消聲室自由場(chǎng)的鑒定

吳云 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

消聲室自由場(chǎng)的鑒定

吳云 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

在聲學(xué)理論知識(shí)及相關(guān)技術(shù)文件的基礎(chǔ)上，全面闡述了消聲室的鑒定過(guò)程，提出了一種有別于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的新的消聲室內(nèi)自由聲場(chǎng)理論聲壓級(jí)的計(jì)算方法。根據(jù)這一方法，對(duì)選取的全消聲室進(jìn)行了鑒定試驗(yàn)，給出了具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果中的不理想數(shù)據(jù)作出分析。

消聲室；自由聲場(chǎng)；聲壓級(jí)；下限頻率；吸聲

0 引言

GB/T 6882-2008 《聲學(xué) 聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí) 消聲室和半消聲室精密法》附錄A和JJF 1147-2006《消聲室和半消聲室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范》是目前國(guó)內(nèi)技術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)消聲室進(jìn)行聲學(xué)特性鑒定的主要技術(shù)依據(jù)。本質(zhì)上，這兩個(gè)技術(shù)法規(guī)都是對(duì)ISO標(biāo)準(zhǔn)ISO 3745-2003《Acoustics-Determination of sound power levels of noise sources using sound pressure-Precision methods for anechoic and hemianechoic rooms》的國(guó)內(nèi)解讀。消聲室、半消聲室的鑒定主要是對(duì)其背景噪聲的測(cè)量和自由聲場(chǎng)頻率范圍和空間范圍的測(cè)量，其中，背景噪聲的測(cè)量較為簡(jiǎn)單，主要是在用戶所需要的工況下對(duì)消聲室的內(nèi)部噪聲進(jìn)行測(cè)量，在此不做進(jìn)一步討論。本文主要對(duì)消聲室、半消聲室的自由聲場(chǎng)頻率范圍和空間范圍測(cè)量進(jìn)行闡述。涉及的主要測(cè)量裝置如圖1、圖2所示。

圖1 消聲室自由聲場(chǎng)頻率范圍和空間范圍的測(cè)量裝置

圖2 半消聲室自由聲場(chǎng)頻率范圍和空間范圍的測(cè)量裝置

1 鑒定過(guò)程

鑒定過(guò)程主要是使傳聲器沿某一聲源（對(duì)于消聲室，一般要求聲源假定的聲中心盡可能位于房間的幾何中心；對(duì)于半消聲室，則盡可能使聲源假定的聲中心位于房間反射面的中心）至房間特定位置（如兩面墻和天花板或底面的相交處）的路徑移動(dòng)，聲源選擇隨機(jī)噪聲或正弦信號(hào)輸出，在相應(yīng)頻率范圍內(nèi)，測(cè)量在路徑上各個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)（測(cè)點(diǎn)之間要求距離相等并間距不大于10 cm，每條路徑上測(cè)點(diǎn)不小于10個(gè)）。

以上自由聲場(chǎng)頻率范圍和空間范圍的測(cè)量方法，其核心內(nèi)容都是確定通過(guò)測(cè)量消聲室聲場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的聲壓級(jí)以確定聲波在消聲室內(nèi)的傳播是否符合自由場(chǎng)內(nèi)的傳播規(guī)律，但在理論聲壓級(jí)的計(jì)算上，國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用的公式如式（1）所示。

式中：qi= 10-0.05Lpi；

Lpi——第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)；

ri——聲源假定聲中心到測(cè)量點(diǎn)的距離；

N——沿每個(gè)傳聲器路徑的測(cè)量點(diǎn)數(shù)目

r0是沿傳聲器移動(dòng)軸線的聲中心的補(bǔ)償，這是聲源實(shí)際聲中心與假定聲中心之間相差的距離，由式（2）給出。

很容易得出，在現(xiàn)行國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中，自由聲場(chǎng)的理論值即反平方律聲壓級(jí)本質(zhì)上是對(duì)已測(cè)得數(shù)據(jù)的擬合，并未實(shí)際反應(yīng)聲波在自由場(chǎng)中衰減的物理規(guī)律，與其稱為理論聲壓級(jí)，不如稱之為理論擬合值，即假定測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)能較好地反映自由聲場(chǎng)規(guī)律，再反推是否每個(gè)數(shù)據(jù)均符合，這一計(jì)算方式在測(cè)點(diǎn)較多的情況下能較好地反映消聲室內(nèi)部聲場(chǎng)狀態(tài)，從原理上考慮，甚至無(wú)需嚴(yán)格遵守等距取點(diǎn)的原則，但實(shí)際測(cè)量中必須保證足夠多的測(cè)點(diǎn)才能擬合出較為準(zhǔn)確的曲線來(lái)計(jì)算理論值。這意味著在完成每個(gè)測(cè)量頻率點(diǎn)整個(gè)或大部分的數(shù)據(jù)測(cè)量之前，無(wú)法確定已完成的測(cè)點(diǎn)是否符合自由聲場(chǎng)的規(guī)律。因此在實(shí)際操作中，完全可以采用另一種方法，即在測(cè)量前確定各點(diǎn)的理論值。

