混响室扩散体声学设计及数值仿真

吕 义 高 阳 樊 康

(中车长春轨道客车股份有限公司科技管理部， 130062， 长春//第一作者， 教授级高级工程师)

中国高速铁路经过10年来的迅猛发展，取得了举世瞩目的成就[1-2]。随着人民生活水平的日益提高，人们对于出行的需求已不单是要求方便快捷，对出行途中的舒适性也提出了越来越高的要求[3-4]。相对于普通铁路，高速铁路因高速、高架、电气化等特点，其噪声传播的空间和时间也较普通铁路要大，噪声的产生和构造也较普通铁路要复杂。

高速铁路噪声是由各种不同类型的噪声组合而成，按发生部位的不同，可分为牵引系统噪声、轮轨噪声、气动噪声、集电系统噪声及桥梁构造物噪声[5]。在高速列车低噪声设计过程中，往往希望在车辆设计初期能采用有效的仿真或试验手段对于高速列车不同区域的噪声源进行模拟，评估其对车辆内部和外部噪声的影响[6-9]。

混响室是声学测量研究领域的一种专业实验室，它能测量一些几何形状比较复杂的诸如座椅、空间吸声体等物体的吸声量。两个通过开窗连接的消声室可用于门窗等结构的隔声量的测量。本文主要研究混响室墙面形状及附加扩散体需满足的基本指标。

1 混响室设计要求

1.1 散射面设计要求

混响室外形设计中，墙面的起伏形状、附加扩散体布置这两个方面主要涉及散射面的形状和大小。常见的散射面如图1所示，其中：凹面形状的散射效果最差，平面形状的其次；除了图1i)、图1j)、图1k)中所示的这3种商业产品形状外，其余形状的都有一定的散射效果，尤其是0.55 m直径的半圆柱面有较好的散射效果。

a) 平面b) 凹面c) 椎面d) 方底金字塔面

e) 周期二进制面f) 随机二进制面g) 半圆柱面h) 三棱柱面

i) QRD面j) Skyline面k) BAD面l) 周期半球面

图1 常见散射面的外形结构

混响室墙面的起伏设计，可选择多个半圆柱体的简单组合作为混响室的墙面起伏形状。半圆柱及半球形墙面的设计和建造都很方便，且能保证较好的散射效果。半圆柱形表面的截面半径不应小于要求的最低频率。

1.2 扩散体设计要求

1.2.1 吸声测试设计要求

通过悬挂扩散板的方法可以增大声波的散射。扩散板面质量需大于5 kg/m2，微凸形状最佳，凸起朝向随机。为了保证不同混响室吸声系数尽可能接近，GBJ 47—1983标准中规定了混响室中扩散体的吸声系数要求，并要求通过逐渐增加扩散板的方式确定扩散板的个数。

体积为200 m3以下的混响室，最低频率f可采用式(1)计算。

(1)

式中：

V——混响室体积,m3。

1.2.2 隔声测量设计要求

在进行隔声测量时，需要用到两个相连的混响室。GB/T 19889系列标准中要求这两个混响室的容积或线度相差10%以上，两个混响室的容积应大于50 m2。对于满足GBT 19889系列标准要求的两个混响室，安装扩散板时可将扩散板的面积范围按GBJ 47—1983标准要求定为0.8～3.0 m2。

进行隔声测量时，扩散体条件要求是：安装足够多的扩散体时，不应影响隔声量的测试条件，且混响时间T需满足式(2)的限制条件。

(2)

若不满足式(2)的限制条件，则需继续调整扩散体的安装数量和方向，直到各频带的隔声量与混响时间不存在依赖性为止。

2 混响室设计指标

混响室的形状以及附加的扩散体需满足混响室的基本指标见表1，混响室形状设计所依照的标准见表2。

3 扩散体设计

已有的实验证明，混响室形状规则对测量效果影响不大，混响室墙面的不平行设计实际上并不能对扩散场带来明显的改变。 结合扩散体设计思路可知，墙面起伏及附加扩散板这两种扩散体布置各有优缺点：墙面起伏对低频声的反射容易实现且效果较好，但布置成形后难以进行改进优化；扩散板安装不便，但便于调试。从实用和操作简便性的角度出发，本文主要选择可灵活拆装的扩散板作为基本扩散体单元，扩散板以随机的角度安装在混响室四周及顶部的墙上，以尽可能地增大散射效果。所选取的扩散板材料为具有较小吸声系数的镀锌钢板。

表1 混响室设计主要技术指标

表2 混响室形状设计所涉及的相关标准

3.1 混响室Ⅰ的扩散体设计

由于混响室Ⅰ容积较小，难以满足100 Hz的低频扩散条件，因此，需增加扩散板用于改善低频扩散效果。

由式(1)可知，在现有设计方案下，混响室I的最低扩散场频率为156 Hz，扩散板可对100 ～156 Hz的声场起到良好的扩散作用，因此扩散板边长应在2.1～2.4 m之间。2.1 m对应的是156 Hz声波的波长，2.4 m对应的是100 Hz声波的波长。(下限频率对应着扩散板的对角线的尺度，而上限频率只需边长的长度满足条件即可)

