混響室的設(shè)計開發(fā)及驗證

秦軍旭，張貴豪，廖明輝

摘? 要：本文以國內(nèi)某企業(yè)的混響室建設(shè)項目為例，研究和驗證混響室的容積、形狀、背景噪聲、吸聲量、室內(nèi)聲場擴(kuò)散以及聲源位置安裝等設(shè)計指標(biāo)。經(jīng)過鑒定，各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。混響室的建設(shè)對汽車聲學(xué)包性能開發(fā)和試驗研究具有重大的意義。

關(guān)鍵詞：混響室;設(shè)計開發(fā);聲場擴(kuò)散

中圖分類號：U467.5? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）05-0042-05

Design Development and Verification of Reverberation Chamber

QIN Jun-xu， ZHANG Gui-hao， LIAO Ming-hui

（ SAIC-GM-Wuling Automobile Co.，Ltd， Liuzhou 545000， China）

Abstract： This paper takes a domestic enterprise reverberation room construction project as an example， the design parameters of reverberation chamber， such as volume， shape， background noise， sound absorption， indoor sound field diffusion and sound source location installation are researched and verified. After appraisal， all the indicators meet the design requirements. The construction of reverberation chamber is of great significance to the performance development and experimental study of automotive acoustic package.

緒? ? 論

隨著人民生活水平的日益提高，人們對出行工具的舒適性要求也越來越高。汽車作為我們最常用的出行工具，其NVH（Noise Vibration And Harshness）性能會極大影響著人們的用車體驗。為提升人們的出行體驗，提高汽車品質(zhì)，各大車企也越來越重視汽車的NVH性能開發(fā)。聲學(xué)包開發(fā)作為一項重要的NVH性能開發(fā)項目，其開發(fā)過程往往需要一個專業(yè)試驗室進(jìn)行聲學(xué)性能測試。混響室是聲學(xué)性能測試研究的一種專業(yè)試驗室，它能用來開展汽車內(nèi)飾件材料吸聲系數(shù)測試，汽車整車和零部件（前圍系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、座椅等）隔聲性能測試，對汽車聲學(xué)包性能開發(fā)和研究具有重大的意義。本文以國內(nèi)某企業(yè)的混響室建設(shè)項目為例，主要從混響室的容積、形狀、背景噪聲、吸聲量、室內(nèi)聲場擴(kuò)散以及聲源位置安裝等設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行研究和驗證。

1? ? 混響室聲學(xué)設(shè)計指標(biāo)

根據(jù)GB/T 6881.1-2002 [1]和GB/T 20247-2006 [2] 的要求，混響室容積應(yīng)能滿足試驗需求，本體噪聲不能太高，室內(nèi)在關(guān)心的頻率范圍內(nèi)聲吸收足夠低，室內(nèi)逐漸衰變的聲場應(yīng)充分?jǐn)U散，測試所需頻率范圍都能提供合適的混響聲場。

1.1? ?混響室容積和形狀設(shè)計要求

GB/T 20247-2006提出，新建的混響室容積建議應(yīng)大于200m3。根據(jù)混響室容積V和測試下限頻率f 的關(guān)系[3]。

（1）

當(dāng)混響室容積小于200m3，無法滿足測量頻率125Hz的要求。而當(dāng)混響室容積超過500m3時，可能由于空氣吸收而無法準(zhǔn)確測量出高頻段的吸聲。在做整車隔聲量測試時，需要把車輛開進(jìn)混響室，考慮到混響室容積需要滿足開發(fā)車型的整車尺寸，同時還要留有擺放聲源和麥克風(fēng)的空間位置，因此設(shè)計的混響室容積不能太小。結(jié)合汽車上吸聲測試和隔聲測試重點關(guān)注的頻率段為200Hz-10000Hz，為覆蓋測試關(guān)心的所有頻段，同時滿足經(jīng)濟(jì)性的考量，本項目設(shè)計的混響室容積最終確定為266m3。由公式（1）計算得到，本混響室的測量下限頻率為113.7Hz，滿足測試所需的下限頻率要求。

混響室形狀應(yīng)滿足室內(nèi)最大線度Lmax≤1.9V1/3（V 為混響室容積）[2]。為達(dá)到簡正頻率的均勻分布，消除混響室內(nèi)聲簡并共振現(xiàn)象，混響室內(nèi)部任意兩個邊的尺寸不能是整數(shù)比，理想的室內(nèi)尺寸（高：寬：長）比例約為1：21/3：41/3。本混響室室內(nèi)對角線長度為Lmax=10.6m，滿足室內(nèi)最大線度Lmax≤1.9V 1/3的要求。室內(nèi)尺寸長8.3m，寬7m，高5.1m，高：寬：長=1：1.37：1.63，與1：21/3：41/3 的比例很接近。

