室内吸声降噪的实验教学研究

王春苑，欧阳金龙

(四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065)

室内吸声降噪的实验教学研究

王春苑，欧阳金龙

(四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065)

在建筑室内增加大量吸声，可显著降低室内混响时间和噪声声压级，从而改善室内声环境。该文利用四川大学可变混响时间声学实验室，创设了室内吸声降噪的实验教学。首先介绍了该实验教学的实验原理、教学环境和教学过程，然后辅以一个实验案例，着重分析了该实验教学的价值。在该实验教学中，学生除了定量地测试声学参数外，还将真切地感受到同一空间同一声源在不同的吸声状况下产生的不同声环境效果和不同的噪声水平。该实验教学加深了学生对抽象的室内吸声降噪原理和公式、室内声环境的影响因素和控制方法的理解。

吸声；噪声；声环境；可变混响时间

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对建筑室内环境的要求也越来越高。为应对室外环境影响并创造健康舒适高效的室内环境，必然需依靠大量设备才能实现。然而，如水泵、压缩机、冷冻机等设备的运行，又会产生较大的噪声干扰，极易影响室内声环境[1-3]。

建筑环境学是建筑环境与能源应用工程专业的核心基础课，要求学生了解人和生产过程需要什么样的室内环境、各种内外部因素是如何影响建筑环境的，并掌握改变或控制建筑环境的基本方法和手段。室内声环境及控制是其中重要的一部分[4]。该专业学生在学习过程中，必然会接触并逐渐熟悉那些高噪声设备。特别是在实习过程中，近距离地面对机房内的各类暖通空调设备，会深刻感受到这些设备的噪声对室内声环境的危害。因此，很多高校的建筑环境学实验教学中开设了“建筑室内声环境测试”和“建筑设备噪声测试”的声学实验[5-7]。

在这两个实验教学中，通常由教师提前将声级计等设备准备好，先由教师讲述一遍实验步骤和声级计的使用方法，然后学生利用声级计测试某一房间内或某一设备的声压级，并判定室内声环境或设备噪声级[8]。这两个实验教学对学生在熟悉声学仪器、理解声压级概念方面有一定的帮助，但无法教导学生认识影响室内声环境的因素和控制方法。在建筑室内增加大量吸声，可显著降低室内混响时间和噪声声压级，从而改善室内声环境。因而，利用四川大学可变混响时间声学实验室，并结合室内声学知识，创设了一个新实验——室内吸声降噪实验，以取代以上两个常规的声学实验。

在新实验的教学中，学生不再是简单地测试室内声压级或设备噪声级，而需测试和分析同一噪声源在同一空间内不同吸声量情况下的声压级及变化，同时还需主观感受室内噪声的影响和声环境的变化。通过这个实验的教学，学生可以深刻理解吸声对室内声环境和噪声级的影响，并学会利用吸声来削弱设备噪声的危害和控制室内声环境。文中将从实验原理、实验教学环境和实验教学过程来介绍室内吸声降噪实验教学，并辅以一个实验结果案例，分析这个实验教学的价值。

1 室内吸声降噪原理

实验原理是实验教学内容的核心和基础，是理论与实践的衔接，实验设备的选择、实验步骤的设计等都必须围绕实验原理而展开。无论是何种性质的实验，学生都应该对实验原理有一定程度的了解才可以进入实验环节，故先介绍室内吸声降噪的实验原理。

在硬质光滑内表面的房间里，人听到的不只是声源发出的直达声，还会听到经各个界面多次反射形成的混响声。在直达声和混响声的共同作用下，当声源的距离大于混响半径时，接收点上的声压级要比在自由声场中同一距离处高出10～15 dB。如果在室内吊顶、墙面等安装吸声材料，可吸收反射声使混响声减弱，这时人们主要听到的是直达声，那种被噪声包围的感觉将明显减弱。这种利用吸声原理降低噪声的方法称为吸声降噪[4]，是一种非常成熟的噪声控制技术，虽无明确的国家或行业标准规范，但在各类涉及建筑声环境的教材或书籍中均有相关内容的论述，也已广泛应用于噪声治理工程中[1-3]。

由室内稳态声压级计算公式知，室内某点在吸声处理前、后的声压级Lp1和Lp2为：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：Lw为声源声功率级，单位为dB；Q声源指向性因数，接受点一般位于室内空间中，故取1；r为接受点与声源的距离，单位为m；R1和R2分别为吸声处理前、后的房间常数：

(3)

(4)

故理论上，吸声降噪量可表示为：

ΔL′p=10lgQ4πr2æèçöø÷Q4πr2+4R2æèçöø÷éëêêùûúú

(5)

