吸聲系數(shù)的先進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)發(fā)展概述

李東旭，張霞，聶嘉興，黃安畏，吳永鵬，孫彩云，董玲抒，郭峰

（1.海裝廣州局駐重慶地區(qū)第三軍事代表室，重慶 400000；2.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同037000；3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

噪聲在生活中隨處可見(jiàn)，并且強(qiáng)烈的噪聲環(huán)境會(huì)給人帶來(lái)心煩、易怒等負(fù)面情緒，從而可能對(duì)人們的身體和心理都產(chǎn)生不良的影響[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們健康意識(shí)的增強(qiáng)，聲學(xué)材料在汽車(chē)、船舶、軌道交通以及建筑等各個(gè)領(lǐng)域都受到了廣泛應(yīng)用。吸聲系數(shù)是評(píng)價(jià)材料聲學(xué)性能優(yōu)劣的重要的參數(shù)之一，其表示聲波經(jīng)過(guò)聲學(xué)材料時(shí)，被材料所吸收的部分聲功率與入射總聲功率的比值。聲學(xué)材料吸聲系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試對(duì)于材料聲學(xué)性能優(yōu)化、聲學(xué)仿真計(jì)算等有著重要作用，常用的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試吸聲系數(shù)的方法有駐波管法[2]與混響室法[3]，如圖1 和圖2 所示。

圖1 駐波管法測(cè)試儀器[2]Fig.1 Standing wave tube test instrument[2]

圖2 混響室[3]Fig.2 Reverberation chamber[3]

1 測(cè)試方法簡(jiǎn)介

利用駐波管法進(jìn)行聲學(xué)材料的吸聲系數(shù)測(cè)試就需要用到駐波管，聲源與測(cè)試樣件材料分別放置在駐波管兩端，中間有一只可移動(dòng)傳聲器。由于管內(nèi)是密閉結(jié)構(gòu)，聲源發(fā)聲后，管內(nèi)將逐漸形成駐波，通過(guò)找到聲波的極大（小）值，以此來(lái)求得相應(yīng)的吸聲系數(shù)。另外，該方法存在一些缺陷[4-5]：測(cè)試樣件必須切割為固定的形狀，只能測(cè)試小件樣品，不可以測(cè)試沙子等松散材料；測(cè)試結(jié)果為垂直入射吸聲系數(shù)；聲波的極大（?。┲涤扇藶榕袛?，可能導(dǎo)致誤差；每次只可以測(cè)試單頻吸聲系數(shù)；測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)，每次測(cè)試都需要對(duì)應(yīng)的移動(dòng)傳聲器位置。

混響室法得到的吸聲系數(shù)不同于駐波管法，為無(wú)規(guī)則入射吸聲系數(shù)。首先需要準(zhǔn)確測(cè)試聲學(xué)材料樣件放入混響室前后的混響時(shí)間，然后由賽賓公式可計(jì)算出吸聲系數(shù)[6]。因此混響室法中混響時(shí)間的測(cè)試十分重要，一般有脈沖響應(yīng)積分法與中斷聲源法兩種混響時(shí)間測(cè)試方法。該方法同樣也存在一些不足之處[7-11]：測(cè)試環(huán)境要求高，所需混響室建造成本高昂；不同的混響室測(cè)試同一樣件的結(jié)果差別可能很大；樣件材料的大小對(duì)測(cè)試結(jié)果有較大的影響；測(cè)試準(zhǔn)備過(guò)程繁瑣，耗時(shí)較長(zhǎng)；中高頻時(shí)，測(cè)試所得吸聲系數(shù)可能會(huì)大于1。

