房间混响时间与隔声量的测量分析实验研究

翁 棣,秦 雨,陈高鸣,郑卓联，翟国庆

(浙江大学 国家级环境与资源实验教学示范中心， 杭州 310058)

0 引 言

随着城市化发展，各种商业、交通运输、城市建筑和工业生产的活动日益增加，造成噪声源日益增多，人居声环境日益恶化，噪声已成为污染人类社会环境的一大公害。而且噪声源的声学特性也随之改变。据相关资料披露：有研究者对杭州市典型居住区的12种典型配套设备噪声源进行测试分析。结果表明其中9种设备的噪声能量以低频段最多[1-3]。

建筑隔声是隔绝外界噪声的重要手段之一。因此建筑和建筑构件的隔声量测量技术的完善对降低噪声污染、促进人居声环境的改善有重要意义。

绿色建筑由于其对节能、减碳、改善人居环境和振兴经济的巨大价值，在全世界范围得到空前重视，成为世界建筑业发展的总趋势。绿色建筑要求建筑物在建设和使用的全周期中，能有效地节能、节水、节地和节材，并很好地与环境协调，具有良好的品质。我国的绿色建筑评价标准无论是对住宅建筑还是公共建筑，都有与隔声相关的测量与评价要求，而且都属于控制项的评价。对于住宅建筑，要求楼板和分户墙的空气声计权隔声量不小于45 dB，楼板的计权标准化撞击声声压级不大于70 dB户门的空气声计权隔声量不小于30 dB。外窗的空气声计权隔声量不小于25 dB，沿街时不小于30 dB。上述住宅建筑构件的隔声量是需要在实验室进行测量。对于公共建筑的围护结构，如宾馆，客房与客房间隔墙、客房与走廊间隔墙包括门、客房外墙包含窗，以及客房层间楼板、客房与各种有振动的房间之间的楼板等。对于这些构件的隔声评价都需要进行现场检测。这说明了隔声测量是绿色建筑评价的重要组成部分[1-3]。

现以环境物理实验室为研究对象，进行房间之间空气声隔声的现场测量，旨在评价该实验室的隔声情况，了解其建筑隔声特性，评价其隔声效果。

1 原 理

室内声学的研究可说从分析混响现象开始的。100多年前，赛宾定义了混响时间，得到了混响时间与房间的体积成正比，与室内总吸声量成反比的结论，使室内声学走上定量化的科学时代。混响时间是室内声学最重要的客观音质评价参量。尽管从20世纪50年代起，国际上开始对除混响时间外的厅堂音质第二评价参量进行了广泛的研究，但混响时间的重要性并未被其它参量所取代，而关于混响的研究也从未停[4-9]。混响时间与房间的隔声量探讨，在研究与应用中均占据很大的比重。

1.1 混响时间

房间中从声源发出声波在各个方向被壁面来回反射，并因壁面吸收而逐渐衰减的现象称为室内混响。它是有界空间的一个重要声学特征。引入混响时间来描述室内声音衰减的快慢程度，它是房间室内音质最重要的声学指标。长期以来已经得到实践的公认。混响时间的定义为：声音已达到稳态后停止声源，平均声能密度自原始值衰变到10-6(60 dB)所需要的时间，记做T60，单位/s。测量时，常用开始一段声压级衰变5～25 dB的情况外推到60 dB衰变所需要的时间，记做T20；衰变5～35 dB的情况外推60dB所需要的时间，记做T30。一般地，现场测量时信噪比可能较低，测量T20更为容易；在实验室测量条件下，背景噪声低，信噪比较高，常采用T30作为结果[4-8]。

实验采用声源切断法(也称中断声源法)进行室内混响时间测量。声源稳定而持续发声，声源和房间的声场均达到稳定状态，这时接收点平均等效声压级不再改变，其瞬时声压级可能在这一均值上下波动。使用声功率恒定的声源发声，10 000 m3以下房间持续4 s以上，或10 000 m3以上的房间持续8 s以上，声波将经历20～50次以上反射，声场基本达到稳态。

1.2 隔声量

假设声源室有一声源以声功率W辐射，则声源室内混响声能密度为：

(1)

式中：R1为声源室中的房间常数；c为声速。经过计算可得入射到隔声墙上的声功率为：

W1=ε1cS/4

(2)

假设隔墙的传递系数为τ。则透过隔墙的声功率为：

W2=τW1=τε1cS/4

(3)

于是，接收室内的混响声能密度为：

ε2=4W2/(cR2)

(4)

式中：R2为接受室内的房间常数，利用声能密度与声压有效之间的关系：

ε=p2/(ρc)

(5)

