混響室擴散體聲學設計及數(shù)值仿真

呂 義 高 陽 樊 康

(中車長春軌道客車股份有限公司科技管理部， 130062， 長春//第一作者， 教授級高級工程師)

中國高速鐵路經(jīng)過10年來的迅猛發(fā)展，取得了舉世矚目的成就[1-2]。隨著人民生活水平的日益提高，人們對于出行的需求已不單是要求方便快捷，對出行途中的舒適性也提出了越來越高的要求[3-4]。相對于普通鐵路，高速鐵路因高速、高架、電氣化等特點，其噪聲傳播的空間和時間也較普通鐵路要大，噪聲的產(chǎn)生和構(gòu)造也較普通鐵路要復雜。

高速鐵路噪聲是由各種不同類型的噪聲組合而成，按發(fā)生部位的不同，可分為牽引系統(tǒng)噪聲、輪軌噪聲、氣動噪聲、集電系統(tǒng)噪聲及橋梁構(gòu)造物噪聲[5]。在高速列車低噪聲設計過程中，往往希望在車輛設計初期能采用有效的仿真或試驗手段對于高速列車不同區(qū)域的噪聲源進行模擬，評估其對車輛內(nèi)部和外部噪聲的影響[6-9]。

混響室是聲學測量研究領域的一種專業(yè)實驗室，它能測量一些幾何形狀比較復雜的諸如座椅、空間吸聲體等物體的吸聲量。兩個通過開窗連接的消聲室可用于門窗等結(jié)構(gòu)的隔聲量的測量。本文主要研究混響室墻面形狀及附加擴散體需滿足的基本指標。

1 混響室設計要求

1.1 散射面設計要求

混響室外形設計中，墻面的起伏形狀、附加擴散體布置這兩個方面主要涉及散射面的形狀和大小。常見的散射面如圖1所示，其中：凹面形狀的散射效果最差，平面形狀的其次；除了圖1i)、圖1j)、圖1k)中所示的這3種商業(yè)產(chǎn)品形狀外，其余形狀的都有一定的散射效果，尤其是0.55 m直徑的半圓柱面有較好的散射效果。

a) 平面b) 凹面c) 椎面d) 方底金字塔面

e) 周期二進制面f) 隨機二進制面g) 半圓柱面h) 三棱柱面

i) QRD面j) Skyline面k) BAD面l) 周期半球面

圖1 常見散射面的外形結(jié)構(gòu)

混響室墻面的起伏設計，可選擇多個半圓柱體的簡單組合作為混響室的墻面起伏形狀。半圓柱及半球形墻面的設計和建造都很方便，且能保證較好的散射效果。半圓柱形表面的截面半徑不應小于要求的最低頻率。

1.2 擴散體設計要求

1.2.1 吸聲測試設計要求

通過懸掛擴散板的方法可以增大聲波的散射。擴散板面質(zhì)量需大于5 kg/m2，微凸形狀最佳，凸起朝向隨機。為了保證不同混響室吸聲系數(shù)盡可能接近，GBJ 47—1983標準中規(guī)定了混響室中擴散體的吸聲系數(shù)要求，并要求通過逐漸增加擴散板的方式確定擴散板的個數(shù)。

體積為200 m3以下的混響室，最低頻率f可采用式(1)計算。

(1)

式中：

V——混響室體積,m3。

1.2.2 隔聲測量設計要求

在進行隔聲測量時，需要用到兩個相連的混響室。GB/T 19889系列標準中要求這兩個混響室的容積或線度相差10%以上，兩個混響室的容積應大于50 m2。對于滿足GBT 19889系列標準要求的兩個混響室，安裝擴散板時可將擴散板的面積范圍按GBJ 47—1983標準要求定為0.8～3.0 m2。

進行隔聲測量時，擴散體條件要求是：安裝足夠多的擴散體時，不應影響隔聲量的測試條件，且混響時間T需滿足式(2)的限制條件。

(2)

若不滿足式(2)的限制條件，則需繼續(xù)調(diào)整擴散體的安裝數(shù)量和方向，直到各頻帶的隔聲量與混響時間不存在依賴性為止。

2 混響室設計指標

混響室的形狀以及附加的擴散體需滿足混響室的基本指標見表1，混響室形狀設計所依照的標準見表2。

3 擴散體設計

已有的實驗證明，混響室形狀規(guī)則對測量效果影響不大，混響室墻面的不平行設計實際上并不能對擴散場帶來明顯的改變。 結(jié)合擴散體設計思路可知，墻面起伏及附加擴散板這兩種擴散體布置各有優(yōu)缺點：墻面起伏對低頻聲的反射容易實現(xiàn)且效果較好，但布置成形后難以進行改進優(yōu)化；擴散板安裝不便，但便于調(diào)試。從實用和操作簡便性的角度出發(fā)，本文主要選擇可靈活拆裝的擴散板作為基本擴散體單元，擴散板以隨機的角度安裝在混響室四周及頂部的墻上，以盡可能地增大散射效果。所選取的擴散板材料為具有較小吸聲系數(shù)的鍍鋅鋼板。

表1 混響室設計主要技術指標

表2 混響室形狀設計所涉及的相關標準

3.1 混響室Ⅰ的擴散體設計

由于混響室Ⅰ容積較小，難以滿足100 Hz的低頻擴散條件，因此，需增加擴散板用于改善低頻擴散效果。

由式(1)可知，在現(xiàn)有設計方案下，混響室I的最低擴散場頻率為156 Hz，擴散板可對100 ～156 Hz的聲場起到良好的擴散作用，因此擴散板邊長應在2.1～2.4 m之間。2.1 m對應的是156 Hz聲波的波長，2.4 m對應的是100 Hz聲波的波長。(下限頻率對應著擴散板的對角線的尺度，而上限頻率只需邊長的長度滿足條件即可)

