許 力

（杭州愛華儀器有限公司，杭州311112）

材料的吸聲系數(shù)是一項重要的材料聲學(xué)性能指標(biāo)，其對分析材料在工業(yè)生產(chǎn)及生活中應(yīng)用有重要指導(dǎo)作用。材料的吸聲系數(shù)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(guī)入射時的吸聲系數(shù)，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(shù)。因在工程及建筑的實際使用過程中聲音大多為無規(guī)入射，因此實際工程中常使用混響室法測量材料吸聲系數(shù)。

混響室法測量是基于規(guī)范ISO 354:2003 與GB/T 20247－2006《聲學(xué)混響室吸聲測量》的相關(guān)要求，采用表面積為10 m2～12 m2的標(biāo)準(zhǔn)試件在標(biāo)準(zhǔn)混響室（體積不小于200 m3）內(nèi)進行測量。但在汽車行業(yè)中，因其需要測量的均為小型不規(guī)則試件，不滿足標(biāo)準(zhǔn)混響室法測量所要求的標(biāo)準(zhǔn)試件大小。基于這種實際情況，美國汽車工程師學(xué)會（Society of Automotive Engineers）提出使用小混響艙來測量小試件無規(guī)入射吸聲系數(shù)的方法，并制定了實驗室測量標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)上來說是一種縮小尺寸的混響室，對于小型不規(guī)則形狀的材料及產(chǎn)品來說，傳統(tǒng)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(guī)則的物體吸聲性能，可廣泛應(yīng)用于汽車及其零配件行業(yè)。

1 小混響艙國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，關(guān)于小混響艙（Alpha-Cabin）的結(jié)構(gòu)和制造并沒有統(tǒng)一的ISO 標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)，所以只要求其功能滿足艙內(nèi)聲場為擴散聲場，即：艙內(nèi)各點的平均能量密度相等；艙內(nèi)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(guī)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(shù)測量。國內(nèi)外生產(chǎn)小混響艙的廠家較少，其相關(guān)文獻也較少，這主要是因為現(xiàn)有小混響艙相關(guān)規(guī)范由美國汽車工程師學(xué)會提出，國內(nèi)還未有明確的相關(guān)法規(guī)、規(guī)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(guī)則的試件吸聲性能的特性，在汽車零配件如車內(nèi)飾件、隔聲罩等的聲學(xué)測量中具有重要意義?；谛』祉懪摰膬?yōu)點，可將其應(yīng)用于測量聲負(fù)載的吸聲系數(shù)、聲阻抗等，可對產(chǎn)品進行及時的反饋與優(yōu)化。

2 小混響艙實驗測量及基本參數(shù)

2.1 小混響艙的基本情況

小混響艙本質(zhì)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(nèi)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(tǒng)完成實驗測量。

2.2 小混響艙的形狀尺寸

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

（1）小混響艙內(nèi)部任意兩個面都必須相互不平行；

（2）小混響艙艙內(nèi)任意兩條棱邊都應(yīng)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(nèi)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(nèi)部實驗空間整體呈不規(guī)則的多邊形，其任意兩個面均不平行，其總?cè)莘eV約為9.26 m3。

2.3 小混響艙實驗測中測試試件

根據(jù)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(nèi)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(yè)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(nèi)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(nèi)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(guān)系

在該次測量中，小混響艙的內(nèi)部容積V約為9.3 m3，故選取400 Hz～10 000 Hz 實驗數(shù)據(jù)，其他頻率數(shù)據(jù)只作參考。

3 采用小混響艙（Alpha-cabin）法測量材料吸聲系數(shù)

3.1 小混響艙法中的測試設(shè)備

小混響艙法中測量設(shè)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(yīng)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(jù)規(guī)范的要求確保房間內(nèi)的擴散。如果使用多個聲源，它們之間的距離應(yīng)至少為聲波波長的1/4。在有聲源運行的房間內(nèi)測量的聲壓級應(yīng)至少比該房間在每個測量頻帶內(nèi)的背景噪聲高45 dB。背景噪聲包括混響室的環(huán)境噪聲和測量系統(tǒng)的電氣噪聲。

3.1.2 傳聲器

用于測量的傳聲器應(yīng)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(nèi)，其平坦隨機入射振幅響應(yīng)在±1 dB范圍內(nèi)，該實驗中應(yīng)設(shè)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(tǒng)

該分析設(shè)備用于獲取室內(nèi)測量信號的脈沖響應(yīng)，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(shè)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(huán)境條件

3.2.1 環(huán)境條件

所有測量過程中，平均試驗溫度應(yīng)不低于15°C，室內(nèi)平均相對濕度應(yīng)至少為50%，建議在6.3 kHz以上的連續(xù)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(yīng)不大于±1°C，相對濕度變化應(yīng)不大于±2%，大氣壓力變化應(yīng)不大于±30 kPa。

