反射法現(xiàn)場吸聲系數(shù)測量裝置

謝榮基，萬宇鵬，桂　桂

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

反射法現(xiàn)場吸聲系數(shù)測量裝置

謝榮基，萬宇鵬，桂桂

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

因現(xiàn)有的材料吸聲系數(shù)測量方法無法對現(xiàn)場材料安裝后的吸聲系數(shù)進行測量，該文通過對現(xiàn)場吸聲系數(shù)測量方法的研究，以反射法為基礎(chǔ)，結(jié)合時選窗技術(shù)和波形消除技術(shù)，研制一套測量現(xiàn)場吸聲系數(shù)的裝置。使用研制的測量裝置對樣品進行測量，測量結(jié)果與駐波管測量結(jié)果等進行比較，驗證所研制系統(tǒng)進行現(xiàn)場吸聲系數(shù)快速測量的有效性。

吸聲系數(shù)；現(xiàn)場測量；脈沖反射法；時選窗技術(shù)

0　引　言

吸聲系數(shù)作為降噪材料性能評價的重要指標，廣泛應(yīng)用于降噪工程以及建筑聲學(xué)工程項目中。目前，關(guān)于吸聲系數(shù)測量的標準方法有混響室法和駐波管法?；祉懯液妥杩构軠y量吸聲系數(shù)的方法均為實驗室法，實際使用時由于被測試件安裝方式、試件結(jié)構(gòu)尺寸等與實驗室測試試樣有較大出入[1-3]。因此，進行現(xiàn)場吸聲系數(shù)測量方法的研究具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)外對現(xiàn)場吸聲系數(shù)測量的研究主要有以下方向：反射法、聲強法、傳遞函數(shù)法等。其中，傳遞函數(shù)法已經(jīng)研制出測量裝置，但由于對被測試樣的限制要求使得該方法在現(xiàn)場測量中使用并不方便。聲強法對測量裝置要求較高，尤其對測量聲強的傳感器組要求較高。反射法測量現(xiàn)場吸聲系數(shù)，方法原理簡單，但對測試環(huán)境的背景噪聲和脈沖聲信號分離有較高的要求[4-5]。由于反射法對測量硬件裝置的要求較低，同時測量方法原理成熟；因此，本文結(jié)合脈沖聲技術(shù)、時間窗技術(shù)和波形消除技術(shù)進行了吸聲系數(shù)現(xiàn)場測量系統(tǒng)裝置的研究。

1　現(xiàn)場吸聲系數(shù)測量

1.1脈沖反射法

在空間聲反射實驗中，具有340m/s速度的聲波在短時間內(nèi)可以到達包括待測樣品和周圍環(huán)境在內(nèi)的所有區(qū)域并形成多次反射。因此，待測表面的反射信號很容易被其它反射波污染，且往往難以從入射信號中分離出來。所以，現(xiàn)場測量大多選擇時間與空間延續(xù)短暫、便于信號記錄的脈沖信號。而且，脈沖信號包含著豐富的頻率成份，可以同時獲得較寬頻帶范圍的待測物理量。因此，本文采用脈沖聲作為反射法測量吸聲系數(shù)的聲源信號。脈沖反射法的測量原理中脈沖響應(yīng)由直達聲、反射聲和背景噪聲組成[6]，如下式所示：

式中：hm（t）——系統(tǒng)脈沖響應(yīng)；

hi（t）——直達聲脈沖響應(yīng)；

rp（t）——試件反射因子；

hn（t）——背景噪聲脈沖響應(yīng)；

Kr——直接脈沖和反射脈沖之間的路徑長度

射脈沖聲距離；

Δτ——聲音從聲源到試件產(chǎn)生的延遲時間，

1.2時選窗技術(shù)

采用脈沖反射法測量得到吸聲系數(shù)，需要從測量到的脈沖響應(yīng)中分離出直達脈沖聲、反射脈沖聲并消除背景噪聲。因此，本文在脈沖反射法的基礎(chǔ)上采用了時間窗技術(shù)對測量到的脈沖響應(yīng)進行信號分離。

由于直達聲和反射聲信號的聲程差Kr很小，直達聲和反射聲信號在時域上的間隔也非常小，直接對脈沖響應(yīng)信號添加時間窗將無法有效分離直達聲和脈沖聲。因此，首先采用時間窗技術(shù)將背景噪聲去除，獲得直達聲與反射聲信號之和。再通過在自由場獲得的直達聲參考信號將直達聲信號消除，這樣便獲得反射脈沖聲。通過反射脈沖聲和總脈沖響應(yīng)便可計算得到吸聲系數(shù)。對脈沖響應(yīng)信號添加時間窗的原理如圖1所示。