由于接收点与声源的距离r通常大于混响半径，接收点处声压级一般以混响声为主时，即Q/4πR2≤4/R1或4/R2，故式(5)可简化为：

(6)

(7)

由室内混响时间赛宾公式可知，室内混响时间与吸声量成反比，故式(7)也可表达为：

(8)

式中，T1和T2分别为吸声处理前、后的室内混响时间，单位为s。

ΔLp=Lp1-Lp2

(9)

由以上实验教学原理可看出：1)实验环境对开展这个实验的教学非常重要，实验室内的吸声材料或结构不能只是一次性的，应可以反复安装、拆卸且保证正常的吸声性能，故选择合适的实验教学环境是开展这个实验教学的必要条件。虽然在1988年就提出了“吸声降噪的主要评价实验”[10]，但由于缺乏合适的实验教学环境，我国高校至今没有开展过这个实验教学。2)吸声处理前、后，室内不仅有声压级的变化，还有混响时间的变化，产生的主观听觉和一般的声压级变化与主观感觉的关系有所差异，因此，实验教学中除了定量测试声学参数外，还应引导学生利用自己的听觉系统去感受这些参数的变化。

2 可变混响时间声学实验室

在实际机房内或其他任意房间内，难以随意改变室内吸声量和混响时间，或代价昂贵且费时，这不是实验教学的正确模式，故为了开设室内吸声降噪的实验教学，我四川大学改造一间普通实验室为可变混响时间声学实验室，如图1所示。

(a)改造前 (b)改造后图1 可变混响时间声学实验室

此房间的特殊之处在于室内安装了50个1.2 m×1.2 m×50 mm的“活动式”吸声模块。这些模块采用“田”字木框内填50 mm厚玻璃棉，外包阻燃织物面，并通过框架、吊杆等，可衍生出多种吸声结构，模块或实贴在墙(地)面，或留一定厚度的空气腔，或可作为空间吸声体。各种墙(地)面吸声结构的降噪系数可达0.6以上，空间吸声体的降噪系数更是高达1.0，故增加或减少这些模块，可控制该房间内混响时间在0.4～2.4 s范围内变化。那么，由式(8)可推算出同一噪声源在该房间内的声压级可出现0～8 dB的差别。

实验过程中，调动一个班级的学生，10 min内即可完成全部吸声模块的拆卸或安装工作，降低了实验教学所需的时间和经济成本，而且在安装和拆卸过程中学生对吸声材料或结构也有了更直接的感观认识。因此，这个空间非常适合开设室内吸声降噪的实验教学。

3 室内吸声降噪实验教学过程

在学习实验原理和了解实验环境后，学生需按照以下5个步骤开展实验。

1)确定实验目的。要求学生在可变混响时间声学实验室内，测试和主观感受不同吸声状况下的室内混响时间和噪声级，了解吸声对室内噪声级的降低作用和声环境的影响，并验证室内吸声降噪式(8)的正确性。

2)确定实验测试项目。主要声学参数包括：实验室内背景噪声Lp0，吸声处理前室内噪声级Lp1和混响时间T1，吸声处理后室内噪声级Lp2和混响时间T2。测试时应确保Lp2-Lp0>dB。

3)确定实验设备、测试系统、声源及测点分布等。如图2所示，在实验室内、外连接测试设备。主要包含电脑(内装1/3倍频带S6291-00303、建筑声学分析软件S6291-05008)、数据采集及实时信号分析仪AWA6290M(即专业声卡)、功率放大器AWA5870B、无指向性声源AWA5510、型传声器AWA14421，以及各种连接线。以上设备，除电脑外，均为杭州爱华仪器有限公司生产。测试过程中，声源置于实验室一角，电脑控制释放稳态白噪声信号，用于模拟设备噪声。实验室内选择3点利用传声器测试声压级和混响时间。

4)确定吸声处理前、后实验室内吸声状况。通常，吸声处理前实验室内完全没有吸声模块，而吸声处理后实验室内布置了大量的吸声。要求学生记录吸声处理前、后实验室内的吸声模块数量、分布及安装形式。

图2 室内吸声降噪实验教学测试系统框图

表1 室内吸声降噪的实验数据及处理结果表

图3 室内吸声降噪的实验数据及处理结果图

5)测试过程。①测试实验室内背景噪声Lp0；②吸声处理前，测试实验室内混响时间T1，再开启一高声压级的稳态噪声源，测试室内噪声级Lp1，感受室内噪声环境和听闻环境；③吸声处理后，重复第②步，测试吸声处理前混响时间T2和噪声级Lp2，感受室内噪声环境和听闻环境。