混響室I的內(nèi)表面總面積為132 m2。GB/T 20247—2006標準要求，擴散板總面積(雙面)為混響室總表面的15%～25%，因此，混響室I可設置4塊擴散板，邊長分別為1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m，單面面積合計為17.84 m2。

由于混響室I的頂部及側(cè)面1和側(cè)面上需設置隔聲窗，故此擴散板安裝在側(cè)面3上，如圖2所示。安裝擴散板時，在滿足擴散板之間不相互重疊及角度隨機的條件下，可根據(jù)實際墻面尺寸進行適當調(diào)整和布置。擴散板采用吊桿方式將4個頂點懸掛。4根吊桿的長度隨機分布，擴散板與墻壁夾角在30°～60°之間。

圖2 混響室I擴散板安裝位置示意圖

3.2 混響室II的擴散體設計

由于混響室II的容積較小，難以滿足100 Hz的低頻擴散條件，因此，需增加擴散板用于改善低頻擴散效果。

由式(1)可知，在現(xiàn)有設計方案下，混響室II的最低擴散場頻率為156 Hz，擴散板可對100～156 Hz的聲場起到良好的擴散效果，因此擴散板尺寸應在2.1～2.4 m之間。2.1 m對應的是156 Hz聲波的波長，2.4 m對應的是100 Hz聲波的波長。(下限頻率對應著擴散板的對角線的尺度，而上限頻率只需邊長的長度滿足條件即可)。

混響室II的內(nèi)表面總面積為147 m2。GB/T 20247—2006標準要求，擴散板總面積(雙面)為混響室總表面的15%～25%，因此，混響室II可設置3塊擴散板，邊長分別為2.10 m、2.25 m、2.40 m，單面面積合計為15.20 m2。

混響室II中，擴散板安裝于屋頂面，安裝擴散板時，在滿足擴散板之間不相互重疊及角度隨機的條件下，可根據(jù)實際墻面尺寸進行適當調(diào)整和布置。擴散板采用吊線方式將4個頂點懸掛。4根吊線的長度隨機分布，擴散板與屋頂面夾角在30°～60°之間。

3.3 混響室III的擴散體設計

根據(jù)設計要求，將混響室III的擴散體設計成半球面墻體(由于所占體積過大，實際采用的是半橢球擴散體)。該設計能夠滿足吸聲系數(shù)測量的要求，但要注意在進行隔聲測量時，需在地面鋪設吸聲材料以滿足隔聲測試要求。

由式(1)可知，在現(xiàn)有設計方案下，混響室III的最低擴散場頻率為123 Hz， 擴散板可對100～123 Hz的聲場起到良好的擴散作用，因此半橢球最大直徑應在2.1～3.4 m之間。2.1 m對應的是123 Hz聲波的波長，2.4 m對應的是100 Hz聲波的波長。

混響室III的基本框架和混響室I相同?？紤]到混響室III的側(cè)面1需要開窗，不能在該墻面上設計半橢球擴散體，因此，5個半橢球擴散體設置為頂面兩個、側(cè)面2兩個、側(cè)面3一個，如圖3所示。半橢球體類似于將半球體的厚度壓縮后的形狀，安置在墻面上，所占據(jù)的范圍成圓形。表3給出了5個半橢球體半軸長的設計尺寸，其中a、b、c分別為其3個方向的幾何半軸尺寸。

a) 頂面b) 側(cè)面2c) 側(cè)面3

單位：mm

圖3 半橢球擴散體在墻面上的位置

3.4 混響室IV的擴散體設計

混響室IV與混響室I的尺寸相同，均作為混響室II(發(fā)聲室)的受聲室，因此，混響室IV的擴散體設計應與混響室I保持一致(具體見混響室I的擴散體設計)。

3.5 混響室擴散體材料

本設計方案中所有擴散體材料采用鍍鋅鋼板材料，厚度為20 mm。該材料吸聲系數(shù)小，在各個頻段內(nèi)基本均為0.04。

4 聲場擴散性數(shù)值仿真

為了對上述擴散體設計的擴散性能進行驗證，采用建筑聲學設計軟件(Odeon)對4個混響室的聲場進行仿真分析。鑒于篇幅原因，本文僅介紹混響室III的聲場仿真結(jié)果。

混響室III設有1個隔聲窗，在隔聲窗處布置9個測點，如圖4所示。

經(jīng)計算仿真，圖4中9個測點的模態(tài)分布如圖5所示。由圖5顯示的計算結(jié)果可見，所有測點的模態(tài)密度分布較密且均勻，說明混響室III聲場具有良好的擴散性?；祉懯襂II的隔聲窗處所有測點的平均模態(tài)密度見表4。由表4可見，每個1/3倍頻程頻段內(nèi)的模態(tài)密度可滿足聲場擴散的要求。

圖4 混響室Ⅲ隔聲窗處測點布置示意圖

b) 測點2

c) 測點3

d) 測點4

e) 測點5

f) 測點6

g) 測點7

h) 測點8

i) 測點9

為了分析頻率100 Hz時的聲場擴散性，將100 Hz時混響室III隔聲窗處各測點聲壓分布制圖，如圖6所示。由圖6可見，在100 Hz時各個測點的聲壓分布均勻，證明其擴散性良好。

表4 混響室III 9個測點的平均模態(tài)密度

圖6 混響室III隔聲窗處測點100 Hz聲壓級分布

5 結(jié)論

本文分析了吸聲測量和隔聲測量中對混響室的功能要求，選擇擴散板作為基本擴散體，對擴散體的大小以及數(shù)量要求進行分析及設計，得到的混響室擴散體設計方案如表5所示。

表5 混響室擴散體設計方案