上述兩種吸聲系數(shù)的傳統(tǒng)測(cè)試方法，已經(jīng)有了較為完整的測(cè)試體系與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，也成為了業(yè)界公認(rèn)的吸聲系數(shù)評(píng)定方法。但是其僅僅適用于實(shí)驗(yàn)條件下的吸聲系數(shù)測(cè)試，測(cè)試條件以及環(huán)境要求都相對(duì)較高。同時(shí)，駐波管法測(cè)試的是法向吸聲系數(shù)，混響室法基于混響場(chǎng)得到的是各個(gè)入射方向的平均吸聲系數(shù)，兩種方法均與實(shí)際安裝情況存在一定的區(qū)別，難以完成現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下吸聲系數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試。很多情況下，需要測(cè)試得到的是實(shí)際工作環(huán)境中的吸聲系數(shù)，因此迫切需要現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展[12-17]。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中對(duì)吸聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，就需要得到聲波的入射聲功率與反射聲功率。其主要存在兩個(gè)方面的問(wèn)題：一是復(fù)雜環(huán)境中有效信息的獲取會(huì)受到部分外部噪聲的影響；二是聲源發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過(guò)周?chē)h(huán)境反射，干擾信號(hào)獲取的準(zhǔn)確度。為實(shí)現(xiàn)吸聲系數(shù)有效、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，較多的學(xué)者對(duì)新測(cè)試技術(shù)進(jìn)行不斷研究。目前，吸聲系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法[18-20]主要包括：傳遞函數(shù)法、PU 矢量法、參量陣揚(yáng)聲器法、脈沖響應(yīng)法、倒頻譜法、最長(zhǎng)序列數(shù)法以及減法技術(shù)等。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)

2.1 傳遞函數(shù)法

1980 年，Chung 等[21]基于雙傳聲器理論，提出了測(cè)試材料吸聲系數(shù)的傳遞函數(shù)法。此后，Guillaum[22]等又對(duì)該方法的應(yīng)用提出了改進(jìn)方案。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，較多的學(xué)者針對(duì)該方法展開(kāi)了相關(guān)的研究。Allard 等[23]將聲強(qiáng)探頭用于材料吸聲系數(shù)的測(cè)試，首先通過(guò)傳聲器測(cè)試得到材料表面聲壓，從而計(jì)算聲強(qiáng)探頭處聲壓之間的互功率譜以及自功率譜，得到聲阻抗率，由此求得材料的反射系數(shù)與吸聲系數(shù)。Cops等[24]對(duì)使用雙傳聲器測(cè)試吸聲系數(shù)的誤差原因進(jìn)行了分析，低頻時(shí)，主要是傳聲器間相位可能不匹配而導(dǎo)致誤差；高頻時(shí)，則是因?yàn)樵讷@取質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)未考慮二階無(wú)窮小量。Minten 等[25]探究了入射角度與頻率對(duì)測(cè)試誤差的影響，頻率越小，入射角度越大，則由有限差分導(dǎo)致的誤差就會(huì)越大。Li 等[26]提出了利用傳聲器間傳遞函數(shù)來(lái)避免有限差分所導(dǎo)致的誤差。Takahashi 等[27]以周?chē)h(huán)境隨機(jī)產(chǎn)生噪聲作為聲源，進(jìn)行了辦公室、咖啡廳等地方的現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)試。王毅剛等[28]在雙傳聲器的基礎(chǔ)上，提出了可以解決之前半波長(zhǎng)整數(shù)倍問(wèn)題的三傳聲器法。陳克安等[29]分析了在測(cè)試斜入射吸聲系數(shù)時(shí)，雙傳聲器法受到的各因素的影響，如材料表面積、傳聲器間距以及傳聲器與材料表面距離。

傳遞函數(shù)法的測(cè)試設(shè)備與駐波管法相同，但有著不同的基本原理。此方法是在頻域中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，所以需要利用頻譜計(jì)算技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理，分析傳聲器所測(cè)信號(hào)之間的傳遞函數(shù)關(guān)系，從而計(jì)算求得吸聲系數(shù)，測(cè)試系統(tǒng)原理如圖3 所示。