1.2? ?背景噪聲控制

為盡量減少混響室外部環(huán)境振動噪聲對測試的影響，混響室建筑結(jié)構(gòu)采用“房中房”的雙層圍護(hù)結(jié)構(gòu)，外房是實心磚墻結(jié)構(gòu)，底部先澆筑一層鋼筋混凝土;在外房地面上放置隔振器，再由鋼筋混凝土澆筑而成的整個內(nèi)房（混響室本體）建在隔振器上，與外房隔離，以此更好的隔絕外部環(huán)境的振動噪聲，防止其干擾混響室內(nèi)部的試驗測試。同時，為提高混響室的密封性和大門的隔聲量，混響室采用兩道厚12mm的大隔音門，內(nèi)部裝填吸聲材料;兩道隔音門相距2200mm，增加了空氣層的附加隔聲性能。此外大門和大門之間以及大門和混響室墻體之間重疊的區(qū)域均安裝橡膠密封條?；祉懯彝ㄟ^“房中房”結(jié)構(gòu)和兩道大隔音門的設(shè)計，滿足了較低的背景噪聲要求。經(jīng)過實測，此混響室的背景噪聲約為23dB。混響室平面設(shè)計，見圖1所示：

1.3? ?室內(nèi)吸聲量設(shè)計

混響室室內(nèi)吸聲量包括空氣吸聲量和壁面吸聲量，為保證有合適的混響聲場，混響室表面的吸聲系數(shù)要足夠小。為減少壁面吸收，混響室內(nèi)表面應(yīng)堅硬光滑，同時不能出現(xiàn)空鼓。本混響室地面采用瓷磚，墻壁表面涂刷光滑的膩子，大門和隔聲窗區(qū)域是烤漆處理過的鋼板?？請龌祉懯业奈暳緼1（單位：m2）計算公式[2]為：

（2）

式中：

V--空場混響室室內(nèi)的容積，m3;

C1--空場混響室內(nèi)的聲速，m/s;

T1—空場混響室的混響時間，s;

m1—空場混響室的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，m-1; m1與測試過程空場混響室內(nèi)的溫度和相對濕度有關(guān)，可根據(jù)m1值公式[3]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?計算得出，其中α為衰減系數(shù)，通過GB/T 17247.1[4]查出。

1.4? ? 混響室內(nèi)部聲場擴(kuò)散設(shè)計

在混響室設(shè)計過程中，將混響室內(nèi)部形狀設(shè)計成不規(guī)則的矩形形狀，把墻面設(shè)計成多個半圓柱體的起伏形狀或者在室內(nèi)懸掛擴(kuò)散板，都是為了盡量使混響室達(dá)到均勻和充分的聲場擴(kuò)散。半圓柱形狀墻面容易實現(xiàn)效果良好的低頻聲反射，但是由于設(shè)計成形就很難再改進(jìn)優(yōu)化，故設(shè)計時不考慮此方案。本混響室采用的是懸掛擴(kuò)散板的方案，它盡管安裝不夠方便，但是可以根據(jù)需要靈活拆裝和布置擴(kuò)散板的位置角度，以達(dá)到設(shè)計所需的聲場擴(kuò)散效果。在混響室頂部隨機(jī)且不重疊的懸吊若干塊弧形擴(kuò)散板[5]，板的總面積接近地面面積，擴(kuò)散板為光滑的亞克力板，本身的吸聲量很低，聲波經(jīng)過擴(kuò)散板各個角度的反射，從而獲得均勻的聲場效果，擴(kuò)散板的布置見圖2：

1.5? ?聲源的確定

混響室內(nèi)聲音應(yīng)由全指向輻射的聲源發(fā)出。為保證測試時能獲得足夠大的聲壓級和均勻的混響場，本混響室采用4個發(fā)聲頻率為100Hz-10000 Hz的球聲源，聲源分別放置在混響室的四個角落，距離墻壁1.5米以上，同時位置不對稱。

2? ? 混響室的測試驗證

2.1? ?混響室大門隔聲量驗證

為提高混響室的密封性和大門的隔聲量，混響室采用兩道厚12mm的大隔音門，內(nèi)部填充吸聲材料，大門門框邊緣均安裝橡膠密封條。用LMS Test.lab測試設(shè)備測量雙層隔聲門的隔聲性能，結(jié)果如圖3所示，能滿足設(shè)計要求。

