半球测量表面在喷射虹吸式坐便器冲洗噪声测试领域的应用

李文杰，王 博，郝秋伟

（1.唐山出入境检验检疫局国家陶瓷检测重点实验室，河北 唐山 063000；2.咸阳陶瓷研究设计院，陕西 咸阳 712000）

半球测量表面在喷射虹吸式坐便器冲洗噪声测试领域的应用

李文杰1，王 博2，郝秋伟1

（1.唐山出入境检验检疫局国家陶瓷检测重点实验室，河北 唐山 063000；2.咸阳陶瓷研究设计院，陕西 咸阳 712000）

该文以喷射虹吸式坐便器为研究对象，按照国标GB/T 3768——1996《声学 声压法测定噪声源声功率级 反射面上方采用包络测量表面的简易法》中的声学通用性导则，在分析坐便器冲洗噪声产生机理和传播途径的基础上，依据包络声源测试原理，探索建立半球测量表面声学监测数学模型，明确规定测量表面、测点阵列、测试参数、测试环境、测试步骤、样品安装、仪器设备、数据处理和不确定度评定等一系列关键技术环节，并通过实验对技术方案的科学性和可行性进行验证。研究表明，上述实验方法的重复性标准偏差满足相关标准要求，能够为规范坐便器冲洗噪声监控提供检测技术支撑。

喷射虹吸式坐便器；冲洗噪声；测试技术；半球测量表面

0 引 言

中国陶瓷生产历史悠久，其中卫生陶瓷产量约占世界同类产品总量的40%，为举世公认的卫生陶瓷生产和消费大国。近年来，“超静音”坐便器广告宣传尘嚣甚上，但国内有关小管径流体动力性噪声测试技术研究却相对滞后。本文依据分体落地式重力冲水的喷射虹吸坐便器冲洗噪声产生机理，以GB/T 3768——1996《声学 声压法测定噪声源声功率级 反射面上方采用包络测量表面的简易法》[1]为理论基础，通过研究小口径管道振动及小压力液体流动噪声的传播特性，探索建立科学适用的声学模型，研究确定声源基准体、测点阵列、仪器设备、结果计算等一系列技术路线并通过实验手段进行验证，力争为规范坐便器冲洗噪声监测提供技术支撑。

1 坐便器冲洗噪声的产生机理和传播方式

1.1 坐便器冲洗噪声的形成原因

坐便器冲洗过程所产生的噪声类属液体动力性噪声范畴，大致由虹吸管的结构振动噪声、水的流体噪声和气穴噪声3部分构成[2]，当虹吸管内液体介质穿越管路弯头及异径管等管道区域时，虹吸管路在激励力作用下形成机械振动；而流体噪声则源自液体的压力及流速变化，主要包括水在坐便器水圈内流动的噪声、水冲出水圈及落在坐便器内壁上发出的噪声、水在坐便器内壁上流动的噪声、水在坐便器内旋转的噪声以及排污后期虹吸被破坏时的噪声[3]；其中流体噪声为坐便器冲洗噪声主要源泉，若冲洗过程中水圈内水流过急，则湍流附面层将产生湍流压力，引起流激壳体振动和涡流辐射噪声[4]。另外，在虹吸后期由于空气充入破坏了虹吸效应，引起周围部分空气形成涡流致使压力突变产生噪声，同时冲洗过程中由于液体流速的不均匀分布极易形成局部负压，也将导致气穴噪声的形成[5]。

1.2 坐便器冲洗噪声的产生原理

在坐便器冲洗过程中，由于液体非稳态流动所形成的噪声沿着虹吸管道传播，根据流体非稳定流动一般波动方程的张量形式，流动噪声满足流体动力学中广义Lighthill方程[6]：

式中：ρ——流体密度；

t——时间；

Q（x，t）——简单声源强度，即在点x（x1，x2，x3）和时刻t处每单位体积每单位时间增加的流体质量；

Fi（x，t）——外加作用力的xi分量；

Tij——Lighthill应力张量；

1.3 坐便器冲洗噪声的传播特性

噪声具有声波传播的一切特性，随着传播距离的增加，声强度逐渐减弱，遇到障碍物时声波将发生反射、衍射、散射、吸收等现象[7]；其中与坐便器冲洗噪声测试密切相关的传播特性为声波的指向性，即在与声源距离相同的位置处，由于噪声源具有鲜明的指向性，使得不同方向上接收到的声强存在一定的能量差异[8]。实验表明，在坐便器冲洗过程中，洗净面上方声强最大、前方次之、左方及右方弱之、后方噪声强度最小；因此在实际测量时应利用噪声源的指向性合理设置测点分布[9]。

