房間混響時間與隔聲量的測量分析實驗研究

翁 棣,秦 雨,陳高鳴,鄭卓聯(lián)，翟國慶

(浙江大學 國家級環(huán)境與資源實驗教學示范中心， 杭州 310058)

0 引 言

隨著城市化發(fā)展，各種商業(yè)、交通運輸、城市建筑和工業(yè)生產(chǎn)的活動日益增加，造成噪聲源日益增多，人居聲環(huán)境日益惡化，噪聲已成為污染人類社會環(huán)境的一大公害。而且噪聲源的聲學特性也隨之改變。據(jù)相關資料披露：有研究者對杭州市典型居住區(qū)的12種典型配套設備噪聲源進行測試分析。結果表明其中9種設備的噪聲能量以低頻段最多[1-3]。

建筑隔聲是隔絕外界噪聲的重要手段之一。因此建筑和建筑構件的隔聲量測量技術的完善對降低噪聲污染、促進人居聲環(huán)境的改善有重要意義。

綠色建筑由于其對節(jié)能、減碳、改善人居環(huán)境和振興經(jīng)濟的巨大價值，在全世界范圍得到空前重視，成為世界建筑業(yè)發(fā)展的總趨勢。綠色建筑要求建筑物在建設和使用的全周期中，能有效地節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地和節(jié)材，并很好地與環(huán)境協(xié)調(diào)，具有良好的品質。我國的綠色建筑評價標準無論是對住宅建筑還是公共建筑，都有與隔聲相關的測量與評價要求，而且都屬于控制項的評價。對于住宅建筑，要求樓板和分戶墻的空氣聲計權隔聲量不小于45 dB，樓板的計權標準化撞擊聲聲壓級不大于70 dB戶門的空氣聲計權隔聲量不小于30 dB。外窗的空氣聲計權隔聲量不小于25 dB，沿街時不小于30 dB。上述住宅建筑構件的隔聲量是需要在實驗室進行測量。對于公共建筑的圍護結構，如賓館，客房與客房間隔墻、客房與走廊間隔墻包括門、客房外墻包含窗，以及客房層間樓板、客房與各種有振動的房間之間的樓板等。對于這些構件的隔聲評價都需要進行現(xiàn)場檢測。這說明了隔聲測量是綠色建筑評價的重要組成部分[1-3]。

現(xiàn)以環(huán)境物理實驗室為研究對象，進行房間之間空氣聲隔聲的現(xiàn)場測量，旨在評價該實驗室的隔聲情況，了解其建筑隔聲特性，評價其隔聲效果。

1 原 理

室內(nèi)聲學的研究可說從分析混響現(xiàn)象開始的。100多年前，賽賓定義了混響時間，得到了混響時間與房間的體積成正比，與室內(nèi)總吸聲量成反比的結論，使室內(nèi)聲學走上定量化的科學時代?；祉憰r間是室內(nèi)聲學最重要的客觀音質評價參量。盡管從20世紀50年代起，國際上開始對除混響時間外的廳堂音質第二評價參量進行了廣泛的研究，但混響時間的重要性并未被其它參量所取代，而關于混響的研究也從未停[4-9]。混響時間與房間的隔聲量探討，在研究與應用中均占據(jù)很大的比重。

1.1 混響時間

房間中從聲源發(fā)出聲波在各個方向被壁面來回反射，并因壁面吸收而逐漸衰減的現(xiàn)象稱為室內(nèi)混響。它是有界空間的一個重要聲學特征。引入混響時間來描述室內(nèi)聲音衰減的快慢程度，它是房間室內(nèi)音質最重要的聲學指標。長期以來已經(jīng)得到實踐的公認?；祉憰r間的定義為：聲音已達到穩(wěn)態(tài)后停止聲源，平均聲能密度自原始值衰變到10-6(60 dB)所需要的時間，記做T60，單位/s。測量時，常用開始一段聲壓級衰變5～25 dB的情況外推到60 dB衰變所需要的時間，記做T20；衰變5～35 dB的情況外推60dB所需要的時間，記做T30。一般地，現(xiàn)場測量時信噪比可能較低，測量T20更為容易；在實驗室測量條件下，背景噪聲低，信噪比較高，常采用T30作為結果[4-8]。

