吸聲尖劈高頻聲學(xué)特性比較評(píng)價(jià)法

高申平，張小改，吳德林，余崇皓，陳 儉，俞醒言

(1.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310013; 2.浙江省聲學(xué)振動(dòng)精密測(cè)量技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310013)

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)聲學(xué)方面（如電聲、建筑聲、超聲、聽(tīng)力等）的要求，對(duì)家用電器噪聲安靜程度的要求，對(duì)歌劇院、電影院、音樂(lè)廳等聲樂(lè)效果的要求等日益提高。針對(duì)電聲產(chǎn)品聲品質(zhì)進(jìn)行研究、評(píng)價(jià)均須在消聲室或者半消聲室內(nèi)進(jìn)行。目前國(guó)內(nèi)消聲室、半消聲室、消聲箱的建造數(shù)量日益增多，而吸聲尖劈作為消聲室的吸聲主體，其聲學(xué)特性對(duì)消聲室整體聲學(xué)性能起到至關(guān)重要的作用[1]。

吸聲尖劈的聲學(xué)性能直接影響并反映在消聲室自由聲場(chǎng)空間范圍參數(shù)結(jié)果上。駐波比法和傳遞函數(shù)法是對(duì)吸聲尖劈聲學(xué)特性評(píng)價(jià)的兩種常用方法[2]。駐波比法在幾十赫茲到幾百赫茲頻率下能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)吸聲尖劈的聲學(xué)性能，然而隨著信號(hào)頻率繼續(xù)增加、信號(hào)波長(zhǎng)變短，駐波比法測(cè)量誤差增大。傳遞函數(shù)法是使用雙傳聲器進(jìn)行測(cè)量，將被測(cè)樣品裝在一個(gè)平直、剛性、氣密的阻抗管的一端，檢測(cè)樣品兩個(gè)位置的聲壓級(jí)，求得兩個(gè)傳聲器信號(hào)的聲傳遞函數(shù)，頻率范圍取決于管徑大小和傳聲器布置的位置[3]。消聲室建設(shè)的吸聲尖劈尺寸、填充材料含量、填充方式等差別較大，傳遞函數(shù)法無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)吸聲尖劈整體的聲學(xué)特性。

本文提出一種自由聲場(chǎng)空間范圍比較評(píng)價(jià)吸聲尖劈高頻特性的方法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“比較評(píng)價(jià)法”），在消聲室環(huán)境中，定義當(dāng)前自由聲場(chǎng)空間范圍值為參考值，將被校吸聲尖劈替換消聲室內(nèi)足夠面積的原尖劈，測(cè)量替換尖劈后軸向的自由聲場(chǎng)空間范圍并與參考值進(jìn)行比較，若自由場(chǎng)空間范圍變大，則表明被校吸聲尖劈聲學(xué)性能較原吸聲尖劈性能好，反之則差。通過(guò)這種方式評(píng)價(jià)吸聲尖劈的聲學(xué)性能，不僅適用頻率范圍更寬，而且無(wú)尺寸、填充類(lèi)型和材料的限制。

1 測(cè)量原理

比較評(píng)價(jià)法需要對(duì)自由聲場(chǎng)空間范圍進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。若完全按照J(rèn)JF 1147-2006中給出的自由聲場(chǎng)空間范圍計(jì)算公式得出理論曲線和測(cè)量曲線，存在“遠(yuǎn)端對(duì)齊”[4]現(xiàn)象。故本文采用ISO 26101-2012[5]中評(píng)價(jià)自由場(chǎng)的方法計(jì)算聲場(chǎng)范圍[6]，避免了“遠(yuǎn)端對(duì)齊”引起的偏差，使計(jì)算得到的聲場(chǎng)范圍更加準(zhǔn)確。

1.1 反平方律聲壓級(jí)的計(jì)算

對(duì)每一傳聲器路徑的每一個(gè)測(cè)量頻率，按照以下公式計(jì)算反平方律聲壓級(jí)Lp：

式中:Lp(ri)——距離r處的反平方律聲壓級(jí)，dB；

Lpi——第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的聲壓級(jí)，dB；

r0——參考距離，r0=1m；

ri——聲源假定聲中心到測(cè)量點(diǎn)的距離，m；

N——沿每個(gè)傳聲器路徑的測(cè)量點(diǎn)的數(shù)目。

1.2 與反平方律聲壓級(jí)的偏差[7]