混响室I的内表面总面积为132 m2。GB/T 20247—2006标准要求，扩散板总面积(双面)为混响室总表面的15%～25%，因此，混响室I可设置4块扩散板，边长分别为1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m，单面面积合计为17.84 m2。

由于混响室I的顶部及侧面1和侧面上需设置隔声窗，故此扩散板安装在侧面3上，如图2所示。安装扩散板时，在满足扩散板之间不相互重叠及角度随机的条件下，可根据实际墙面尺寸进行适当调整和布置。扩散板采用吊杆方式将4个顶点悬挂。4根吊杆的长度随机分布，扩散板与墙壁夹角在30°～60°之间。

图2 混响室I扩散板安装位置示意图

3.2 混响室II的扩散体设计

由于混响室II的容积较小，难以满足100 Hz的低频扩散条件，因此，需增加扩散板用于改善低频扩散效果。

由式(1)可知，在现有设计方案下，混响室II的最低扩散场频率为156 Hz，扩散板可对100～156 Hz的声场起到良好的扩散效果，因此扩散板尺寸应在2.1～2.4 m之间。2.1 m对应的是156 Hz声波的波长，2.4 m对应的是100 Hz声波的波长。(下限频率对应着扩散板的对角线的尺度，而上限频率只需边长的长度满足条件即可)。

混响室II的内表面总面积为147 m2。GB/T 20247—2006标准要求，扩散板总面积(双面)为混响室总表面的15%～25%，因此，混响室II可设置3块扩散板，边长分别为2.10 m、2.25 m、2.40 m，单面面积合计为15.20 m2。

混响室II中，扩散板安装于屋顶面，安装扩散板时，在满足扩散板之间不相互重叠及角度随机的条件下，可根据实际墙面尺寸进行适当调整和布置。扩散板采用吊线方式将4个顶点悬挂。4根吊线的长度随机分布，扩散板与屋顶面夹角在30°～60°之间。

3.3 混响室III的扩散体设计

根据设计要求，将混响室III的扩散体设计成半球面墙体(由于所占体积过大，实际采用的是半椭球扩散体)。该设计能够满足吸声系数测量的要求，但要注意在进行隔声测量时，需在地面铺设吸声材料以满足隔声测试要求。

由式(1)可知，在现有设计方案下，混响室III的最低扩散场频率为123 Hz， 扩散板可对100～123 Hz的声场起到良好的扩散作用，因此半椭球最大直径应在2.1～3.4 m之间。2.1 m对应的是123 Hz声波的波长，2.4 m对应的是100 Hz声波的波长。

混响室III的基本框架和混响室I相同。考虑到混响室III的侧面1需要开窗，不能在该墙面上设计半椭球扩散体，因此，5个半椭球扩散体设置为顶面两个、侧面2两个、侧面3一个，如图3所示。半椭球体类似于将半球体的厚度压缩后的形状，安置在墙面上，所占据的范围成圆形。表3给出了5个半椭球体半轴长的设计尺寸，其中a、b、c分别为其3个方向的几何半轴尺寸。

a) 顶面b) 侧面2c) 侧面3

单位：mm

图3 半椭球扩散体在墙面上的位置

3.4 混响室IV的扩散体设计

混响室IV与混响室I的尺寸相同，均作为混响室II(发声室)的受声室，因此，混响室IV的扩散体设计应与混响室I保持一致(具体见混响室I的扩散体设计)。

3.5 混响室扩散体材料

本设计方案中所有扩散体材料采用镀锌钢板材料，厚度为20 mm。该材料吸声系数小，在各个频段内基本均为0.04。

4 声场扩散性数值仿真

为了对上述扩散体设计的扩散性能进行验证，采用建筑声学设计软件(Odeon)对4个混响室的声场进行仿真分析。鉴于篇幅原因，本文仅介绍混响室III的声场仿真结果。

混响室III设有1个隔声窗，在隔声窗处布置9个测点，如图4所示。

经计算仿真，图4中9个测点的模态分布如图5所示。由图5显示的计算结果可见，所有测点的模态密度分布较密且均匀，说明混响室III声场具有良好的扩散性。混响室III的隔声窗处所有测点的平均模态密度见表4。由表4可见，每个1/3倍频程频段内的模态密度可满足声场扩散的要求。

图4 混响室Ⅲ隔声窗处测点布置示意图

b) 测点2

c) 测点3

d) 测点4

e) 测点5

f) 测点6

g) 测点7

h) 测点8

i) 测点9

为了分析频率100 Hz时的声场扩散性，将100 Hz时混响室III隔声窗处各测点声压分布制图，如图6所示。由图6可见，在100 Hz时各个测点的声压分布均匀，证明其扩散性良好。

表4 混响室III 9个测点的平均模态密度

图6 混响室III隔声窗处测点100 Hz声压级分布

5 结论

本文分析了吸声测量和隔声测量中对混响室的功能要求，选择扩散板作为基本扩散体，对扩散体的大小以及数量要求进行分析及设计，得到的混响室扩散体设计方案如表5所示。

表5 混响室扩散体设计方案