實驗采用聲源切斷法(也稱中斷聲源法)進行室內(nèi)混響時間測量。聲源穩(wěn)定而持續(xù)發(fā)聲，聲源和房間的聲場均達到穩(wěn)定狀態(tài)，這時接收點平均等效聲壓級不再改變，其瞬時聲壓級可能在這一均值上下波動。使用聲功率恒定的聲源發(fā)聲，10 000 m3以下房間持續(xù)4 s以上，或10 000 m3以上的房間持續(xù)8 s以上，聲波將經(jīng)歷20～50次以上反射，聲場基本達到穩(wěn)態(tài)。

1.2 隔聲量

假設聲源室有一聲源以聲功率W輻射，則聲源室內(nèi)混響聲能密度為：

(1)

式中：R1為聲源室中的房間常數(shù)；c為聲速。經(jīng)過計算可得入射到隔聲墻上的聲功率為：

W1=ε1cS/4

(2)

假設隔墻的傳遞系數(shù)為τ。則透過隔墻的聲功率為：

W2=τW1=τε1cS/4

(3)

于是，接收室內(nèi)的混響聲能密度為：

ε2=4W2/(cR2)

(4)

式中：R2為接受室內(nèi)的房間常數(shù)，利用聲能密度與聲壓有效之間的關系：

ε=p2/(ρc)

(5)

根據(jù)式(2)～(5)，并利用聲壓級與聲壓關系，可得到隔墻的傳聲損失為：

TL=L1-L2+10lg(S/R2)

(6)

式中：L1，L2分別為聲源室和接受室內(nèi)的聲壓級，當接受內(nèi)壁面吸收系數(shù)很小時，式(6)可表示為：

TL=L1-L2+10lg(S/A)

(7)

式中A為接收室的吸聲面積，單位為m2。所以，測得聲源室和接收室內(nèi)的平均聲壓級即可由式(7)計算出隔墻的傳聲損失，也即表觀隔聲量，記做R′。

此外，還可用標準化聲壓級差來表征房間之間的空氣聲隔聲性能。標準化聲壓級差是采用接收室內(nèi)參考混響時間修正的聲壓級差，記做DnT(dB)，即

DnT=L1-L2+10lg(T/T0)

(8)

式中：T為接收室內(nèi)的混響時間；T0為參考混響時間，對于住宅，T0=0.5 s。所以，需要測量得接受室內(nèi)的混響時間來計算標準化聲壓級差。

在實際應用中，測量房間內(nèi)若干位置聲壓級Lj，室內(nèi)平均聲壓級為[9-13]：

(9)

2 材料與方法

2.1 儀器與軟件

2.1.1 混響時間實驗

(1) 測量儀器。MPA201傳聲器、MC3242四通道數(shù)據(jù)采集分析儀、SWA100功率放大器、OS002正十二面體無指向性聲源、通用計算機及VA-LabArch軟件包。

(2) 測量系統(tǒng)。室內(nèi)混響時間測量系統(tǒng)示意圖見圖1所示。實驗設備按圖1進行連接：用USB先連接計算機與四通道數(shù)據(jù)采集分析儀，用專業(yè)數(shù)據(jù)線連接數(shù)據(jù)采集分析儀的輸入端到傳感器，連接輸出端到功率放大器。

圖1 室內(nèi)混響時間測量系統(tǒng)示意圖

2.1.2 隔聲量實驗

(1) 測量儀器。MPA201傳聲器、MC3242四通道數(shù)據(jù)采集分析儀、SWA100功率放大器、OS002正十二面體無指向性聲源、通用計算機及VA-LabArch軟件包。

(2) 測量系統(tǒng)。具體設備見圖2；房間隔聲量測量的設備連接與混響測定一樣，但具體的房間布置有區(qū)別見圖3。

圖2 房間隔聲量測量的設備連接

圖3 隔聲量測量系統(tǒng)示意圖

2.2 測量方法

(1) 室內(nèi)環(huán)境。測量時，室內(nèi)門窗宜關閉，應控制人員走動和講話，并控制設備噪聲。在測量頻率范圍內(nèi)，傳聲器位置上的背景噪聲聲壓級應比聲源產(chǎn)生聲壓級至少低35 dB。測量期間如存在偶發(fā)噪聲，應舍棄衰變期間受到偶發(fā)噪聲影響的結果。室內(nèi)相對濕度不宜較大。測量室3D圖見圖4。實驗室的地板為硬質木板，天花板為石棉板，一面壁為玻璃墻體，其他壁面為磚砌墻體。實驗前先按照實驗要求安放好儀器并建立好連接。

