混響室擴(kuò)散體聲學(xué)設(shè)計(jì)及數(shù)值仿真

呂 義 高 陽(yáng) 樊 康

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司科技管理部， 130062， 長(zhǎng)春//第一作者， 教授級(jí)高級(jí)工程師)

中國(guó)高速鐵路經(jīng)過(guò)10年來(lái)的迅猛發(fā)展，取得了舉世矚目的成就[1-2]。隨著人民生活水平的日益提高，人們對(duì)于出行的需求已不單是要求方便快捷，對(duì)出行途中的舒適性也提出了越來(lái)越高的要求[3-4]。相對(duì)于普通鐵路，高速鐵路因高速、高架、電氣化等特點(diǎn)，其噪聲傳播的空間和時(shí)間也較普通鐵路要大，噪聲的產(chǎn)生和構(gòu)造也較普通鐵路要復(fù)雜。

高速鐵路噪聲是由各種不同類型的噪聲組合而成，按發(fā)生部位的不同，可分為牽引系統(tǒng)噪聲、輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲、集電系統(tǒng)噪聲及橋梁構(gòu)造物噪聲[5]。在高速列車(chē)低噪聲設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往希望在車(chē)輛設(shè)計(jì)初期能采用有效的仿真或試驗(yàn)手段對(duì)于高速列車(chē)不同區(qū)域的噪聲源進(jìn)行模擬，評(píng)估其對(duì)車(chē)輛內(nèi)部和外部噪聲的影響[6-9]。

混響室是聲學(xué)測(cè)量研究領(lǐng)域的一種專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，它能測(cè)量一些幾何形狀比較復(fù)雜的諸如座椅、空間吸聲體等物體的吸聲量。兩個(gè)通過(guò)開(kāi)窗連接的消聲室可用于門(mén)窗等結(jié)構(gòu)的隔聲量的測(cè)量。本文主要研究混響室墻面形狀及附加擴(kuò)散體需滿足的基本指標(biāo)。

1 混響室設(shè)計(jì)要求

1.1 散射面設(shè)計(jì)要求

混響室外形設(shè)計(jì)中，墻面的起伏形狀、附加擴(kuò)散體布置這兩個(gè)方面主要涉及散射面的形狀和大小。常見(jiàn)的散射面如圖1所示，其中：凹面形狀的散射效果最差，平面形狀的其次；除了圖1i)、圖1j)、圖1k)中所示的這3種商業(yè)產(chǎn)品形狀外，其余形狀的都有一定的散射效果，尤其是0.55 m直徑的半圓柱面有較好的散射效果。

a) 平面b) 凹面c) 椎面d) 方底金字塔面

e) 周期二進(jìn)制面f) 隨機(jī)二進(jìn)制面g) 半圓柱面h) 三棱柱面

i) QRD面j) Skyline面k) BAD面l) 周期半球面

圖1 常見(jiàn)散射面的外形結(jié)構(gòu)

混響室墻面的起伏設(shè)計(jì)，可選擇多個(gè)半圓柱體的簡(jiǎn)單組合作為混響室的墻面起伏形狀。半圓柱及半球形墻面的設(shè)計(jì)和建造都很方便，且能保證較好的散射效果。半圓柱形表面的截面半徑不應(yīng)小于要求的最低頻率。

1.2 擴(kuò)散體設(shè)計(jì)要求

1.2.1 吸聲測(cè)試設(shè)計(jì)要求

通過(guò)懸掛擴(kuò)散板的方法可以增大聲波的散射。擴(kuò)散板面質(zhì)量需大于5 kg/m2，微凸形狀最佳，凸起朝向隨機(jī)。為了保證不同混響室吸聲系數(shù)盡可能接近，GBJ 47—1983標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了混響室中擴(kuò)散體的吸聲系數(shù)要求，并要求通過(guò)逐漸增加擴(kuò)散板的方式確定擴(kuò)散板的個(gè)數(shù)。

