小型混响舱测量材料吸声系数

许 力

（杭州爱华仪器有限公司，杭州311112）

材料的吸声系数是一项重要的材料声学性能指标，其对分析材料在工业生产及生活中应用有重要指导作用。材料的吸声系数测量方法一般分为混响室法与驻波管法，采用混响室法测量声音无规入射时的吸声系数，而采用驻波管法测量声音正入射（声音入射角度为90°）时的吸声系数。因在工程及建筑的实际使用过程中声音大多为无规入射，因此实际工程中常使用混响室法测量材料吸声系数。

混响室法测量是基于规范ISO 354:2003 与GB/T 20247－2006《声学混响室吸声测量》的相关要求，采用表面积为10 m2～12 m2的标准试件在标准混响室（体积不小于200 m3）内进行测量。但在汽车行业中，因其需要测量的均为小型不规则试件，不满足标准混响室法测量所要求的标准试件大小。基于这种实际情况，美国汽车工程师学会（Society of Automotive Engineers）提出使用小混响舱来测量小试件无规入射吸声系数的方法，并制定了实验室测量标准，即SAE J2883 2015《Laboratory Measurement of Random Incidence sound Absorption Tests Using a Small Reverberation Room》，这就是所谓的小混响舱（Alpha-cabin）法[1]。

小型混响舱本质上来说是一种缩小尺寸的混响室，对于小型不规则形状的材料及产品来说，传统的混响室法与驻波管法测量均不适用，而小混响舱则可测量形状、体积不规则的物体吸声性能，可广泛应用于汽车及其零配件行业。

1 小混响舱国内外研究现状

目前，关于小混响舱（Alpha-Cabin）的结构和制造并没有统一的ISO 标准或国家标准，所以只要求其功能满足舱内声场为扩散声场，即：舱内各点的平均能量密度相等；舱内各点从各方向来的平均能量流相等；到达某点的各波束间的相位是无规的[2]。

这样的小混响舱即可作为小型混响室进行试件的吸声系数测量。国内外生产小混响舱的厂家较少，其相关文献也较少，这主要是因为现有小混响舱相关规范由美国汽车工程师学会提出，国内还未有明确的相关法规、规范；但小混响舱所具备的便携性及其可以测量形状、体积不规则的试件吸声性能的特性，在汽车零配件如车内饰件、隔声罩等的声学测量中具有重要意义。基于小混响舱的优点，可将其应用于测量声负载的吸声系数、声阻抗等，可对产品进行及时的反馈与优化。

2 小混响舱实验测量及基本参数

2.1 小混响舱的基本情况

小混响舱本质上就是一个体积缩小许多的混响室，其试样测试过程和方法与混响室法基本一致。一般来说，将它的容积V控制在6 m3～25 m3，小混响舱包括一个主混响室，室内一般有若干个声源及4个以上传声器，配合主混响室的隔声屏体以及信号采集处理系统完成实验测量。

2.2 小混响舱的形状尺寸

为减少室内特征频率的简并，混响室的长、宽、高一般满足一个类似调和级数的比例关系：1：21/3：41/3。为保证小混响舱内声场更加趋近扩散声场，还应对小混响舱的尺寸进行以下限制：

（1）小混响舱内部任意两个面都必须相互不平行；

（2）小混响舱舱内任意两条棱边都应不一样长；

（3）小混响舱的最大线度满足lmax＜1.9V1/3；

（4）小混响舱内部需安装扩散体来进一步趋近扩散声场[3]。

本实验中，小混响舱的外部尺寸确定为2 510 mm×2 640 mm×2 528 mm，内部实验空间整体呈不规则的多边形，其任意两个面均不平行，其总容积V约为9.26 m³。

2.3 小混响舱实验测中测试试件

根据SAE J2883－2015 中的要求，试件面积需控制在1 m2～1.2 m2，且不超过地板面积的30 %。小混响舱内部地面面积为4.59 m2，所选择的试验的样品尺寸为1 m×1.2 m（1.2 m2），满足以上要求，适用于6 m3至25 m3之间的小混响舱。