所有測(cè)量位置上的聲壓級(jí)Lpi與根據(jù)反平方律估計(jì)的對(duì)應(yīng)聲壓級(jí)Lp之間的偏差ΔLpi由下式確定：

記錄聲壓級(jí)對(duì)距離的連續(xù)曲線，代入式（2）計(jì)算偏差，比較理論曲線與測(cè)量曲線以確定偏差，從而確定被校消聲室的自由場(chǎng)空間范圍。

2 方法驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比較評(píng)價(jià)法的可行性。

待測(cè)樣品為B型紗網(wǎng)尖劈，由1.2 mm厚穿孔率30%的穿孔板覆蓋A型紗網(wǎng)尖劈構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 A型與B型尖劈結(jié)構(gòu)示意圖

B型紗網(wǎng)尖劈的聲學(xué)性能通過(guò)駐波比法得到的結(jié)果與A型紗網(wǎng)尖劈基本一致，無(wú)法有效評(píng)價(jià)區(qū)分兩款尖劈的高頻聲學(xué)性能。

在已知自由場(chǎng)空間范圍的消聲室內(nèi)，實(shí)驗(yàn)消聲室凈空尺寸為10.1 m×9.8 m×5.2 m（長(zhǎng)×寬×高），自由場(chǎng)范圍的截止頻率100 Hz，采用的尖劈為A型紗網(wǎng)尖劈，該尖劈底座橫截尺寸600 mm×600 mm，尖劈長(zhǎng)度850 mm，后空腔長(zhǎng)度250 mm。將全消聲室一面墻體中心部分2.4 m×2.4 m的尖劈拆下?lián)Q上被測(cè)B型紗網(wǎng)尖劈。

實(shí)驗(yàn)信號(hào)源使用十二面體聲源和寬頻同軸聲源，頻率分別為20 Hz~20 kHz和10~50 kHz。聲源置于全消聲室內(nèi)中心位置離地網(wǎng)高度2.0 m處，測(cè)量傳聲器正對(duì)聲源，測(cè)量路徑從距離聲源1 m處開(kāi)始至4 m處結(jié)束，總測(cè)試距離為3 m，測(cè)量方式為點(diǎn)測(cè)，每測(cè)點(diǎn)的距離間隔為0.1 m，共計(jì)31個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)試路徑地網(wǎng)鋪滿吸聲材料。圖2為室內(nèi)測(cè)量示意圖。

多次重復(fù)測(cè)量，得到各點(diǎn)處聲壓級(jí)并計(jì)算得到自由聲場(chǎng)空間范圍，結(jié)果表明：在頻率低于10 kHz情況下，A型紗網(wǎng)尖劈與B型紗網(wǎng)尖劈得到的自由場(chǎng)空間范圍一樣；隨著頻率增加，兩種吸聲尖劈的性能出現(xiàn)顯著的差別。

圖2 室內(nèi)測(cè)量示意圖

在進(jìn)行高頻自由聲場(chǎng)偏差計(jì)算時(shí)，考慮聲衰減因素。依據(jù)JJF 1147-2006附錄B中給出的空氣對(duì)聲波吸收的計(jì)算公式，計(jì)算在當(dāng)前頻率、溫度、濕度和大氣壓情況下的聲衰減系數(shù)[8]，對(duì)實(shí)際聲壓級(jí)測(cè)量值進(jìn)行聲衰減補(bǔ)償。

以20 kHz和50 kHz信號(hào)為例，A型和B型尖劈聲壓級(jí)隨距離變化曲線及反平方律聲壓級(jí)理論值曲線如圖3、圖4所示。

圖3 20 kHz時(shí)A型和B型尖劈聲壓級(jí)隨距離變化曲線及反平方律聲壓級(jí)理論值曲線

對(duì)比A型和B型尖劈測(cè)量結(jié)果表明：在高頻段B型紗網(wǎng)尖劈的自由聲場(chǎng)空間范圍小于A型紗網(wǎng)尖劈的自由場(chǎng)空間范圍，說(shuō)明A型紗網(wǎng)尖劈的高頻聲學(xué)性能優(yōu)于B型紗網(wǎng)尖劈。比較評(píng)價(jià)法實(shí)現(xiàn)了對(duì)B型紗網(wǎng)尖劈的聲學(xué)性能評(píng)價(jià)。

