，自由場半徑越接近從聲源中心點(diǎn)到最近尖劈結(jié)構(gòu)的距離。

附屬設(shè)施、燈具、控制面板的反射聲波也會對自由場半徑產(chǎn)生影響。自由場半徑受消聲室相對最小的二個界面的制約。當(dāng)聲源的等效聲中心或接收器高出地面較多時，聲反射的影響使聲場嚴(yán)重偏離自由場，這種現(xiàn)象在頻率高時更為顯著，因此半消聲室存在高頻限。

3.4 相關(guān)表述

關(guān)于“自由場半徑應(yīng)從聲源中心點(diǎn)到離尖劈1m的距離”的表述，系業(yè)內(nèi)的一種參考值的一般說法，并非準(zhǔn)確的科學(xué)表述。應(yīng)當(dāng)有個值域范圍，該值域范圍與消聲室結(jié)構(gòu)，尖劈結(jié)構(gòu)的造型，反射面的吸聲系數(shù)，總有效吸聲面積比例密切相關(guān)。最終的自由場半徑應(yīng)以檢測數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

4 結(jié)語

消聲室不僅是聲學(xué)測試的一個特殊實(shí)驗(yàn)室，而且是測試系統(tǒng)的重要組成部分，實(shí)際上也是聲學(xué)測試設(shè)備之一，其聲學(xué)性能指標(biāo)直接影響測試的精度。消聲室吸聲層的設(shè)計在很大程度上對于消聲室的自由聲場性能起著決定性的作用。

[1]孫廣榮，胡春年，吳啟學(xué).消聲室和混響室的聲學(xué)設(shè)計原理[M].北京：科學(xué)出版社，1981.

[2]宋繼萍.多孔材料背后空腔與低頻吸聲效果討論[J].噪聲與振動控制，2015（12）SI.

Wedge Noise Absorber and Free Field of Anechoic Chamber

HE Lu-feng
(Xiamen Jiada Acoustic Technology Co., Ltd, Fujian Xiamen 361009, China)

The noise absorber of anechoic chamber is very important to the form of free sound field. The paper discusses the length, tack setup, filling noise absorption, noise absorption characteristic of shield layer and the effect of free sound field on wedge noise absorber used in the anechoic chamber.

anechoic chamber; wedge noise absorber; tack wedge; semi-diameter of free sound field

TB53

A

1006-5377（2017）06-0068-03