2018年的最后一個長假過去了，小伙伴們你們還玩的開心嗎，在接下來的漫漫冬季里小編將為大家無間斷的帶來熱氣騰騰的大餐，這個冬季我們將一起取暖。大家還記得我們在聲學(xué)知識殿堂分享的“聲學(xué)演義-Something about Sound”系列嗎? Come on，讓小編來帶大家腦補一下，在上兩期的技術(shù)分享中小編給大家介紹了：吸聲降噪技術(shù)：1 吸聲的基本概念，吸聲降噪技術(shù)：2 法向入射吸聲性能的測量。

本期小編將跟大家分享無規(guī)入射吸聲性能的測量，讓我們言歸正傳吧......

二、無規(guī)入射吸聲系數(shù)的測量

無規(guī)入射吸聲系數(shù)用表示，采用混響室法測量。該方法測試系統(tǒng)相對復(fù)雜，首先要有一間體積大于200m3的混響室，所需的試件面積一般在10~14m2左右(依據(jù)混響室的體積確定)。由于聲波在房間內(nèi)大多是無規(guī)入射到物體及室內(nèi)表面，所以無規(guī)入射的吸聲系數(shù)更加符合實際聲場條件。在聲學(xué)工程的設(shè)計計算中，如廳堂音質(zhì)混響時間的計算、噪聲控制工程的吸聲降噪計算，都應(yīng)采用混響室法的吸聲系數(shù)。無規(guī)入射吸聲系數(shù)還用于材料吸聲性能的等級評定，國家標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定以混響室法吸聲系數(shù)作為劃分依據(jù)。

混響室法吸聲系數(shù)測量的詳細(xì)過程和要求由以下的國家標(biāo)準(zhǔn)給出：

GB/T 20247-2006 聲學(xué) 混響室吸聲測量。

 (eqv. ISO 354，美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM C 423)

?2.1 混響室法無規(guī)入射吸聲系數(shù)測量原理

根據(jù)室內(nèi)聲學(xué)的基本原理，在房間的幾何尺寸確定后(即體積和內(nèi)表面積)，房間的混響時間與房間內(nèi)的吸聲材料的吸聲量(材料面積S與吸聲系數(shù)的乘積)有關(guān)。因此，通過測量在混響室內(nèi)放入被測材料前后的混響時間，就能計算出被測材料的吸聲系數(shù)，計算根據(jù)下式進行：

式中：

V ─── 空場(即混響室內(nèi)未放置被測材料)時混響室體積，m3；

c    ─── 混響室內(nèi)聲波在空氣中的傳播速度，m/s；

T 1  ─── 空場時混響室內(nèi)的混響時間，s；

T 2  ─── 放入被測材料后混響室內(nèi)的混響時間，s；

S   ─── 被測材料的面積，m 2 ；

m 1  ─── 空場混響室條件下的聲強衰減系數(shù)，m -1 ；

m 2  ─── 放入被測材料后混響室條件下的聲強衰減系數(shù)，m -1 ；

混響室法無規(guī)入射吸聲系數(shù)測量系統(tǒng)見圖1。

（圖1混響室法吸聲系數(shù)測量系統(tǒng)圖）

2.2測量混響室的要求

混響室體積：

在ISO 354 和GB/T20247中對混響室的體積作出明確的規(guī)定，要求混響室的容積不小于150m3，新建混響室的容積不小于200m3。混響室體積直接影響了混響室在低頻聲場的均勻度和擴散性能，想要在低頻段獲得更加好的測量準(zhǔn)確性，必須有更加大的混響室體積。但由于高頻空氣聲吸收的影響，混響室體積的增大也意味著高頻測量的準(zhǔn)確性的降低，這種降低主要來自于2個方面：①高頻混響時間較短(如很多實驗室在8000Hz空場混響時間在2s以下)，混響時間的測量誤差引起根據(jù)(2.1)式計算的吸聲系數(shù)的誤差增大；②大空間中長距離聲傳播使得高頻空氣吸聲衰減隨溫濕度變化特征非常明顯，即混響室中放置吸聲材料前后很小的溫濕度改變，都會引起混響時間的變化，從而導(dǎo)致吸聲系數(shù)計算結(jié)果的顯著誤差。因此標(biāo)準(zhǔn)中明確提出“容積超過500m3的混響室可能由于空氣吸聲而不能準(zhǔn)確測量出高頻段的吸聲”。

