基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的泡沫吸聲棉吸聲測(cè)試參數(shù)組合優(yōu)化

李廣智，陳 華

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

吸聲材料是一種基于本身的特性對(duì)入射的聲能具有吸收作用的一種聲學(xué)材料。吸聲材料的吸聲效果主要是以NRC系數(shù)（即吸聲降噪系數(shù)）的數(shù)值大小來(lái)體現(xiàn)，NRC系數(shù)的數(shù)值越大，表示材料的吸聲性能越好。近年來(lái)，噪聲污染對(duì)人們工作和生活的影響越來(lái)越大，長(zhǎng)期的高噪聲污染不僅會(huì)影響人們的聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，使人疲倦、耳聾，還會(huì)影響人的生理與心理健康。目前，有效控制噪聲的主要辦法是采用聲學(xué)材料進(jìn)行吸聲降噪處理。泡沫吸聲棉作為性能優(yōu)良的新型吸聲材料廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，比如體育場(chǎng)館、廳堂、地鐵軌道交通等。正交試驗(yàn)法是一種在多因素試驗(yàn)中有效的統(tǒng)計(jì)方法，適用于多因素、多水平的試驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)結(jié)果，找出在各個(gè)試驗(yàn)因素中對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次關(guān)系，從而以少量的試驗(yàn)次數(shù)代替大量試驗(yàn)來(lái)獲得較優(yōu)的一組方案。本文將探討如何應(yīng)用正交試驗(yàn)方法完成泡沫吸聲棉吸聲降噪系數(shù)NRC的測(cè)試。

1 試驗(yàn)方案的選擇與設(shè)計(jì)

材料的吸聲系數(shù)主要在混響室中通過(guò)測(cè)試混響時(shí)間計(jì)算得到。混響時(shí)間的測(cè)量受室內(nèi)的環(huán)境溫度與相對(duì)濕度的影響，除了混響時(shí)間外，在計(jì)算過(guò)程中，吸聲系數(shù)還與材料的面積有關(guān)。混響室中材料的吸聲降噪系數(shù)測(cè)試如圖1所示。

圖1 吸聲降噪系數(shù)測(cè)試

混響室法吸聲材料的吸聲測(cè)量方法是在一定的環(huán)境條件下，先測(cè)出未放入被待測(cè)樣品時(shí)室內(nèi)的混響時(shí)間T1，在放入待測(cè)樣品后再測(cè)出相應(yīng)的混響時(shí)間T2，然后可通過(guò)式（2）計(jì)算得到材料的吸聲系數(shù)。

由賽賓公式可知，將待測(cè)樣品放入混響室前后，樣品的吸聲量A與室內(nèi)的混響時(shí)間可用下式表示：

已知放入混響室的聲學(xué)材料的面積，則有：

式（2）中：αs為待測(cè)樣品的吸聲系數(shù)；S為樣品暴露表面的總面積。

由此可見(jiàn)，吸聲系數(shù)的測(cè)量可以歸結(jié)為兩次混響時(shí)間的測(cè)量。而NRC系數(shù)是200～2 500 Hz按1/3倍頻程測(cè)得的吸聲系數(shù)的平均值，主要用作建筑吸聲材料的吸聲效果好壞的單值評(píng)價(jià)量。

在實(shí)際的試驗(yàn)測(cè)試中，如果對(duì)各個(gè)因素分別進(jìn)行吸聲系數(shù)的試驗(yàn)，則將會(huì)花費(fèi)很多的時(shí)間與精力。本試驗(yàn)主要是基于正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，用部分試驗(yàn)來(lái)代替全面試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，找出吸聲材料的最大NRC系數(shù)。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在此測(cè)試中，降噪系數(shù)NRC大小的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要由環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、材料面積因素構(gòu)成。通過(guò)正交試驗(yàn)，選取出3個(gè)因素的最優(yōu)組合，分別用A，B，C表示環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、材料面積，每個(gè)因素有3個(gè)水平。用1，2，3表示3個(gè)因素的水平，如表1所示，根據(jù)正交試驗(yàn)因素水平表，選用試驗(yàn)次數(shù)較少的正交表L9（34）。

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用上述正交試驗(yàn)方法對(duì)L9（34）中的不同的因素與水平參數(shù)進(jìn)行9組組合試驗(yàn)，得到的NRC系數(shù)正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 吸聲試驗(yàn)因素與水平

表2 NRC系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

4 極差分析法

極差分析法是正交試驗(yàn)中最常用的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法，Kjm為第j列因素m水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和，kjm為Kjm的平均值，Rj為kjm最大值與最小值之差。根據(jù)Rj大小，可以判斷因素的主次順序。

分別計(jì)算各因素中的Kjm、kjm與Rj，并記錄進(jìn)表2中。由極差R可知，因素主次順序?yàn)椋翰牧厦娣e對(duì)NRC的影響最大，相對(duì)濕度對(duì)NRC的影響次之，而環(huán)境溫度對(duì)NRC的影響最小。根據(jù)正交試驗(yàn)因素水平表2可知，使泡沫吸聲棉的降噪系數(shù)NRC最大的系統(tǒng)參數(shù)組合為：環(huán)境溫度為25℃、相對(duì)濕度為40%、材料面積為10 m2。

5 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)泡沫吸聲棉吸聲測(cè)試組合參數(shù)的最優(yōu)化，根據(jù)試驗(yàn)極差值的分析可以得出影響降噪系數(shù)NRC各因素的主次順序，雖然各種各樣的測(cè)量誤差不可避免，但試驗(yàn)結(jié)果表明，采用正交試驗(yàn)所確定的最優(yōu)系統(tǒng)參數(shù)組合，相對(duì)于最低降噪系數(shù)NRC系統(tǒng)參數(shù)組合，NRC系數(shù)有了明顯地提高。在進(jìn)行此次泡沫吸聲棉吸聲測(cè)試中，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，能夠更好地確定泡沫吸聲棉作為性能優(yōu)良的新型吸聲材料是否具有良好的吸聲性能，這對(duì)于吸聲降噪是十分重要的。