圖1　時間窗技術(shù)

1.3波形消除技術(shù)

測量得到的脈沖響應(yīng)信號中噪聲分量可以通過多次測量消除，同時通過箱體聲源增大信噪比消除背景噪聲影響，尤其提高聲源在低頻段信噪比。而直達脈沖聲和反射脈沖聲的分離則采用波形消除完成[7]，波形消除的原理如圖2所示。將現(xiàn)場測得的脈沖響應(yīng)與自由聲場中測得的直達聲參考信號相減得到圖2（d）反射脈沖聲信號，入射聲波和反射聲波得到有效的分離。

圖2　波形消除原理

1.4吸聲系數(shù)計算

通過加時間窗和波形消除對傳聲器測量到的脈沖信號進行處理，利用處理后的信號進行吸聲系數(shù)的計算，如下式[8-9]所示：

式中：Rp（f）——被測試件反射因子；

Kr——空間因子；

Pr（f）——反射聲頻譜；

Pi（f）——直達聲頻譜。

2　測量裝置組成

根據(jù)反射法現(xiàn)場測量吸聲系數(shù)的測量原理，對整個測量裝置進行硬件設(shè)計，如圖3所示。整個裝置由測試計算機、信號采集輸出控制器、功率放大器、揚聲器、測量傳聲器組成。測試時測量傳聲器位于聲源和被測表面之間，由計算機控制揚聲器發(fā)出的脈沖聲信號先經(jīng)過測量傳聲器位置，然后到達試件表面，一部分被試件吸收，另一部分反射回到傳聲器位置。傳聲器對由直達聲和反射聲構(gòu)成的脈沖信號進行采集，經(jīng)前置放大器放大后輸入信號采集處理控制器。最后通過計算機對信號采集處理控制器獲取的信號進行計算，得到吸聲系數(shù)。

圖3　測試裝置原理示意圖

測量裝置的軟件在LabVIEW平臺上編程完成，系統(tǒng)軟件測試頻率范圍、溫度、濕度和測量距離都可以根據(jù)實際情況進行參數(shù)設(shè)置，然后根據(jù)脈沖反射法的原理，對被測信號進行處理并計算得出吸聲系數(shù)。

整個系統(tǒng)在測量時，首先在自由場條件下測量得到參考脈沖信號，用于在實際測量中進行直達聲脈沖波形相減的計算。圖4是測量自由場條件下得到的直達聲參考脈沖信號。通過測量被測試樣，得到直達聲與反射聲脈沖信號和，如圖5所示。通過圖4、圖5測量得到的脈沖信號計算出吸聲系數(shù)。

圖4　自由場參考脈沖信號

圖5　直達脈沖和反射脈沖聲信號

3　測量結(jié)果比較

分別采用混響室、駐波管和本文的現(xiàn)場測量裝置對50 mm厚度，密度8.2 kg/m3的密胺海綿進行吸聲系數(shù)測量。

混響室法測試吸聲系數(shù)依據(jù)國家標準GB/T 20247——2006《聲學(xué) 混響室吸聲測量》[2]，將11 m2密胺海綿平鋪放置于約200m3混響室內(nèi)進行測量。

阻抗管測量吸聲系數(shù)依據(jù)國家標準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》[3]進行測量。測量時，將50mm厚度的密胺海綿分別加工為直徑100mm和直徑30mm的被測試樣放置于丹麥B&K駐波管4206內(nèi)進行測量[10]。

本文研制的現(xiàn)場吸聲系數(shù)測量裝置，在4.8m× 5.1 m×2.8 m的普通房間內(nèi)對尺寸為1.2 m×1.6 m的密胺海綿進行測量，測量時分別將被測試樣按照現(xiàn)場實際使用情況緊密粘貼在墻上和平鋪于地面上。圖6所示為使用研制的現(xiàn)場吸聲系數(shù)測量裝置對墻面被測試樣進行現(xiàn)場測試。測量時，傳聲器與被測樣品表面距離為0.25 m，聲源與被測樣品表面距離為1.25m。

3種方法測量結(jié)果如表1和圖7所示，比較可以發(fā)現(xiàn)：采用脈沖反射法進行現(xiàn)場測量時，同一被測樣品安裝在墻面和地面的測量結(jié)果有較好一致性；測量結(jié)果同阻抗管測量結(jié)果比較也具有較好的一致性?；祉懯曳y量結(jié)果存在明顯差異，這是由于混響室法的邊界效應(yīng)等因素造成的。