混響室空場混響時間：

在ISO 354 和GB/T20247中給出了混響室空場吸聲量的上限值(相當(dāng)于空場混響時間的下限值)，下表中給出了體積為200m3和300m3混響室的混響時間下限值。

根據(jù)混響室吸聲性能測量的原理，在混響室內(nèi)放入被測試件后，混響室仍應(yīng)滿足近似擴散場的要求，此時式(2.1)所表達(dá)的房間內(nèi)吸聲與混響時間之間的關(guān)系才適用。因此，在混響時設(shè)計時，空場混響時間應(yīng)盡可能比上表的混響時間長，以確保在測量高吸聲性能的材料時，獲得較好的測量準(zhǔn)確度。

?2.3混響室擴散體的型式

為獲得混響室內(nèi)良好的聲場擴散，標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了“不論混響室的形狀如何，通常需要設(shè)置固定或懸掛的擴散體或旋轉(zhuǎn)的擴散體”。目前常見的混響室擴散體的形式也是這三種，如德國弗勞恩霍夫建筑物理研究所(IBP)采用的是懸掛擴散體的形式，并且通過外形尺寸的非規(guī)則性來激發(fā)房間內(nèi)更加多的模態(tài)。國內(nèi)建筑物理研究所新建的混響室完全采用了和IBP混響室相同的尺寸和設(shè)計。

（圖2a 德國IBP懸掛擴散體）

采用旋轉(zhuǎn)擴散體的混響室如南京大學(xué)混響室，以及IBM在日本大和研發(fā)中心的混響室。但由于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的機械耐久性等問題，采用旋轉(zhuǎn)擴散體方式的混響室相對較少。

圖2b 南京大學(xué)混響室 圖2c IBM日本大和研發(fā)中心混響室

針對ISO354標(biāo)準(zhǔn)修訂的一些研究工作1~2)，對比了采用懸掛擴散體和采用體積擴散體對室內(nèi)聲場擴散性能的影響，下圖是研究中采用的模型。研究結(jié)果認(rèn)為采用體積擴散體的方式可以在混響室內(nèi)獲得更加好的聲場擴散性能。

（圖3 擴散體對聲場擴散性能影響研究模型）

同濟大學(xué)1985年建成的混響室（圖4）是全球第一個采用體積擴散體的混響室，國內(nèi)近期建設(shè)的混響室有一些也是采用了體積擴散體的設(shè)計，如長安福特（圖5）。

（圖4 同濟大學(xué)混響室）

（圖5 長安福特混響室）

2.4汽車工業(yè)中的混響箱(a-Cabin)

在汽車工業(yè)中，從節(jié)省研發(fā)成本的角度出發(fā)，常采用混響箱(a-Cabin)進行無規(guī)入射吸聲系數(shù)的測量?；祉懴?a-Cabin)的單邊幾何尺寸一般為標(biāo)準(zhǔn)混響室的1/3，體積在標(biāo)準(zhǔn)混響室的1/30左右，測量材料的面積一般在1.2m2左右。有效測量頻率范圍在400Hz以上。該測量方法執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為：

SAE J2883-2015 Laboratory Measurement of Random Incidence Sound Absorption Tests Using a Small Reverberation Room

圖5中給出了25mm厚的玻璃棉在大混響室和混響箱內(nèi)的測試結(jié)果的對比，可以看出，雖然混響箱的測試下限頻率為400Hz，但由于在低頻聲場擴散性的影響，在400~1600Hz的頻率范圍內(nèi)的測試結(jié)果將和標(biāo)準(zhǔn)混響室內(nèi)的測試結(jié)果有一定的差異。