兩個(gè)傳聲器位置處測(cè)得的聲壓可由入射聲壓Pi( x ) = Pi· ejkx和反射聲壓 Pr( x ) = Pr· e-jkx表示：

得到入射波與反射波的傳遞函數(shù)分別為：

阻抗管內(nèi)的傳遞函數(shù)為：

因此，由反射系數(shù)與吸聲系數(shù)之間的關(guān)系可得到吸聲系數(shù)α 為：

相比于傳統(tǒng)駐波管法，用傳遞函數(shù)法進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試，具有速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)能夠一次測(cè)試出某頻率范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)，通過(guò)吸聲系數(shù)隨頻率變化曲線，可以較為明顯地看出兩者之間的關(guān)系。該方法也存在局限性，必須要滿足聲波是以平面波或類似平面波的形式傳遞，所以吸聲系數(shù)測(cè)試必須在腔體內(nèi)進(jìn)行。

圖4 PU 探頭測(cè)試原理Fig.4 Testing principle of PU probe

2.2 PU 矢量探頭法

PU 探頭最早為荷蘭朗德科技在20 世紀(jì)90 年代開(kāi)發(fā)的一款材料吸聲系數(shù)測(cè)試儀器，此探頭可根據(jù)兩根金屬絲間的溫差來(lái)進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)聲壓與振動(dòng)速度的獲取，通過(guò)PU 矢量探頭法能夠在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多個(gè)方向的吸聲系數(shù)測(cè)試[30-31]。該方法測(cè)試的基本原理接近于雙傳聲器理論，但雙傳聲器法中還需要利用測(cè)試的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算才能獲得需要的聲壓與振動(dòng)速度，而PU 矢量探頭法可以直接獲取所需質(zhì)點(diǎn)聲壓與振動(dòng)速度，相當(dāng)于簡(jiǎn)化了雙傳聲器法。Torud 等[32]結(jié)合集合平均技術(shù)與PU 探頭提出了隨機(jī)入射條件下表面法向阻抗和吸聲系數(shù)的測(cè)試方法，并且對(duì)該測(cè)試方法進(jìn)行了理論與試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該方法的有效性。

PU 探頭測(cè)試材料的吸聲系數(shù)時(shí)同樣也是先獲得反射系數(shù)，再計(jì)算求出材料的吸聲系數(shù)。采用該方法測(cè)試時(shí)，其聲路比較簡(jiǎn)單，只需將PU 探頭接近所測(cè)材料表面，并與聲源在同一直線上，此時(shí)更加容易反應(yīng)出材料自身吸聲特性。PU 矢量探頭法的測(cè)試原理如圖4 所示。

如圖4 所示，將PU 探頭放置在揚(yáng)聲器與吸聲材料中間并且三者處于同一直線上，d 為探頭與測(cè)試材料表面之間距離，R1為揚(yáng)聲器與探頭之間距離，R2為鏡像虛聲源與探頭之間距離。PU 矢量探頭法測(cè)試吸聲系數(shù)與雙傳聲器基本原理相似，但減少了一個(gè)探頭，其測(cè)試裝置相對(duì)簡(jiǎn)便，但是該方法所需PU 探頭的造價(jià)十分昂貴，并且需要在特定的聲學(xué)管中校準(zhǔn)后才能使用，因此PU 矢量探頭法在工程中得到普遍應(yīng)用還需要得到進(jìn)一步的發(fā)展。

2.3 參量陣揚(yáng)聲器法

Estervelt 等[33]在20 世紀(jì)60 年代提出了聲參量陣的理論，之后南安普敦大學(xué)Humphrey 等[34]將參量陣揚(yáng)聲器用于材料在水下的吸聲系數(shù)測(cè)試，中科院聲學(xué)所又在此基礎(chǔ)上對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用到空氣中吸聲系數(shù)的測(cè)試。參量陣揚(yáng)聲器法最顯著的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)吸聲系數(shù)所需的測(cè)試環(huán)境要求較低，因?yàn)閰⒘筷嚀P(yáng)聲器可以作為高指向性聲源，在測(cè)試環(huán)境空間不大的情況下，聲源發(fā)出的聲波可以當(dāng)作平面波進(jìn)行處理。因此參量陣揚(yáng)聲器法改進(jìn)的是測(cè)試中聲源的發(fā)射形式，改變了測(cè)試時(shí)的部分環(huán)境限制問(wèn)題[35]。參量陣揚(yáng)聲器聲波的發(fā)射原理以及參量陣如圖5 和圖6 所示。