2.4 小混响舱的测量范围

小混响舱一般用于汽车行业样品的检查，而因受到其本身容积V的限制，可测量的下限频率较高，在低频范围内测量误差较大。其一般测量频率范围在250 Hz 至8 000 Hz 之间，其测量下限频率由小混响舱内部容积V决定，如表1所示。

表1 容积V和下限截止频率的关系

在该次测量中，小混响舱的内部容积V约为9.3 m³，故选取400 Hz～10 000 Hz 实验数据，其他频率数据只作参考。

3 采用小混响舱（Alpha-cabin）法测量材料吸声系数

3.1 小混响舱法中的测试设备

小混响舱法中测量设备布置如图1所示。

图1 小混响舱的测试原理图

3.1.1 声源

声源应为一个或多个扬声器，最好具有全方位辐射模式，这样小混响舱可根据规范的要求确保房间内的扩散。如果使用多个声源，它们之间的距离应至少为声波波长的1/4。在有声源运行的房间内测量的声压级应至少比该房间在每个测量频带内的背景噪声高45 dB。背景噪声包括混响室的环境噪声和测量系统的电气噪声。

3.1.2 传声器

用于测量的传声器应具备全指向性特征，在任何1/3倍频程频率范围和所测量的声压级内，其平坦随机入射振幅响应在±1 dB范围内，该实验中应设置多个传声器位置进行测量。

3.1.3 功率放大器

其用于保证输出信号满足实验需求。

3.1.4 分析系统

该分析设备用于获取室内测量信号的脉冲响应，并以此确定衰减曲线或进行进一步分析的记录器，具体实验设备清单见表2所示。

表2 小混响舱法中材料与吸声实验仪器配置清单

3.2 小混响舱测试的环境条件

3.2.1 环境条件

所有测量过程中，平均试验温度应不低于15°C，室内平均相对湿度应至少为50%，建议在6.3 kHz以上的连续测量中有60%的相对湿度。

空场小混响舱与放试件后的小混响舱温度变化应不大于±1°C，相对湿度变化应不大于±2%，大气压力变化应不大于±30 kPa。

3.2.2 试件的放置条件

测量试件应放置在地板上，避免与地板长度和宽度具有任何对称性，即样品的任何侧面均不得与房间的墙壁平行，试件的边缘应用框架进行密封，其框架本身不应有明显的吸声性能。

3.3 小混响舱法中的测试方法

采用小混响舱法测量试件吸声系数方法基本同混响室法，同样分为中断声源法与脉冲响应法[4]。

3.3.1 中断声源法

（1）在可测量的频率范围内（即从房间的截止频率到要进行测量的最高频率）生成一个具有连续频谱的随机噪声测试信号带。如果不能做到这一点，可接受连续频谱至少覆盖1/3倍频程带宽的带限信号。对于该测量，信号不需要具有任何预定或参考频谱。一般实验中采用粉红噪声或白噪声。

（2）对于测试信号应开启足够长的时间，以便在信号关闭前使在小混响舱内的所有频段产生稳定状态的声级。

（3）每个测量波段中的稳态声压级应足够高，以便每个测量波段中衰减率评估范围内较低分贝的声级至少高于背景噪声15 dB。为了保持这一要求，稳态测试信号应至少比每个测量波段的背景噪声高45 dB，以根据声压级下降25 dB 来确定衰减率。当测量样品时，需要在相同的前置放大器和分析仪设置条件下测量背景噪声声级，以确定测量中设置的噪声下限。

（4）打开测试信号至少需要有一定的时间，使声压级在频带上以最小的衰减率下降25 dB。

（5）关闭测试信号。在100 ms至300 ms延迟后或在信号关闭时，当声压级低于声压级5 dB 后，开始测量每个测量频段的声压级。这可确保在关闭信号期间造成的任何中断或失真不包含在衰减率计算中。在每个Δt时间（称为积分时间）测量并存储每个测量频段的声压级，直到声级下降25 dB，如图2所示。

图2 声级衰减示意图

（6）存储衰减率测量结果，并对同一扬声器麦克风位置重复测量至少4次。

（7）对同一传声器位置进行的所有测量（总共至少5次）进行平均。

3.3.2 脉冲响应法

（1）在可测量的频率范围内（即从房间的截止频率到要进行测量的最高频率），每一次生成一个带滤波的脉冲信号（例如对于每个1/3 倍频程频率）。将此信号输入扬声器系统，以生成给定频段的测试信号。这个信号可以是一个频率调制的突发音或其他一些特殊的信号，可以产生带滤波脉冲信号。