2 实验部分

2.1 测试参数

因坐便器冲洗模式的启动为一瞬态过程，是水流动力作用于坐便器内部管道及冲洗表面的结果，液体的非稳定态流动造成压力和流速发生变化从而产生冲洗噪声[10]。鉴于噪声的非连续特征，为正确反映其对人心理和生理的影响，实验采取A计权的时间平均声压级Lpeq，T为坐便器冲洗噪声的主观评价参数[9]。根据产品标准GB 6952——2005《卫生陶瓷》[11]规定“冲洗噪声的累计百分数声级L50应不超过55dB，累计百分数声级L10应不超过65dB”，本文以L50和L10为声学测试参数。

2.2 测试环境

实验所用半消音室可用空间为430cm×400cm× 260cm，以瓷砖地面为单一反射面，可提供测试频率范围为125~8000Hz的近似自由场环境。测量时空气温度为（23±1）℃，相对湿度为75%RH±10%RH、大气压为（1.013×105±2%）Pa。在125Hz的声波截止频率条件下，室内5个吸声尖劈表面的法向吸声系数高于0.99；瓷砖地面反射系数＞95%，其反平方律性能偏差满足国际标准ISO 3745[12]要求。半消音室四壁及门采用金属穿孔吸声尖劈结构（穿孔率≥20%，内芯填充高吸声成形玻璃棉），尖劈门的特制铰链和高密度磁性封条可最大限度消除边缘漏声。

2.3 测试设备

实验采用日本理音公司生产的NA-28精密噪音分析仪，设备性能符合标准IEC 804[13]中有关2型积分声级计的规定，所用滤波器满足国标GB 3241——2003《电声学 倍频程和分数倍频程滤波器》[14]要求；其中噪音分析仪前置放大器的灵敏度为（-27±2）dB、A加权线性操作量程为25~130dB、峰值声级测量上限为143dB、固有噪音A加权最大值为17dB、测量频率量程为10Hz~20kHz、采样周期为15.6ms。每次系列测量之前，均采用具有IEC 60942：2003[15]规定的1级准确度声音校准器在测试频率范围内选取100，300，500，700，900，1000Hz等点对仪器进行校验。

2.4 样品安装

选取5件标称用水量为6L且由不同制造商提供的规格尺寸、内部结构、冲洗功能各异的分体落地式喷射虹吸坐便器作为待测声源样品（样品结构、尺寸参见图1和表2）；使用与分体落地式坐便器样品配套的冲水装置将其按照正常使用状态安装在地面反射面的中心位置，确保连接后各接口无渗流。噪声测试开始前按照产品说明将1#~5#样品的水箱 （重力）冲水装置调节至规定用水量，即水箱工作水位标志线处；然后冲水使便器水封充水至正常水位，并按照正常方式启动冲水装置，完成一个冲水周期和水封回复。

2.5 声源基准体

为便于定位被测声源、测量表面及传声器的位置，需借助三维坐标系统设定一个基准体，其中X轴和Y轴位于半消音室内单反射平面—地面，并与基准体的长和宽平行。综合考虑喷射虹吸坐便器冲洗噪声的产生部位及声能强弱等方面因素，确定以坐便器的水平长度作为声源基准体长度l1、以坐便器座圈的水平宽度为声源基准体宽度l2、以水箱工作水位线至坐便器排污口的距离作为基准体高度l3。文中1#~5#坐便器样品冲洗噪声源基准体的结构和尺寸详见图1，其中特定声源尺寸d0=（（l1/2）2+（l2/2）2+l32）1/2。

图1 坐便器冲洗噪声源基准体及1#~5#样品的结构及尺寸示意图（单位：mm）

2.6 测量表面及测点坐标

2.6.1 测量表面及测量半径的确定

本实验测试环境为满足声学条件要求的半消音室，考虑到坐便器冲洗噪声具有一定的指向性，故依据标准GB/T 3768——1996要求采用测试距离相对较大的半球形作为测量表面。半球中心位于基准体及其在邻接反射面内的虚像所构成的箱体中心 （图1中原点Q），半球测量表面的半径r应大于或等于特性声源尺寸d0的两倍且不小于1m；根据表2中1#~5#坐便器样品冲洗噪声源基准体的d0数值，将半球测量表面半径r设定为2m。

