基于现有混响室的优化改造设计

梁新健，周红梅

摘  要：某高校原有混响室存在本底噪声过大，声场均匀性较差及检测数据不完整等问题，在不拆除原有基础建设的前提下，本文旨在优化设计使其符合国家规范，并获得检测数据相对标准的混响室.利用声场扩散理论对声学混响室的空间进行改造设计，最终将其空间尺寸的长、宽、高定为7.76 m、5.56 m、4.50 m，使其在满足规范GB/T 20247—2006要求的最大线度小于1.6倍体积前提下，保证长、宽、高的比值不成整数倍，以此来消除矩形空间的声简并共振现象.对混响室内表面进行隔声处理，使各个频率的最小吸声量满足现行规范GB/T 20247—2006的要求;对混响室内墙体进行弧形改造，对墙面涂刷金刚石颗粒，在顶部布置扩散体，使声场扩散时达到理想状态，并依照规范JJF 1143—2006对混响室进行校准.以某高校研发的吸音板作为标准试件进行测试，最后得到较完整的吸声系数曲线及平均吸声系数，用于分析材料在不同频率范围内的吸声特性.

关键词：建筑声学;混响室;混响时间;降噪效果;声场扩散;吸声系数

中图分类号：TU112           DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2021.04.014

0    引言

混响室内声波得到较为充分的反射后，会形成理想的扩散声场或磁场.因此，可用该扩散声场或磁场来测量不同材料、不同结构体的吸音隔声能力及对电磁波的干扰能力[1].同济大学声学研究室建筑声学组[2]对于混响时间测量中出现偏差的问题进行研究.王季卿等[3]针对混响室内扩散体安置对混响时间测量偏差的影响进行研究.孙广荣等[4]研究了扩散体在静止和运动状态下对混响时间测量的空间偏差和标准偏差影响.杨小军等[5]在孙广荣研究的基础上，将研究的频带拓宽到1/3倍频程、中心频率为100～5 000 Hz的频带范围.通过3组不同实验条件下混响时间测量的空间偏差和重复偏差的比较，总结出测量空间偏差和重复偏差较小的测量条件.随着理论研究的深入和科学技术的成熟，混响室的应用得到了极大的扩展.当前我国噪声问题日趋严重，吸声降噪领域检测手段的需求也逐年增加.由于大部分混响室建于混响室理论和施工技术尚不完善的初期阶段，其空间结构不合理，声场扩散度不佳，室內表面吸声量不达标，拆除重建成本造价高且工期较长.本文以杨志华[1]设计的混响室作为参考，综合现有条件，在不拆除原有混响室前提下进行改造，并以此总结出了几种提升混响室检测性能的方法.本研究在声学检测和建筑声学教学方面具有现实意义，可为建筑声学相关的研究提供借鉴，为建筑学专业实训提供声学场所.

1   混响室的工作原理

一个标准的声学实验室边界可以反射全部声能，使其均匀扩散到混响室的各个角落，房间各处的能量密度相同，声能传播的方向无规则分布.因此，利用混响室法测量吸声系数是目前现有测量方法中唯一与实际工况相近的一种方法.

利用大功率音响噪声源在室内扩散声能，使其达到稳定状态后关闭声源，以此测试室内声压衰减到60 dB所需时间，即混响时间T60，单位为 s.通过混响时间的测量，再利用国家给定规范中的公式可计算出吸声系数.

采用混响室法测量吸声系数主要是利用均匀的混响室内声场来测试声波无规则入射后材料的吸声性能.通常用吸声系数来定义其吸声性能的高低.现行规范《声学混响室吸声测量》GB/T 20247—2006[6]规定混响室法测量吸声系数是利用测试出的混响室在不同声波频率下得到的混响时间T，并代入式（1），得出其空场的吸声量和放入试件吸声量分别为[A]1、[A]2.

[A=55.3VCT-4Vm]                        （1）

式中：[V]——空场混响室容积，m3;[C]——不同混响室条件下声音在空气中的传播速度，室温15 ℃时为340 m/s;室温25 ℃时为346 m/s;[m]——不同混响室条件下的声强衰减系数，[m-1].试件的吸声量AT可以根据式（2）求出：

[AT=A1-A2=55.3V1C2T2-1C1T1-4Vm2-m1]（2）

式中：[T1]——空场混响时间，s;[T2]——放入试件后混响时间，s;[C1]——混响室空场条件下声音在空气中的传播速度，m/s;[C2]——混响室放入试件条件下声音在空气中的传播速度，m/s;   [m1]——混响室空场条件下的声强衰减系数，[m-1];[m2]——放入试件后混响室的声强衰减系数，[m-1].

根据式（3）计算出材料的吸声系数[αs].