(a) 混響室室內(nèi)

(b) 隔聲房間系統(tǒng)

(2) 測量頻率。測量混響時間的頻率不應少于如下6個倍頻程中心頻率：0.125、0.250、0.500、1.00、2.00、4.00 kHz。實驗測量頻率滿足要求。

(3) 聲源及其位置。聲源的噪聲信號應采用粉紅寬帶噪聲或窄帶噪聲。噪聲信號帶寬應大于被測帶寬；如聲源發(fā)出粉紅寬帶噪聲的功率達到所需聲壓級的要求，宜優(yōu)先采用粉紅寬帶噪聲信號。聲源嚴禁出現(xiàn)超載，功率放大器應具有過載指示，防止出現(xiàn)沖擊過載。

用于錄音室、琴房、會議室、辦公室等非表演型無舞臺的房間音質考察而進行混響時間測量時，聲源宜置于房間的某頂角，距離3個界面均0.5 m處。至少選擇一個聲源位置進行測量。

由于場所限制，聲源有兩個方向離墻較近。

(4) 傳聲器及其位置。用于錄音室、琴房、會議室、辦公室等非表演型無舞臺的房間音質考察而進行混響時間測量時，傳聲器測點位置宜置于與聲源所在房間對角線交叉的另一條對角線上，至少3個位置，均勻布置。傳聲器的最小間距為2 m，從傳聲器至最近反射面的距離至少為1 m。房間尺寸較小，無法滿足條件時，可減少傳聲器測點數(shù)量?；祉憰r間測點示意圖見圖5，隔聲量測量見圖6。

圖5 混響時間測量點地圖 (mm)

圖6 房間隔聲量室內(nèi)測點示意圖

房間平面為軸對稱，且聲源位于對稱軸上，軸位置上的聲場可能因對稱反射出現(xiàn)周期的極大極小值，因此測點宜避開軸線。同時，與房間發(fā)射聲到達時間相比，如果傳聲器離聲源過近，強烈的直達聲到達后很長時間才出現(xiàn)反射聲，且反射聲與直達聲相比也弱得多，會造成衰變曲線的初始部分過于陡峭，計算的混響時間可能偏小。

此外，每次測量后，應當用準確度不低于±0.3 dB的聲級校準器對整個測量系統(tǒng)進行校準。

(5) 聲源室聲場的產(chǎn)生。隔聲量實驗中，聲源室產(chǎn)生的聲音應穩(wěn)定，并且在測量頻率范圍內(nèi)具有連續(xù)的頻率。如使用寬頻帶噪聲，其頻譜形狀應確保在接收室內(nèi)高頻段有足夠的信噪比(推薦使用白噪聲)。聲源室內(nèi)聲源頻譜在相鄰1/3倍頻程之間的聲壓級差均不允許大于6 dB。聲源功率宜足夠高以使接收室內(nèi)的聲壓級在任何頻帶比背景噪聲聲壓級至少高10 dB。

當使用單個聲源時，至少應放置兩個聲源位置。如果兩個房間容積不同，在計算標準化聲壓級差時，應選擇大房間作為聲源室，不允許采用相反的方法。計算表觀隔聲量時，僅單方向測試或兩個方向測試的結果都可使用。

聲源應放在使聲場盡量擴散的位置，并確保與兩室的分隔墻和影響聲透射的側向構件的距離，使輻射在墻和構件上的直達聲不占主導地位。房間內(nèi)聲場主要取決于聲源的類型和位置。當使用無指向性輻射聲源時，聲源與傳聲器的距離不得小于1.0 m；不同的聲源位置不應選在與房間邊界平行的同一平面內(nèi)，且其間距應不小于0.7 m；房間邊界和聲源中心的間距應不小于0.5 m，如不能滿足，特別是在小房間，通常在實際測量中將聲源放在聲源室的墻角處是有利的。

(6) 平均聲壓級測量。平均聲壓級可以用一只傳聲器在室內(nèi)不同位置的測量獲得，也可以用固定的傳聲器陳列或一個連續(xù)移動或轉動的傳聲器獲得，在不同位置傳聲器測得的聲壓級應取所有位置的能量平均值(見式(9))。

若固定傳聲器位置，至少應有5個傳聲器位置，并且均勻分布在待測房間的空間內(nèi)。兩個傳聲器位置的最小間距為0.7 m，傳聲器與房間邊界或擴散體的最小間距為0.5 m。使用單個聲源時，固定傳聲器測點最少測量10次(例如對應每個揚聲器位置，每個傳聲器測點上測量1次)。

