基于現(xiàn)有混響室的優(yōu)化改造設(shè)計

梁新健，周紅梅

摘? 要：某高校原有混響室存在本底噪聲過大，聲場均勻性較差及檢測數(shù)據(jù)不完整等問題，在不拆除原有基礎(chǔ)建設(shè)的前提下，本文旨在優(yōu)化設(shè)計使其符合國家規(guī)范，并獲得檢測數(shù)據(jù)相對標(biāo)準(zhǔn)的混響室.利用聲場擴(kuò)散理論對聲學(xué)混響室的空間進(jìn)行改造設(shè)計，最終將其空間尺寸的長、寬、高定為7.76 m、5.56 m、4.50 m，使其在滿足規(guī)范GB/T 20247—2006要求的最大線度小于1.6倍體積前提下，保證長、寬、高的比值不成整數(shù)倍，以此來消除矩形空間的聲簡并共振現(xiàn)象.對混響室內(nèi)表面進(jìn)行隔聲處理，使各個頻率的最小吸聲量滿足現(xiàn)行規(guī)范GB/T 20247—2006的要求;對混響室內(nèi)墻體進(jìn)行弧形改造，對墻面涂刷金剛石顆粒，在頂部布置擴(kuò)散體，使聲場擴(kuò)散時達(dá)到理想狀態(tài)，并依照規(guī)范JJF 1143—2006對混響室進(jìn)行校準(zhǔn).以某高校研發(fā)的吸音板作為標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行測試，最后得到較完整的吸聲系數(shù)曲線及平均吸聲系數(shù)，用于分析材料在不同頻率范圍內(nèi)的吸聲特性.

關(guān)鍵詞：建筑聲學(xué);混響室;混響時間;降噪效果;聲場擴(kuò)散;吸聲系數(shù)

中圖分類號：TU112? ? ? ? ? ?DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.04.014

0? ? 引言

混響室內(nèi)聲波得到較為充分的反射后，會形成理想的擴(kuò)散聲場或磁場.因此，可用該擴(kuò)散聲場或磁場來測量不同材料、不同結(jié)構(gòu)體的吸音隔聲能力及對電磁波的干擾能力[1].同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究室建筑聲學(xué)組[2]對于混響時間測量中出現(xiàn)偏差的問題進(jìn)行研究.王季卿等[3]針對混響室內(nèi)擴(kuò)散體安置對混響時間測量偏差的影響進(jìn)行研究.孫廣榮等[4]研究了擴(kuò)散體在靜止和運(yùn)動狀態(tài)下對混響時間測量的空間偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差影響.楊小軍等[5]在孫廣榮研究的基礎(chǔ)上，將研究的頻帶拓寬到1/3倍頻程、中心頻率為100～5 000 Hz的頻帶范圍.通過3組不同實(shí)驗條件下混響時間測量的空間偏差和重復(fù)偏差的比較，總結(jié)出測量空間偏差和重復(fù)偏差較小的測量條件.隨著理論研究的深入和科學(xué)技術(shù)的成熟，混響室的應(yīng)用得到了極大的擴(kuò)展.當(dāng)前我國噪聲問題日趨嚴(yán)重，吸聲降噪領(lǐng)域檢測手段的需求也逐年增加.由于大部分混響室建于混響室理論和施工技術(shù)尚不完善的初期階段，其空間結(jié)構(gòu)不合理，聲場擴(kuò)散度不佳，室內(nèi)表面吸聲量不達(dá)標(biāo)，拆除重建成本造價高且工期較長.本文以楊志華[1]設(shè)計的混響室作為參考，綜合現(xiàn)有條件，在不拆除原有混響室前提下進(jìn)行改造，并以此總結(jié)出了幾種提升混響室檢測性能的方法.本研究在聲學(xué)檢測和建筑聲學(xué)教學(xué)方面具有現(xiàn)實(shí)意義，可為建筑聲學(xué)相關(guān)的研究提供借鑒，為建筑學(xué)專業(yè)實(shí)訓(xùn)提供聲學(xué)場所.

1? ?混響室的工作原理

一個標(biāo)準(zhǔn)的聲學(xué)實(shí)驗室邊界可以反射全部聲能，使其均勻擴(kuò)散到混響室的各個角落，房間各處的能量密度相同，聲能傳播的方向無規(guī)則分布.因此，利用混響室法測量吸聲系數(shù)是目前現(xiàn)有測量方法中唯一與實(shí)際工況相近的一種方法.