根据式(2)～(5)，并利用声压级与声压关系，可得到隔墙的传声损失为：

TL=L1-L2+10lg(S/R2)

(6)

式中：L1，L2分别为声源室和接受室内的声压级，当接受内壁面吸收系数很小时，式(6)可表示为：

TL=L1-L2+10lg(S/A)

(7)

式中A为接收室的吸声面积，单位为m2。所以，测得声源室和接收室内的平均声压级即可由式(7)计算出隔墙的传声损失，也即表观隔声量，记做R′。

此外，还可用标准化声压级差来表征房间之间的空气声隔声性能。标准化声压级差是采用接收室内参考混响时间修正的声压级差，记做DnT(dB)，即

DnT=L1-L2+10lg(T/T0)

(8)

式中：T为接收室内的混响时间；T0为参考混响时间，对于住宅，T0=0.5 s。所以，需要测量得接受室内的混响时间来计算标准化声压级差。

在实际应用中，测量房间内若干位置声压级Lj，室内平均声压级为[9-13]：

(9)

2 材料与方法

2.1 仪器与软件

2.1.1 混响时间实验

(1) 测量仪器。MPA201传声器、MC3242四通道数据采集分析仪、SWA100功率放大器、OS002正十二面体无指向性声源、通用计算机及VA-LabArch软件包。

(2) 测量系统。室内混响时间测量系统示意图见图1所示。实验设备按图1进行连接：用USB先连接计算机与四通道数据采集分析仪，用专业数据线连接数据采集分析仪的输入端到传感器，连接输出端到功率放大器。

图1 室内混响时间测量系统示意图

2.1.2 隔声量实验

(1) 测量仪器。MPA201传声器、MC3242四通道数据采集分析仪、SWA100功率放大器、OS002正十二面体无指向性声源、通用计算机及VA-LabArch软件包。

(2) 测量系统。具体设备见图2；房间隔声量测量的设备连接与混响测定一样，但具体的房间布置有区别见图3。

图2 房间隔声量测量的设备连接

图3 隔声量测量系统示意图

2.2 测量方法

(1) 室内环境。测量时，室内门窗宜关闭，应控制人员走动和讲话，并控制设备噪声。在测量频率范围内，传声器位置上的背景噪声声压级应比声源产生声压级至少低35 dB。测量期间如存在偶发噪声，应舍弃衰变期间受到偶发噪声影响的结果。室内相对湿度不宜较大。测量室3D图见图4。实验室的地板为硬质木板，天花板为石棉板，一面壁为玻璃墙体，其他壁面为砖砌墙体。实验前先按照实验要求安放好仪器并建立好连接。

(a) 混响室室内

(b) 隔声房间系统

(2) 测量频率。测量混响时间的频率不应少于如下6个倍频程中心频率：0.125、0.250、0.500、1.00、2.00、4.00 kHz。实验测量频率满足要求。

(3) 声源及其位置。声源的噪声信号应采用粉红宽带噪声或窄带噪声。噪声信号带宽应大于被测带宽；如声源发出粉红宽带噪声的功率达到所需声压级的要求，宜优先采用粉红宽带噪声信号。声源严禁出现超载，功率放大器应具有过载指示，防止出现冲击过载。

用于录音室、琴房、会议室、办公室等非表演型无舞台的房间音质考察而进行混响时间测量时，声源宜置于房间的某顶角，距离3个界面均0.5 m处。至少选择一个声源位置进行测量。

由于场所限制，声源有两个方向离墙较近。

(4) 传声器及其位置。用于录音室、琴房、会议室、办公室等非表演型无舞台的房间音质考察而进行混响时间测量时，传声器测点位置宜置于与声源所在房间对角线交叉的另一条对角线上，至少3个位置，均匀布置。传声器的最小间距为2 m，从传声器至最近反射面的距离至少为1 m。房间尺寸较小，无法满足条件时，可减少传声器测点数量。混响时间测点示意图见图5，隔声量测量见图6。

图5 混响时间测量点地图 (mm)

图6 房间隔声量室内测点示意图

房间平面为轴对称，且声源位于对称轴上，轴位置上的声场可能因对称反射出现周期的极大极小值，因此测点宜避开轴线。同时，与房间发射声到达时间相比，如果传声器离声源过近，强烈的直达声到达后很长时间才出现反射声，且反射声与直达声相比也弱得多，会造成衰变曲线的初始部分过于陡峭，计算的混响时间可能偏小。