[αs=ATS]                             （3）

式中：[S]——试件面积，[m2].

2    混响室设计

上述计算吸声系数公式的必要条件是混响室声场为理想的扩散场，声波可以在室内声场中均匀扩散，以此达到测试混响时间时不会出现误差范围之外的空间偏差.混响室内墙体表面的吸声系数应尽量小，避免由于空场的吸声量过大而产生误差.适当布置一些利于声场扩散的材料，如扩散板和旋转扩散体等.根据混响室法测量吸声系数的原理，结合《声学混响室吸声测量》（GB/T 20247—2006）[6]和《混响室声学特性校准规范》（JJF 1143—2006）[7]要求以及学校实际情况和需求，确定设计思路.

结合教学及科研的需求，混响室的优化必须满足以下要求：

1）在本底噪声、室内声压标准偏差和室内空场吸声量等方面满足国家相关规范标准要求.

2）测量数据可反映出材料在不同频率下的吸声特性，以满足应用于教学科研项目辅助的功能     要求.

3）建成后室内空气质量达标，保证科研人员及学生的健康安全.

2.1   混响室空间设计

原有混响室的房间为矩形空间，为减少施工量，混响室继续沿用矩形空间.保证混响室的长、宽、高之比不成整数倍，以此来消除矩形空间的声简并共振现象[1];同时规范[6]要求室内最大线度为    [Lmax?1.93V].混响室的体积[V]直接影响测量的下限频率[f]，如式（4）：

[f=125200V13]                              （4）

为了使混响室的测量频率下限达到125 Hz左右，结合该校土建楼预留基建情况设计混响室，其长、宽、高分别为7.76 m、5.56 m、4.50 m，容积[V]=194.155 2 m3，代入式（4），得出所设计混响室的最低测量频率为126 Hz.长、宽、高比为1.72∶1.23∶1，比值不为整数倍，可以满足消除声简并共振的尺寸要求，且对角线长度为9.55 m，满足[Lmax?1.93V=11.00] m的要求.混响室平面图如图1所示.

2.2    混响室内部吸声量处理

按照文献[6]的规定，未放入试件时，混响室内部各频段的吸声量应小于表1.

为了尽量减小混响室在空场时各频段的吸声量，混响室内壁表面采用水泥砂浆抹平后平铺一层金刚石颗粒，再喷涂一层反射材料，使墙体表面毛糙且吸声量很低.为方便布置试件，减小边缘效应对测量吸声系数的影响，地砖采用光面瓷砖.尽量降低墙面和地面对声波的吸收，增加声反射，使室内声场达到更好的扩散效果.

由表1和表2对比可知：混响室在进行空场吸声量测量时，各个频率吸声量均不大于国家标准规定的最大值，因此，不同频率下的空场吸声量满足规范要求.

2.3  室内隔声设计

混响室的优化设计在原有基础建设上进行，处于某校建工楼一楼内部，半径1 km内无交通干道且无大型噪声源.因此，在底噪处理方面进行如下两方面的优化设计.

1）在原有墙体上加厚墙体，浇筑最大厚度为500 mm的弧面墙体，以降低测试时墙体外部噪声源对试件测试结果产生的影响.

2）设置相距1 m，厚度为200 mm的内外隔声门，对混响室内外连接通道进行隔声处理.

关闭隔声门后，使用HS5633B通用声级计，依照《混响室声学特性校准规范》（JJF 1143—2006）[7]布置测点，进行混响室本底LAeq总声压级测量.为保证测试数据的准确性，取3次测量的算术平均值作为该测点的本底噪声声压级，测量结果如表3所示;打开AWA5510A十二面体声源调节至测试功率，在相同測点进行3次声压测试，3次测试结果取算术平均值作为该测点工作噪声（测量噪声）声压级，测试结果如表3所示.由表3可知，各测点的工作噪声与本底噪声声压级的差值均大于12dB（A）.

使用爱华AWA6290M-3主机配合传声器在测点5（工作噪声声压薄弱点）处进行1/3倍频程的本底噪声与工作噪声的声压级比较，其中工作噪声声压级按规范要求从稳态声压衰减5 dB起，衰减至20 dB后开始测量.比较结果见图2.

由图2可看出，在1/3倍频程各个中心频率工作噪声声压级均大于本底噪声声压级12 dB以上;同时从表3可知，工作噪声进行LAeq总噪声声压级测量同样超过本底噪声声压级12 dB（A）以上，均满足《混响室声学特性校准规范》JJF 1143—2006规定的“在混响室测量频率范围内，所有频带的本底噪声声压应比该混响室工作声压的下限声压级一般至少低12 dB（A）”[7]要求.综上所述，该混响室在本底噪声方面合格，隔声处理有效.

