反射法现场吸声系数测量装置

谢荣基，万宇鹏，桂　桂

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

反射法现场吸声系数测量装置

谢荣基，万宇鹏，桂桂

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

因现有的材料吸声系数测量方法无法对现场材料安装后的吸声系数进行测量，该文通过对现场吸声系数测量方法的研究，以反射法为基础，结合时选窗技术和波形消除技术，研制一套测量现场吸声系数的装置。使用研制的测量装置对样品进行测量，测量结果与驻波管测量结果等进行比较，验证所研制系统进行现场吸声系数快速测量的有效性。

吸声系数；现场测量；脉冲反射法；时选窗技术

0　引　言

吸声系数作为降噪材料性能评价的重要指标，广泛应用于降噪工程以及建筑声学工程项目中。目前，关于吸声系数测量的标准方法有混响室法和驻波管法。混响室和阻抗管测量吸声系数的方法均为实验室法，实际使用时由于被测试件安装方式、试件结构尺寸等与实验室测试试样有较大出入[1-3]。因此，进行现场吸声系数测量方法的研究具有十分重要的意义。

目前国内外对现场吸声系数测量的研究主要有以下方向：反射法、声强法、传递函数法等。其中，传递函数法已经研制出测量装置，但由于对被测试样的限制要求使得该方法在现场测量中使用并不方便。声强法对测量装置要求较高，尤其对测量声强的传感器组要求较高。反射法测量现场吸声系数，方法原理简单，但对测试环境的背景噪声和脉冲声信号分离有较高的要求[4-5]。由于反射法对测量硬件装置的要求较低，同时测量方法原理成熟；因此，本文结合脉冲声技术、时间窗技术和波形消除技术进行了吸声系数现场测量系统装置的研究。

1　现场吸声系数测量

1.1脉冲反射法

在空间声反射实验中，具有340m/s速度的声波在短时间内可以到达包括待测样品和周围环境在内的所有区域并形成多次反射。因此，待测表面的反射信号很容易被其它反射波污染，且往往难以从入射信号中分离出来。所以，现场测量大多选择时间与空间延续短暂、便于信号记录的脉冲信号。而且，脉冲信号包含着丰富的频率成份，可以同时获得较宽频带范围的待测物理量。因此，本文采用脉冲声作为反射法测量吸声系数的声源信号。脉冲反射法的测量原理中脉冲响应由直达声、反射声和背景噪声组成[6]，如下式所示：

式中：hm（t）——系统脉冲响应；

hi（t）——直达声脉冲响应；

rp（t）——试件反射因子；

hn（t）——背景噪声脉冲响应；

Kr——直接脉冲和反射脉冲之间的路径长度

射脉冲声距离；

Δτ——声音从声源到试件产生的延迟时间，

1.2时选窗技术

采用脉冲反射法测量得到吸声系数，需要从测量到的脉冲响应中分离出直达脉冲声、反射脉冲声并消除背景噪声。因此，本文在脉冲反射法的基础上采用了时间窗技术对测量到的脉冲响应进行信号分离。

由于直达声和反射声信号的声程差Kr很小，直达声和反射声信号在时域上的间隔也非常小，直接对脉冲响应信号添加时间窗将无法有效分离直达声和脉冲声。因此，首先采用时间窗技术将背景噪声去除，获得直达声与反射声信号之和。再通过在自由场获得的直达声参考信号将直达声信号消除，这样便获得反射脉冲声。通过反射脉冲声和总脉冲响应便可计算得到吸声系数。对脉冲响应信号添加时间窗的原理如图1所示。

图1　时间窗技术

1.3波形消除技术

测量得到的脉冲响应信号中噪声分量可以通过多次测量消除，同时通过箱体声源增大信噪比消除背景噪声影响，尤其提高声源在低频段信噪比。而直达脉冲声和反射脉冲声的分离则采用波形消除完成[7]，波形消除的原理如图2所示。将现场测得的脉冲响应与自由声场中测得的直达声参考信号相减得到图2（d）反射脉冲声信号，入射声波和反射声波得到有效的分离。

图2　波形消除原理

1.4吸声系数计算

通过加时间窗和波形消除对传声器测量到的脉冲信号进行处理，利用处理后的信号进行吸声系数的计算，如下式[8-9]所示：

式中：Rp（f）——被测试件反射因子；

Kr——空间因子；

Pr（f）——反射声频谱；

Pi（f）——直达声频谱。

2　测量装置组成

根据反射法现场测量吸声系数的测量原理，对整个测量装置进行硬件设计，如图3所示。整个装置由测试计算机、信号采集输出控制器、功率放大器、扬声器、测量传声器组成。测试时测量传声器位于声源和被测表面之间，由计算机控制扬声器发出的脉冲声信号先经过测量传声器位置，然后到达试件表面，一部分被试件吸收，另一部分反射回到传声器位置。传声器对由直达声和反射声构成的脉冲信号进行采集，经前置放大器放大后输入信号采集处理控制器。最后通过计算机对信号采集处理控制器获取的信号进行计算，得到吸声系数。

图3　测试装置原理示意图

测量装置的软件在LabVIEW平台上编程完成，系统软件测试频率范围、温度、湿度和测量距离都可以根据实际情况进行参数设置，然后根据脉冲反射法的原理，对被测信号进行处理并计算得出吸声系数。

整个系统在测量时，首先在自由场条件下测量得到参考脉冲信号，用于在实际测量中进行直达声脉冲波形相减的计算。图4是测量自由场条件下得到的直达声参考脉冲信号。通过测量被测试样，得到直达声与反射声脉冲信号和，如图5所示。通过图4、图5测量得到的脉冲信号计算出吸声系数。