2.6.2 半球测量表面面积和传声器位置的确定

因本实验测试室为半消音室，半球测量表面的面积S=2πr2，半球表面上测点位置如图2所示；其中4个基本传声器位置a、b、c、d在半径为r的半球表面上以相等的面积连结。由于在基本传声器位置上测得的最高和最低声压级的差值甚至可超过基本测点数目的2倍，坐便器冲洗噪声的指向性较强，故将图2原阵列绕Z轴旋转180°，增加4个附加测点e、f、g、h；7个测点共同构成半球测量表面传声器阵列（a、h两点重合），传声器位置坐标见表1。

图2 半球测量表面上的传声器阵列示意图

表1 基本传声器位置和附加传声器位置的坐标1）

2.7 计算公式及结果修正

2.7.1 测量表面平均A计权声压级

基于测量表面上传声器位置均匀分布这一前提，测量表面平均A计权声压级用下式计算：

N——传声器位置数目。

2.7.2 平均背景噪声A计权声压级

背景噪声来自被测声源之外所有其他声源，包括环境空气噪声、结构传导振动、仪器自身电噪声等；测量表面平均背景噪声A计权声压级用下式计算：

2.7.3 背景噪声修正值K1A

为确保坐便器冲洗噪声检测结果的准确性，消除背景噪声对表面声压级的影响，特引入背景噪声修正值K1A，其计算公式为

2.7.4 测试环境修正值K2A

根据标准GB/T 3768——1996，半消音室的环境修正K2A来自房间边界(墙、地板、天花板)或被测声源附近反射物声反射的影响，其大小主要由测量表面面积S和测试房间吸声面积A之比决定，与声源在测试房间内所处的位置关系不大，计算公式为

式中：A——1kHz频率上房间的等效吸声面积，m2；

S——测量表面面积，m2。

其中A值的计算公式为

式中：α——房间表面的A计权平均吸声系数；

Sν——测试房间边界总面积（墙、地板、天花板），m2；标准规定对于天花板和墙壁装饰有大量吸声材料的半消音室而言，其表面A计权平均吸声系数α为0.5。

由表2数据可知，本实验所用半消音室的等效吸声面积A为

环境修正K2A为

测试室中吸声面积A与测量表面面积之比A/S= 39/25.12=1.55＞1，说明测量表面满足标准GB/T 3768——1996要求，可用于坐便器冲洗噪声测试。

2.7.5 气象条件修正

依据标准GB/T 6882——2008《声学 声压法测定噪声源声功率级 消音室和半消音室》[16]规定，在23℃和1.013×105Pa的参考气象条件下，声源的声功率级LW测试结果需附加C1和C2进行修正。其中：

式中：B——测量时的大气压，Pa；

B0——参考大气压1.013×105Pa；

θ——测量时的大气温度，℃。

式（8）在温度范围为15℃≤θ≤30℃时使用。

因实验时的大气温度 θ=23℃，故由式（7）和式（8）可计算出C1为-0.13、C2为-0.01。

2.7.6 A计权表面声压级及声功率级的计算

表面声压级按下式计算：

声功率级按下式计算：

S——测量表面的面积，m2；

S0——1m2。

2.7.7 指向性指数

根据国标GB/T 14573.1——1993《声学 确定和检验机器设备规定的噪声辐射值的统计学方法 第一部分：概述与定义》[17]，以dB表示的声源的指向性指数按下式计算：

式中：LPA——在所要计算DI的特定方向上离声源距离r的声压级，dB；

L¯′pA——在以半径为r的测试半球面上的平均声压级，dB。

2.7.8 测量不确定度

声功率级测量的不确定度来源于实验室的环境条件和测试技术的综合影响，包括室外环境气候条件、测试房间几何形状、测试房间边界吸收、反射平面声学特性、仪器设备校准形式、实验室的背景噪声等测量场所之间的变化，以及测量表面形状和尺寸、测点数目和传声器定位、声源位置、积分时间、环境修正测定等实验技术方面的变化，但不涉及工作条件（冲洗用水量、进水压力）或安装条件变化所引起的声功率输出变化。

LW测定方法的准确度考虑了测量过程中不确定度的累积效应，可用再现性或重复性标准偏差表示；标准GB/T 3768——1996规定在一定测量时间内对声压级进行积分处理后，根据环境修正系数的量值范围，辐射稳态窄带噪声源A计权声功率级的再现性标准偏差应≤3dB（K2A<5dB）或4dB（5 dB≤K2A≤7 dB）。再现性标准偏差包括重复性标准偏差，即对同一个噪声源在同一实验室、操作者及仪器设备等相同条件下，短时间内重复应用相同的噪声辐射测量方法得到的标准偏差；且坐便器冲洗噪声A计权声功率级的重复性标准偏差在理论上应比再现性标准偏差小得多。