圖5 參量陣揚(yáng)聲器原理Fig.5 Principle of parametric array loudspeaker

圖6 參量陣[36]Fig.6 Parametric array[36]

由換能器向周?chē)l(fā)射超聲波信號(hào)，與周?chē)目諝饨橘|(zhì)相互作用自解調(diào)出可聽(tīng)聲，從而在傳播軸中心處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)端射式虛擬聲源陣列，也就是參量聲學(xué)陣。參量陣揚(yáng)聲器首先對(duì)聲波信號(hào)處理、失真預(yù)處理后振幅調(diào)制，然后通過(guò)功率放大器將信號(hào)放大后利用超聲波發(fā)射器向外部發(fā)射，并且在空氣中發(fā)射信號(hào)重新形成所需的音頻信號(hào)[37]。對(duì)于詳細(xì)的測(cè)試原理，該方法可參考傳遞函數(shù)法的基本原理進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試。經(jīng)過(guò)一系列的研究，參量陣揚(yáng)聲器法對(duì)測(cè)試環(huán)境條件的要求相對(duì)較低，穩(wěn)定性好，并且有較強(qiáng)的抗干擾能力，不但可以測(cè)試小尺寸樣件的吸聲系數(shù)，而且在小空間復(fù)雜聲學(xué)環(huán)境內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的測(cè)試，同時(shí)，不同的測(cè)試環(huán)境中吸聲系數(shù)的結(jié)果也不會(huì)相差很大。該方法也存在一定的缺陷，主要是參量陣揚(yáng)聲器自身的設(shè)計(jì)還存在部分問(wèn)題，其測(cè)試頻率不能夠低于500 Hz[20]。

2.4 脈沖響應(yīng)法

由于在空氣中高速傳播的聲波可以在發(fā)射之后的極短時(shí)間內(nèi)入射到材料表面，并在其周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行若干次反射，所以在聲反射實(shí)驗(yàn)時(shí)，樣品材料表面反射信號(hào)往往會(huì)受到干擾，從而難以獲得真實(shí)準(zhǔn)確的反射信號(hào)。因此，通常會(huì)選擇時(shí)間延續(xù)較短、且容易進(jìn)行記錄的脈沖信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聲學(xué)測(cè)試。不僅如此，脈沖信號(hào)中可包含較多的頻率成分，比較容易得到待測(cè)物理量的寬頻帶結(jié)果，所以脈沖響應(yīng)法在吸聲系數(shù)測(cè)試技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。脈沖響應(yīng)法基于聲波的鏡面反射理論，需要入射聲波和反射聲波關(guān)于材料表面的法線完全對(duì)稱才能夠成立。謝榮基等[18]與LabView平臺(tái)合作，共同開(kāi)發(fā)了基于脈沖響應(yīng)法的現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。之后，蔣偉康等[38]又提出采用多傳聲器脈沖響應(yīng)法進(jìn)行材料吸聲系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

使用脈沖響應(yīng)法進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試的優(yōu)勢(shì)在于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)產(chǎn)生的聲波會(huì)被周?chē)h(huán)境反射而導(dǎo)致所需信號(hào)受到干擾，而如果聲源發(fā)出信號(hào)的時(shí)間足夠短，以至于聲波還未形成反射，則此時(shí)測(cè)試得到的就是真實(shí)有效的信號(hào)數(shù)據(jù)，為單純的入射聲波以及反射聲波，因此能夠比較容易直接求得材料的吸聲系數(shù)[5]。脈沖響應(yīng)法的測(cè)試吸聲系數(shù)主要可分為兩部分，分別是在未放置樣品材料時(shí)與放置樣品材料后，測(cè)試得到反射方向上單個(gè)傳聲器的聲強(qiáng)或多個(gè)傳聲器的平均聲強(qiáng)，根據(jù)此結(jié)果便可計(jì)算出樣品材料在各個(gè)頻率下的吸聲系數(shù)。脈沖響應(yīng)法的測(cè)試原理如圖7 所示。

