謝榮基，萬宇鵬，桂　桂

（中國測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

反射法現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)量裝置

謝榮基，萬宇鵬，桂桂

（中國測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

因現(xiàn)有的材料吸聲系數(shù)測(cè)量方法無法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)材料安裝后的吸聲系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，該文通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)量方法的研究，以反射法為基礎(chǔ)，結(jié)合時(shí)選窗技術(shù)和波形消除技術(shù)，研制一套測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)的裝置。使用研制的測(cè)量裝置對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與駐波管測(cè)量結(jié)果等進(jìn)行比較，驗(yàn)證所研制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)快速測(cè)量的有效性。

吸聲系數(shù)；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；脈沖反射法；時(shí)選窗技術(shù)

0　引　言

吸聲系數(shù)作為降噪材料性能評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于降噪工程以及建筑聲學(xué)工程項(xiàng)目中。目前，關(guān)于吸聲系數(shù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)方法有混響室法和駐波管法?；祉懯液妥杩构軠y(cè)量吸聲系數(shù)的方法均為實(shí)驗(yàn)室法，實(shí)際使用時(shí)由于被測(cè)試件安裝方式、試件結(jié)構(gòu)尺寸等與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試試樣有較大出入[1-3]。因此，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)量方法的研究具有十分重要的意義。

目前國內(nèi)外對(duì)現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)量的研究主要有以下方向：反射法、聲強(qiáng)法、傳遞函數(shù)法等。其中，傳遞函數(shù)法已經(jīng)研制出測(cè)量裝置，但由于對(duì)被測(cè)試樣的限制要求使得該方法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中使用并不方便。聲強(qiáng)法對(duì)測(cè)量裝置要求較高，尤其對(duì)測(cè)量聲強(qiáng)的傳感器組要求較高。反射法測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)，方法原理簡單，但對(duì)測(cè)試環(huán)境的背景噪聲和脈沖聲信號(hào)分離有較高的要求[4-5]。由于反射法對(duì)測(cè)量硬件裝置的要求較低，同時(shí)測(cè)量方法原理成熟；因此，本文結(jié)合脈沖聲技術(shù)、時(shí)間窗技術(shù)和波形消除技術(shù)進(jìn)行了吸聲系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)裝置的研究。

1　現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)量

1.1脈沖反射法

在空間聲反射實(shí)驗(yàn)中，具有340m/s速度的聲波在短時(shí)間內(nèi)可以到達(dá)包括待測(cè)樣品和周圍環(huán)境在內(nèi)的所有區(qū)域并形成多次反射。因此，待測(cè)表面的反射信號(hào)很容易被其它反射波污染，且往往難以從入射信號(hào)中分離出來。所以，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量大多選擇時(shí)間與空間延續(xù)短暫、便于信號(hào)記錄的脈沖信號(hào)。而且，脈沖信號(hào)包含著豐富的頻率成份，可以同時(shí)獲得較寬頻帶范圍的待測(cè)物理量。因此，本文采用脈沖聲作為反射法測(cè)量吸聲系數(shù)的聲源信號(hào)。脈沖反射法的測(cè)量原理中脈沖響應(yīng)由直達(dá)聲、反射聲和背景噪聲組成[6]，如下式所示：

式中：hm（t）——系統(tǒng)脈沖響應(yīng)；

hi（t）——直達(dá)聲脈沖響應(yīng)；

rp（t）——試件反射因子；

hn（t）——背景噪聲脈沖響應(yīng)；

Kr——直接脈沖和反射脈沖之間的路徑長度

射脈沖聲距離；

Δτ——聲音從聲源到試件產(chǎn)生的延遲時(shí)間，

1.2時(shí)選窗技術(shù)

采用脈沖反射法測(cè)量得到吸聲系數(shù)，需要從測(cè)量到的脈沖響應(yīng)中分離出直達(dá)脈沖聲、反射脈沖聲并消除背景噪聲。因此，本文在脈沖反射法的基礎(chǔ)上采用了時(shí)間窗技術(shù)對(duì)測(cè)量到的脈沖響應(yīng)進(jìn)行信號(hào)分離。

由于直達(dá)聲和反射聲信號(hào)的聲程差Kr很小，直達(dá)聲和反射聲信號(hào)在時(shí)域上的間隔也非常小，直接對(duì)脈沖響應(yīng)信號(hào)添加時(shí)間窗將無法有效分離直達(dá)聲和脈沖聲。因此，首先采用時(shí)間窗技術(shù)將背景噪聲去除，獲得直達(dá)聲與反射聲信號(hào)之和。再通過在自由場(chǎng)獲得的直達(dá)聲參考信號(hào)將直達(dá)聲信號(hào)消除，這樣便獲得反射脈沖聲。通過反射脈沖聲和總脈沖響應(yīng)便可計(jì)算得到吸聲系數(shù)。對(duì)脈沖響應(yīng)信號(hào)添加時(shí)間窗的原理如圖1所示。