利用大功率音響噪聲源在室內(nèi)擴(kuò)散聲能，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后關(guān)閉聲源，以此測試室內(nèi)聲壓衰減到60 dB所需時間，即混響時間T60，單位為 s.通過混響時間的測量，再利用國家給定規(guī)范中的公式可計算出吸聲系數(shù).

采用混響室法測量吸聲系數(shù)主要是利用均勻的混響室內(nèi)聲場來測試聲波無規(guī)則入射后材料的吸聲性能.通常用吸聲系數(shù)來定義其吸聲性能的高低.現(xiàn)行規(guī)范《聲學(xué)混響室吸聲測量》GB/T 20247—2006[6]規(guī)定混響室法測量吸聲系數(shù)是利用測試出的混響室在不同聲波頻率下得到的混響時間T，并代入式（1），得出其空場的吸聲量和放入試件吸聲量分別為[A]1、[A]2.

[A=55.3VCT-4Vm]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[V]——空場混響室容積，m3;[C]——不同混響室條件下聲音在空氣中的傳播速度，室溫15 ℃時為340 m/s;室溫25 ℃時為346 m/s;[m]——不同混響室條件下的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，[m-1].試件的吸聲量AT可以根據(jù)式（2）求出：

[AT=A1-A2=55.3V1C2T2-1C1T1-4Vm2-m1]（2）

式中：[T1]——空場混響時間，s;[T2]——放入試件后混響時間，s;[C1]——混響室空場條件下聲音在空氣中的傳播速度，m/s;[C2]——混響室放入試件條件下聲音在空氣中的傳播速度，m/s;? ?[m1]——混響室空場條件下的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，[m-1];[m2]——放入試件后混響室的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，[m-1].

根據(jù)式（3）計算出材料的吸聲系數(shù)[αs].

[αs=ATS]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：[S]——試件面積，[m2].

2? ? 混響室設(shè)計

上述計算吸聲系數(shù)公式的必要條件是混響室聲場為理想的擴(kuò)散場，聲波可以在室內(nèi)聲場中均勻擴(kuò)散，以此達(dá)到測試混響時間時不會出現(xiàn)誤差范圍之外的空間偏差.混響室內(nèi)墻體表面的吸聲系數(shù)應(yīng)盡量小，避免由于空場的吸聲量過大而產(chǎn)生誤差.適當(dāng)布置一些利于聲場擴(kuò)散的材料，如擴(kuò)散板和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散體等.根據(jù)混響室法測量吸聲系數(shù)的原理，結(jié)合《聲學(xué)混響室吸聲測量》（GB/T 20247—2006）[6]和《混響室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范》（JJF 1143—2006）[7]要求以及學(xué)校實(shí)際情況和需求，確定設(shè)計思路.

結(jié)合教學(xué)及科研的需求，混響室的優(yōu)化必須滿足以下要求：

1）在本底噪聲、室內(nèi)聲壓標(biāo)準(zhǔn)偏差和室內(nèi)空場吸聲量等方面滿足國家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求.

2）測量數(shù)據(jù)可反映出材料在不同頻率下的吸聲特性，以滿足應(yīng)用于教學(xué)科研項目輔助的功能? ? ?要求.

3）建成后室內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，保證科研人員及學(xué)生的健康安全.

2.1? ?混響室空間設(shè)計

原有混響室的房間為矩形空間，為減少施工量，混響室繼續(xù)沿用矩形空間.保證混響室的長、寬、高之比不成整數(shù)倍，以此來消除矩形空間的聲簡并共振現(xiàn)象[1];同時規(guī)范[6]要求室內(nèi)最大線度為? ? [Lmax?1.93V].混響室的體積[V]直接影響測量的下限頻率[f]，如式（4）：

[f=125200V13]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

為了使混響室的測量頻率下限達(dá)到125 Hz左右，結(jié)合該校土建樓預(yù)留基建情況設(shè)計混響室，其長、寬、高分別為7.76 m、5.56 m、4.50 m，容積[V]=194.155 2 m3，代入式（4），得出所設(shè)計混響室的最低測量頻率為126 Hz.長、寬、高比為1.72∶1.23∶1，比值不為整數(shù)倍，可以滿足消除聲簡并共振的尺寸要求，且對角線長度為9.55 m，滿足[Lmax?1.93V=11.00] m的要求.混響室平面圖如圖1所示.

2.2? ? 混響室內(nèi)部吸聲量處理

按照文獻(xiàn)[6]的規(guī)定，未放入試件時，混響室內(nèi)部各頻段的吸聲量應(yīng)小于表1.