（圖5 標(biāo)準(zhǔn)混響室和混響箱測試結(jié)果的對比(25mm玻璃棉)）

2.5混響室測量中的”邊緣效應(yīng)”

混響室吸聲測量中，對高吸聲的材料常常會出現(xiàn)測量出的吸聲系數(shù)大于1的情況，這與吸聲系數(shù)的物理定義相違背。這種現(xiàn)象在混響室測量中被稱作“邊緣效應(yīng)(edge effect)”3-4)。邊緣效應(yīng)有時被認(rèn)為被測試件周邊沒有封閉引起的附加吸聲，這是完全錯誤的理解。根據(jù)測量規(guī)范的要求，測量材料邊緣必須進行剛性封閉，或者通過測試地面的下沉調(diào)節(jié)，使得材料完全鑲嵌在地板中(如中國建筑物理研究院的新混響室以及同濟大學(xué)的混響室)，這時候仍然會出現(xiàn)測量結(jié)果大于1的情況。

引起邊緣效應(yīng)的主要原因為以下幾點：

1. 由于聲波波長關(guān)系，使得聲波的作用范圍擴大，以至于計算中處于材料外的聲波，仍然會受到材料吸聲的影響，使得這部分聲波在反射時能量被衰減；

2. 來自于材料邊緣的衍射影響，產(chǎn)生了附加吸聲；

3. 材料邊緣處由于阻抗突變，使得原本應(yīng)入射到周圍地面的聲波，由于阻抗突變產(chǎn)生聲波彎曲，入射到了材料表面，引起附加吸聲。

由此可知，在混響室中材料布置長寬尺寸的改變，將會影響被測材料的邊緣長度，引起的邊緣效應(yīng)的影響也不同。所以在測量規(guī)范中規(guī)定了混響室測量中材料布放的長寬比。

邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生，是由于在測試中采用的是有限尺寸的材料，而吸聲系數(shù)的定義是無限尺寸的材料。因此，也有一些學(xué)者研究如何通過有限尺寸材料的測試推出無限尺寸材料的吸聲性能5)。無限尺寸材料的吸聲系數(shù)才是材料吸聲性能的真值。

（圖6有限尺寸測量結(jié)果和無限尺寸吸聲系數(shù)真值）

三、無規(guī)入射和法向入射吸聲系數(shù)的關(guān)系

根據(jù)理論計算，僅當(dāng)吸聲材料的聲阻值和聲抗值之有一定聯(lián)系時垂直(法向)入射吸聲系數(shù)和無規(guī)入射吸聲系數(shù)才可能有單值的對應(yīng)關(guān)系。在共振時聲抗等于零，垂直(法向)入射共振吸聲系數(shù)(即= )與無規(guī)入射吸聲系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表2.1或圖7所給出的曲線所示。當(dāng)相對聲阻抗r ≥ 1時，無規(guī)入射吸聲系數(shù)一般要比垂直入射吸聲系數(shù)大；反之，當(dāng)相對聲阻抗率r ≤1時，值一般比值小。

表2.1 當(dāng)=時，與的對應(yīng)值

（圖7 垂直入射吸聲系數(shù)和無規(guī)入射吸聲系數(shù)的換算關(guān)系）

參考文獻：

1. M.L.S. Vercammen. Improving the accuracy of sound absorption measurement according to ISO 354. Proceedings of the International Symposium on Room Acoustics, ISRA 2010, 29-31 August 2010, Melbourne, Australia

2. M.R. Lauternbach, M.L.S. Volume Diffusers in the Reverberation Room. Proceedings of 20th International Congress on Acoustics, ICA 2010, 23-27 August 2010, Sydney, Australia

3. T. W. Bartel, “Effect of absorber geometry on apparent absorption coefficients as measured in a reverberation chamber”, J. Acoust. Soc. Am., 69(4), 1065–74 (1981).

4. A. de Bruijn, The edge effect of sound absorbing materials “revisited”, NAG 2007

5. Makita Y., Hidaka T. Comparison between reverberation and random incident sound absorption coefficients of a homogeneous and isotropic sound absorbing porous material. Acustica, 66, (1998)