吸声尖劈高频声学特性比较评价法

高申平，张小改，吴德林，余崇皓，陈 俭，俞醒言

(1.浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310013; 2.浙江省声学振动精密测量技术研究重点实验室，浙江 杭州 310013)

0 引 言

随着科技的发展，人们对声学方面（如电声、建筑声、超声、听力等）的要求，对家用电器噪声安静程度的要求，对歌剧院、电影院、音乐厅等声乐效果的要求等日益提高。针对电声产品声品质进行研究、评价均须在消声室或者半消声室内进行。目前国内消声室、半消声室、消声箱的建造数量日益增多，而吸声尖劈作为消声室的吸声主体，其声学特性对消声室整体声学性能起到至关重要的作用[1]。

吸声尖劈的声学性能直接影响并反映在消声室自由声场空间范围参数结果上。驻波比法和传递函数法是对吸声尖劈声学特性评价的两种常用方法[2]。驻波比法在几十赫兹到几百赫兹频率下能够准确评价吸声尖劈的声学性能，然而随着信号频率继续增加、信号波长变短，驻波比法测量误差增大。传递函数法是使用双传声器进行测量，将被测样品装在一个平直、刚性、气密的阻抗管的一端，检测样品两个位置的声压级，求得两个传声器信号的声传递函数，频率范围取决于管径大小和传声器布置的位置[3]。消声室建设的吸声尖劈尺寸、填充材料含量、填充方式等差别较大，传递函数法无法准确评价吸声尖劈整体的声学特性。

本文提出一种自由声场空间范围比较评价吸声尖劈高频特性的方法（以下简称“比较评价法”），在消声室环境中，定义当前自由声场空间范围值为参考值，将被校吸声尖劈替换消声室内足够面积的原尖劈，测量替换尖劈后轴向的自由声场空间范围并与参考值进行比较，若自由场空间范围变大，则表明被校吸声尖劈声学性能较原吸声尖劈性能好，反之则差。通过这种方式评价吸声尖劈的声学性能，不仅适用频率范围更宽，而且无尺寸、填充类型和材料的限制。

1 测量原理

比较评价法需要对自由声场空间范围进行准确的测量。若完全按照JJF 1147-2006中给出的自由声场空间范围计算公式得出理论曲线和测量曲线，存在“远端对齐”[4]现象。故本文采用ISO 26101-2012[5]中评价自由场的方法计算声场范围[6]，避免了“远端对齐”引起的偏差，使计算得到的声场范围更加准确。

1.1 反平方律声压级的计算

对每一传声器路径的每一个测量频率，按照以下公式计算反平方律声压级Lp：

式中:Lp(ri)——距离r处的反平方律声压级，dB；

Lpi——第i个测量点的声压级，dB；

r0——参考距离，r0=1m；

ri——声源假定声中心到测量点的距离，m；

N——沿每个传声器路径的测量点的数目。

1.2 与反平方律声压级的偏差[7]

所有测量位置上的声压级Lpi与根据反平方律估计的对应声压级Lp之间的偏差ΔLpi由下式确定：

记录声压级对距离的连续曲线，代入式（2）计算偏差，比较理论曲线与测量曲线以确定偏差，从而确定被校消声室的自由场空间范围。

2 方法验证

通过实验验证比较评价法的可行性。

待测样品为B型纱网尖劈，由1.2 mm厚穿孔率30%的穿孔板覆盖A型纱网尖劈构成，结构示意如图1所示。

图1 A型与B型尖劈结构示意图

B型纱网尖劈的声学性能通过驻波比法得到的结果与A型纱网尖劈基本一致，无法有效评价区分两款尖劈的高频声学性能。

在已知自由场空间范围的消声室内，实验消声室净空尺寸为10.1 m×9.8 m×5.2 m（长×宽×高），自由场范围的截止频率100 Hz，采用的尖劈为A型纱网尖劈，该尖劈底座横截尺寸600 mm×600 mm，尖劈长度850 mm，后空腔长度250 mm。将全消声室一面墙体中心部分2.4 m×2.4 m的尖劈拆下换上被测B型纱网尖劈。

实验信号源使用十二面体声源和宽频同轴声源，频率分别为20 Hz~20 kHz和10~50 kHz。声源置于全消声室内中心位置离地网高度2.0 m处，测量传声器正对声源，测量路径从距离声源1 m处开始至4 m处结束，总测试距离为3 m，测量方式为点测，每测点的距离间隔为0.1 m，共计31个测点，测试路径地网铺满吸声材料。图2为室内测量示意图。

多次重复测量，得到各点处声压级并计算得到自由声场空间范围，结果表明：在频率低于10 kHz情况下，A型纱网尖劈与B型纱网尖劈得到的自由场空间范围一样；随着频率增加，两种吸声尖劈的性能出现显著的差别。

图2 室内测量示意图

在进行高频自由声场偏差计算时，考虑声衰减因素。依据JJF 1147-2006附录B中给出的空气对声波吸收的计算公式，计算在当前频率、温度、湿度和大气压情况下的声衰减系数[8]，对实际声压级测量值进行声衰减补偿。

以20 kHz和50 kHz信号为例，A型和B型尖劈声压级随距离变化曲线及反平方律声压级理论值曲线如图3、图4所示。

图3 20 kHz时A型和B型尖劈声压级随距离变化曲线及反平方律声压级理论值曲线

对比A型和B型尖劈测量结果表明：在高频段B型纱网尖劈的自由声场空间范围小于A型纱网尖劈的自由场空间范围，说明A型纱网尖劈的高频声学性能优于B型纱网尖劈。比较评价法实现了对B型纱网尖劈的声学性能评价。