為了盡量減小混響室在空場時各頻段的吸聲量，混響室內(nèi)壁表面采用水泥砂漿抹平后平鋪一層金剛石顆粒，再噴涂一層反射材料，使墻體表面毛糙且吸聲量很低.為方便布置試件，減小邊緣效應(yīng)對測量吸聲系數(shù)的影響，地磚采用光面瓷磚.盡量降低墻面和地面對聲波的吸收，增加聲反射，使室內(nèi)聲場達(dá)到更好的擴(kuò)散效果.

由表1和表2對比可知：混響室在進(jìn)行空場吸聲量測量時，各個頻率吸聲量均不大于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值，因此，不同頻率下的空場吸聲量滿足規(guī)范要求.

2.3? 室內(nèi)隔聲設(shè)計

混響室的優(yōu)化設(shè)計在原有基礎(chǔ)建設(shè)上進(jìn)行，處于某校建工樓一樓內(nèi)部，半徑1 km內(nèi)無交通干道且無大型噪聲源.因此，在底噪處理方面進(jìn)行如下兩方面的優(yōu)化設(shè)計.

1）在原有墻體上加厚墻體，澆筑最大厚度為500 mm的弧面墻體，以降低測試時墻體外部噪聲源對試件測試結(jié)果產(chǎn)生的影響.

2）設(shè)置相距1 m，厚度為200 mm的內(nèi)外隔聲門，對混響室內(nèi)外連接通道進(jìn)行隔聲處理.

關(guān)閉隔聲門后，使用HS5633B通用聲級計，依照《混響室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范》（JJF 1143—2006）[7]布置測點(diǎn)，進(jìn)行混響室本底LAeq總聲壓級測量.為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，取3次測量的算術(shù)平均值作為該測點(diǎn)的本底噪聲聲壓級，測量結(jié)果如表3所示;打開AWA5510A十二面體聲源調(diào)節(jié)至測試功率，在相同測點(diǎn)進(jìn)行3次聲壓測試，3次測試結(jié)果取算術(shù)平均值作為該測點(diǎn)工作噪聲（測量噪聲）聲壓級，測試結(jié)果如表3所示.由表3可知，各測點(diǎn)的工作噪聲與本底噪聲聲壓級的差值均大于12dB（A）.

使用愛華AWA6290M-3主機(jī)配合傳聲器在測點(diǎn)5（工作噪聲聲壓薄弱點(diǎn)）處進(jìn)行1/3倍頻程的本底噪聲與工作噪聲的聲壓級比較，其中工作噪聲聲壓級按規(guī)范要求從穩(wěn)態(tài)聲壓衰減5 dB起，衰減至20 dB后開始測量.比較結(jié)果見圖2.

由圖2可看出，在1/3倍頻程各個中心頻率工作噪聲聲壓級均大于本底噪聲聲壓級12 dB以上;同時從表3可知，工作噪聲進(jìn)行LAeq總噪聲聲壓級測量同樣超過本底噪聲聲壓級12 dB（A）以上，均滿足《混響室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范》JJF 1143—2006規(guī)定的“在混響室測量頻率范圍內(nèi)，所有頻帶的本底噪聲聲壓應(yīng)比該混響室工作聲壓的下限聲壓級一般至少低12 dB（A）”[7]要求.綜上所述，該混響室在本底噪聲方面合格，隔聲處理有效.

2.4? ? 混響室聲擴(kuò)散處理

為降低施工成本和施工難度，在房間側(cè)面墻體使用水泥一次性澆筑出弧長為4 049 mm，弧面最高點(diǎn)為500 mm，弧面底部寬為3 880 mm的弧形墻面.根據(jù)施工的具體情況，對實(shí)際空間的尺寸做出細(xì)微調(diào)整（調(diào)整幅度不太大，不會增加結(jié)構(gòu)的自重），如圖3所示.

對弧形墻體表面噴灑金剛石顆粒，使墻體表面毛糙，增強(qiáng)其漫反射能力，促進(jìn)聲場在室內(nèi)更好地?zé)o規(guī)則擴(kuò)散;同時，在房間的頂棚布置有機(jī)玻璃擴(kuò)散體，進(jìn)一步增強(qiáng)房室內(nèi)的聲場擴(kuò)散能力，如圖4所示.

2.5? ?混響室設(shè)備

混響室采購的儀器清單見表4.

混響室系統(tǒng)構(gòu)成見圖5.