4 实验数据处理与结果分析的案例

实验过程固然重要，但如果做完实验不总结、不分析，就达不到实验的目的。“实验数据处理与结果分析”是理论知识运用到实践中的科学总结，是学生从感性认识到理性认识的升华，是实验报告的精髓[11]，而实验报告正是评价学生实验成绩最重要的依据。因此，这里将以某组学生的实验结果为例，引导学生处理纷繁的实验数据，并从中得到实验结论、发现问题等。

这组学生的实验中，吸声处理前实验室内完全没有吸声模块，而吸声处理后实验室内有33块吸声模块。其中，南、北墙面各12块，西墙面9块，吸声结构为50 mm玻璃棉+50 mm空气腔。

最后，要求学生结合听觉感受，主观评价和分析室内吸声降噪的作用。吸声处理前、后学生在这个实验室内明显感受到了听闻环境的变化。吸声处理前室内混响时间过长，语言清晰度很差；而吸声处理后语言清晰度明显得到了改善。在开启噪声源后，由于吸声降噪量达到了5 dB以上[10]，所以学生直接感觉到室内噪声级在吸声处理前、后有了明显的变化。因此，学生深刻认识了吸声对室内声环境和噪声级的影响。

室内吸声降噪实验教学实践证明，定量测试的实验数据结合切身的体会，使学生对室内吸声降噪原理和公式有了更深刻的理解，有利于他们在今后工作中积极主动地运用吸声创造舒适的室内声环境和降低室内设备噪声的影响。

5 结束语

在室内增加大量吸声可显著降低室内混响时间和噪声声压级，从而改善室内声环境，因此，利用我校可变混响时间声学实验室，为建筑环境学课程开设了“室内吸声降噪”的实验教学，取代了“建筑室内声环境测试”和“建筑设备噪声测试”两个常规的声学实验教学。本文从实验原理、实验教学环境和实验教学过程介绍了室内吸声降噪的实验教学，并辅以一个实验结果案例，分析了这个实验教学的价值。

室内吸声降噪实验是一个集认知型实验、验证性实验为一体的综合性实验教学，还可以继续扩展，加入室内吸声降噪的设计性实验。在这个实验教学实践之中，学生真切地感受到了同一空间同一声源不同的吸声状况下产生了不同的声环境效果和不同的噪声水平，并结合定量测试的实验数据，使学生对抽象的室内吸声降噪原理和公式、室内声环境的影响因素和控制方法有了更深刻的理解。

[1]田文宝，许岩，李安起.高层住宅地下室水泵噪声的治理[J].四川建筑科学研究，2011，37(6)：294-297.

[2]牛群峰，钱林方，黄均人.螺杆压缩机噪声分析与控制[J].噪声与振动控制，2007(3)：119-122.

[3]李铭珊.空调冷冻机房的振动噪声降噪处理[J].能源与节能，2013(1)：112-113.

[4]朱颖心.建筑环境学[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2010(10)：252-253.

[5]杨晚生，梅胜，张吉光，等.“建筑环境学”实验教学平台的设置与思考[J].广东工业大学学报(社会科学版)，2006，6(s)：118-120.

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[7]陈帅，蔡颖玲，傅允准.实施“建筑环境学”课程实验教学的探索[J].实验技术与管理，2010，27(5)：153-155.

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[9]中国住房和城乡建设部.室内混响时间测量规范(GB/T50076-2013)[S].北京：中国建筑工业出版社，2014(1)：4-15.

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[11]肖洪祥.如何写好电子技术综合实验的实验报告[J].高校实验室工作研究，2010(1)：45-46.

ExperimentalTeachingofIndoorNoiseReductionThroughSoundAbsorption

WANG Chunyuan，OUYANG Jinlong

(College of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Increasing the amount of sound absorption in the building can significantly reduce the indoor reverberation time and sound pressure level of noise，which is to achieve the purpose of improving the indoor sounds environment.The experimental teaching of indoor noise reduction through sound absorption was established by taking advantage of the acoustic experimental room with adjustable reverberation time in Sichuan University.Firstly，the experimental theory，teaching environment and teaching process of this experimental teaching were introduced.Then，the value of this experimental teaching was analyzed with a case of experimental results.In this experimental teaching， students are required quantitatively test the acoustic parameters，and they truly feel the different effects of indoor acoustics environment and noise just in the same room and under the same sound source.It would help students deeply understand the abstract theory and formula of indoor noise reduction through sound absorption，the influence factors and control method of indoor acoustic environment.

sound absorption；noise；acoustics environment；adjustable reverberation time

2015-12-28；修改日期:2016-01-20

四川大学新世纪教育教学改革工程计划项目(七期)；四川大学实验技术项目(2015-115)。

王春苑(1977-)，女，硕士，实验师，主要从事建筑类实验教学与管理工作和研究。

TU112.3；G642.0

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.04.029