圖7 脈沖響應(yīng)法的測(cè)試原理Fig.7 Test principle of impulse response method

脈沖響應(yīng)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)試的基本原理相對(duì)簡(jiǎn)單，也易于操作，能夠測(cè)試非平整材料的吸聲系數(shù)。該方法也有一些弊端：需要嚴(yán)格保證脈沖聲波的發(fā)聲時(shí)間；需要滿足脈沖波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于傳聲器、樣品材料、聲源以及障礙板幾者之間的距離，但實(shí)際上此條件難以實(shí)現(xiàn)；吸聲系數(shù)低頻段精度較差，更加適合中高頻段吸聲系數(shù)測(cè)試；實(shí)際測(cè)試中難以達(dá)到聲波完全鏡面反射的假設(shè)。

謝榮基等[14]以脈沖響應(yīng)與反射原理為基礎(chǔ)，結(jié)合波形消除與時(shí)選窗技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套吸聲系數(shù)的測(cè)量裝置，如圖8 所示。將該裝置的吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果與駐波管測(cè)試結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該裝置測(cè)試功能的有效性。該裝置的組成部分主要包括功率放大器、計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集系統(tǒng)、揚(yáng)聲器以及傳聲器等。測(cè)試時(shí)傳聲器安裝在被測(cè)樣件與聲源中間，則由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的脈沖聲信號(hào)首先通過(guò)傳聲器處，再傳遞至樣件表面，被測(cè)樣件吸收部分聲波信號(hào)，并反射至傳聲器，于是傳聲器對(duì)直達(dá)聲、反射聲的脈沖信號(hào)都進(jìn)行了采集。最后利用信號(hào)采集處理控制器獲取的信號(hào)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行處理，得到吸聲系數(shù)。

圖8 測(cè)試裝置[14]Fig.8 Test setup[14]

2.5 倒頻譜法

華中科技大學(xué)的朱從云等[15]于2004 年提出了一種基于倒頻譜分析的現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)試方法，低頻范圍內(nèi)，其吸聲系數(shù)測(cè)試結(jié)果與駐波管法基本相同。2012 年，黃帥[39]將倒頻譜法用于海洋環(huán)境模擬水池吸聲系數(shù)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該方法需要較好的信噪比才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。倒頻譜法其實(shí)就是在原有的吸聲系數(shù)測(cè)試方法基礎(chǔ)上運(yùn)用倒頻譜分析這個(gè)新的計(jì)算方法，計(jì)算出與反射系數(shù)相關(guān)的脈沖項(xiàng)，利用材料吸聲系數(shù)和所求得脈沖項(xiàng)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而得到吸聲系數(shù)。倒頻譜分析時(shí)會(huì)涉及到傅里葉變換的應(yīng)用，對(duì)于聲波信號(hào)，先計(jì)算其自然對(duì)數(shù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換以及傅立葉變換，通過(guò)這樣的處理后相關(guān)公式中包含與反射系數(shù)相關(guān)的脈沖項(xiàng)。倒頻譜方法的測(cè)試系統(tǒng)如圖9 所示。

圖9 倒頻譜法裝備示意Fig.9 Equipment diagram of cepstrum method

傳聲器處接收的聲壓信號(hào)P(t)為入射聲波P(i)和反射聲波R·P(t-τ)的疊加，可表示為：

若是在測(cè)試時(shí)將所測(cè)材料移走，則傳聲器處所測(cè)得的聲壓信號(hào)有：P(i)=P(t)。對(duì)式（13）進(jìn)行倒頻譜分析對(duì)比就能夠得到所測(cè)材料的反射系數(shù)，從而求得材料的吸聲系數(shù)。該方法最大的優(yōu)勢(shì)就是其測(cè)試設(shè)備十分簡(jiǎn)單，僅需要一個(gè)可接收外界聲波信號(hào)的儀器，然后將這接收信號(hào)進(jìn)行倒頻譜分析便可求取材料的吸聲系數(shù)。相對(duì)而言，該方法僅通過(guò)一個(gè)信號(hào)接收，獲取的信息也會(huì)相應(yīng)地有一定的局限，所以會(huì)對(duì)最終吸聲系數(shù)的計(jì)算結(jié)果精度產(chǎn)生一定的影響。