圖1　時(shí)間窗技術(shù)

1.3波形消除技術(shù)

測(cè)量得到的脈沖響應(yīng)信號(hào)中噪聲分量可以通過多次測(cè)量消除，同時(shí)通過箱體聲源增大信噪比消除背景噪聲影響，尤其提高聲源在低頻段信噪比。而直達(dá)脈沖聲和反射脈沖聲的分離則采用波形消除完成[7]，波形消除的原理如圖2所示。將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的脈沖響應(yīng)與自由聲場(chǎng)中測(cè)得的直達(dá)聲參考信號(hào)相減得到圖2（d）反射脈沖聲信號(hào)，入射聲波和反射聲波得到有效的分離。

圖2　波形消除原理

1.4吸聲系數(shù)計(jì)算

通過加時(shí)間窗和波形消除對(duì)傳聲器測(cè)量到的脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，利用處理后的信號(hào)進(jìn)行吸聲系數(shù)的計(jì)算，如下式[8-9]所示：

式中：Rp（f）——被測(cè)試件反射因子；

Kr——空間因子；

Pr（f）——反射聲頻譜；

Pi（f）——直達(dá)聲頻譜。

2　測(cè)量裝置組成

根據(jù)反射法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量吸聲系數(shù)的測(cè)量原理，對(duì)整個(gè)測(cè)量裝置進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，如圖3所示。整個(gè)裝置由測(cè)試計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集輸出控制器、功率放大器、揚(yáng)聲器、測(cè)量傳聲器組成。測(cè)試時(shí)測(cè)量傳聲器位于聲源和被測(cè)表面之間，由計(jì)算機(jī)控制揚(yáng)聲器發(fā)出的脈沖聲信號(hào)先經(jīng)過測(cè)量傳聲器位置，然后到達(dá)試件表面，一部分被試件吸收，另一部分反射回到傳聲器位置。傳聲器對(duì)由直達(dá)聲和反射聲構(gòu)成的脈沖信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)前置放大器放大后輸入信號(hào)采集處理控制器。最后通過計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)采集處理控制器獲取的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，得到吸聲系數(shù)。

圖3　測(cè)試裝置原理示意圖

測(cè)量裝置的軟件在LabVIEW平臺(tái)上編程完成，系統(tǒng)軟件測(cè)試頻率范圍、溫度、濕度和測(cè)量距離都可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后根據(jù)脈沖反射法的原理，對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理并計(jì)算得出吸聲系數(shù)。

整個(gè)系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)，首先在自由場(chǎng)條件下測(cè)量得到參考脈沖信號(hào)，用于在實(shí)際測(cè)量中進(jìn)行直達(dá)聲脈沖波形相減的計(jì)算。圖4是測(cè)量自由場(chǎng)條件下得到的直達(dá)聲參考脈沖信號(hào)。通過測(cè)量被測(cè)試樣，得到直達(dá)聲與反射聲脈沖信號(hào)和，如圖5所示。通過圖4、圖5測(cè)量得到的脈沖信號(hào)計(jì)算出吸聲系數(shù)。

圖4　自由場(chǎng)參考脈沖信號(hào)

圖5　直達(dá)脈沖和反射脈沖聲信號(hào)

3　測(cè)量結(jié)果比較

分別采用混響室、駐波管和本文的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置對(duì)50 mm厚度，密度8.2 kg/m3的密胺海綿進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)量。

混響室法測(cè)試吸聲系數(shù)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20247——2006《聲學(xué) 混響室吸聲測(cè)量》[2]，將11 m2密胺海綿平鋪放置于約200m3混響室內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。

阻抗管測(cè)量吸聲系數(shù)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18696.2——2002《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量 第2部分 傳遞函數(shù)法》[3]進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，將50mm厚度的密胺海綿分別加工為直徑100mm和直徑30mm的被測(cè)試樣放置于丹麥B&K駐波管4206內(nèi)進(jìn)行測(cè)量[10]。

本文研制的現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)量裝置，在4.8m× 5.1 m×2.8 m的普通房間內(nèi)對(duì)尺寸為1.2 m×1.6 m的密胺海綿進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)分別將被測(cè)試樣按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況緊密粘貼在墻上和平鋪于地面上。圖6所示為使用研制的現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)量裝置對(duì)墻面被測(cè)試樣進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。測(cè)量時(shí)，傳聲器與被測(cè)樣品表面距離為0.25 m，聲源與被測(cè)樣品表面距離為1.25m。