此外，每次测量后，应当用准确度不低于±0.3 dB的声级校准器对整个测量系统进行校准。

(5) 声源室声场的产生。隔声量实验中，声源室产生的声音应稳定，并且在测量频率范围内具有连续的频率。如使用宽频带噪声，其频谱形状应确保在接收室内高频段有足够的信噪比(推荐使用白噪声)。声源室内声源频谱在相邻1/3倍频程之间的声压级差均不允许大于6 dB。声源功率宜足够高以使接收室内的声压级在任何频带比背景噪声声压级至少高10 dB。

当使用单个声源时，至少应放置两个声源位置。如果两个房间容积不同，在计算标准化声压级差时，应选择大房间作为声源室，不允许采用相反的方法。计算表观隔声量时，仅单方向测试或两个方向测试的结果都可使用。

声源应放在使声场尽量扩散的位置，并确保与两室的分隔墙和影响声透射的侧向构件的距离，使辐射在墙和构件上的直达声不占主导地位。房间内声场主要取决于声源的类型和位置。当使用无指向性辐射声源时，声源与传声器的距离不得小于1.0 m；不同的声源位置不应选在与房间边界平行的同一平面内，且其间距应不小于0.7 m；房间边界和声源中心的间距应不小于0.5 m，如不能满足，特别是在小房间，通常在实际测量中将声源放在声源室的墙角处是有利的。

(6) 平均声压级测量。平均声压级可以用一只传声器在室内不同位置的测量获得，也可以用固定的传声器陈列或一个连续移动或转动的传声器获得，在不同位置传声器测得的声压级应取所有位置的能量平均值(见式(9))。

若固定传声器位置，至少应有5个传声器位置，并且均匀分布在待测房间的空间内。两个传声器位置的最小间距为0.7 m，传声器与房间边界或扩散体的最小间距为0.5 m。使用单个声源时，固定传声器测点最少测量10次(例如对应每个扬声器位置，每个传声器测点上测量1次)。

在每个传声器位置，对中心频率低于400 Hz的每个频带，读取平均值的平均时间至少6 s；对中心频率较高的频带，允许的平均时间不低于4 s。

(7) 混响时间测量和等效吸声量估算。在式(7)中等效吸声量修正项是接收室内的混响时间，由赛宾公式确定：

A=0.16V/T

(12)

式中:V为接收室容积，单位为m3;T为接收室内的混响时间，单位为s。

混响时间使用上次试验结果，测量方法详见室内混响时间测量。

(8) 背景噪声修正。测量背景噪声级以保证在接收室的测量不受诸如接收室外的噪声、接收系统电噪声或生源与接收系统间的串音等外部噪声的干扰。

背景噪声级应比信号和背景噪声叠加的总声级至少低6 dB(最好低10 dB以上)。如果声压级差小于10 dB而大于6 dB，对声级的修正为：

L=10lg(10Lsb/10-10Lb/10)

(11)

式中:L为修正的信号级;Lsb为信号和背景噪声叠加的总声级;Lb为背景噪声级。

如果任一频带的声压级差小于或等于6 dB，则均采用6 dB差值的修正量1.3 dB进行修正，此时实验结果中应明确表示出DnT或R′都是测量的限值。

(9) 测量方法。运行VA-Lab4通道测试软件，进行混响时间的测量。使声源发出粉红噪声信号激励房间时，1 000 m3以下的房间至少持续4 s，1 000 m3以上的房间至少持续8 s，待声场达到稳态后突然切断，直接获得声压级衰变曲线，并读取混响时间T30。每个位置测点测量6次。

同样采用切断声源法测定房间隔声量。测定中心频率为100、125、160、200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600、2 000、2 500、3 150 Hz的室内外声压级。

3 数据与处理

3.1 实验条件

混响时间部分选择浙江大学环境物理实验室为测量对象，选取通道1，测定4个测点的T30值，按1/3倍频程进行频谱分析。

隔声量测量采用通道1、2、3、4测量，按1/3倍频程进行频谱分析。隔声间的大小为6 050 mm×4 620 mm×2 980 mm，故隔声间体积为V=99.68 m3。隔墙面积S=15.27 m2。

3.2 数据处理

对同一测点的平行测定T30值取平均，再对各测点的混响时间求平均，得到各频率的混响时间，见表1。

表1 室内混响时间表

根据上表作出混响时间平均值频率特性曲线如图7所示。

利用式：

A=0.16V/t

(12)

式中:A为吸声量；t为接收室的混响时间，s；V为接收室的容积。

图7 室内混响时间-频率图

利用式(7)和式(10)计算表观隔声量R′。

利用式(9)计算声源室和接收室室内平均声压级。

利用式(8)计算标准化声压级差，对于住宅，t0=0.5 s。

在得到室内混响时间的结果上，对不同声源位置的声级取平均，处理计算得到房间隔声量如表2所示。

根据表2作出隔声指标与频率特性曲线如图8所示。

图8 隔声指标与频率特性曲线图(全平均法)

