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嘉峪檢測網 2021-02-02 08:23
無規入射吸聲系數用αs表示，采用混響室法測量。該方法測試系統相對復雜，首先要有一間體積大于200m³的混響室，所需的試件面積一般在10~14m²左右（依據混響室的體積確定）。由于聲波在房間內大多是無規入射到物體及室內表面，所以無規入射的吸聲系數更加符合實際聲場條件。在聲學工程的設計計算中，如廳堂音質混響時間的計算、噪聲控制工程的吸聲降噪計算，都應采用混響室法的吸聲系數。無規入射吸聲系數還用于材料吸聲性能的等級評定，國家標準也規定以混響室法吸聲系數作為劃分依據。
混響室法吸聲系數測量的詳細過程和要求由以下的國家標準給出：
GB/T 20247-2006 聲學 混響室吸聲測量。(eqv. ISO 354，美國標準ASTM C 423)
1、混響室法無規入射吸聲系數測量原理
根據室內聲學的基本原理，在房間的幾何尺寸確定（即體積和內表面積），房間的混響時間與房間內的吸聲材料的吸聲量（材料面積S與吸聲系數αs的乘積）有關。因此，通過測量在混響室內放入被測材料前后的混響時間，就能計算出被測材料的吸聲系數αs，計算根據下式進行：
式中：V 為空場（即混響室內未放置被測材料）時混響室體積，m³；c 為混響室內聲波在空氣中的傳播速度，m/s；T1 為空場時混響室內的混響時間，s；T2 為放入被測材料后混響室內的混響時間，s；S 為被測材料的面積，m²；m1 為空場混響室條件下的聲強衰減系數，m-1；m2 為放入被測材料后混響室條件下的聲強衰減系數，m-1。
圖1 混響室法吸聲系數測量系統圖
2、測量混響室的要求
混響室體積：
在ISO 354 和GB/T20247中對混響室的體積作出明確的規定，要求混響室的容積不小于150m³，新建混響室的容積不小于200m³。混響室體積直接影響了混響室在低頻聲場的均勻度和擴散性能，想要在低頻段獲得更加好的測量準確性，必須有更加大的混響室體積。但由于高頻空氣聲吸收的影響，混響室體積的增大也意味著高頻測量的準確性的降低，這種降低主要來自于2個方面：
高頻混響時間較短（如很多實驗室在8000Hz空場混響時間在2s以下），混響時間的測量誤差引起根據上式計算的吸聲系數的誤差增大；
大空間中長距離聲傳播使得高頻空氣吸聲衰減隨溫濕度變化特征非常明顯，即混響室中放置吸聲材料前后很小的溫濕度改變，都會引起混響時間的變化，從而導致吸聲系數計算結果的顯著誤差。
因此標準中明確提出“容積超過500m³的混響室可能由于空氣吸聲而不能準確測量出高頻段的吸聲”。
混響室空場混響時間：
在ISO 354 和GB/T20247中給出了混響室空場吸聲量的上限值（相當于空場混響時間的下限值），下表中給出了體積為200mm³和300m³混響室的混響時間下限值。
根據混響室吸聲性能測量的原理，在混響室內放入被測試件后，混響室仍應滿足近似擴散場的要求，此時上式所表達的房間內吸聲與混響時間之間的關系才適用。因此，在混響時設計時，空場混響時間應盡可能比上表的混響時間長，以確保在測量高吸聲性能的材料時，獲得較好的測量準確度。
3、混響室擴散體的型式
為獲得混響室內良好的聲場擴散，標準中明確規定了“不論混響室的形狀如何，通常需要設置固定或懸掛的擴散體或旋轉的擴散體”。目前常見的混響室擴散體的形式也是這三種，如德國弗勞恩霍夫建筑物理研究所 (IBP) 采用的是懸掛擴散體的形式，并且通過外形尺寸的非規則性來激發房間內更加多的模態。國內建筑物理研究所新建的混響室完全采用了和IBP混響室相同的尺寸和設計。
圖2 德國IBP懸掛擴散體
采用旋轉擴散體的混響室如南京大學混響室，以及IBM在日本大和研發中心的混響室。但由于旋轉機構的機械耐久性等問題，采用旋轉擴散體方式的混響室相對較少。
針對ISO354標準修訂的一些研究工作，對比了采用懸掛擴散體和采用體積擴散體對室內聲場擴散性能的影響，下圖是研究中采用的模型。研究結果認為采用體積擴散體的方式可以在混響室內獲得更加好的聲場擴散性能。
