王春苑，歐陽金龍

(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065)

室內(nèi)吸聲降噪的實驗教學(xué)研究

王春苑，歐陽金龍

(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065)

在建筑室內(nèi)增加大量吸聲，可顯著降低室內(nèi)混響時間和噪聲聲壓級，從而改善室內(nèi)聲環(huán)境。該文利用四川大學(xué)可變混響時間聲學(xué)實驗室，創(chuàng)設(shè)了室內(nèi)吸聲降噪的實驗教學(xué)。首先介紹了該實驗教學(xué)的實驗原理、教學(xué)環(huán)境和教學(xué)過程，然后輔以一個實驗案例，著重分析了該實驗教學(xué)的價值。在該實驗教學(xué)中，學(xué)生除了定量地測試聲學(xué)參數(shù)外，還將真切地感受到同一空間同一聲源在不同的吸聲狀況下產(chǎn)生的不同聲環(huán)境效果和不同的噪聲水平。該實驗教學(xué)加深了學(xué)生對抽象的室內(nèi)吸聲降噪原理和公式、室內(nèi)聲環(huán)境的影響因素和控制方法的理解。

吸聲；噪聲；聲環(huán)境；可變混響時間

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和生活水平的提高，人們對建筑室內(nèi)環(huán)境的要求也越來越高。為應(yīng)對室外環(huán)境影響并創(chuàng)造健康舒適高效的室內(nèi)環(huán)境，必然需依靠大量設(shè)備才能實現(xiàn)。然而，如水泵、壓縮機、冷凍機等設(shè)備的運行，又會產(chǎn)生較大的噪聲干擾，極易影響室內(nèi)聲環(huán)境[1-3]。

建筑環(huán)境學(xué)是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的核心基礎(chǔ)課，要求學(xué)生了解人和生產(chǎn)過程需要什么樣的室內(nèi)環(huán)境、各種內(nèi)外部因素是如何影響建筑環(huán)境的，并掌握改變或控制建筑環(huán)境的基本方法和手段。室內(nèi)聲環(huán)境及控制是其中重要的一部分[4]。該專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，必然會接觸并逐漸熟悉那些高噪聲設(shè)備。特別是在實習(xí)過程中，近距離地面對機房內(nèi)的各類暖通空調(diào)設(shè)備，會深刻感受到這些設(shè)備的噪聲對室內(nèi)聲環(huán)境的危害。因此，很多高校的建筑環(huán)境學(xué)實驗教學(xué)中開設(shè)了“建筑室內(nèi)聲環(huán)境測試”和“建筑設(shè)備噪聲測試”的聲學(xué)實驗[5-7]。

在這兩個實驗教學(xué)中，通常由教師提前將聲級計等設(shè)備準備好，先由教師講述一遍實驗步驟和聲級計的使用方法，然后學(xué)生利用聲級計測試某一房間內(nèi)或某一設(shè)備的聲壓級，并判定室內(nèi)聲環(huán)境或設(shè)備噪聲級[8]。這兩個實驗教學(xué)對學(xué)生在熟悉聲學(xué)儀器、理解聲壓級概念方面有一定的幫助，但無法教導(dǎo)學(xué)生認識影響室內(nèi)聲環(huán)境的因素和控制方法。在建筑室內(nèi)增加大量吸聲，可顯著降低室內(nèi)混響時間和噪聲聲壓級，從而改善室內(nèi)聲環(huán)境。因而，利用四川大學(xué)可變混響時間聲學(xué)實驗室，并結(jié)合室內(nèi)聲學(xué)知識，創(chuàng)設(shè)了一個新實驗——室內(nèi)吸聲降噪實驗，以取代以上兩個常規(guī)的聲學(xué)實驗。

在新實驗的教學(xué)中，學(xué)生不再是簡單地測試室內(nèi)聲壓級或設(shè)備噪聲級，而需測試和分析同一噪聲源在同一空間內(nèi)不同吸聲量情況下的聲壓級及變化，同時還需主觀感受室內(nèi)噪聲的影響和聲環(huán)境的變化。通過這個實驗的教學(xué)，學(xué)生可以深刻理解吸聲對室內(nèi)聲環(huán)境和噪聲級的影響，并學(xué)會利用吸聲來削弱設(shè)備噪聲的危害和控制室內(nèi)聲環(huán)境。文中將從實驗原理、實驗教學(xué)環(huán)境和實驗教學(xué)過程來介紹室內(nèi)吸聲降噪實驗教學(xué)，并輔以一個實驗結(jié)果案例，分析這個實驗教學(xué)的價值。