2.6 最長(zhǎng)序列數(shù)法

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最長(zhǎng)序列數(shù)（Maximum Length Sequence, MLS）測(cè)試方法能夠在具有功率放大器與揚(yáng)聲器的情況下對(duì)全頻段進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試，同時(shí)還有很高的信噪比[40]。對(duì)于目前的揚(yáng)聲器技術(shù)而言，因其在100 Hz 以下時(shí)，發(fā)聲效率低，且背景噪聲較大，難以實(shí)現(xiàn)低頻段的準(zhǔn)確測(cè)試[41]，而MLS 測(cè)試方法可以較好地解決此問(wèn)題。MLS 方法為復(fù)雜環(huán)境下吸聲系數(shù)的測(cè)試提供了更多的可能性：第一，可將寬帶白噪聲轉(zhuǎn)化為紅激發(fā)噪聲，可以更好地處理低頻S/N 比率較大的問(wèn)題；第二，MLS 方法可被分為多個(gè)頻率范圍進(jìn)行處理，然后通過(guò)AVRG 寄存器求取平均值。通過(guò)這種方法可以幫助人們?cè)诒尘霸肼曒^大條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測(cè)試[42]。

MLS 方法是由脈沖激勵(lì)激發(fā)被測(cè)樣件，具有時(shí)域拖尾現(xiàn)象以及通過(guò)重復(fù)激勵(lì)去除背景噪聲的影響等特點(diǎn)。因此MLS 的激勵(lì)信號(hào)不同于一般的激勵(lì)信號(hào)，其包含了多個(gè)振幅相同的脈沖信號(hào)。MLS 激勵(lì)信號(hào)的頻譜特性與白噪聲的十分接近，但不符合高斯分布，并且不具備統(tǒng)計(jì)特性。同時(shí)，激勵(lì)信號(hào)的自相關(guān)是零時(shí)刻的一個(gè)脈沖信號(hào)，這與白噪聲十分相近。比如進(jìn)行隔聲測(cè)試時(shí)，脈沖激勵(lì)會(huì)被傳送到聲源室的揚(yáng)聲器中，在實(shí)際中，往往所在房間對(duì)脈沖形狀的影響比揚(yáng)聲器更大，故利用揚(yáng)聲器改善激勵(lì)脈沖性狀的效果并不明顯。

MLS 對(duì)于測(cè)試吸聲系數(shù)與混響時(shí)間都有著很大的應(yīng)用價(jià)值，國(guó)內(nèi)對(duì)于此方法的應(yīng)用相對(duì)較少。挪威Norsonic 公司開(kāi)發(fā)的RTA480 對(duì)MLS 方法進(jìn)行了一定的推廣，但此儀器還未在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，故后續(xù)對(duì)于該方法的研究與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)具有較好的前景。

2.7 減法技術(shù)

Garai 等[43]在1993 年把最長(zhǎng)序列碼作為激勵(lì)，并測(cè)試其響應(yīng)函數(shù)，再利用相應(yīng)的計(jì)算公式推導(dǎo)出樣件材料的吸聲系數(shù)。利用此方法進(jìn)行測(cè)試主要可分為三步：樣件材料放置前，先測(cè)試入射、反射以及干擾聲波；樣件材料放置后，同樣地測(cè)試出入射、反射以及干擾聲波；在時(shí)域內(nèi)對(duì)反射、入射聲波進(jìn)行傅里葉變換，得到其相應(yīng)的頻域數(shù)值，即可通過(guò)計(jì)算公式求出樣件材料的吸聲系數(shù)。此處，可以利用反射聲波與干擾聲波之間在傳聲器處接受的時(shí)間差，從而過(guò)濾掉干擾聲波，再將處理后的兩次聲波相減，便可得到入射聲波與反射聲波的時(shí)域數(shù)值。