2.6? ?室內(nèi)聲壓均勻性

依據(jù)文獻(xiàn)[7]中的公式計算室內(nèi)聲壓標(biāo)準(zhǔn)偏差[SM].

[SM=[i=1NM（Lpi-Lpm）2/（NM-1）]12]? ? ? ? ?（5）

式中：[SM]——傳聲器測點(diǎn)聲壓級標(biāo)準(zhǔn)偏差，dB;[Lpi]——第i個傳聲器測點(diǎn)的平均聲壓級，dB;? ? ? [Lpm]——所有傳聲器測點(diǎn)測得的聲壓級算術(shù)平均值;[NM]——測點(diǎn)數(shù)量.計算結(jié)果如表5所示.

經(jīng)表5和表6對比后可知，該混響室室內(nèi)聲壓標(biāo)準(zhǔn)偏差在各頻段符合要求，說明各項措施可以使聲場達(dá)到擴(kuò)散要求.

2.7? ?室內(nèi)空氣質(zhì)量

由于混響室主要用于教學(xué)和科研，出于隔聲需求，內(nèi)部空氣流通性較差，所以室內(nèi)空氣質(zhì)量問題不容小覷.在不足50.0 m2的混響室內(nèi)布置一個檢測點(diǎn)，進(jìn)行空氣質(zhì)量檢測，檢測結(jié)果如表7所示.由表7可知，室內(nèi)空氣污染物的測點(diǎn)值均小于? ? ? ?文獻(xiàn)[8]規(guī)定的限值，因此，該混響室室內(nèi)空氣質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)，可保證學(xué)生及科研人員安全使用.

3? ? 混響室使用

3.1? ?試件及傳感器布置

混響室建成后，利用該校研發(fā)的、以吸聲陶粒為主要原料的水泥基多孔吸音板進(jìn)行吸聲系數(shù)測量.陶粒多孔吸聲材料具有耐久性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在我國吸聲降噪領(lǐng)域應(yīng)用范圍越來越廣，常被制作成公路及高速鐵路聲屏障吸聲層及軌道吸音板[9-10].此次測試不僅是測驗優(yōu)化后的混響室的功能指標(biāo)，也是對該校科研成果的一次驗證.以數(shù)值仿真數(shù)據(jù)作為參考[11]，具體測試過程如下.

1）空場混響時間測定

根據(jù)圖5完成安裝和連接設(shè)備后，使用AWA6221A型聲校準(zhǔn)器對聲學(xué)測試分析儀進(jìn)行聲壓靈敏度校準(zhǔn).按照文獻(xiàn)[6]規(guī)范要求布置測點(diǎn)，傳聲器距離聲源2 m，距離邊界1 m.具體見圖6.保證室內(nèi)外溫度差和濕度差不超過20%，變換傳感器位置多次，測量混響室空場混響時間，取平均值記作[T1].

2）布置試件

按規(guī)范要求，被測試件的面積應(yīng)在10.0～? 12.0 m2.本次測試準(zhǔn)備了30塊尺寸為600 mm×? ?600 mm×120 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，總面積為10.8 m2，滿足要求.為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在布置試件時，盡量把試件緊密排列，避免試件之間產(chǎn)生過大的縫隙，并在布置好后對其邊界進(jìn)行處理.設(shè)備布置如圖7所示，試件布置如圖8所示.

3）邊界處理

吸音板的側(cè)邊在沒有處理的情況下暴露在聲場中會吸收一定量的聲能，同時會產(chǎn)生邊界散射等邊界效應(yīng)[12]，導(dǎo)致吸聲系數(shù)的實(shí)際測量值大于理論測量值，產(chǎn)生誤差.為盡量減小誤差，需要對吸音板的側(cè)邊使用表面平滑且吸聲系數(shù)較小的材料進(jìn)行圍合處理.試件邊界處理如圖9所示.

4）吸聲性能測試

準(zhǔn)備工作完成后，測量溫度和濕度，并放置一段時間，使室內(nèi)外溫度差和濕度差不超過20%.關(guān)閉隔聲門，嚴(yán)格按照規(guī)范要求多次變換位置，測量放入試件后的混響時間，取平均值記作T2.把T1和T2混響時間數(shù)據(jù)代入式（2）計算吸聲系數(shù)，并記錄數(shù)據(jù).為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，對測點(diǎn)取3次以上變動測試數(shù)據(jù)的平均值.