2.4    混响室声扩散处理

为降低施工成本和施工难度，在房间侧面墙体使用水泥一次性浇筑出弧长为4 049 mm，弧面最高点为500 mm，弧面底部宽为3 880 mm的弧形墙面.根据施工的具体情况，对实际空间的尺寸做出细微调整（调整幅度不太大，不会增加结构的自重），如图3所示.

对弧形墙体表面喷洒金刚石颗粒，使墙体表面毛糙，增强其漫反射能力，促进声场在室内更好地无规则扩散;同时，在房间的顶棚布置有机玻璃扩散体，进一步增强房室内的声场扩散能力，如图4所示.

2.5   混响室设备

混响室采购的仪器清单见表4.

混响室系统构成见图5.

2.6   室内声压均匀性

依据文献[7]中的公式计算室内声压标准偏差[SM].

[SM=[i=1NM（Lpi-Lpm）2/（NM-1）]12]         （5）

式中：[SM]——传声器测点声压级标准偏差，dB;[Lpi]——第i个传声器测点的平均声压级，dB;      [Lpm]——所有传声器测点测得的声压级算术平均值;[NM]——测点数量.计算结果如表5所示.

经表5和表6对比后可知，该混响室室内声压标准偏差在各频段符合要求，说明各项措施可以使声场达到扩散要求.

2.7   室内空气质量

由于混响室主要用于教学和科研，出于隔声需求，内部空气流通性较差，所以室内空气质量问题不容小觑.在不足50.0 m2的混响室内布置一个检测点，进行空气质量检测，检测结果如表7所示.由表7可知，室内空气污染物的测点值均小于       文献[8]规定的限值，因此，该混响室室内空气质量符合国家标准，可保证学生及科研人员安全使用.

3    混响室使用

3.1   试件及传感器布置

混响室建成后，利用该校研发的、以吸声陶粒为主要原料的水泥基多孔吸音板进行吸声系数测量.陶粒多孔吸声材料具有耐久性强、成本低等优点，在我国吸声降噪领域应用范围越来越广，常被制作成公路及高速铁路声屏障吸声层及轨道吸音板[9-10].此次测试不仅是测验优化后的混响室的功能指标，也是对该校科研成果的一次验证.以数值仿真数据作为参考[11]，具体测试过程如下.

1）空场混响时间测定

根据图5完成安装和连接设备后，使用AWA6221A型声校准器对声学测试分析仪进行声压灵敏度校准.按照文献[6]规范要求布置测点，传声器距离声源2 m，距离边界1 m.具体见图6.保证室内外温度差和湿度差不超过20%，变换传感器位置多次，测量混响室空场混响时间，取平均值记作[T1].

2）布置试件

按规范要求，被测试件的面积应在10.0～  12.0 m2.本次测试准备了30块尺寸为600 mm×   600 mm×120 mm的标准试件，总面积为10.8 m2，满足要求.为保证测试数据的准确性，在布置试件时，尽量把试件紧密排列，避免试件之间产生过大的缝隙，并在布置好后对其边界进行处理.设备布置如图7所示，试件布置如图8所示.

3）边界处理

吸音板的侧边在没有处理的情况下暴露在声场中会吸收一定量的声能，同时会产生边界散射等边界效应[12]，导致吸声系数的实际测量值大于理论测量值，产生误差.为尽量减小误差，需要对吸音板的侧边使用表面平滑且吸声系数较小的材料进行围合处理.试件边界处理如图9所示.

4）吸声性能测试

准备工作完成后，测量温度和湿度，并放置一段时间，使室内外温度差和湿度差不超过20%.关闭隔声门，严格按照规范要求多次变换位置，测量放入试件后的混响时间，取平均值记作T2.把T1和T2混响时间数据代入式（2）计算吸声系数，并记录数据.为确保数据的准确性，在规范允许的范围内，对测点取3次以上变动测试数据的平均值.

5）测试结果分析

通过上述步骤使用杭州爱华AWA6290多通道分析仪系统进行分析，得到试件在1/3倍频程下各个中心频率的吸声系数，如图10所示.

由图10可看出，由于低频易产生共振且运动无规律的特性，试件在60～200 Hz范围内的吸声性能差，吸声系数在0.5以下;200～1 000 Hz范围内材料的吸声系数上下起伏明显;在200～315 Hz处出现峰值;在中高频段1 000～5 000 Hz范围內，吸声系数稳定在一个相对较高数值.实验结果表明，该材料在一定频率范围内，其内部孔隙的孔隙粒径能使声波更容易产生黏滞和摩擦反应，从而将声能转化成热能以达到良好的吸声降噪效果.因本测试材料主要应用于建筑声学领域，其所在声源频率范围大多处于150 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、  4 000 Hz这6个倍频程的中心频率范围内[13]，所以取这6个中心频率对应的吸声系数的算术平均值作为材料的平均吸声系数[14]，该材料在使用环境下具有代表性，其平均吸声系数为0.74.