Kimura 等[44]提出利用時(shí)延脈沖擴(kuò)展技術(shù)發(fā)出激勵(lì)信號(hào)，改進(jìn)了單一脈沖的信噪比。Londhe 等[45]基于ISO 13472-1，以MLS 作為激勵(lì)源，通過(guò)傅里葉變換和哈特萊變換計(jì)算出被測(cè)材料的吸聲系數(shù)，同時(shí)減少了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)間。由于測(cè)試時(shí)難以保證放置被測(cè)材料與未放置被測(cè)材料下的激勵(lì)信號(hào)在時(shí)間、頻率以及功率上能夠完全相同，因此可能導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生較大的偏差，故減法技術(shù)的實(shí)現(xiàn)存在很大的困難。

2.8 其他測(cè)試技術(shù)

林春丹等[46]利用計(jì)算機(jī)軟件Audition 生成噪聲源，并采用Matlab 軟件替代聲譜儀，自制了一款可測(cè)試吸聲系數(shù)的簡(jiǎn)易裝置，裝置設(shè)計(jì)如圖10 所示。該裝置設(shè)計(jì)的兩段傳聲管道的夾角可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，管道夾角處為被測(cè)樣件安裝位置。通常，聲源由左端進(jìn)入管道內(nèi)部，沿管道指向性傳播，經(jīng)過(guò)被測(cè)樣件后則從管道右端傳出至錄音裝置，于是對(duì)經(jīng)過(guò)被測(cè)樣件材料后的噪聲進(jìn)行頻譜分析便可得到聲譜圖。另外，當(dāng)兩段管道為180°時(shí)，還可測(cè)試材料的隔聲性能。通過(guò)該裝置還研究了水泥板、金屬板、泡沫板等多種常見(jiàn)材料的透射和反射特性，其結(jié)果表明，該測(cè)試裝置可以測(cè)量材料的降噪特性，并且具有低成本、高靈活性的特點(diǎn)。

圖10 裝置設(shè)計(jì)Fig.10 Device design: a) transmission characteristic test; b) reflection characteristic test

易燕等[47]提出了一種板件材料在水下任意入射角度測(cè)試吸聲系數(shù)的方法。首先，采用傅立葉變換將材料表面的復(fù)聲壓分解為各個(gè)方向的平面波分量。然后基于平面波理論，分離出材料表面的透射分量、入射分量以及反射分量，于是可得出各個(gè)方向下的材料聲學(xué)特性。該方法的測(cè)試裝置組成與布置如圖11 所示，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：被測(cè)板件豎直吊掛，板件中心與發(fā)射換能器處于同一高度，場(chǎng)地為大于2 kHz 的消聲水池；測(cè)量水聽(tīng)器等間距排列，并形成垂直線陣列，利用定位掃描裝置采集板件表面z1、z2和z3面上的復(fù)聲壓分布；為了采集的同步性，在發(fā)射換能器正下方布置一個(gè)參考水聽(tīng)器，同時(shí)確定出不同時(shí)刻下測(cè)量水聽(tīng)器陣列的相位。

B&K 公司[48]基于駐波管法開(kāi)發(fā)了一款手持式駐波管，該裝置可測(cè)試裝備局部的吸聲系數(shù)，但其無(wú)法表征整個(gè)裝備內(nèi)部的吸聲性能。張晉源等[49]為測(cè)試裝備內(nèi)部平均吸聲系數(shù)，將車(chē)輛內(nèi)部看作混響場(chǎng)，并布置聲源與傳聲器測(cè)試內(nèi)部混響時(shí)間，從而基于賽賓原理得到了平均吸聲系數(shù)。其中，吸聲系數(shù)的計(jì)算關(guān)鍵在于混響時(shí)間的測(cè)量。為得到準(zhǔn)確的混響時(shí)間，采用多組傳聲器配置（每組配置中傳聲器相對(duì)位置不同）重復(fù)測(cè)試。配置布局如圖12 所示，車(chē)輛內(nèi)部試驗(yàn)布置如圖13 所示。