5）測試結(jié)果分析

通過上述步驟使用杭州愛華AWA6290多通道分析儀系統(tǒng)進(jìn)行分析，得到試件在1/3倍頻程下各個中心頻率的吸聲系數(shù)，如圖10所示.

由圖10可看出，由于低頻易產(chǎn)生共振且運(yùn)動無規(guī)律的特性，試件在60～200 Hz范圍內(nèi)的吸聲性能差，吸聲系數(shù)在0.5以下;200～1 000 Hz范圍內(nèi)材料的吸聲系數(shù)上下起伏明顯;在200～315 Hz處出現(xiàn)峰值;在中高頻段1 000～5 000 Hz范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)穩(wěn)定在一個相對較高數(shù)值.實(shí)驗結(jié)果表明，該材料在一定頻率范圍內(nèi)，其內(nèi)部孔隙的孔隙粒徑能使聲波更容易產(chǎn)生黏滯和摩擦反應(yīng)，從而將聲能轉(zhuǎn)化成熱能以達(dá)到良好的吸聲降噪效果.因本測試材料主要應(yīng)用于建筑聲學(xué)領(lǐng)域，其所在聲源頻率范圍大多處于150 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、? 4 000 Hz這6個倍頻程的中心頻率范圍內(nèi)[13]，所以取這6個中心頻率對應(yīng)的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值作為材料的平均吸聲系數(shù)[14]，該材料在使用環(huán)境下具有代表性，其平均吸聲系數(shù)為0.74.

4? ? 結(jié)論

1）通過對原有的混響室進(jìn)行一系列優(yōu)化措施，使原本部分頻段數(shù)據(jù)缺失的混響室具備聲學(xué)測試能力，空場時各頻段最大吸聲量小于規(guī)范要求.從一定程度上證明了該措施的有效性，對有混響室建造要求的機(jī)構(gòu)具有一定的參考價值.

2）通過實(shí)驗數(shù)據(jù)可以看出，由于低頻產(chǎn)生共振，導(dǎo)致多孔吸聲材料的吸聲性能差和吸聲系數(shù)峰值出現(xiàn)在中頻范圍內(nèi)，且吸聲系數(shù)在高頻范圍內(nèi)數(shù)值較高并逐漸趨于穩(wěn)定，這與理論吸聲系數(shù)曲線走向一致.說明該混響室的空間及擴(kuò)散體設(shè)計相對合理，表面處理到位，本底噪聲小，室內(nèi)聲壓標(biāo)準(zhǔn)偏差低，可以判斷不同吸聲材料的優(yōu)勢頻率.優(yōu)化后的混響室可以為科學(xué)檢測不同吸聲材料的吸聲系數(shù)及降噪效果提供參考.

3）室內(nèi)空氣質(zhì)量小于國家標(biāo)準(zhǔn)限值，可以利用混響室的設(shè)備以及混響室本身作為高校建筑學(xué)專業(yè)大學(xué)生提高對聲波的產(chǎn)生、傳遞路線及反射方向認(rèn)識的教學(xué)實(shí)踐場所.

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Optimization design based on existing reverberation room

LIANG Xinjian ， ZHOU Hongmei*

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： The original reverberation room at an university exists many problems， such as excessive background noise， poor sound field uniformity， and incomplete test data. This paper aims to optimize the design of this reverberation room to conform with national standards. In this paper， the acoustic field diffusion theory is used to transform and design the space of acoustic reverberation room. The length， width and height of the space dimension are set as 7.76 m×5.56 m×4.50 m， which ensures that the ratio of length and width and height is not an integer multiple under the premise that the maximum linearity required by the standard GB/T 20247-2006 is less than 1.6 times of? the volume. In this way， the phenomenon of acoustic degeneracy resonance in rectangular space can be eliminated. Sound? ? ? ? insulation treatment is? carried out on the surface of reverberation room to make the minimum sound absorption of each frequency meet the requirements of the current standard GB/T 20247-2006. The? ? ? ? ?reverberation room wall was transformed with arc shape， the wall was coated with diamond particles， and the diffusion body was? arranged on the top， so that the sound field diffusion reached the ideal state， and the reverberation room was calibrated in accordance with the standard JJF 1143-2006. A sound? ? absorption board developed by an university was used as a standard test block， and a complete sound absorption? coefficient? curve and average sound absorption coefficient were obtained， and the sound? absorption characteristics of the? material in different frequency ranges were analyzed.

Key words： building acoustics; reverberation room; reverberation time; noise reduction effect; acoustic field diffusion; absorption coefficient

（責(zé)任編輯：羅小芬）