3.2.2 試件的放置條件

測量試件應(yīng)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(cè)面均不得與房間的墻壁平行，試件的邊緣應(yīng)用框架進行密封，其框架本身不應(yīng)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(shù)方法基本同混響室法，同樣分為中斷聲源法與脈沖響應(yīng)法[4]。

3.3.1 中斷聲源法

（1）在可測量的頻率范圍內(nèi)（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(xù)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(xù)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(yù)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(yīng)開啟足夠長的時間，以便在信號關(guān)閉前使在小混響艙內(nèi)的所有頻段產(chǎn)生穩(wěn)定狀態(tài)的聲級。

（3）每個測量波段中的穩(wěn)態(tài)聲壓級應(yīng)足夠高，以便每個測量波段中衰減率評估范圍內(nèi)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(wěn)態(tài)測試信號應(yīng)至少比每個測量波段的背景噪聲高45 dB，以根據(jù)聲壓級下降25 dB 來確定衰減率。當(dāng)測量樣品時，需要在相同的前置放大器和分析儀設(shè)置條件下測量背景噪聲聲級，以確定測量中設(shè)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(guān)閉測試信號。在100 ms至300 ms延遲后或在信號關(guān)閉時，當(dāng)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(guān)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(jié)果，并對同一揚聲器麥克風(fēng)位置重復(fù)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(yīng)法

（1）在可測量的頻率范圍內(nèi)（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(tǒng)，以生成給定頻段的測試信號。這個信號可以是一個頻率調(diào)制的突發(fā)音或其他一些特殊的信號，可以產(chǎn)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(yīng)足夠高，以便在衰減率評估范圍內(nèi)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(shù)據(jù)，并對相同的麥克風(fēng)揚聲器位置以及不同的揚聲器和麥克風(fēng)位置多次重復(fù)測量，以使空間獨立的測量衰減曲線數(shù)至少為12 個。因此，揚聲器位置數(shù)乘以麥克風(fēng)位置數(shù)應(yīng)至少為12個，即12個麥克風(fēng)-揚聲器組合。

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

（5）修正12 個麥克風(fēng)揚聲器位置處空氣吸聲量。

（6）根據(jù)公式α=a/s確定吸聲系數(shù)。

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(shù)實驗中測量設(shè)備布置圖

圖4 采用小混響艙測量材料吸聲系數(shù)實驗中測量試件布置圖

4 小混響艙與標(biāo)準(zhǔn)混響室的實驗數(shù)據(jù)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(nèi)，其四周邊框均不與小混響艙的內(nèi)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(yīng)的數(shù)據(jù)；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(biāo)準(zhǔn)混響室，其四周同樣采用框架進行圍合[5]，實際檢測數(shù)據(jù)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(shù)測量對比

圖5 吸聲系數(shù)測量數(shù)據(jù)對比圖

同時為了驗證小混響艙的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性與一致性，在檢測驗證過程中，對于小混響艙內(nèi)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(nèi)部傳聲器位置。結(jié)果證明該小混響艙內(nèi)部各測點空場混響時間基本一致，各點聲場均勻穩(wěn)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(jù)小混響艙的實際應(yīng)用要求，本次測量數(shù)據(jù)范圍選擇為400 Hz～10 000 Hz，對于400 Hz以下實驗數(shù)據(jù)只做參考分析，得出下列初步結(jié)論：該次測量中，在400 Hz～10 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，基于小混響艙與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)混響室的實驗數(shù)據(jù)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(nèi)各點測量數(shù)據(jù)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(jié)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(tǒng)的測量材料吸聲系數(shù)的方法，小混響艙法有以下的優(yōu)點：如表5 所示，與標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確測量小試件在400 Hz 以上頻率吸聲系數(shù)；與駐波管法相比，小混響艙法可以測量形狀大小不規(guī)則的試件，且其可以測量均勻無規(guī)則入射時的吸聲系數(shù)，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(biāo)準(zhǔn)混響室的比較

結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析比較小混響艙法和標(biāo)準(zhǔn)混響室這兩種測量測量方法，發(fā)現(xiàn)在小于400 Hz的低頻段，小混響艙內(nèi)的測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)混響室內(nèi)的測量數(shù)據(jù)差異較大，其內(nèi)部各測點多次測量的數(shù)據(jù)波動較為明顯，初步分析是由于小混響艙本身內(nèi)部容積V有限，而低頻聲波波長較長，在其內(nèi)部無法形成均勻的聲場。在實際應(yīng)用過程中，如主要關(guān)注材料中高頻的吸聲系數(shù)，則可采用小混響艙進行測試，如需檢測材料低頻段的聲學(xué)性能，則需在標(biāo)準(zhǔn)混響室內(nèi)進行。

5 結(jié)語

采用小混響艙測量材料試件吸聲系數(shù)的方法在國內(nèi)實際應(yīng)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(fù)雜部件的吸聲特性的測量，不僅在汽車行業(yè)，在其它工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也將越來越普遍。