引言
混響室法吸聲測(cè)試國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO354:2003目前處于修訂階段，本次修訂的主要目的是改善在不同實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的可復(fù)現(xiàn)性。一些研究表明了實(shí)驗(yàn)室之間的可復(fù)現(xiàn)性與混響室的聲學(xué)設(shè)計(jì)、測(cè)試方法等多種因素有關(guān)。經(jīng)過(guò)修訂工作組多年來(lái)的研究，該標(biāo)準(zhǔn)在2019年提出了技術(shù)委員會(huì)稿(CD)。在ISO/CD 354:2019中，朗德在混響室吸聲測(cè)試中一直采用的房間模態(tài)抑制法納入了標(biāo)準(zhǔn)條文中，成為本次修訂的主要技術(shù)修改部分。本次技術(shù)分享，主要跟大家介紹ISO/CD 354:2019相對(duì)于現(xiàn)行的ISO354-2003的一些改進(jìn)與調(diào)整，以及這些改進(jìn)對(duì)測(cè)量結(jié)果可復(fù)現(xiàn)性改善的一些實(shí)際測(cè)試結(jié)果。
混響室法存在的問(wèn)題
2.1 測(cè)試原理
無(wú)規(guī)入射條件下的吸聲系數(shù)可以在滿(mǎn)足擴(kuò)散場(chǎng)條件下的混響室內(nèi)進(jìn)行，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ISO354:2003 (GB/T 20247-2006)以及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)ASTM C423-17中對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行了規(guī)定。該方法通過(guò)在混響室內(nèi)測(cè)試安裝被測(cè)吸聲材料前后的混響時(shí)間，采用賽賓(Sabine)公式來(lái)計(jì)算吸聲系數(shù)：(相關(guān)知識(shí)的詳細(xì)介紹參閱：“室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)：1 賽賓和混響時(shí)間”以及 “吸聲降噪技術(shù)：3 無(wú)規(guī)入射吸聲性能的測(cè)量” )
式中：
V───空?qǐng)?即混響室內(nèi)未放置被測(cè)材料)時(shí)混響室體積，m3；
c ───混響室內(nèi)聲波在空氣中的傳播速度，m/s；
T1───空?qǐng)鰰r(shí)混響室內(nèi)的混響時(shí)間，s；
T2───放入被測(cè)材料后混響室內(nèi)的混響時(shí)間，s；
S ───被測(cè)材料的面積，㎡；
m1 ─── 空?qǐng)龌祉懯覘l件下的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，；
m2 ─── 放入被測(cè)材料后混響室條件下的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，；
圖1 混響室法吸聲系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)圖
2.2 存在問(wèn)題
混響室法是通過(guò)混響時(shí)間的測(cè)量來(lái)間接獲得無(wú)規(guī)入射吸聲系數(shù)，因此測(cè)量的準(zhǔn)確性有賴(lài)于賽賓公式在實(shí)際測(cè)量混響室內(nèi)的符合程度，因此，一般要求測(cè)量聲場(chǎng)足夠擴(kuò)散。
雖然標(biāo)準(zhǔn)中提出了進(jìn)行聲場(chǎng)擴(kuò)散性檢驗(yàn)的一些指導(dǎo)原則和方法，也有一些研究提出了聲場(chǎng)擴(kuò)散度的量化方法，但實(shí)際上要獲得一個(gè)理想的擴(kuò)散場(chǎng)還是有一定的難度的。因此，長(zhǎng)期以來(lái)不同實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到的吸聲系數(shù)的復(fù)現(xiàn)性差一直是個(gè)比較大的問(wèn)題。
