基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的泡沫吸聲棉吸聲測試參數(shù)組合優(yōu)化

李廣智，陳 華

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

吸聲材料是一種基于本身的特性對入射的聲能具有吸收作用的一種聲學(xué)材料。吸聲材料的吸聲效果主要是以NRC系數(shù)（即吸聲降噪系數(shù)）的數(shù)值大小來體現(xiàn)，NRC系數(shù)的數(shù)值越大，表示材料的吸聲性能越好。近年來，噪聲污染對人們工作和生活的影響越來越大，長期的高噪聲污染不僅會影響人們的聽覺神經(jīng)，使人疲倦、耳聾，還會影響人的生理與心理健康。目前，有效控制噪聲的主要辦法是采用聲學(xué)材料進(jìn)行吸聲降噪處理。泡沫吸聲棉作為性能優(yōu)良的新型吸聲材料廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，比如體育場館、廳堂、地鐵軌道交通等。正交試驗(yàn)法是一種在多因素試驗(yàn)中有效的統(tǒng)計(jì)方法，適用于多因素、多水平的試驗(yàn)測試。通過統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)結(jié)果，找出在各個(gè)試驗(yàn)因素中對試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次關(guān)系，從而以少量的試驗(yàn)次數(shù)代替大量試驗(yàn)來獲得較優(yōu)的一組方案。本文將探討如何應(yīng)用正交試驗(yàn)方法完成泡沫吸聲棉吸聲降噪系數(shù)NRC的測試。

1 試驗(yàn)方案的選擇與設(shè)計(jì)

材料的吸聲系數(shù)主要在混響室中通過測試混響時(shí)間計(jì)算得到。混響時(shí)間的測量受室內(nèi)的環(huán)境溫度與相對濕度的影響，除了混響時(shí)間外，在計(jì)算過程中，吸聲系數(shù)還與材料的面積有關(guān)。混響室中材料的吸聲降噪系數(shù)測試如圖1所示。

圖1 吸聲降噪系數(shù)測試

混響室法吸聲材料的吸聲測量方法是在一定的環(huán)境條件下，先測出未放入被待測樣品時(shí)室內(nèi)的混響時(shí)間T1，在放入待測樣品后再測出相應(yīng)的混響時(shí)間T2，然后可通過式（2）計(jì)算得到材料的吸聲系數(shù)。

由賽賓公式可知，將待測樣品放入混響室前后，樣品的吸聲量A與室內(nèi)的混響時(shí)間可用下式表示：

已知放入混響室的聲學(xué)材料的面積，則有：

式（2）中：αs為待測樣品的吸聲系數(shù)；S為樣品暴露表面的總面積。

由此可見，吸聲系數(shù)的測量可以歸結(jié)為兩次混響時(shí)間的測量。而NRC系數(shù)是200～2 500 Hz按1/3倍頻程測得的吸聲系數(shù)的平均值，主要用作建筑吸聲材料的吸聲效果好壞的單值評價(jià)量。

在實(shí)際的試驗(yàn)測試中，如果對各個(gè)因素分別進(jìn)行吸聲系數(shù)的試驗(yàn)，則將會花費(fèi)很多的時(shí)間與精力。本試驗(yàn)主要是基于正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，用部分試驗(yàn)來代替全面試驗(yàn)，通過對部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，找出吸聲材料的最大NRC系數(shù)。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在此測試中，降噪系數(shù)NRC大小的評價(jià)指標(biāo)主要由環(huán)境溫度、相對濕度、材料面積因素構(gòu)成。通過正交試驗(yàn)，選取出3個(gè)因素的最優(yōu)組合，分別用A，B，C表示環(huán)境溫度、相對濕度、材料面積，每個(gè)因素有3個(gè)水平。用1，2，3表示3個(gè)因素的水平，如表1所示，根據(jù)正交試驗(yàn)因素水平表，選用試驗(yàn)次數(shù)較少的正交表L9（34）。

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用上述正交試驗(yàn)方法對L9（34）中的不同的因素與水平參數(shù)進(jìn)行9組組合試驗(yàn)，得到的NRC系數(shù)正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 吸聲試驗(yàn)因素與水平

表2 NRC系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

4 極差分析法

極差分析法是正交試驗(yàn)中最常用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，Kjm為第j列因素m水平所對應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和，kjm為Kjm的平均值，Rj為kjm最大值與最小值之差。根據(jù)Rj大小，可以判斷因素的主次順序。

分別計(jì)算各因素中的Kjm、kjm與Rj，并記錄進(jìn)表2中。由極差R可知，因素主次順序?yàn)椋翰牧厦娣e對NRC的影響最大，相對濕度對NRC的影響次之，而環(huán)境溫度對NRC的影響最小。根據(jù)正交試驗(yàn)因素水平表2可知，使泡沫吸聲棉的降噪系數(shù)NRC最大的系統(tǒng)參數(shù)組合為：環(huán)境溫度為25℃、相對濕度為40%、材料面積為10 m2。

5 結(jié)束語

本試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)泡沫吸聲棉吸聲測試組合參數(shù)的最優(yōu)化，根據(jù)試驗(yàn)極差值的分析可以得出影響降噪系數(shù)NRC各因素的主次順序，雖然各種各樣的測量誤差不可避免，但試驗(yàn)結(jié)果表明，采用正交試驗(yàn)所確定的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)組合，相對于最低降噪系數(shù)NRC系統(tǒng)參數(shù)組合，NRC系數(shù)有了明顯地提高。在進(jìn)行此次泡沫吸聲棉吸聲測試中，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，能夠更好地確定泡沫吸聲棉作為性能優(yōu)良的新型吸聲材料是否具有良好的吸聲性能，這對于吸聲降噪是十分重要的。