圖3擴散體對聲場擴散性能影響研究模型
同濟大學1985年建成的混響室是全球第一個采用體積擴散體的混響室，國內近期建設的混響室有一些也是采用了體積擴散體的設計，如長安福特。
4、汽車工業中的混響箱(a-Cabin)
在汽車工業中，從節省研發成本的角度出發，常采用混響箱 (a-Cabin) 進行無規入射吸聲系數的測量。混響箱 (a-Cabin) 的單邊幾何尺寸一般為標準混響室的1/3，體積在標準混響室的1/30左右，測量材料的面積一般在1.2m²左右。有效測量頻率范圍在400Hz以上。該測量方法執行的標準為：
SAE J2883-2015 Laboratory Measurement of Random Incidence Sound Absorption Tests Using a Small Reverberation Room
圖7中給出了25mm厚的玻璃棉在大混響室和混響箱內的測試結果的對比，可以看出，雖然混響箱的測試下限頻率為400Hz，但由于在低頻聲場擴散性的影響，在400~1600Hz的頻率范圍內的測試結果將和標準混響室內的測試結果有一定的差異。
圖4 標準混響室和混響箱測試結果的對比（25mm玻璃棉）
5、混響室測量中的”邊緣效應”
混響室吸聲測量中，對高吸聲的材料常常會出現測量出的吸聲系數大于1的情況，這與吸聲系數的物理定義相違背。這種現象在混響室測量中被稱作“邊緣效應 (edge effect)”。邊緣效應有時被認為被測試件周邊沒有封閉引起的附加吸聲，這是完全錯誤的理解。根據測量規范的要求，測量材料邊緣必須進行剛性封閉，或者通過測試地面的下沉調節，使得材料完全鑲嵌在地板中（如中國建筑物理研究院的新混響室以及同濟大學的混響室），這時候仍然會出現測量結果大于1的情況。
引起邊緣效應的主要原因為以下幾點：
由于聲波波長關系，使得聲波的作用范圍擴大，以至于計算中處于材料外的聲波，仍然會受到材料吸聲的影響，使得這部分聲波在反射時能量被衰減；
來自于材料邊緣的衍射影響，產生了附加吸聲；
材料邊緣處由于阻抗突變，使得原本應入射到周圍地面的聲波，由于阻抗突變產生聲波彎曲，入射到了材料表面，引起附加吸聲。
由此可知，在混響室中材料布置長寬尺寸的改變，將會影響被測材料的邊緣長度，引起的邊緣效應的影響也不同。所以在測量規范中規定了混響室測量中材料布放的長寬比。
邊緣效應的產生，是由于在測試中采用的是有限尺寸的材料，而吸聲系數的定義是無限尺寸的材料。因此，也有一些學者研究如何通過有限尺寸材料的測試推出無限尺寸材料的吸聲性能5)。無限尺寸材料的吸聲系數才是材料吸聲性能的真值。
圖5 有限尺寸測量結果和無限尺寸吸聲系數真值
無規入射和法向入射吸聲系數的關系
根據理論計算，僅當吸聲材料的聲阻值和聲抗值之有一定聯系時垂直（法向）入射吸聲系數α0 和無規入射吸聲系數αs 才可能有單值的對應關系。在共振時聲抗等于零，垂直（法向）入射共振吸聲系數αr（即α0=αr）與無規入射吸聲系數αs 的對應關系如下表或圖9所給出的曲線所示。當相對聲阻抗r ≥ 1時，無規入射吸聲系數αs 一般要比垂直入射吸聲系數α0 大；反之，當相對聲阻抗率r ≤1時，αs 值一般比α0 值小。
表 當α0=αr時，α0與α0=αs的對應值
圖6 垂直入射吸聲系數和無規入射吸聲系數的換算關系
參考文獻：
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[5] Makita Y., Hidaka T. Comparison between reverberation and random incident sound absorption coefficients of a homogeneous and isotropic sound absorbing porous material. Acustica, 66, (1998)
來源：朗德科技