在每個傳聲器位置，對中心頻率低于400 Hz的每個頻帶，讀取平均值的平均時間至少6 s；對中心頻率較高的頻帶，允許的平均時間不低于4 s。

(7) 混響時間測量和等效吸聲量估算。在式(7)中等效吸聲量修正項是接收室內(nèi)的混響時間，由賽賓公式確定：

A=0.16V/T

(12)

式中:V為接收室容積，單位為m3;T為接收室內(nèi)的混響時間，單位為s。

混響時間使用上次試驗結果，測量方法詳見室內(nèi)混響時間測量。

(8) 背景噪聲修正。測量背景噪聲級以保證在接收室的測量不受諸如接收室外的噪聲、接收系統(tǒng)電噪聲或生源與接收系統(tǒng)間的串音等外部噪聲的干擾。

背景噪聲級應比信號和背景噪聲疊加的總聲級至少低6 dB(最好低10 dB以上)。如果聲壓級差小于10 dB而大于6 dB，對聲級的修正為：

L=10lg(10Lsb/10-10Lb/10)

(11)

式中:L為修正的信號級;Lsb為信號和背景噪聲疊加的總聲級;Lb為背景噪聲級。

如果任一頻帶的聲壓級差小于或等于6 dB，則均采用6 dB差值的修正量1.3 dB進行修正，此時實驗結果中應明確表示出DnT或R′都是測量的限值。

(9) 測量方法。運行VA-Lab4通道測試軟件，進行混響時間的測量。使聲源發(fā)出粉紅噪聲信號激勵房間時，1 000 m3以下的房間至少持續(xù)4 s，1 000 m3以上的房間至少持續(xù)8 s，待聲場達到穩(wěn)態(tài)后突然切斷，直接獲得聲壓級衰變曲線，并讀取混響時間T30。每個位置測點測量6次。

同樣采用切斷聲源法測定房間隔聲量。測定中心頻率為100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000、2 500、3 150 Hz的室內(nèi)外聲壓級。

3 數(shù)據(jù)與處理

3.1 實驗條件

混響時間部分選擇浙江大學環(huán)境物理實驗室為測量對象，選取通道1，測定4個測點的T30值，按1/3倍頻程進行頻譜分析。

隔聲量測量采用通道1、2、3、4測量，按1/3倍頻程進行頻譜分析。隔聲間的大小為6 050 mm×4 620 mm×2 980 mm，故隔聲間體積為V=99.68 m3。隔墻面積S=15.27 m2。

3.2 數(shù)據(jù)處理

對同一測點的平行測定T30值取平均，再對各測點的混響時間求平均，得到各頻率的混響時間，見表1。

表1 室內(nèi)混響時間表

根據(jù)上表作出混響時間平均值頻率特性曲線如圖7所示。

利用式：

A=0.16V/t

(12)

式中:A為吸聲量；t為接收室的混響時間，s；V為接收室的容積。

圖7 室內(nèi)混響時間-頻率圖

利用式(7)和式(10)計算表觀隔聲量R′。

利用式(9)計算聲源室和接收室室內(nèi)平均聲壓級。

利用式(8)計算標準化聲壓級差，對于住宅，t0=0.5 s。

在得到室內(nèi)混響時間的結果上，對不同聲源位置的聲級取平均，處理計算得到房間隔聲量如表2所示。

根據(jù)表2作出隔聲指標與頻率特性曲線如圖8所示。

圖8 隔聲指標與頻率特性曲線圖(全平均法)

當考慮到聲源位置不同而分別算出聲級平均值時，處理計算得到房間隔聲量如表3所示。根據(jù)該表作出隔聲指標與頻率特性曲線如圖9所示。

4 結果分析

4.1 混響時間結果分析

由圖7可知，待測室的混響時間均處于0.60～0.90 s的范圍。具體來說，低頻段的混響時間較大，隨著頻率的增加，混響時間先減小，在500 Hz時達到最小值0.64 s(最佳值)。之后增大，于1～5 kHz的中高頻段穩(wěn)定在較大值，到達高頻段后略有減小。

