小型混響艙測量材料吸聲系數

許 力

（杭州愛華儀器有限公司，杭州311112）

材料的吸聲系數是一項重要的材料聲學性能指標，其對分析材料在工業生產及生活中應用有重要指導作用。材料的吸聲系數測量方法一般分為混響室法與駐波管法，采用混響室法測量聲音無規入射時的吸聲系數，而采用駐波管法測量聲音正入射（聲音入射角度為90°）時的吸聲系數。因在工程及建筑的實際使用過程中聲音大多為無規入射，因此實際工程中常使用混響室法測量材料吸聲系數。

混響室法測量是基于規范ISO 354:2003 與GB/T 20247－2006《聲學混響室吸聲測量》的相關要求，采用表面積為10 m2～12 m2的標準試件在標準混響室（體積不小于200 m3）內進行測量。但在汽車行業中，因其需要測量的均為小型不規則試件，不滿足標準混響室法測量所要求的標準試件大小。基于這種實際情況，美國汽車工程師學會（Society of Automotive Engineers）提出使用小混響艙來測量小試件無規入射吸聲系數的方法，并制定了實驗室測量標準，即SAE J2883 2015《Laboratory Measurement of Random Incidence sound Absorption Tests Using a Small Reverberation Room》，這就是所謂的小混響艙（Alpha-cabin）法[1]。

小型混響艙本質上來說是一種縮小尺寸的混響室，對于小型不規則形狀的材料及產品來說，傳統的混響室法與駐波管法測量均不適用，而小混響艙則可測量形狀、體積不規則的物體吸聲性能，可廣泛應用于汽車及其零配件行業。

1 小混響艙國內外研究現狀

目前，關于小混響艙（Alpha-Cabin）的結構和制造并沒有統一的ISO 標準或國家標準，所以只要求其功能滿足艙內聲場為擴散聲場，即：艙內各點的平均能量密度相等；艙內各點從各方向來的平均能量流相等；到達某點的各波束間的相位是無規的[2]。

這樣的小混響艙即可作為小型混響室進行試件的吸聲系數測量。國內外生產小混響艙的廠家較少，其相關文獻也較少，這主要是因為現有小混響艙相關規范由美國汽車工程師學會提出，國內還未有明確的相關法規、規范；但小混響艙所具備的便攜性及其可以測量形狀、體積不規則的試件吸聲性能的特性，在汽車零配件如車內飾件、隔聲罩等的聲學測量中具有重要意義。基于小混響艙的優點，可將其應用于測量聲負載的吸聲系數、聲阻抗等，可對產品進行及時的反饋與優化。

2 小混響艙實驗測量及基本參數

2.1 小混響艙的基本情況

小混響艙本質上就是一個體積縮小許多的混響室，其試樣測試過程和方法與混響室法基本一致。一般來說，將它的容積V控制在6 m3～25 m3，小混響艙包括一個主混響室，室內一般有若干個聲源及4個以上傳聲器，配合主混響室的隔聲屏體以及信號采集處理系統完成實驗測量。

2.2 小混響艙的形狀尺寸

為減少室內特征頻率的簡并，混響室的長、寬、高一般滿足一個類似調和級數的比例關系：1：21/3：41/3。為保證小混響艙內聲場更加趨近擴散聲場，還應對小混響艙的尺寸進行以下限制：

（1）小混響艙內部任意兩個面都必須相互不平行；

（2）小混響艙艙內任意兩條棱邊都應不一樣長；

（3）小混響艙的最大線度滿足lmax＜1.9V1/3；

（4）小混響艙內部需安裝擴散體來進一步趨近擴散聲場[3]。

本實驗中，小混響艙的外部尺寸確定為2 510 mm×2 640 mm×2 528 mm，內部實驗空間整體呈不規則的多邊形，其任意兩個面均不平行，其總容積V約為9.26 m3。

2.3 小混響艙實驗測中測試試件

根據SAE J2883－2015 中的要求，試件面積需控制在1 m2～1.2 m2，且不超過地板面積的30 %。小混響艙內部地面面積為4.59 m2，所選擇的試驗的樣品尺寸為1 m×1.2 m（1.2 m2），滿足以上要求，適用于6 m3至25 m3之間的小混響艙。

2.4 小混響艙的測量范圍

小混響艙一般用于汽車行業樣品的檢查，而因受到其本身容積V的限制，可測量的下限頻率較高，在低頻范圍內測量誤差較大。其一般測量頻率范圍在250 Hz 至8 000 Hz 之間，其測量下限頻率由小混響艙內部容積V決定，如表1所示。