測(cè)量結(jié)果比較分散的原因之一是由于不同實(shí)驗(yàn)室房間的容積和形狀的差異帶來(lái)的聲場(chǎng)和材料的相互作用情況的不同。由于房間簡(jiǎn)正模式(參閱：“室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)-2 房間簡(jiǎn)正模式”)、擴(kuò)散不充分、被測(cè)材料安裝在一個(gè)墻面等因素必將帶來(lái)聲場(chǎng)分布的各向異性特征，建立一個(gè)理想的擴(kuò)散聲場(chǎng)實(shí)在不易。同時(shí)，材料的安裝位置、聲源和接收點(diǎn)的位置也會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。
原因之二是采用賽賓公式的近似產(chǎn)生的，在被測(cè)吸聲材料的面積比較大或者吸聲系數(shù)比較高的時(shí)候，混響室內(nèi)的平均吸聲系數(shù)大于0.1了，這時(shí)候-log(1-α)再用α來(lái)近似就產(chǎn)生了誤差，并且這一誤差會(huì)隨著吸聲系數(shù)的增加而增大。
第三個(gè)原因是由于邊緣效應(yīng)引起的，尤其是對(duì)厚的材料。邊緣效應(yīng)引起的誤差與被測(cè)材料的尺寸有關(guān)，即與周長(zhǎng)面積比有關(guān)。雖然標(biāo)準(zhǔn)中提出了周長(zhǎng)面積比的要求，但同一比值的材料在不同實(shí)驗(yàn)室中對(duì)聲場(chǎng)的影響是有差異的，另外，由于受材料尺寸的限制，在不同實(shí)驗(yàn)室很難保證周長(zhǎng)面積比絕對(duì)相同。
2.3 ISO 354修訂的初衷
雖然說(shuō)眾多研究提出了采取不同方式改善混響室內(nèi)的聲場(chǎng)的方法，但這些方法在實(shí)際使用中并不具有很好的可操作性，因此ISO 354針對(duì)現(xiàn)有的版本提出一些在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室中可實(shí)施的完善方法。這些修訂包括：1) 更加嚴(yán)格的房間尺寸和低頻模態(tài)阻尼控制，以滿(mǎn)足更高要求的聲衰減特性；2) 采用參考吸聲體等方面的內(nèi)容。
ISO/CD 354修訂的主要內(nèi)容
3.1 混響室的低頻阻尼
在ISO/CD 354:2019中一個(gè)重大修訂是增加了對(duì)混響室的低頻阻尼。朗德科技為提高低頻測(cè)量的準(zhǔn)確度，在測(cè)量吸聲結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能時(shí)一直采用低頻阻尼的方法。
在ISO354:2003中，規(guī)定了對(duì)200m3容積混響室的等效吸聲面積的上限值，并且隨著房間容積的增大，這個(gè)上限值還需要乘上一個(gè)系數(shù)。
但在ISO/CD 354:2019中提出了在低頻段采用阻尼縮短混響時(shí)間，將不論多大容積的混響室，等效吸聲面積在100~315Hz頻段控制在6㎡。因?yàn)檫@樣可以提升模態(tài)寬度和模態(tài)重疊，從而降低聲場(chǎng)的空間不均勻性。
圖2 朗德科技在中國(guó)建研院測(cè)試CPA吸聲時(shí)采用的低頻阻尼
圖3 朗德科技在同濟(jì)大學(xué)測(cè)試CPA吸聲時(shí)采用的低頻阻尼
3.2 混響室聲場(chǎng)擴(kuò)散度
在ISO354:2003中提出的對(duì)混響室擴(kuò)散特性的檢驗(yàn)方法是：在室內(nèi)增加擴(kuò)散體，室內(nèi)的平均吸聲系數(shù)將隨著擴(kuò)散體的增多而增加，當(dāng)平均吸聲系數(shù)達(dá)到一最大值不再增加時(shí)，房間的擴(kuò)散體的數(shù)量達(dá)到最佳值。
在ISO/CD 354:2019中提出了采用混響時(shí)間空間變化來(lái)檢驗(yàn)的方法：首先使用參考吸聲體測(cè)量，得到標(biāo)準(zhǔn)條件下混響時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。然后計(jì)算混響時(shí)間空間標(biāo)準(zhǔn)偏差的測(cè)量和理論值的比值fd。在250~3150Hz頻段的1/3倍頻程的標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值在1以?xún)?nèi)，則聲場(chǎng)滿(mǎn)足擴(kuò)散度的要求。除此之外，還需要檢驗(yàn)衰減曲線(xiàn)的線(xiàn)性度，這是因?yàn)樵诨祉懯覕U(kuò)散度不夠時(shí)，衰減曲線(xiàn)將會(huì)呈現(xiàn)非線(xiàn)性的衰減特性。
3.3 參考吸聲體
在ISO/CD 354:2019中提出了采用參考吸聲體測(cè)量的方法。