3 實(shí)驗(yàn)影響因素研究

比較評(píng)價(jià)法實(shí)現(xiàn)了吸聲尖劈的高頻聲學(xué)特性評(píng)價(jià)，然而如何準(zhǔn)確測(cè)量室內(nèi)的聲壓級(jí)，直接影響比較評(píng)價(jià)法的準(zhǔn)確性，本節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)影響測(cè)量的因素進(jìn)行優(yōu)化研究。

圖4 50 kHz時(shí)A型和B型尖劈聲壓級(jí)隨距離變化曲線及反平方律聲壓級(jí)理論值曲線

3.1 聲衰減是否影響自由聲場(chǎng)空間范圍測(cè)量

在傳統(tǒng)消聲室的校準(zhǔn)過(guò)程，理論自由聲場(chǎng)聲壓級(jí)的計(jì)算模型中只包含了聲音隨聲源距離的衰減量，未考慮空氣吸收對(duì)聲壓級(jí)產(chǎn)生的影響。實(shí)際上，由于空氣吸收的影響，當(dāng)聲波在空氣介質(zhì)中自由傳播時(shí)，除了聲壓與距離成反比關(guān)系衰減外，還因空氣的吸收而隨距離衰減，空氣吸收的大小與大氣壓力、溫度、相對(duì)濕度、頻率有關(guān)[9]。因此有必要研究高頻聲衰減是否影響自由場(chǎng)空間范圍測(cè)量。

對(duì)樣品A型紗網(wǎng)尖劈實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行空氣吸收的修正，修正前后（20~50 kHz）的結(jié)果對(duì)比如圖5所示。由圖可知，在頻率20 kHz以下時(shí)，修正對(duì)結(jié)果影響較??；在高于20 kHz頻率時(shí)，必須對(duì)測(cè)量聲壓級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行空氣吸收的修正，以獲得更加準(zhǔn)確的自由場(chǎng)空間范圍測(cè)量結(jié)果。

3.2 全消聲室地網(wǎng)是否影響聲壓級(jí)測(cè)量

全消聲室地網(wǎng)，一方面具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保安全；另一方面不允許地網(wǎng)聲反射影響聲場(chǎng)特性[10]。然而在進(jìn)行高頻（20~50 kHz）性能測(cè)試時(shí)，全消聲室地網(wǎng)是否影響聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果未得到驗(yàn)證，本節(jié)針對(duì)地網(wǎng)影響進(jìn)行研究。

實(shí)驗(yàn)使用純音信號(hào)，頻率范圍1~50 kHz，分別測(cè)量地網(wǎng)鋪滿吸聲材料與不鋪吸聲材料兩種情況下各點(diǎn)處聲壓級(jí)，得到測(cè)量結(jié)果分別為kA(f,d)和kB(f,d)，其中f為頻率點(diǎn)（Hz），d為測(cè)點(diǎn)數(shù)（個(gè)）。

地網(wǎng)鋪滿吸聲材料與不鋪吸聲材料的聲壓級(jí)，在相同頻率點(diǎn)的差值Δk=kA-kB，各頻點(diǎn)下聲壓級(jí)差的最大值結(jié)果如表1所示。并單獨(dú)給出25~50 kHz頻率下，各處聲壓級(jí)差曲線圖，如圖6所示。

通過(guò)表1和圖6各頻點(diǎn)的聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果可得：在低于20 kHz頻率的聲壓級(jí)測(cè)量，差值小于1 dB，在允許誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明低于20 kHz頻率聲壓級(jí)測(cè)量受地網(wǎng)的影響較小；而高于20 kHz頻率時(shí)各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)差值較大，最大差值5 dB，表明高于20 kHz頻率聲壓級(jí)測(cè)量受地網(wǎng)影響較大。