2.2? ?混響室空場吸聲量的驗證

使用Bruel&Kjaer3050和3160LAN-XI分析儀測量混響室空場混響時間。聲源為4個SS-Q-12A-WH球聲源，發(fā)聲頻率為100Hz-10000Hz，分別不規(guī)則放置在混響室的四個角落，與墻壁間隔1.5米。測試時，在混響室內(nèi)均勻選擇6個測點放置擴(kuò)散場傳聲器，高度為1.5米，得到6個測點的平均混響時間。測試時混響室內(nèi)的溫度為21.2℃，相對濕度40%。平均混響時間測試結(jié)果通過空場混響室的吸聲量計算公式（2）得到各1/3倍頻程的吸聲量結(jié)果。結(jié)果如表1所示，混響室空場各1/3倍頻程的吸聲量均小于國標(biāo)上限值，同時任一1/3倍頻程吸聲量與其相鄰兩個1/3倍頻程吸聲量的平均值之差均小于15%，符合設(shè)計指標(biāo)要求。

2.3? ? 混響室聲場擴(kuò)散驗證

2.3.1 混響室空場混響時間均勻度驗證

按照2.2中測試混響室空場混響時間的設(shè)備配置，在混響室內(nèi)均勻選擇6個測點放置擴(kuò)散場傳聲器，高度分別為1米和1.5米，得到12個測點的混響時間，對比12個測點的混響時間的均勻度

結(jié)果如表2所示。只有125Hz-250Hz中心頻率的混響時間均勻度較大，其余各中心頻率的混響時間均勻度都比較小，說明混響室空場的混響時間均勻度良好。

2.3.2 混響室內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲場的均勻度驗證

按照2.3.1中布置，測試12個測點的穩(wěn)態(tài)聲壓級，按公式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （其中P 為穩(wěn)態(tài)聲場的聲壓級），計算得到混響室內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲場的均勻度，結(jié)果如表3所示。低頻段125Hz-500Hz的均勻度值均小于6dB，中高頻點630Hz-5000Hz的均勻度值均小于3dB，說明混響室內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲場的均勻度良好。

2.3.3 混響室內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲場聲壓級隨時間的衰減關(guān)系

按照2.3.1中布置，測試12個測點（S1-S12）的穩(wěn)態(tài)聲場聲壓級隨時間的衰減變化，衰減關(guān)系曲線如圖4所示。從圖中可看出，12個測點的穩(wěn)態(tài)聲場聲壓級衰減線性關(guān)系良好，重合度高，說明混響室內(nèi)的聲場擴(kuò)散度良好。

2.4? ?球聲源數(shù)目對混響室聲場擴(kuò)散影響的驗證

在混響室內(nèi)均勻選擇6個測點放置擴(kuò)散場傳聲器，高度為1.2米，通過測試6個測點的平均混響時間、混響時間均勻度和穩(wěn)態(tài)聲場均勻度，驗證在混響室中心放置一個球聲源，對角放置兩個球聲源和四個角落放置球聲源三種方案對混響室聲場擴(kuò)散的影響。測試結(jié)果如表4、圖5、表5、圖6、表6、圖7所示。三組方案的混響室空場的吸聲量均小于國標(biāo)上限;同時三組方案的低頻段125Hz-500Hz的均勻度值均小于6dB，中高頻點630Hz-5000Hz的均勻度值均小于3dB，室內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲場的均勻度均表現(xiàn)良好;三組方案中方案3（4個球聲源）的混響時間均勻度更均勻。綜合考慮，4個球聲源的的表現(xiàn)更好，既能保證提供穩(wěn)定的擴(kuò)散聲場，同時還可以滿足在做整車隔聲量測試時對較大聲壓級的要求。

3? ? 結(jié)語

本文對新建設(shè)混響室的容積、形狀、背景噪聲、吸聲量和室內(nèi)聲場擴(kuò)散等指標(biāo)進(jìn)行測試驗證，測試結(jié)果表明各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。最后還驗證了球聲源數(shù)目對混響室聲場擴(kuò)散的影響，測試結(jié)果表明在混響室內(nèi)4個角落無規(guī)則放置球聲源，室內(nèi)聲場擴(kuò)散表現(xiàn)更穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T 6881.1-2002.聲學(xué)聲壓法測定噪聲源聲功率級混響室精密法[S].

[2]GB/T 20247-2006.聲學(xué)混響室吸聲量測量[S].

[3]GBJ47-83.混響室法吸聲系數(shù)測量規(guī)范[S].

[4]GB/T 17247.1-2000.聲學(xué) 戶外聲傳播衰減 第1部分：大氣聲吸收的計算[S].

[5]呂義，高陽，樊康.混響室擴(kuò)散體聲學(xué)設(shè)計及數(shù)值仿真[J].城市軌道交通研究，2019，22（2）：98-102.