当考虑到声源位置不同而分别算出声级平均值时，处理计算得到房间隔声量如表3所示。根据该表作出隔声指标与频率特性曲线如图9所示。

4 结果分析

4.1 混响时间结果分析

由图7可知，待测室的混响时间均处于0.60～0.90 s的范围。具体来说，低频段的混响时间较大，随着频率的增加，混响时间先减小，在500 Hz时达到最小值0.64 s(最佳值)。之后增大，于1～5 kHz的中高频段稳定在较大值，到达高频段后略有减小。

此现象满足室内声学在500 Hz达到最佳混响时间的规律[8-11]。造成此现象的原因可能是由于125 Hz附近的低频声简正振动(方式)的密度低。在250～125 Hz的倍频程内，主要是上升趋势是由于室内的语言用途决定的上升陡缓，这也符合低频混响时间允许比中频长的规定[2]。而对125 Hz以下的频率不予考虑主要是因为人耳对于低频不敏感，且有用成分少。

表3 房间标准化声压级差与表观隔声量表(分声源法)

图9 隔声指标与频率特性曲线图(分声源法)

在1～6 kHz范围内，混响时间没有较大变化，这也符合合适的混响时间特性曲线[1]。因为这样的特性能有效减少低频的掩蔽效应，提高语言可懂度、音乐的清晰度。在4 kHz以上，由于室内的空气吸声，混响时间也在随之逐渐下降。

此外，低频段的混响时间偏差较大，而高频段则较为接近。这一方面反映出混响时间的测定受到测点位置的影响，另一方面，进一步地反映出低频段的混响时间随测定位置变化较大。测量的波动性可能与声源的位置有关，而测点靠近门及房间的闭合度欠佳也可能导致误差。

由于未改变声源位置、原始强度进行测量，故无法判别混响时间测量值受声源位置、原始强度影响。而未改变测量通道无法得知测量设备系统性能对混响时间的影响。

4.2 隔声量分析

由图8可知，待测室的隔声量在测量频率范围内由约15 dB增加到30 dB。根据建筑隔声评价标准(GB/T 50121—2005)[2]，此墙隔声性能较差。具体来说，隔墙性能指标表现为低频段较差，随着频率增加基本呈增长趋势，除3 kHz处出现谷值。

标准化声压级差DnT与表观隔声量R′变化趋势一致，但前者较后者略高。这主要是由于两者计算公式差别导致，反应不同计算评价方法的结果。

但若考虑到声源位置的变动，单独测量两处声源位置的隔声量，得到结果如图9所示。由于测点1、2相差不大，测定3、4相差不大，其区别主要是测点位置的变换；故改变测点位置对隔声量结果测定影响不大。但1、2与3、4之间有较大差别，其区别主要是声源位置的移动；这反映出声源位置对房间隔声量的测定存在较大影响。

随入射声波频率继续升高，隔声量反而下降，曲线上出现低谷，这是吻合效应的缘故。越过低谷后，隔声量又逐渐增加。

将单层匀质隔声墙的频率特性曲线与实验所得曲线对比可以看出，实验墙体的共振频率大约在160 Hz附近，而临界吻合频率在2.5 kHz附近。这与实验结果十分吻合。

4.3 误差分析

测量的方法不同，导致的精确度不同。如MLS脉冲积分法测量得到的混响时间的稳定性和重复性比中断声源法要好[13-15]。

此外，测量仪器、软件、系统的精度，测点的位置，环境都会对测量结果造成一定影响。

5 结 语

(1) 混响时间是与室内音质最紧密相关的物理参数之一。其中有两个应该确定的量：它的数值和相应的频率特性。但是，在相当长的时间内，一般都只用一个数值，即500 Hz(或500～1 000 Hz)的值来表示它所对应的“最佳值”[6,10]。但本研究中对室内混响时间进行125～8 000 Hz的测量，能较为全面反映混响时间的趋势。

(2) 矩形房间混响时间的计算。有研究直接根据房间尺寸、表面积和体积3个参数来对混响时间进行模型回归，以期得到符合的公式关系[13-15]。

(3) 两房间之间噪声的降低量D，不但和房间之间隔墙的隔声量R有关，还与隔墙的面积S及接收房间室内的吸声量A有关。隔墙的隔声量R越高，隔墙的面积S越小，接收房间室内的吸声量A越大，降噪效果越越好。

(4) 测量时的声源噪声最好大于95 dB，以减少背景噪声的干扰。测量时门窗应关闭，应控制人员的走动和讲话，并控制设备噪声。