1 室內(nèi)吸聲降噪原理

實驗原理是實驗教學(xué)內(nèi)容的核心和基礎(chǔ)，是理論與實踐的銜接，實驗設(shè)備的選擇、實驗步驟的設(shè)計等都必須圍繞實驗原理而展開。無論是何種性質(zhì)的實驗，學(xué)生都應(yīng)該對實驗原理有一定程度的了解才可以進入實驗環(huán)節(jié)，故先介紹室內(nèi)吸聲降噪的實驗原理。

在硬質(zhì)光滑內(nèi)表面的房間里，人聽到的不只是聲源發(fā)出的直達聲，還會聽到經(jīng)各個界面多次反射形成的混響聲。在直達聲和混響聲的共同作用下，當聲源的距離大于混響半徑時，接收點上的聲壓級要比在自由聲場中同一距離處高出10～15 dB。如果在室內(nèi)吊頂、墻面等安裝吸聲材料，可吸收反射聲使混響聲減弱，這時人們主要聽到的是直達聲，那種被噪聲包圍的感覺將明顯減弱。這種利用吸聲原理降低噪聲的方法稱為吸聲降噪[4]，是一種非常成熟的噪聲控制技術(shù)，雖無明確的國家或行業(yè)標準規(guī)范，但在各類涉及建筑聲環(huán)境的教材或書籍中均有相關(guān)內(nèi)容的論述，也已廣泛應(yīng)用于噪聲治理工程中[1-3]。

由室內(nèi)穩(wěn)態(tài)聲壓級計算公式知，室內(nèi)某點在吸聲處理前、后的聲壓級Lp1和Lp2為：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Lw為聲源聲功率級，單位為dB；Q聲源指向性因數(shù)，接受點一般位于室內(nèi)空間中，故取1；r為接受點與聲源的距離，單位為m；R1和R2分別為吸聲處理前、后的房間常數(shù)：

(3)

(4)

故理論上，吸聲降噪量可表示為：

ΔL′p=10lgQ4πr2?è???÷Q4πr2+4R2?è???÷é?êêù?úú

(5)

由于接收點與聲源的距離r通常大于混響半徑，接收點處聲壓級一般以混響聲為主時，即Q/4πR2≤4/R1或4/R2，故式(5)可簡化為：

(6)

(7)

由室內(nèi)混響時間賽賓公式可知，室內(nèi)混響時間與吸聲量成反比，故式(7)也可表達為：

(8)

式中，T1和T2分別為吸聲處理前、后的室內(nèi)混響時間，單位為s。

ΔLp=Lp1-Lp2

(9)

由以上實驗教學(xué)原理可看出：1)實驗環(huán)境對開展這個實驗的教學(xué)非常重要，實驗室內(nèi)的吸聲材料或結(jié)構(gòu)不能只是一次性的，應(yīng)可以反復(fù)安裝、拆卸且保證正常的吸聲性能，故選擇合適的實驗教學(xué)環(huán)境是開展這個實驗教學(xué)的必要條件。雖然在1988年就提出了“吸聲降噪的主要評價實驗”[10]，但由于缺乏合適的實驗教學(xué)環(huán)境，我國高校至今沒有開展過這個實驗教學(xué)。2)吸聲處理前、后，室內(nèi)不僅有聲壓級的變化，還有混響時間的變化，產(chǎn)生的主觀聽覺和一般的聲壓級變化與主觀感覺的關(guān)系有所差異，因此，實驗教學(xué)中除了定量測試聲學(xué)參數(shù)外，還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生利用自己的聽覺系統(tǒng)去感受這些參數(shù)的變化。

2 可變混響時間聲學(xué)實驗室

在實際機房內(nèi)或其他任意房間內(nèi)，難以隨意改變室內(nèi)吸聲量和混響時間，或代價昂貴且費時，這不是實驗教學(xué)的正確模式，故為了開設(shè)室內(nèi)吸聲降噪的實驗教學(xué)，我四川大學(xué)改造一間普通實驗室為可變混響時間聲學(xué)實驗室，如圖1所示。