理論上，自由聲場(chǎng)內(nèi)的聲場(chǎng)應(yīng)滿足：

式中：r——測(cè)點(diǎn)到聲中心的距離；

p——測(cè)點(diǎn)的聲壓；

A——與聲源聲功率有關(guān)的常量

即自由聲場(chǎng)的理論聲壓級(jí)應(yīng)為一條形狀與-20lgr相同的對(duì)數(shù)曲線，該對(duì)數(shù)曲線隨聲源的聲功率特性不同在坐標(biāo)軸上上下移動(dòng)。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)消聲室鑒定方面的權(quán)威機(jī)構(gòu)如中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院和南京大學(xué)采取的均是用透明材料制作出能反映-20lgr曲線特征的模板，測(cè)量時(shí)將此曲線與多個(gè)測(cè)量點(diǎn)構(gòu)成的實(shí)際測(cè)量曲線對(duì)比，通過(guò)模板的上下移動(dòng)確定合適的lgA的位置。近年來(lái)各大科研院所開(kāi)始開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)化的測(cè)量系統(tǒng)，基本原理依然是與相應(yīng)對(duì)數(shù)曲線對(duì)比。

從理論上說(shuō)，上面的方法在選取了某一參照點(diǎn)之后可以方便計(jì)算另一點(diǎn)的理論聲壓級(jí)。如距聲中心50 cm處聲壓級(jí)為95.0 dB，85 cm處的聲壓級(jí)與50 cm相比，衰減量應(yīng)為，故85 cm處理論聲壓級(jí)應(yīng)為90.4 dB。但不可忽略的是，所謂的聲中心往往不像很多人想象的一樣，位于聲源振膜的中心等位置。采用國(guó)標(biāo)推薦的方法可以通過(guò)大量數(shù)據(jù)的擬合修正聲中心的位置，但如果想及時(shí)知道某一個(gè)測(cè)點(diǎn)是否超差，則有必要在測(cè)量之前確定聲中心的位置，以確定準(zhǔn)確的傳聲器距聲中心距離r。南京大學(xué)孫廣榮、胡春年、吳啟學(xué)三位教授提出了兩種通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的方法：在消聲室中距聲源較近的位置（確保能認(rèn)定為理想自由場(chǎng)，但聲源的反射不致破壞自由場(chǎng)效果）選取距紙盆中心r1和r2的位置分別測(cè)量聲壓級(jí)，有：

式中：Δr——紙盆中心到實(shí)際聲中心的距離

從相應(yīng)數(shù)據(jù)即可求出Δr的值。為確保數(shù)據(jù)可靠，建議做多次測(cè)量求平均值。但需注意的是，在各個(gè)頻點(diǎn)，聲源的聲中心是變化的。得出Δr的準(zhǔn)確值則可確定聲中心的實(shí)際位置，這樣對(duì)于每一個(gè)測(cè)點(diǎn)，r的準(zhǔn)確值已知，根據(jù)任一可靠測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，就可以方便計(jì)算出任一位置的聲壓級(jí)。

2 自由聲場(chǎng)的鑒定實(shí)例

江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院的半消聲室（見(jiàn)圖3）采用尖劈和空腔的吸聲結(jié)構(gòu)。吸聲尖劈為雙尖結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度1.50 m。后空腔0.20 m，安裝尖劈后消聲室凈空間為8.00 m×6.00 m×8.60 m （地網(wǎng)以上5.40 m）。