測(cè)量地網(wǎng)鋪滿吸聲材料與不鋪吸聲材料情況下自由聲場(chǎng)空間范圍從而確定是否需要對(duì)地網(wǎng)進(jìn)行吸聲處理。測(cè)量結(jié)果圖7所示，在25 kHz頻率下，地網(wǎng)不鋪吸聲材料測(cè)量得到的自由場(chǎng)空間范圍小于鋪滿吸聲材料時(shí)的測(cè)量結(jié)果，說(shuō)明地網(wǎng)鋪滿吸聲材料時(shí)測(cè)量聲壓級(jí)和自由場(chǎng)空間范圍的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

因此，在進(jìn)行20 kHz以上吸聲尖劈高頻聲學(xué)性能評(píng)價(jià)時(shí)，需要對(duì)地網(wǎng)進(jìn)行一定的吸聲處理，以獲得更準(zhǔn)確的聲壓測(cè)量結(jié)果。

3.3 傳聲器測(cè)量方向是否影響聲壓級(jí)測(cè)量

JJF 1147-2006中對(duì)測(cè)量傳聲器的要求，應(yīng)滿足IEC 61094-4中WS2F或WS2D型的要求，但是并未提及傳聲器[11]在聲壓級(jí)測(cè)量過(guò)程中的方向。

圖5 修正前后聲壓級(jí)隨距離變化曲線及反平方律聲壓級(jí)理論值曲線（20~50 kHz）

傳聲器的靈敏度一般指聲信號(hào)正入到傳聲器膜片時(shí)的靈敏度，但是在高頻情況下，傳聲器指向性比較明顯[12]，本節(jié)對(duì)傳聲器的朝向進(jìn)行研究，以探究傳聲器的指向?qū)?shí)驗(yàn)的影響。

實(shí)驗(yàn)使用純音信號(hào)，測(cè)量A型紗網(wǎng)尖劈。傳聲器正對(duì)聲源和傳聲器正對(duì)尖劈的兩種布放形式，比較16 kHz和20 kHz兩個(gè)信號(hào)頻率，其實(shí)際測(cè)量的聲壓級(jí)曲線如圖8所示。

圖6 鋪滿吸聲材料與不鋪吸聲材料各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)差（25~50 kHz）

圖7 25 kHz鋪滿吸聲材料與不鋪吸聲材料聲壓級(jí)隨距離變化曲線及反平方律聲壓級(jí)理論值曲線

圖8 16 kHz和20 kHz聲壓級(jí)隨距離變化曲線及反平方律聲壓級(jí)理論值曲線（A型紗網(wǎng)尖劈）

通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論：在低于20 kHz頻率下傳聲器的朝向?qū)y(cè)試結(jié)果影響較小，反而傳聲器朝向尖劈得到的聲壓級(jí)測(cè)量結(jié)果波動(dòng)較大，而傳聲器朝向聲源測(cè)量得到的聲壓級(jí)更加平滑。

在20 kHz以上，以50 kHz頻率測(cè)量為例，傳聲器正對(duì)聲源和傳聲器正對(duì)尖劈的兩種布放形式其測(cè)量結(jié)果，如圖9所示。

圖9 50 kHz聲壓級(jí)隨距離變化曲線及反平方律聲壓級(jí)理論值曲線（A型紗網(wǎng)尖劈）

通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論：在高于20 kHz頻率時(shí)，傳聲器的朝向?qū)y(cè)量結(jié)果有較大的影響，傳聲器朝向聲源測(cè)量結(jié)果更為準(zhǔn)確。

因此，在利用自由場(chǎng)空間范圍方法評(píng)價(jià)吸聲尖劈聲學(xué)特性時(shí)，傳聲器應(yīng)正對(duì)聲源，能夠更加準(zhǔn)確的對(duì)聲壓級(jí)進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出通過(guò)自由聲場(chǎng)空間范圍比較評(píng)價(jià)吸聲尖劈高頻聲學(xué)特性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。同時(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響因素進(jìn)行優(yōu)化分析。

該方法存在的不足之處，并非對(duì)尖劈的高頻性能進(jìn)行直接測(cè)量或者定量的評(píng)價(jià)，但是該方法操作原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同尺寸尖劈、不同類(lèi)型吸聲尖劈高頻聲學(xué)性能的定性評(píng)價(jià)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。