表1 容積V和下限截止頻率的關系

在該次測量中，小混響艙的內部容積V約為9.3 m3，故選取400 Hz～10 000 Hz 實驗數據，其他頻率數據只作參考。

3 采用小混響艙（Alpha-cabin）法測量材料吸聲系數

3.1 小混響艙法中的測試設備

小混響艙法中測量設備布置如圖1所示。

圖1 小混響艙的測試原理圖

3.1.1 聲源

聲源應為一個或多個揚聲器，最好具有全方位輻射模式，這樣小混響艙可根據規范的要求確保房間內的擴散。如果使用多個聲源，它們之間的距離應至少為聲波波長的1/4。在有聲源運行的房間內測量的聲壓級應至少比該房間在每個測量頻帶內的背景噪聲高45 dB。背景噪聲包括混響室的環境噪聲和測量系統的電氣噪聲。

3.1.2 傳聲器

用于測量的傳聲器應具備全指向性特征，在任何1/3倍頻程頻率范圍和所測量的聲壓級內，其平坦隨機入射振幅響應在±1 dB范圍內，該實驗中應設置多個傳聲器位置進行測量。

3.1.3 功率放大器

其用于保證輸出信號滿足實驗需求。

3.1.4 分析系統

該分析設備用于獲取室內測量信號的脈沖響應，并以此確定衰減曲線或進行進一步分析的記錄器，具體實驗設備清單見表2所示。

表2 小混響艙法中材料與吸聲實驗儀器配置清單

3.2 小混響艙測試的環境條件

3.2.1 環境條件

所有測量過程中，平均試驗溫度應不低于15°C，室內平均相對濕度應至少為50%，建議在6.3 kHz以上的連續測量中有60%的相對濕度。

空場小混響艙與放試件后的小混響艙溫度變化應不大于±1°C，相對濕度變化應不大于±2%，大氣壓力變化應不大于±30 kPa。

3.2.2 試件的放置條件

測量試件應放置在地板上，避免與地板長度和寬度具有任何對稱性，即樣品的任何側面均不得與房間的墻壁平行，試件的邊緣應用框架進行密封，其框架本身不應有明顯的吸聲性能。

3.3 小混響艙法中的測試方法

采用小混響艙法測量試件吸聲系數方法基本同混響室法，同樣分為中斷聲源法與脈沖響應法[4]。

3.3.1 中斷聲源法

（1）在可測量的頻率范圍內（即從房間的截止頻率到要進行測量的最高頻率）生成一個具有連續頻譜的隨機噪聲測試信號帶。如果不能做到這一點，可接受連續頻譜至少覆蓋1/3倍頻程帶寬的帶限信號。對于該測量，信號不需要具有任何預定或參考頻譜。一般實驗中采用粉紅噪聲或白噪聲。

（2）對于測試信號應開啟足夠長的時間，以便在信號關閉前使在小混響艙內的所有頻段產生穩定狀態的聲級。

（3）每個測量波段中的穩態聲壓級應足夠高，以便每個測量波段中衰減率評估范圍內較低分貝的聲級至少高于背景噪聲15 dB。為了保持這一要求，穩態測試信號應至少比每個測量波段的背景噪聲高45 dB，以根據聲壓級下降25 dB 來確定衰減率。當測量樣品時，需要在相同的前置放大器和分析儀設置條件下測量背景噪聲聲級，以確定測量中設置的噪聲下限。

（4）打開測試信號至少需要有一定的時間，使聲壓級在頻帶上以最小的衰減率下降25 dB。

（5）關閉測試信號。在100 ms至300 ms延遲后或在信號關閉時，當聲壓級低于聲壓級5 dB 后，開始測量每個測量頻段的聲壓級。這可確保在關閉信號期間造成的任何中斷或失真不包含在衰減率計算中。在每個Δt時間（稱為積分時間）測量并存儲每個測量頻段的聲壓級，直到聲級下降25 dB，如圖2所示。

圖2 聲級衰減示意圖

（6）存儲衰減率測量結果，并對同一揚聲器麥克風位置重復測量至少4次。

（7）對同一傳聲器位置進行的所有測量（總共至少5次）進行平均。

3.3.2 脈沖響應法

（1）在可測量的頻率范圍內（即從房間的截止頻率到要進行測量的最高頻率），每一次生成一個帶濾波的脈沖信號（例如對于每個1/3 倍頻程頻率）。將此信號輸入揚聲器系統，以生成給定頻段的測試信號。這個信號可以是一個頻率調制的突發音或其他一些特殊的信號，可以產生帶濾波脈沖信號。