3 结果与讨论

3.1 测量方法

首先，按照2.4要求安装1#～5#坐便器声源样品，采用分布在半球测量表面上固定传声器位置的阵列，使用钢卷尺、直角尺和三脚架依据表1和图2对基本传声器位置和附件传声器位置进行测量和定位。然后，由一名检测人员负责启动坐便器冲洗模式，另一位则使用传声器在测量表面7个相邻位置处相继移动，并以坐便器冲洗开始至进水终止即被测声源运行的一个完整周期作为测量时间间隔相继采集坐便器冲洗时输出的声频信号，读取1#～5#坐便器声源样品的A计权声压级时应注意使传声器取向与其校准时声波入射角相同，且传声器应在测量表面上最靠近传声器的点上垂直指向测量表面。

3.2 结果计算

3.2.1 在4个基本点和5个附加点构成的传声器阵列条件下坐便器冲洗噪声的计算结果

对坐便器声源样品1#～5#分别启动21次冲洗模式，传声器在任一样品半球测量表面由4个基本传声器和5个附加传声器坐标点处各连续测量三次，相关声学测量值见表2。

基于实验室半自由场中瓷砖刚性平面上方的半空间均匀各向同性的媒质特性，由表2数据可知，对于上述5组坐便器声源样品而言，面对代表前左、前右、后左、后右、左、右6个方位的冲洗噪声及其背景噪声A计权声压级测量值相对均匀的实验事实，任一样品在a坐标点即坐便器洗净面正上方所测得的噪声强度普遍较其他位置的高；据此计算出的声源指向性指数DI（10）和DI（50）介于3.86～4.34和2.79～3.42之间，说明坐便器冲洗噪声具有一定的指向性。同时，在图2所示半球测量表面上a～g 7个测点处的冲洗噪声及其背景噪声累计百分数A计权声压级之差，即之间的差值均大于10dB，分别位于29.68～44.56dB和24.28～35.21dB区间，故背景噪声对测量值的影响可忽略不计。另外，受陶瓷坐便器样品远程邮寄易损等客观因素所限，本实验仅对坐便器冲洗噪声源A计权声功率级的重复性标准偏差进行了计算，由上述1#～5#坐便器声源样品连续3次测量数值计算得出的LWA（10）和 LWA（50）重复性标准偏差依次居于0.32～0.69 dB和 0.20～0.68dB范围内，远小于2.7.8中对测量不确定度的相关要求，说明实验采用半球测量表面及相关双重传声器阵列等技术路线能够满足标准 GB/T 3768——1996有关要求，测量方法具有一定的客观实用价值。

表2 基本传声器和附加传声器阵列条件下1#～5#坐便器声源样品冲洗噪声测量数据1）

表3 基本传声器阵列条件下1#～5#坐便器声源样品冲洗噪声测量数据1）

3.2.2 在4个基本点构成的传声器阵列条件下坐便器冲洗噪声的计算结果

将表2数据剔除在3个附加传声器坐标点处的背景噪声及坐便器冲洗噪声测试数据后，其A计权声压级计算结果、标准偏差及不同传声器阵列条件下相同测试参数结果数据的误差范围详见表3。

由表3数据可知，仅采用4点式基本传声器阵列对于落地式重力冲水喷射虹吸坐便器冲洗噪声测定结果而言，存在以下差异：

首先，b、c、d与e、f、g 3组传声器坐标的空间位置和声波传播特性等因素决定了其声能量信号整体水平相对接近，故删除附加传声器阵列后，由于5件坐便器样品冲洗噪声在a点的流体脉冲时间计权特性比较显著，其测量值始终遥遥领先，使得在半球测量表面上以等面积连结的a～d 4点平均A计权声压级普遍较附加传声器阵列时增大0.89%～1.44%和0.17%～0.22%；同理可知相应累计百分数的声功率级LWA（10）出现0.78%～1.26%的小幅增长；同时式（11）可解释DI（10）呈现14.93%～26.61%大幅下降的原因。但受坐便器冲洗噪声源指向性特征影响，位于坐便器样品后部的b、c两组坐标与f、g相比，其测量值通常偏低，因此在基本传声器阵列条件下，5件坐便器样品冲洗噪声检测值平均增长0.21%、0.20%、0.17%、0.22%和0.19%；LWA（50）微量提升0.15%～0.19%，且DI（50）的浮动范围扩至－9.18%～1.25%。