3種方法測(cè)量結(jié)果如表1和圖7所示，比較可以發(fā)現(xiàn)：采用脈沖反射法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，同一被測(cè)樣品安裝在墻面和地面的測(cè)量結(jié)果有較好一致性；測(cè)量結(jié)果同阻抗管測(cè)量結(jié)果比較也具有較好的一致性。混響室法測(cè)量結(jié)果存在明顯差異，這是由于混響室法的邊界效應(yīng)等因素造成的。

表1　吸聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果比較

圖6　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量示意圖

圖7　吸聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果比較

在400 Hz以下頻率使用研制的現(xiàn)場(chǎng)吸聲系數(shù)測(cè)量裝置對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)量結(jié)果明顯偏大。這是由于脈沖反射法假設(shè)測(cè)量時(shí)從被測(cè)樣品表面反射回平面波；實(shí)際測(cè)量中，由于被測(cè)樣品尺寸、聲源指向性等的影響，從測(cè)量面上反射回的由球面波近似過來的平面波。因此，測(cè)量到的反射脈沖信號(hào)在低頻段小于真實(shí)值，導(dǎo)致吸聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果偏高。而在高頻段，反射波更類似于平面波，吸聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果與真實(shí)值一致性更好。

根據(jù)吸聲系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)果，需要進(jìn)一步研究，包括不同頻率下該裝置所需要的被測(cè)試樣最小面積，測(cè)量傳聲器與被測(cè)樣品表面距離對(duì)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，以及聲源的指向性特征要求等方面。同時(shí)，對(duì)不同材料（如局部反應(yīng)材料以及非局部反應(yīng)材料等）測(cè)量結(jié)果的有效性仍需要進(jìn)一步研究。

4　結(jié)束語

本文利用反射法原理進(jìn)行吸聲系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置的研究，采用脈沖聲信號(hào)作為聲源信號(hào)，結(jié)合時(shí)間窗技術(shù)和波形消除技術(shù)，完成了一套吸聲系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量裝置。使用所研制的裝置對(duì)同一樣品進(jìn)行不同環(huán)境下吸聲系數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并將測(cè)試結(jié)果同現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室方法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明該測(cè)量裝置具有較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)適用性，能夠?qū)Σ煌瑘?chǎng)所位置的材料吸聲系數(shù)性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，解決了實(shí)驗(yàn)室吸聲系數(shù)測(cè)量對(duì)被測(cè)樣品的規(guī)格尺寸限制要求，并能有效減少材料因?qū)嶒?yàn)室測(cè)試樣品與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用差異造成吸聲系數(shù)不一致的問題。

[1]陳克安，曾向陽，李海英.聲學(xué)測(cè)量[M].北京：科學(xué)出版社，2005：142-144.

[2]聲學(xué)混響室吸聲測(cè)量：GB/T 20247——2006[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3]聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量-第2部分-傳遞函數(shù)法：GB/T 18696.2——2002[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[4]匡正，葉超，吳鳴，等.一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量材料吸聲特性的新方法[J].聲學(xué)學(xué)報(bào)，2010，3（2）：162-168.

[5]匡正，楊軍.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量吸聲系數(shù)方法概述[J].聲頻工程，2011，35（1）：8-10.

[6]Acoustics-Measurement of sound absorption properties of road surfaces in situ-Part 2:Spot method for reflective surfaces：BS ISO 13472-2[S].British Standards Institution，2010.

[7]Acoustics-Measurement of sound absorption properties of road surfaces in situ-Part 1：Extended surface method：ISO/FDIS 13472-1[S].ISO，2002.

[8]GARAI M.Measurement of the sound-absorption coefficient in situ:the refection method using periodic pseudo-random sequences of maximum length[J].Appl A-coust，1993（39）：119-139.

[9]LANOYE R，VERMEIR G，LAURIKS W.Measuring the free field acoustic impedance and absorption coefficientofsoundabsorbingmaterialswithacombined particle velocity-pressure sensor[J].J Acoust Soc Am，2006，119（5）：2826-2831.

[10]Acoustics-Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes-Part2 transfer functionmethod：ISO 10534-2[S].ISO，1998.

（編輯：劉楊）

On-site sound absorption coefficient measuring system based on reflection method

XIE Rongji，WAN Yupeng，GUI Gui
（National Institution of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

The exiting Acoustical coefficients methods cannot be used to measure actual acoustic absorptivity after materials are installed on site.An on-site measuring device is developed on the basisofsoundreflectionmethod，alongwithtime-selectivewindowtechnologyandwave elimination technology.This new device is used to test samples.It shows that this new device is more efficient compared to the laboratory test methods mentioned above.

sound absorption coefficient；field measurement；pulse reflection method；timeselective window technology

A

1674-5124（2016）03-0077-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.018

2015-10-10；

2015-12-25

謝榮基（1984-），男，重慶市人，工程師，主要從事聲學(xué)研究工作。