(a)改造前 (b)改造后圖1 可變混響時間聲學(xué)實驗室

此房間的特殊之處在于室內(nèi)安裝了50個1.2 m×1.2 m×50 mm的“活動式”吸聲模塊。這些模塊采用“田”字木框內(nèi)填50 mm厚玻璃棉，外包阻燃織物面，并通過框架、吊桿等，可衍生出多種吸聲結(jié)構(gòu)，模塊或?qū)嵸N在墻(地)面，或留一定厚度的空氣腔，或可作為空間吸聲體。各種墻(地)面吸聲結(jié)構(gòu)的降噪系數(shù)可達0.6以上，空間吸聲體的降噪系數(shù)更是高達1.0，故增加或減少這些模塊，可控制該房間內(nèi)混響時間在0.4～2.4 s范圍內(nèi)變化。那么，由式(8)可推算出同一噪聲源在該房間內(nèi)的聲壓級可出現(xiàn)0～8 dB的差別。

實驗過程中，調(diào)動一個班級的學(xué)生，10 min內(nèi)即可完成全部吸聲模塊的拆卸或安裝工作，降低了實驗教學(xué)所需的時間和經(jīng)濟成本，而且在安裝和拆卸過程中學(xué)生對吸聲材料或結(jié)構(gòu)也有了更直接的感觀認識。因此，這個空間非常適合開設(shè)室內(nèi)吸聲降噪的實驗教學(xué)。

3 室內(nèi)吸聲降噪實驗教學(xué)過程

在學(xué)習(xí)實驗原理和了解實驗環(huán)境后，學(xué)生需按照以下5個步驟開展實驗。

1)確定實驗?zāi)康?。要求學(xué)生在可變混響時間聲學(xué)實驗室內(nèi)，測試和主觀感受不同吸聲狀況下的室內(nèi)混響時間和噪聲級，了解吸聲對室內(nèi)噪聲級的降低作用和聲環(huán)境的影響，并驗證室內(nèi)吸聲降噪式(8)的正確性。

2)確定實驗測試項目。主要聲學(xué)參數(shù)包括：實驗室內(nèi)背景噪聲Lp0，吸聲處理前室內(nèi)噪聲級Lp1和混響時間T1，吸聲處理后室內(nèi)噪聲級Lp2和混響時間T2。測試時應(yīng)確保Lp2-Lp0>dB。

3)確定實驗設(shè)備、測試系統(tǒng)、聲源及測點分布等。如圖2所示，在實驗室內(nèi)、外連接測試設(shè)備。主要包含電腦(內(nèi)裝1/3倍頻帶S6291-00303、建筑聲學(xué)分析軟件S6291-05008)、數(shù)據(jù)采集及實時信號分析儀AWA6290M(即專業(yè)聲卡)、功率放大器AWA5870B、無指向性聲源AWA5510、型傳聲器AWA14421，以及各種連接線。以上設(shè)備，除電腦外，均為杭州愛華儀器有限公司生產(chǎn)。測試過程中，聲源置于實驗室一角，電腦控制釋放穩(wěn)態(tài)白噪聲信號，用于模擬設(shè)備噪聲。實驗室內(nèi)選擇3點利用傳聲器測試聲壓級和混響時間。

4)確定吸聲處理前、后實驗室內(nèi)吸聲狀況。通常，吸聲處理前實驗室內(nèi)完全沒有吸聲模塊，而吸聲處理后實驗室內(nèi)布置了大量的吸聲。要求學(xué)生記錄吸聲處理前、后實驗室內(nèi)的吸聲模塊數(shù)量、分布及安裝形式。

圖2 室內(nèi)吸聲降噪實驗教學(xué)測試系統(tǒng)框圖

表1 室內(nèi)吸聲降噪的實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果表

圖3 室內(nèi)吸聲降噪的實驗數(shù)據(jù)及處理結(jié)果圖

5)測試過程。①測試實驗室內(nèi)背景噪聲Lp0；②吸聲處理前，測試實驗室內(nèi)混響時間T1，再開啟一高聲壓級的穩(wěn)態(tài)噪聲源，測試室內(nèi)噪聲級Lp1，感受室內(nèi)噪聲環(huán)境和聽聞環(huán)境；③吸聲處理后，重復(fù)第②步，測試吸聲處理前混響時間T2和噪聲級Lp2，感受室內(nèi)噪聲環(huán)境和聽聞環(huán)境。

4 實驗數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析的案例

實驗過程固然重要，但如果做完實驗不總結(jié)、不分析，就達不到實驗的目的?！皩嶒灁?shù)據(jù)處理與結(jié)果分析”是理論知識運用到實踐中的科學(xué)總結(jié)，是學(xué)生從感性認識到理性認識的升華，是實驗報告的精髓[11]，而實驗報告正是評價學(xué)生實驗成績最重要的依據(jù)。因此，這里將以某組學(xué)生的實驗結(jié)果為例，引導(dǎo)學(xué)生處理紛繁的實驗數(shù)據(jù)，并從中得到實驗結(jié)論、發(fā)現(xiàn)問題等。