其次，由式（4）可知，K1A在数值上与呈非线性负相关变化，虽然对于相对均匀的半消音室声学环境而言，背景噪声平均A计权声压级的测定值不随测点数量增减而改变；但仅限于0.45%～2.40%的微增，却导致ΔK1A（10）呈3.88%～24.35%的剧降；且当介于-0.82%～ 1.28%间上下波动时，ΔK1A（50）也在-8.67%～5.42%内随之此消彼长。

另外，尽管5组坐便器声源样品冲洗噪声测量结果的重复性标准偏差 LWA（10）、LWA（50）与附加传声器阵列相比，浮动幅度高达-33.56%～22.61%和-40.02%～29.80%，但其数值却仅限于0.24～0.76 dB和0.14～0.82dB范围内，符合相关测量不确定度要求。

4 结束语

1）实践验证，根据国标GB/T 3768——1996规定的反射面上方采用包络测量表面法测定噪声源声功率级的基本导则，从声学原理角度推导得出在半消音室内测量包围分体落地式喷射虹吸坐便器冲洗噪声源的假想包络半球面上声功率级的测量方法和计算公式在理论上具有一定的科学性和指导性。但受测试环境、仪器设备、实验技术等条件所限，不同实验室间测量不确定度存在差异，故有必要对坐便器冲洗噪声的再现性标准偏差进行考核验证。

2）本文采用半球测量表面法对分体落地式喷射虹吸坐便器的冲洗噪声源基准体形状、尺寸、安装以及仪器系统的频率响应、传声器阵列的路径取向等技术内容进行研究。实验证明：便器冲洗噪声具有一定的指向性，附加测点对测量结果的影响可忽略不计；由于ΔLA＞10dB，故无需修正背景噪声。为科学实施相关产品质量合格评定，需实验验证冲落式、壁挂式等其他结构坐便器样品冲洗噪声的量值范围。

3）本文在测量喷射虹吸式坐便器冲洗噪声源声功率级时考虑了室内边界吸收、背景噪声修正、声源基准体和被测声源尺寸、传声器阵列及空气温湿度、大气压等条件对测量结果的影响，但受样品数量、测量条件等因素制约，统计分析数据和实验样品的代表性存在一定局限，有关便器用水量、盖板的使用、流体脉冲特性等对最终测量结果的影响缺乏研究。因此，亟待进一步规范和完善坐便器冲洗噪声测试技术。

4）实验虽对产自5家不同企业的分体落地式喷射虹吸坐便器样品冲洗噪声进行了测定，但由于缺乏有关抽样单位数目及产品标准偏差等标准设定，难以评判批量产品的总体质量水平。实验数据显示，5组声源样品中仅1#样品的累计百分数A计权声功率级LWA（10）符合相关标准规定。实验侧面反映出当前我国陶瓷坐便器质量水平现状，生产技术的进步亟待科学规范的产品质检技术为之保驾护航。

[1]声学 声压法测定噪声源声功率级 反射面上方采用包络测量表面的简易法：GB/T 3768—1996[S].北京：中国标准出版社，1996.

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（编辑：刘杨）

Application of hemisphere measuring surface method for jet siphon toilet in flushing noise field

LI Wenjie1，WANG Bo2，HAO Qiuwei1
（1.State Key Ceramics Testing Lab，Tangshan Entry-exit Inspection&Quarantine Bureau，Tangshan 063000，China；2.Xianyang Research&Design Institute of Ceramics，Xianyang 712000，China）

This paper takes jet siphon toilet as the research object.In accordance with the general acoustic guideline in Acoustics-determination of sound power level of noise sources by using sound pressure-survey method by using an enveloping measurement surface over a reflecting plane（GB/T 3768-1996）and on the basis of analyzing the generation and transmission mechanism of toilet flushing noise， hemisphere measuring surface acoustic monitoring mathematicalmodelwas established in the enveloping sound source test principle，which specifies a series of key technical links such as measuring surface，array of measuring point，test parameters，test environment，testing steps，sample installation，instrument equipment，data processing and theuncertainty evaluation and etc.Besides，its scientificity and feasibility were also verified via test.The study showsthatthestandard deviation ofrepeatability ofthe testmethod above meetsrelevant requirements，which can provide measuring technique support for normalizing flushing noise of toilet.

jet siphon toilet;flushing noise;test technology;hemisphere measuring surface method

A

：1674-5124（2017）02-0034-08

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.02.007

2016-06-15；

：2016-08-10

国家质检总局2015年度科技计划项目（2015IK095）

李文杰（1972-），女，河北唐山市人，工程师，主要从事陶瓷理化性能检测技术研究。

王 博（1965-），男，陕西咸阳市人，研究员，主要从事建筑卫生陶瓷标准化及质量检测技术研究。