體積為200 m3以下的混響室，最低頻率f可采用式(1)計(jì)算。

(1)

式中：

V——混響室體積,m3。

1.2.2 隔聲測(cè)量設(shè)計(jì)要求

在進(jìn)行隔聲測(cè)量時(shí)，需要用到兩個(gè)相連的混響室。GB/T 19889系列標(biāo)準(zhǔn)中要求這兩個(gè)混響室的容積或線度相差10%以上，兩個(gè)混響室的容積應(yīng)大于50 m2。對(duì)于滿足GBT 19889系列標(biāo)準(zhǔn)要求的兩個(gè)混響室，安裝擴(kuò)散板時(shí)可將擴(kuò)散板的面積范圍按GBJ 47—1983標(biāo)準(zhǔn)要求定為0.8～3.0 m2。

進(jìn)行隔聲測(cè)量時(shí)，擴(kuò)散體條件要求是：安裝足夠多的擴(kuò)散體時(shí)，不應(yīng)影響隔聲量的測(cè)試條件，且混響時(shí)間T需滿足式(2)的限制條件。

(2)

若不滿足式(2)的限制條件，則需繼續(xù)調(diào)整擴(kuò)散體的安裝數(shù)量和方向，直到各頻帶的隔聲量與混響時(shí)間不存在依賴性為止。

2 混響室設(shè)計(jì)指標(biāo)

混響室的形狀以及附加的擴(kuò)散體需滿足混響室的基本指標(biāo)見(jiàn)表1，混響室形狀設(shè)計(jì)所依照的標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

3 擴(kuò)散體設(shè)計(jì)

已有的實(shí)驗(yàn)證明，混響室形狀規(guī)則對(duì)測(cè)量效果影響不大，混響室墻面的不平行設(shè)計(jì)實(shí)際上并不能對(duì)擴(kuò)散場(chǎng)帶來(lái)明顯的改變。 結(jié)合擴(kuò)散體設(shè)計(jì)思路可知，墻面起伏及附加擴(kuò)散板這兩種擴(kuò)散體布置各有優(yōu)缺點(diǎn)：墻面起伏對(duì)低頻聲的反射容易實(shí)現(xiàn)且效果較好，但布置成形后難以進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化；擴(kuò)散板安裝不便，但便于調(diào)試。從實(shí)用和操作簡(jiǎn)便性的角度出發(fā)，本文主要選擇可靈活拆裝的擴(kuò)散板作為基本擴(kuò)散體單元，擴(kuò)散板以隨機(jī)的角度安裝在混響室四周及頂部的墻上，以盡可能地增大散射效果。所選取的擴(kuò)散板材料為具有較小吸聲系數(shù)的鍍鋅鋼板。

表1 混響室設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)

表2 混響室形狀設(shè)計(jì)所涉及的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 混響室Ⅰ的擴(kuò)散體設(shè)計(jì)

由于混響室Ⅰ容積較小，難以滿足100 Hz的低頻擴(kuò)散條件，因此，需增加擴(kuò)散板用于改善低頻擴(kuò)散效果。

由式(1)可知，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案下，混響室I的最低擴(kuò)散場(chǎng)頻率為156 Hz，擴(kuò)散板可對(duì)100 ～156 Hz的聲場(chǎng)起到良好的擴(kuò)散作用，因此擴(kuò)散板邊長(zhǎng)應(yīng)在2.1～2.4 m之間。2.1 m對(duì)應(yīng)的是156 Hz聲波的波長(zhǎng)，2.4 m對(duì)應(yīng)的是100 Hz聲波的波長(zhǎng)。(下限頻率對(duì)應(yīng)著擴(kuò)散板的對(duì)角線的尺度，而上限頻率只需邊長(zhǎng)的長(zhǎng)度滿足條件即可)