4    结论

1）通过对原有的混响室进行一系列优化措施，使原本部分频段数据缺失的混响室具备声学测试能力，空场时各频段最大吸声量小于规范要求.从一定程度上证明了该措施的有效性，对有混响室建造要求的机构具有一定的参考价值.

2）通过实验数据可以看出，由于低频产生共振，导致多孔吸声材料的吸声性能差和吸声系数峰值出现在中频范围内，且吸声系数在高频范围内数值较高并逐渐趋于稳定，这与理论吸声系数曲线走向一致.说明该混响室的空间及扩散体设计相对合理，表面处理到位，本底噪声小，室内声压标准偏差低，可以判断不同吸声材料的优势频率.优化后的混响室可以为科学检测不同吸声材料的吸声系数及降噪效果提供参考.

3）室内空气质量小于国家标准限值，可以利用混响室的设备以及混响室本身作为高校建筑学专业大学生提高对声波的产生、传递路线及反射方向认识的教学实践场所.

参考文献

[1]     杨志华.混响室的声学设计[J].电声技术，2007（6）：7-10.

[2]     同济大学声学研究室建筑声学组.厅堂中混响时间测量的一些实际问题[J].声学学报，1966（3）：149-154.

[3]     王季卿，顾樯国.混响室中悬挂扩散板和试件面积对吸声测量结果的影响[J].声学学报，1984（6）：372-384.

[4]     孙广荣，吴启学.混响室中低频测量的改进[J].电声技术，2006（10）：19-20，23.

[5]     杨小军，沈勇，乐意.混响室中混响时间测量偏差的研究[J].声学技术，2011，30（1）：93-97.

[6]     全国声学标准化技术委员会.声学混响室吸声测量标准：GB/T 20247—2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[7]     全国声学计量技术委员会.混响室声学特性校准规范：JJF 1143—2006[S]. 北京：中国计量出版社，2006.

[8]     中华人民共和国住房和城乡建设部.民用建筑工程室内环境污染控制规范：GB 50325—2020[S].北京：中国计划出版社，2020

[9]     解小娟，罗桂发，杨博兆，等.以铵盐类为发泡剂制备多孔陶粒试验[J].广西科技大学学报，2020，31（1）：65-70，91.

[10]   周红梅，汪洋，朱万旭.水泥基多孔陶粒材料降噪性能分析[J].混凝土，2015（4）：111-114.

[11]   罗涛，周红梅，朱万旭，等.近轨吸声矮墙稳定性分析与隔声量数值仿真[J].广西科技大学学报，2020，31（3）：58-66.

[12]   赵启元.边缘效应对于混响室法测量吸声系数影响的研究[D].北京：中国建筑科学研究院，2016.

[13]   中華人民共和国环境保护部.声环境质量标准：GB 3096—2008[S].北京：中国环境科学出版社，2008.

[14]   全国声学标准化技术委员会.声学名词术语：GB/T 3947—1996[S/OL].1996[2021-03-12].https：//www.doc88.com/p-7159545765178.html.

Optimization design based on existing reverberation room

LIANG Xinjian ， ZHOU Hongmei*

（School of Civil Engineering and Architecture， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： The original reverberation room at an university exists many problems， such as excessive background noise， poor sound field uniformity， and incomplete test data. This paper aims to optimize the design of this reverberation room to conform with national standards. In this paper， the acoustic field diffusion theory is used to transform and design the space of acoustic reverberation room. The length， width and height of the space dimension are set as 7.76 m×5.56 m×4.50 m， which ensures that the ratio of length and width and height is not an integer multiple under the premise that the maximum linearity required by the standard GB/T 20247-2006 is less than 1.6 times of  the volume. In this way， the phenomenon of acoustic degeneracy resonance in rectangular space can be eliminated. Sound        insulation treatment is  carried out on the surface of reverberation room to make the minimum sound absorption of each frequency meet the requirements of the current standard GB/T 20247-2006. The         reverberation room wall was transformed with arc shape， the wall was coated with diamond particles， and the diffusion body was  arranged on the top， so that the sound field diffusion reached the ideal state， and the reverberation room was calibrated in accordance with the standard JJF 1143-2006. A sound    absorption board developed by an university was used as a standard test block， and a complete sound absorption  coefficient  curve and average sound absorption coefficient were obtained， and the sound  absorption characteristics of the  material in different frequency ranges were analyzed.

Key words： building acoustics; reverberation room; reverberation time; noise reduction effect; acoustic field diffusion; absorption coefficient

（责任编辑：罗小芬）