3 实验影响因素研究

比较评价法实现了吸声尖劈的高频声学特性评价，然而如何准确测量室内的声压级，直接影响比较评价法的准确性，本节设计实验对影响测量的因素进行优化研究。

图4 50 kHz时A型和B型尖劈声压级随距离变化曲线及反平方律声压级理论值曲线

3.1 声衰减是否影响自由声场空间范围测量

在传统消声室的校准过程，理论自由声场声压级的计算模型中只包含了声音随声源距离的衰减量，未考虑空气吸收对声压级产生的影响。实际上，由于空气吸收的影响，当声波在空气介质中自由传播时，除了声压与距离成反比关系衰减外，还因空气的吸收而随距离衰减，空气吸收的大小与大气压力、温度、相对湿度、频率有关[9]。因此有必要研究高频声衰减是否影响自由场空间范围测量。

对样品A型纱网尖劈实际测量数据进行空气吸收的修正，修正前后（20~50 kHz）的结果对比如图5所示。由图可知，在频率20 kHz以下时，修正对结果影响较小；在高于20 kHz频率时，必须对测量声压级数据进行空气吸收的修正，以获得更加准确的自由场空间范围测量结果。

3.2 全消声室地网是否影响声压级测量

全消声室地网，一方面具有足够的强度和刚度，以保安全；另一方面不允许地网声反射影响声场特性[10]。然而在进行高频（20~50 kHz）性能测试时，全消声室地网是否影响声压级测量结果未得到验证，本节针对地网影响进行研究。

实验使用纯音信号，频率范围1~50 kHz，分别测量地网铺满吸声材料与不铺吸声材料两种情况下各点处声压级，得到测量结果分别为kA(f,d)和kB(f,d)，其中f为频率点（Hz），d为测点数（个）。

地网铺满吸声材料与不铺吸声材料的声压级，在相同频率点的差值Δk=kA-kB，各频点下声压级差的最大值结果如表1所示。并单独给出25~50 kHz频率下，各处声压级差曲线图，如图6所示。

通过表1和图6各频点的声压级测量结果可得：在低于20 kHz频率的声压级测量，差值小于1 dB，在允许误差范围内，说明低于20 kHz频率声压级测量受地网的影响较小；而高于20 kHz频率时各测点声压级差值较大，最大差值5 dB，表明高于20 kHz频率声压级测量受地网影响较大。

测量地网铺满吸声材料与不铺吸声材料情况下自由声场空间范围从而确定是否需要对地网进行吸声处理。测量结果图7所示，在25 kHz频率下，地网不铺吸声材料测量得到的自由场空间范围小于铺满吸声材料时的测量结果，说明地网铺满吸声材料时测量声压级和自由场空间范围的结果更加准确。

因此，在进行20 kHz以上吸声尖劈高频声学性能评价时，需要对地网进行一定的吸声处理，以获得更准确的声压测量结果。

3.3 传声器测量方向是否影响声压级测量

JJF 1147-2006中对测量传声器的要求，应满足IEC 61094-4中WS2F或WS2D型的要求，但是并未提及传声器[11]在声压级测量过程中的方向。

图5 修正前后声压级随距离变化曲线及反平方律声压级理论值曲线（20~50 kHz）

传声器的灵敏度一般指声信号正入到传声器膜片时的灵敏度，但是在高频情况下，传声器指向性比较明显[12]，本节对传声器的朝向进行研究，以探究传声器的指向对实验的影响。

实验使用纯音信号，测量A型纱网尖劈。传声器正对声源和传声器正对尖劈的两种布放形式，比较16 kHz和20 kHz两个信号频率，其实际测量的声压级曲线如图8所示。

图6 铺满吸声材料与不铺吸声材料各测点声压级差（25~50 kHz）

图7 25 kHz铺满吸声材料与不铺吸声材料声压级随距离变化曲线及反平方律声压级理论值曲线

图8 16 kHz和20 kHz声压级随距离变化曲线及反平方律声压级理论值曲线（A型纱网尖劈）

通过多次重复实验得到结论：在低于20 kHz频率下传声器的朝向对测试结果影响较小，反而传声器朝向尖劈得到的声压级测量结果波动较大，而传声器朝向声源测量得到的声压级更加平滑。

在20 kHz以上，以50 kHz频率测量为例，传声器正对声源和传声器正对尖劈的两种布放形式其测量结果，如图9所示。

图9 50 kHz声压级随距离变化曲线及反平方律声压级理论值曲线（A型纱网尖劈）

通过多次重复实验得到结论：在高于20 kHz频率时，传声器的朝向对测量结果有较大的影响，传声器朝向声源测量结果更为准确。

因此，在利用自由场空间范围方法评价吸声尖劈声学特性时，传声器应正对声源，能够更加准确的对声压级进行测量。

4 结束语

本文提出通过自由声场空间范围比较评价吸声尖劈高频声学特性，实验验证了方法的有效性。同时对实验的影响因素进行优化分析。

该方法存在的不足之处，并非对尖劈的高频性能进行直接测量或者定量的评价，但是该方法操作原理简单，实现了对不同尺寸尖劈、不同类型吸声尖劈高频声学性能的定性评价，具有一定的实用价值。