（2）每個1/3 倍頻程帶中的測試信號強度應足夠高，以便在衰減率評估范圍內較低分貝處的聲壓級至少高于背景噪聲15 dB，并且至少有25 dB的評估范圍來計算衰減率，其中評估范圍從低于初始聲壓級5 dB開始。

（3）存儲該數據，并對相同的麥克風揚聲器位置以及不同的揚聲器和麥克風位置多次重復測量，以使空間獨立的測量衰減曲線數至少為12 個。因此，揚聲器位置數乘以麥克風位置數應至少為12個，即12個麥克風-揚聲器組合。

（4）采集12 個麥克風-揚聲器組合中每一個帶濾波脈沖響應，運算直到脈沖響應開始的反向積分，并根據線性平方擬合計算衰減率。

（5）修正12 個麥克風揚聲器位置處空氣吸聲量。

（6）根據公式α=a/s確定吸聲系數。

在本次實驗測量中均采用中斷聲源法進行實驗，具體布置如圖3、圖4所示。

圖3 采用小混響艙測量材料吸聲系數實驗中測量設備布置圖

圖4 采用小混響艙測量材料吸聲系數實驗中測量試件布置圖

4 小混響艙與標準混響室的實驗數據比對

在比對測量實驗中，所選擇的被測試件材料為50 mm厚鑄石吸聲棉。實驗時將1 m2的鑄石吸聲棉放入容積V為10 m3的小混響艙內，其四周邊框均不與小混響艙的內框平行，被測試件四周用鋼制框架進行圍擋，多次測量得出相應的數據；進行對比實驗時，將相同的材料10 m2平鋪于容積V為270 m3的標準混響室，其四周同樣采用框架進行圍合[5]，實際檢測數據及分析圖表如表3、圖5所示。

表3 50 mm鑄石吸聲棉吸聲系數測量對比

圖5 吸聲系數測量數據對比圖

同時為了驗證小混響艙的數據穩定性與一致性，在檢測驗證過程中，對于小混響艙內部空場混響時間進行了多次測量，每次測量時，均隨機安排內部傳聲器位置。結果證明該小混響艙內部各測點空場混響時間基本一致，各點聲場均勻穩定如表4所示。

表4 對小混響艙不同位置多次測量所得空場混響時間比對/Hz

根據小混響艙的實際應用要求，本次測量數據范圍選擇為400 Hz～10 000 Hz，對于400 Hz以下實驗數據只做參考分析，得出下列初步結論：該次測量中，在400 Hz～10 000 Hz 頻率范圍內，基于小混響艙與傳統標準混響室的實驗數據整體趨勢保持基本一致；該次測量中，對于400 Hz以下的低頻段，小混響艙內各點測量數據波動差異較大，且對于同一測點位置，多次測量普遍得出差異較大的結果，基本可知由于受限于小混響艙的整體體積，其對于低頻段的吸聲測量誤差較大。

對比傳統的測量材料吸聲系數的方法，小混響艙法有以下的優點：如表5 所示，與標準混響室相比，小混響艙的占地面積更小，總體成本、造價更為低廉，安裝施工也較簡單，而且可以準確測量小試件在400 Hz 以上頻率吸聲系數；與駐波管法相比，小混響艙法可以測量形狀大小不規則的試件，且其可以測量均勻無規則入射時的吸聲系數，可以更好反映試件在實際使用中的情況，這更有價值。

表5 小混響艙和標準混響室的比較

結合實驗數據分析比較小混響艙法和標準混響室這兩種測量測量方法，發現在小于400 Hz的低頻段，小混響艙內的測試數據與標準混響室內的測量數據差異較大，其內部各測點多次測量的數據波動較為明顯，初步分析是由于小混響艙本身內部容積V有限，而低頻聲波波長較長，在其內部無法形成均勻的聲場。在實際應用過程中，如主要關注材料中高頻的吸聲系數，則可采用小混響艙進行測試，如需檢測材料低頻段的聲學性能，則需在標準混響室內進行。

5 結語

采用小混響艙測量材料試件吸聲系數的方法在國內實際應用還并不多，但因其造價較低，體積較小，便于安裝，尤其適宜于小試件和形狀復雜部件的吸聲特性的測量，不僅在汽車行業，在其它工業領域中的應用也將越來越普遍。