首先，對(duì)各個(gè)配置下多次重復(fù)測(cè)量的各個(gè)傳聲器信號(hào)進(jìn)行濾波，并得到頻域下的平均衰減曲線，據(jù)此可計(jì)算得到各個(gè)頻率下的混響時(shí)間，如圖14 所示。然后，將所有配置下的混響時(shí)間譜進(jìn)行平均，得平均混響時(shí)間譜。最后基于賽賓原理，計(jì)算得到各頻率下的吸聲系數(shù)。

圖11 測(cè)試裝置組成與布置[47]Fig.11 Composition and arrangement of test device[47]

圖12 配置布局Fig.12 Configuration layout: a) configuration 1; b) configuration 2

圖13 試驗(yàn)布置Fig.13 Test arrangement: a) sound source; b) microphone

圖14 平均混響時(shí)間譜Fig.14 Average reverberation time spectrum

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，學(xué)者們對(duì)于吸聲系數(shù)測(cè)試技術(shù)或方法的研究相對(duì)較多。目前，主要的測(cè)試技術(shù)或方法包括傳遞函數(shù)法、PU 矢量法、參量陣揚(yáng)聲器法、脈沖響應(yīng)法、倒頻譜法、最長(zhǎng)序列數(shù)法以及減法技術(shù)，這些技術(shù)在工程應(yīng)用中也在不斷進(jìn)步、完善。同樣，不同的技術(shù)或方法也各有優(yōu)勢(shì)。

傳遞函數(shù)法具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)，但是該方法必須要滿足聲波是以平面波或類似平面波的形式傳遞。PU 探頭法對(duì)樣件材料要求較低，測(cè)試相對(duì)簡(jiǎn)單，可以測(cè)試各個(gè)入射方向的吸聲系數(shù)，但受其價(jià)格、維護(hù)等方面限制，不具備通用性，且在復(fù)雜環(huán)境下的準(zhǔn)確測(cè)試也存在一定難度。參量陣揚(yáng)聲器屬于新一代高科技揚(yáng)聲器，涉及超聲換能、信號(hào)處理等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，其對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較低，穩(wěn)定性好，但對(duì)于低頻信號(hào)的測(cè)試性能還有待提升。脈沖響應(yīng)法是測(cè)試材料斜入射吸聲系數(shù)的常用方法，操作簡(jiǎn)單，且易于實(shí)現(xiàn)。由于其基于聲線假設(shè)，更加適用于中高頻性能測(cè)試。倒頻譜分析法對(duì)信噪比有較高要求，噪聲過(guò)大會(huì)影響數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，其測(cè)試精度有待提高。最長(zhǎng)序列數(shù)法具有全頻段、高信噪比的特點(diǎn)，但在國(guó)內(nèi)還未得到廣泛應(yīng)用。減法技術(shù)將最長(zhǎng)序列碼作為激勵(lì)并測(cè)試其響應(yīng)函數(shù)，通過(guò)理論計(jì)算得到吸聲系數(shù)，但其試驗(yàn)實(shí)施難度較大。

隨著我國(guó)車(chē)輛、飛機(jī)、船舶等各類裝備性能的不斷提升，同時(shí)對(duì)裝備艙內(nèi)噪聲控制也提出了更為嚴(yán)苛的要求，對(duì)于材料吸聲系數(shù)的測(cè)試需要更加高效、準(zhǔn)確以適應(yīng)新的要求。今后，步驟簡(jiǎn)單、結(jié)果準(zhǔn)確的測(cè)試技術(shù)也必將是研究的重點(diǎn)。文中對(duì)吸聲系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的研究進(jìn)行了總結(jié)，為后續(xù)吸聲系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)在工程中的應(yīng)用提供參考。