（2）每个1/3 倍频程带中的测试信号强度应足够高，以便在衰减率评估范围内较低分贝处的声压级至少高于背景噪声15 dB，并且至少有25 dB的评估范围来计算衰减率，其中评估范围从低于初始声压级5 dB开始。

（3）存储该数据，并对相同的麦克风扬声器位置以及不同的扬声器和麦克风位置多次重复测量，以使空间独立的测量衰减曲线数至少为12 个。因此，扬声器位置数乘以麦克风位置数应至少为12个，即12个麦克风-扬声器组合。

（4）采集12 个麦克风-扬声器组合中每一个带滤波脉冲响应，运算直到脉冲响应开始的反向积分，并根据线性平方拟合计算衰减率。

（5）修正12 个麦克风扬声器位置处空气吸声量。

（6）根据公式α=a/s确定吸声系数。

在本次实验测量中均采用中断声源法进行实验，具体布置如图3、图4所示。

图3 采用小混响舱测量材料吸声系数实验中测量设备布置图

图4 采用小混响舱测量材料吸声系数实验中测量试件布置图

4 小混响舱与标准混响室的实验数据比对

在比对测量实验中，所选择的被测试件材料为50 mm厚铸石吸声棉。实验时将1 m2的铸石吸声棉放入容积V为10 m3的小混响舱内，其四周边框均不与小混响舱的内框平行，被测试件四周用钢制框架进行围挡，多次测量得出相应的数据；进行对比实验时，将相同的材料10 m2平铺于容积V为270 m3的标准混响室，其四周同样采用框架进行围合[5]，实际检测数据及分析图表如表3、图5所示。

表3 50 mm铸石吸声棉吸声系数测量对比

图5 吸声系数测量数据对比图

同时为了验证小混响舱的数据稳定性与一致性，在检测验证过程中，对于小混响舱内部空场混响时间进行了多次测量，每次测量时，均随机安排内部传声器位置。结果证明该小混响舱内部各测点空场混响时间基本一致，各点声场均匀稳定如表4所示。

表4 对小混响舱不同位置多次测量所得空场混响时间比对/Hz

根据小混响舱的实际应用要求，本次测量数据范围选择为400 Hz～10 000 Hz，对于400 Hz以下实验数据只做参考分析，得出下列初步结论：该次测量中，在400 Hz～10 000 Hz 频率范围内，基于小混响舱与传统标准混响室的实验数据整体趋势保持基本一致；该次测量中，对于400 Hz以下的低频段，小混响舱内各点测量数据波动差异较大，且对于同一测点位置，多次测量普遍得出差异较大的结果，基本可知由于受限于小混响舱的整体体积，其对于低频段的吸声测量误差较大。

对比传统的测量材料吸声系数的方法，小混响舱法有以下的优点：如表5 所示，与标准混响室相比，小混响舱的占地面积更小，总体成本、造价更为低廉，安装施工也较简单，而且可以准确测量小试件在400 Hz 以上频率吸声系数；与驻波管法相比，小混响舱法可以测量形状大小不规则的试件，且其可以测量均匀无规则入射时的吸声系数，可以更好反映试件在实际使用中的情况，这更有价值。

表5 小混响舱和标准混响室的比较

结合实验数据分析比较小混响舱法和标准混响室这两种测量测量方法，发现在小于400 Hz的低频段，小混响舱内的测试数据与标准混响室内的测量数据差异较大，其内部各测点多次测量的数据波动较为明显，初步分析是由于小混响舱本身内部容积V有限，而低频声波波长较长，在其内部无法形成均匀的声场。在实际应用过程中，如主要关注材料中高频的吸声系数，则可采用小混响舱进行测试，如需检测材料低频段的声学性能，则需在标准混响室内进行。

5 结语

采用小混响舱测量材料试件吸声系数的方法在国内实际应用还并不多，但因其造价较低，体积较小，便于安装，尤其适宜于小试件和形状复杂部件的吸声特性的测量，不仅在汽车行业，在其它工业领域中的应用也将越来越普遍。