2.1 鑒定設(shè)備

1）B&K 3560型多通道聲分析儀；

2）B&K 4190型傳聲器單元；

3）BSWA PA50型功率放大器；

4）低中頻揚(yáng)聲器、高頻揚(yáng)聲器。

圖3 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院的消聲室

2.2 測(cè)試路徑

如圖4所示，以測(cè)試方向OA為例，原點(diǎn)O位于地網(wǎng)中心以上0.85 m，A點(diǎn)高度為1.35 m，使用50 Hz～20 kHz的1/3倍頻程中心頻率正弦信號(hào)，從聲源表面中心0.5 m開(kāi)始，沿傳聲器路徑以0.1 m步進(jìn)測(cè)量聲壓級(jí)，以50 Hz及16 000 Hz OA向的部分?jǐn)?shù)據(jù)為例（通過(guò)調(diào)節(jié)聲源及功率反放大器，使得距聲源中心距離50 cm時(shí)測(cè)得的相應(yīng)聲壓級(jí)為100 dB）。

圖4 測(cè)試路徑

2.3 結(jié)果分析

實(shí)際測(cè)量中，在確定了初始點(diǎn)的值后（表1為50 cm點(diǎn)），如采取逐點(diǎn)測(cè)量的方法，完全可以在測(cè)量過(guò)程中即時(shí)計(jì)算各點(diǎn)的理論值，以隨時(shí)確定數(shù)據(jù)是否超差。但這一方法帶來(lái)的問(wèn)題是，初始點(diǎn)測(cè)量的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性至關(guān)重要，建議采取多次測(cè)量。

表1 自由聲場(chǎng)鑒定數(shù)據(jù)

測(cè)量過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，測(cè)試線OA上在16 000 Hz點(diǎn)上，自由場(chǎng)空間較其他頻率有明顯差異。經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)可知，在測(cè)試線OA上，臨近測(cè)試線的支架對(duì)16 000 Hz純音的傳播造成了較大影響。加密測(cè)點(diǎn)重點(diǎn)測(cè)量支架附近的聲場(chǎng)偏差，由測(cè)量數(shù)據(jù)可知，在支架附近（3.20～3.30 m處）自由聲場(chǎng)超差，但遠(yuǎn)離支架后，數(shù)據(jù)又恢復(fù)正常。因此消聲室測(cè)量中如出現(xiàn)明顯點(diǎn)，往往需要鑒定人員尋找誤差原因，確定是由于測(cè)量傳感器、傳聲器路徑、揚(yáng)聲器等造成的測(cè)量誤差還是由于消聲室室內(nèi)如梁、通風(fēng)口、燈具等造成的聲場(chǎng)固有誤差。在消聲室的設(shè)計(jì)中，這些位置都是需要重點(diǎn)考慮的，必要時(shí)需要額外加以聲學(xué)處理。

3 結(jié)語(yǔ)

消聲室是近年來(lái)快速發(fā)展的一種聲學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，本文就其鑒定提出了一些見(jiàn)解。與傳統(tǒng)方法相比，本文提出的方法其優(yōu)勢(shì)在于能較早發(fā)現(xiàn)聲場(chǎng)中的超差點(diǎn)。但為了更好地應(yīng)用到實(shí)際工作中，還需要大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)支持。

［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(jì)原理［M］.北京：科學(xué)出版社，1981.

［2］吳碩賢，張三明，葛堅(jiān). 建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)原理［M］. 北京：科學(xué)出版社，2000.

［3］馬大猷. 噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè)［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］杜功煥，朱哲民，龔秀芬. 聲學(xué)基礎(chǔ)（上下）［M］. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1981.

［5］趙其昌. 消聲室聲場(chǎng)分析模型探討［J］. 電聲技術(shù)，2011，35（3）：4-7.

［6］顧熙棠，張宗茂，葉振弘. 消聲室的設(shè)計(jì)和性能檢測(cè)［J］. 寧波大學(xué)學(xué)報(bào)，1992，5（20）：64-69.

［7］全國(guó)聲學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJF 1147-2006消聲室和半消聲室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范［S］. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006.

［8］工業(yè)和信息化部. GB 50800-2012消聲室和半消聲室技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

［9］全國(guó)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC17）. GB/T 6882-2008聲學(xué) 聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí) 消聲室和半消聲室精密法［S］. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

Identification of free field in the anechoic room

Wu Yun
（Jiangsu Institute of Metrology）

The paper expounds the identification process of freefield in the anechoic room on the basis of acoustics theory and relevant technical documents， proposes a new calculation method for theoretical SPL of freefield in the anechoic room， which is different from the adopted method in current standards. Identification experiments of a selected anechoic room are carried out， and concrete experimental data are given. Meanwhile the reason for the emergence of unsatisfactory data in the results is analyzed.

anechoic room； freefield； sound pressure level （SPL）； cut-off frequency； sound-absorbing