表1　吸聲系數(shù)測量結(jié)果比較

圖6　現(xiàn)場測量示意圖

圖7　吸聲系數(shù)測量結(jié)果比較

在400 Hz以下頻率使用研制的現(xiàn)場吸聲系數(shù)測量裝置對被測樣品進行測試時，測量結(jié)果明顯偏大。這是由于脈沖反射法假設(shè)測量時從被測樣品表面反射回平面波；實際測量中，由于被測樣品尺寸、聲源指向性等的影響，從測量面上反射回的由球面波近似過來的平面波。因此，測量到的反射脈沖信號在低頻段小于真實值，導(dǎo)致吸聲系數(shù)計算結(jié)果偏高。而在高頻段，反射波更類似于平面波，吸聲系數(shù)測量結(jié)果與真實值一致性更好。

根據(jù)吸聲系數(shù)現(xiàn)場測量裝置的測量結(jié)果，需要進一步研究，包括不同頻率下該裝置所需要的被測試樣最小面積，測量傳聲器與被測樣品表面距離對測試結(jié)果準確性的影響，以及聲源的指向性特征要求等方面。同時，對不同材料（如局部反應(yīng)材料以及非局部反應(yīng)材料等）測量結(jié)果的有效性仍需要進一步研究。

4　結(jié)束語

本文利用反射法原理進行吸聲系數(shù)現(xiàn)場測量裝置的研究，采用脈沖聲信號作為聲源信號，結(jié)合時間窗技術(shù)和波形消除技術(shù)，完成了一套吸聲系數(shù)現(xiàn)場測量裝置。使用所研制的裝置對同一樣品進行不同環(huán)境下吸聲系數(shù)進行現(xiàn)場測量，并將測試結(jié)果同現(xiàn)有實驗室方法測試結(jié)果進行比較。結(jié)果表明該測量裝置具有較強的現(xiàn)場適用性，能夠?qū)Σ煌瑘鏊恢玫牟牧衔曄禂?shù)性能進行現(xiàn)場測試，解決了實驗室吸聲系數(shù)測量對被測樣品的規(guī)格尺寸限制要求，并能有效減少材料因?qū)嶒炇覝y試樣品與現(xiàn)場實際使用差異造成吸聲系數(shù)不一致的問題。

[1]陳克安，曾向陽，李海英.聲學(xué)測量[M].北京：科學(xué)出版社，2005：142-144.

[2]聲學(xué)混響室吸聲測量：GB/T 20247——2006[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3]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：GB/T 18696.2——2002[S].北京：中國標準出版社，2006.

[4]匡正，葉超，吳鳴，等.一種現(xiàn)場測量材料吸聲特性的新方法[J].聲學(xué)學(xué)報，2010，3（2）：162-168.

[5]匡正，楊軍.現(xiàn)場測量吸聲系數(shù)方法概述[J].聲頻工程，2011，35（1）：8-10.

[6]Acoustics-Measurement of sound absorption properties of road surfaces in situ-Part 2:Spot method for reflective surfaces：BS ISO 13472-2[S].British Standards Institution，2010.

[7]Acoustics-Measurement of sound absorption properties of road surfaces in situ-Part 1：Extended surface method：ISO/FDIS 13472-1[S].ISO，2002.

[8]GARAI M.Measurement of the sound-absorption coefficient in situ:the refection method using periodic pseudo-random sequences of maximum length[J].Appl A-coust，1993（39）：119-139.

[9]LANOYE R，VERMEIR G，LAURIKS W.Measuring the free field acoustic impedance and absorption coefficientofsoundabsorbingmaterialswithacombined particle velocity-pressure sensor[J].J Acoust Soc Am，2006，119（5）：2826-2831.

[10]Acoustics-Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes-Part2 transfer functionmethod：ISO 10534-2[S].ISO，1998.

（編輯：劉楊）

On-site sound absorption coefficient measuring system based on reflection method

XIE Rongji，WAN Yupeng，GUI Gui
（National Institution of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

The exiting Acoustical coefficients methods cannot be used to measure actual acoustic absorptivity after materials are installed on site.An on-site measuring device is developed on the basisofsoundreflectionmethod，alongwithtime-selectivewindowtechnologyandwave elimination technology.This new device is used to test samples.It shows that this new device is more efficient compared to the laboratory test methods mentioned above.

sound absorption coefficient；field measurement；pulse reflection method；timeselective window technology

A

1674-5124（2016）03-0077-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.018

2015-10-10；

2015-12-25

謝榮基（1984-），男，重慶市人，工程師，主要從事聲學(xué)研究工作。