此現(xiàn)象滿足室內(nèi)聲學在500 Hz達到最佳混響時間的規(guī)律[8-11]。造成此現(xiàn)象的原因可能是由于125 Hz附近的低頻聲簡正振動(方式)的密度低。在250～125 Hz的倍頻程內(nèi)，主要是上升趨勢是由于室內(nèi)的語言用途決定的上升陡緩，這也符合低頻混響時間允許比中頻長的規(guī)定[2]。而對125 Hz以下的頻率不予考慮主要是因為人耳對于低頻不敏感，且有用成分少。

表3 房間標準化聲壓級差與表觀隔聲量表(分聲源法)

圖9 隔聲指標與頻率特性曲線圖(分聲源法)

在1～6 kHz范圍內(nèi)，混響時間沒有較大變化，這也符合合適的混響時間特性曲線[1]。因為這樣的特性能有效減少低頻的掩蔽效應，提高語言可懂度、音樂的清晰度。在4 kHz以上，由于室內(nèi)的空氣吸聲，混響時間也在隨之逐漸下降。

此外，低頻段的混響時間偏差較大，而高頻段則較為接近。這一方面反映出混響時間的測定受到測點位置的影響，另一方面，進一步地反映出低頻段的混響時間隨測定位置變化較大。測量的波動性可能與聲源的位置有關，而測點靠近門及房間的閉合度欠佳也可能導致誤差。

由于未改變聲源位置、原始強度進行測量，故無法判別混響時間測量值受聲源位置、原始強度影響。而未改變測量通道無法得知測量設備系統(tǒng)性能對混響時間的影響。

4.2 隔聲量分析

由圖8可知，待測室的隔聲量在測量頻率范圍內(nèi)由約15 dB增加到30 dB。根據(jù)建筑隔聲評價標準(GB/T 50121—2005)[2]，此墻隔聲性能較差。具體來說，隔墻性能指標表現(xiàn)為低頻段較差，隨著頻率增加基本呈增長趨勢，除3 kHz處出現(xiàn)谷值。

標準化聲壓級差DnT與表觀隔聲量R′變化趨勢一致，但前者較后者略高。這主要是由于兩者計算公式差別導致，反應不同計算評價方法的結果。

但若考慮到聲源位置的變動，單獨測量兩處聲源位置的隔聲量，得到結果如圖9所示。由于測點1、2相差不大，測定3、4相差不大，其區(qū)別主要是測點位置的變換；故改變測點位置對隔聲量結果測定影響不大。但1、2與3、4之間有較大差別，其區(qū)別主要是聲源位置的移動；這反映出聲源位置對房間隔聲量的測定存在較大影響。

隨入射聲波頻率繼續(xù)升高，隔聲量反而下降，曲線上出現(xiàn)低谷，這是吻合效應的緣故。越過低谷后，隔聲量又逐漸增加。

將單層勻質隔聲墻的頻率特性曲線與實驗所得曲線對比可以看出，實驗墻體的共振頻率大約在160 Hz附近，而臨界吻合頻率在2.5 kHz附近。這與實驗結果十分吻合。

4.3 誤差分析

測量的方法不同，導致的精確度不同。如MLS脈沖積分法測量得到的混響時間的穩(wěn)定性和重復性比中斷聲源法要好[13-15]。

此外，測量儀器、軟件、系統(tǒng)的精度，測點的位置，環(huán)境都會對測量結果造成一定影響。

5 結 語

(1) 混響時間是與室內(nèi)音質最緊密相關的物理參數(shù)之一。其中有兩個應該確定的量：它的數(shù)值和相應的頻率特性。但是，在相當長的時間內(nèi)，一般都只用一個數(shù)值，即500 Hz(或500～1 000 Hz)的值來表示它所對應的“最佳值”[6,10]。但本研究中對室內(nèi)混響時間進行125～8 000 Hz的測量，能較為全面反映混響時間的趨勢。

(2) 矩形房間混響時間的計算。有研究直接根據(jù)房間尺寸、表面積和體積3個參數(shù)來對混響時間進行模型回歸，以期得到符合的公式關系[13-15]。

(3) 兩房間之間噪聲的降低量D，不但和房間之間隔墻的隔聲量R有關，還與隔墻的面積S及接收房間室內(nèi)的吸聲量A有關。隔墻的隔聲量R越高，隔墻的面積S越小，接收房間室內(nèi)的吸聲量A越大，降噪效果越越好。

(4) 測量時的聲源噪聲最好大于95 dB，以減少背景噪聲的干擾。測量時門窗應關閉，應控制人員的走動和講話，并控制設備噪聲。