如果在混響室中測(cè)量一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(參考)吸聲體(如200mm厚的雙層玻璃棉板)，則根據(jù)參考吸聲體在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量得到的平均吸聲量Areq和該參考吸聲體在測(cè)量所使用的混響室獲得的吸聲量As,ref的差值，可以對(duì)被測(cè)吸聲材料的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。在標(biāo)準(zhǔn)草案中給出了參考吸聲體(200mm厚的雙層玻璃棉板)的垂直入射吸聲系數(shù)和流阻率參數(shù)，用于參考吸聲體的符合性檢驗(yàn)。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)草案中給出了該參考吸聲體的倍頻程等效吸聲量Areq的最大、最小值，而在測(cè)量所使用的混響室根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量程序獲得的參考吸聲體的吸聲量為As,ref，由此可計(jì)算吸聲的修正系數(shù)：
圖4 實(shí)驗(yàn)室循環(huán)測(cè)試中得到的8個(gè)實(shí)驗(yàn)室的Gmma值
采用參考吸聲體的測(cè)量步驟為：
(1). 測(cè)量參考吸聲體的等效吸聲面積As,ref，并和標(biāo)準(zhǔn)中給出的吸聲量Areq對(duì)比，檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果是否在標(biāo)準(zhǔn)中給出的范圍內(nèi)，由此來(lái)檢驗(yàn)混響室特性是否滿(mǎn)足測(cè)量要求；
(2). 根據(jù)參考吸聲體的測(cè)試結(jié)果，根據(jù)上式計(jì)算修正系數(shù)；
(3). 對(duì)被測(cè)吸聲材料的測(cè)得的吸聲量AT采用下式進(jìn)行修正：
式中A1和A2分別為按照被測(cè)材料前后測(cè)量得到的等效吸聲量。
3.4 測(cè)試聲源在混響室中的布置
在ISO354:2003中規(guī)定了測(cè)試中聲源應(yīng)放在多個(gè)位置，并且各位置之間的間距至少為3m。在ISO/CD 354:2019中規(guī)定聲源必須放在墻角，這樣才能激發(fā)最多的簡(jiǎn)正模式(參閱：“室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計(jì)-2 房間簡(jiǎn)正模式”)，而且為了配合不同實(shí)驗(yàn)室墻角的形狀，可以制作與之相適應(yīng)的揚(yáng)聲器箱外型。規(guī)范中給出了聲源性能合規(guī)性檢驗(yàn)的方法和要求。
下圖中給出了混響室中采用低音聲源(Sub)和十二面體聲源(Dod)在距離墻角不同位置(D=30cm, 40cm, 50cm)測(cè)量的混響時(shí)間的對(duì)比。
圖5 低音聲源(Sub)和十二面體聲源(Dod)測(cè)量的混響時(shí)間
3.5 混響時(shí)間的測(cè)量
在ISO354:2003中規(guī)定了評(píng)價(jià)混響時(shí)間衰減曲線(xiàn)的聲級(jí)范圍為20dB(T20)，但在ISO/CD 354:2019中規(guī)定必須采用30dB(T30)，并且發(fā)令槍、氣球和電火花等脈沖聲源不再被允許。
在吸聲系數(shù)計(jì)算中仍采用帶空氣吸聲修正的賽賓公式，但當(dāng)被測(cè)材料的體積大于2m3時(shí)，需要對(duì)混響室的容積進(jìn)行修正，扣除吸聲材料所占的體積。
3.6 混響室體積的要求
在ISO354:2003中要求混響室的體積至少為150m3，對(duì)新建的混響室體積要求為至少200m3。在ISO/CD 354:2019中提出了混響室體積至少為190m3，并且不大于350m3，最佳的尺寸范圍為200~250m3。
根據(jù)這一體積要求，一批老的小混響室將不再能使用，同時(shí)一些新建的大混響室也將存在問(wèn)題。如同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究所的混響室體積為286m3，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，而新建的中國(guó)建筑科學(xué)研究院的混響室為398m3，超過(guò)了350m3上限的要求。后期標(biāo)準(zhǔn)在征求意見(jiàn)中是否會(huì)在體積方面作調(diào)整，值得關(guān)注。
圖6 實(shí)驗(yàn)室之間復(fù)現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)偏差對(duì)比
參考文獻(xiàn)
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