這組學(xué)生的實驗中，吸聲處理前實驗室內(nèi)完全沒有吸聲模塊，而吸聲處理后實驗室內(nèi)有33塊吸聲模塊。其中，南、北墻面各12塊，西墻面9塊，吸聲結(jié)構(gòu)為50 mm玻璃棉+50 mm空氣腔。

最后，要求學(xué)生結(jié)合聽覺感受，主觀評價和分析室內(nèi)吸聲降噪的作用。吸聲處理前、后學(xué)生在這個實驗室內(nèi)明顯感受到了聽聞環(huán)境的變化。吸聲處理前室內(nèi)混響時間過長，語言清晰度很差；而吸聲處理后語言清晰度明顯得到了改善。在開啟噪聲源后，由于吸聲降噪量達到了5 dB以上[10]，所以學(xué)生直接感覺到室內(nèi)噪聲級在吸聲處理前、后有了明顯的變化。因此，學(xué)生深刻認識了吸聲對室內(nèi)聲環(huán)境和噪聲級的影響。

室內(nèi)吸聲降噪實驗教學(xué)實踐證明，定量測試的實驗數(shù)據(jù)結(jié)合切身的體會，使學(xué)生對室內(nèi)吸聲降噪原理和公式有了更深刻的理解，有利于他們在今后工作中積極主動地運用吸聲創(chuàng)造舒適的室內(nèi)聲環(huán)境和降低室內(nèi)設(shè)備噪聲的影響。

5 結(jié)束語

在室內(nèi)增加大量吸聲可顯著降低室內(nèi)混響時間和噪聲聲壓級，從而改善室內(nèi)聲環(huán)境，因此，利用我?？勺兓祉憰r間聲學(xué)實驗室，為建筑環(huán)境學(xué)課程開設(shè)了“室內(nèi)吸聲降噪”的實驗教學(xué)，取代了“建筑室內(nèi)聲環(huán)境測試”和“建筑設(shè)備噪聲測試”兩個常規(guī)的聲學(xué)實驗教學(xué)。本文從實驗原理、實驗教學(xué)環(huán)境和實驗教學(xué)過程介紹了室內(nèi)吸聲降噪的實驗教學(xué)，并輔以一個實驗結(jié)果案例，分析了這個實驗教學(xué)的價值。

室內(nèi)吸聲降噪實驗是一個集認知型實驗、驗證性實驗為一體的綜合性實驗教學(xué)，還可以繼續(xù)擴展，加入室內(nèi)吸聲降噪的設(shè)計性實驗。在這個實驗教學(xué)實踐之中，學(xué)生真切地感受到了同一空間同一聲源不同的吸聲狀況下產(chǎn)生了不同的聲環(huán)境效果和不同的噪聲水平，并結(jié)合定量測試的實驗數(shù)據(jù)，使學(xué)生對抽象的室內(nèi)吸聲降噪原理和公式、室內(nèi)聲環(huán)境的影響因素和控制方法有了更深刻的理解。

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ExperimentalTeachingofIndoorNoiseReductionThroughSoundAbsorption

WANG Chunyuan，OUYANG Jinlong

(College of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Increasing the amount of sound absorption in the building can significantly reduce the indoor reverberation time and sound pressure level of noise，which is to achieve the purpose of improving the indoor sounds environment.The experimental teaching of indoor noise reduction through sound absorption was established by taking advantage of the acoustic experimental room with adjustable reverberation time in Sichuan University.Firstly，the experimental theory，teaching environment and teaching process of this experimental teaching were introduced.Then，the value of this experimental teaching was analyzed with a case of experimental results.In this experimental teaching， students are required quantitatively test the acoustic parameters，and they truly feel the different effects of indoor acoustics environment and noise just in the same room and under the same sound source.It would help students deeply understand the abstract theory and formula of indoor noise reduction through sound absorption，the influence factors and control method of indoor acoustic environment.

sound absorption；noise；acoustics environment；adjustable reverberation time

2015-12-28；修改日期:2016-01-20

四川大學(xué)新世紀教育教學(xué)改革工程計劃項目(七期)；四川大學(xué)實驗技術(shù)項目(2015-115)。

王春苑(1977-)，女，碩士，實驗師，主要從事建筑類實驗教學(xué)與管理工作和研究。

TU112.3；G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.029