图4　自由场参考脉冲信号

图5　直达脉冲和反射脉冲声信号

3　测量结果比较

分别采用混响室、驻波管和本文的现场测量装置对50 mm厚度，密度8.2 kg/m3的密胺海绵进行吸声系数测量。

混响室法测试吸声系数依据国家标准GB/T 20247——2006《声学 混响室吸声测量》[2]，将11 m2密胺海绵平铺放置于约200m3混响室内进行测量。

阻抗管测量吸声系数依据国家标准GB/T 18696.2——2002《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第2部分 传递函数法》[3]进行测量。测量时，将50mm厚度的密胺海绵分别加工为直径100mm和直径30mm的被测试样放置于丹麦B&K驻波管4206内进行测量[10]。

本文研制的现场吸声系数测量装置，在4.8m× 5.1 m×2.8 m的普通房间内对尺寸为1.2 m×1.6 m的密胺海绵进行测量，测量时分别将被测试样按照现场实际使用情况紧密粘贴在墙上和平铺于地面上。图6所示为使用研制的现场吸声系数测量装置对墙面被测试样进行现场测试。测量时，传声器与被测样品表面距离为0.25 m，声源与被测样品表面距离为1.25m。

3种方法测量结果如表1和图7所示，比较可以发现：采用脉冲反射法进行现场测量时，同一被测样品安装在墙面和地面的测量结果有较好一致性；测量结果同阻抗管测量结果比较也具有较好的一致性。混响室法测量结果存在明显差异，这是由于混响室法的边界效应等因素造成的。

表1　吸声系数测量结果比较

图6　现场测量示意图

图7　吸声系数测量结果比较

在400 Hz以下频率使用研制的现场吸声系数测量装置对被测样品进行测试时，测量结果明显偏大。这是由于脉冲反射法假设测量时从被测样品表面反射回平面波；实际测量中，由于被测样品尺寸、声源指向性等的影响，从测量面上反射回的由球面波近似过来的平面波。因此，测量到的反射脉冲信号在低频段小于真实值，导致吸声系数计算结果偏高。而在高频段，反射波更类似于平面波，吸声系数测量结果与真实值一致性更好。

根据吸声系数现场测量装置的测量结果，需要进一步研究，包括不同频率下该装置所需要的被测试样最小面积，测量传声器与被测样品表面距离对测试结果准确性的影响，以及声源的指向性特征要求等方面。同时，对不同材料（如局部反应材料以及非局部反应材料等）测量结果的有效性仍需要进一步研究。

4　结束语

本文利用反射法原理进行吸声系数现场测量装置的研究，采用脉冲声信号作为声源信号，结合时间窗技术和波形消除技术，完成了一套吸声系数现场测量装置。使用所研制的装置对同一样品进行不同环境下吸声系数进行现场测量，并将测试结果同现有实验室方法测试结果进行比较。结果表明该测量装置具有较强的现场适用性，能够对不同场所位置的材料吸声系数性能进行现场测试，解决了实验室吸声系数测量对被测样品的规格尺寸限制要求，并能有效减少材料因实验室测试样品与现场实际使用差异造成吸声系数不一致的问题。

[1]陈克安，曾向阳，李海英.声学测量[M].北京：科学出版社，2005：142-144.

[2]声学混响室吸声测量：GB/T 20247——2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[3]声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量-第2部分-传递函数法：GB/T 18696.2——2002[S].北京：中国标准出版社，2006.

[4]匡正，叶超，吴鸣，等.一种现场测量材料吸声特性的新方法[J].声学学报，2010，3（2）：162-168.

[5]匡正，杨军.现场测量吸声系数方法概述[J].声频工程，2011，35（1）：8-10.

[6]Acoustics-Measurement of sound absorption properties of road surfaces in situ-Part 2:Spot method for reflective surfaces：BS ISO 13472-2[S].British Standards Institution，2010.

[7]Acoustics-Measurement of sound absorption properties of road surfaces in situ-Part 1：Extended surface method：ISO/FDIS 13472-1[S].ISO，2002.

[8]GARAI M.Measurement of the sound-absorption coefficient in situ:the refection method using periodic pseudo-random sequences of maximum length[J].Appl A-coust，1993（39）：119-139.

[9]LANOYE R，VERMEIR G，LAURIKS W.Measuring the free field acoustic impedance and absorption coefficientofsoundabsorbingmaterialswithacombined particle velocity-pressure sensor[J].J Acoust Soc Am，2006，119（5）：2826-2831.

[10]Acoustics-Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes-Part2 transfer functionmethod：ISO 10534-2[S].ISO，1998.

（编辑：刘杨）

On-site sound absorption coefficient measuring system based on reflection method

XIE Rongji，WAN Yupeng，GUI Gui
（National Institution of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

The exiting Acoustical coefficients methods cannot be used to measure actual acoustic absorptivity after materials are installed on site.An on-site measuring device is developed on the basisofsoundreflectionmethod，alongwithtime-selectivewindowtechnologyandwave elimination technology.This new device is used to test samples.It shows that this new device is more efficient compared to the laboratory test methods mentioned above.

sound absorption coefficient；field measurement；pulse reflection method；timeselective window technology

A

1674-5124（2016）03-0077-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.03.018

2015-10-10；

2015-12-25

谢荣基（1984-），男，重庆市人，工程师，主要从事声学研究工作。