混響室I的內(nèi)表面總面積為132 m2。GB/T 20247—2006標(biāo)準(zhǔn)要求，擴(kuò)散板總面積(雙面)為混響室總表面的15%～25%，因此，混響室I可設(shè)置4塊擴(kuò)散板，邊長(zhǎng)分別為1.8 m、2.0 m、2.2 m、2.4 m，單面面積合計(jì)為17.84 m2。

由于混響室I的頂部及側(cè)面1和側(cè)面上需設(shè)置隔聲窗，故此擴(kuò)散板安裝在側(cè)面3上，如圖2所示。安裝擴(kuò)散板時(shí)，在滿足擴(kuò)散板之間不相互重疊及角度隨機(jī)的條件下，可根據(jù)實(shí)際墻面尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和布置。擴(kuò)散板采用吊桿方式將4個(gè)頂點(diǎn)懸掛。4根吊桿的長(zhǎng)度隨機(jī)分布，擴(kuò)散板與墻壁夾角在30°～60°之間。

圖2 混響室I擴(kuò)散板安裝位置示意圖

3.2 混響室II的擴(kuò)散體設(shè)計(jì)

由于混響室II的容積較小，難以滿足100 Hz的低頻擴(kuò)散條件，因此，需增加擴(kuò)散板用于改善低頻擴(kuò)散效果。

由式(1)可知，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案下，混響室II的最低擴(kuò)散場(chǎng)頻率為156 Hz，擴(kuò)散板可對(duì)100～156 Hz的聲場(chǎng)起到良好的擴(kuò)散效果，因此擴(kuò)散板尺寸應(yīng)在2.1～2.4 m之間。2.1 m對(duì)應(yīng)的是156 Hz聲波的波長(zhǎng)，2.4 m對(duì)應(yīng)的是100 Hz聲波的波長(zhǎng)。(下限頻率對(duì)應(yīng)著擴(kuò)散板的對(duì)角線的尺度，而上限頻率只需邊長(zhǎng)的長(zhǎng)度滿足條件即可)。

混響室II的內(nèi)表面總面積為147 m2。GB/T 20247—2006標(biāo)準(zhǔn)要求，擴(kuò)散板總面積(雙面)為混響室總表面的15%～25%，因此，混響室II可設(shè)置3塊擴(kuò)散板，邊長(zhǎng)分別為2.10 m、2.25 m、2.40 m，單面面積合計(jì)為15.20 m2。

混響室II中，擴(kuò)散板安裝于屋頂面，安裝擴(kuò)散板時(shí)，在滿足擴(kuò)散板之間不相互重疊及角度隨機(jī)的條件下，可根據(jù)實(shí)際墻面尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和布置。擴(kuò)散板采用吊線方式將4個(gè)頂點(diǎn)懸掛。4根吊線的長(zhǎng)度隨機(jī)分布，擴(kuò)散板與屋頂面夾角在30°～60°之間。

3.3 混響室III的擴(kuò)散體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將混響室III的擴(kuò)散體設(shè)計(jì)成半球面墻體(由于所占體積過(guò)大，實(shí)際采用的是半橢球擴(kuò)散體)。該設(shè)計(jì)能夠滿足吸聲系數(shù)測(cè)量的要求，但要注意在進(jìn)行隔聲測(cè)量時(shí)，需在地面鋪設(shè)吸聲材料以滿足隔聲測(cè)試要求。

由式(1)可知，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案下，混響室III的最低擴(kuò)散場(chǎng)頻率為123 Hz， 擴(kuò)散板可對(duì)100～123 Hz的聲場(chǎng)起到良好的擴(kuò)散作用，因此半橢球最大直徑應(yīng)在2.1～3.4 m之間。2.1 m對(duì)應(yīng)的是123 Hz聲波的波長(zhǎng)，2.4 m對(duì)應(yīng)的是100 Hz聲波的波長(zhǎng)。

混響室III的基本框架和混響室I相同。考慮到混響室III的側(cè)面1需要開(kāi)窗，不能在該墻面上設(shè)計(jì)半橢球擴(kuò)散體，因此，5個(gè)半橢球擴(kuò)散體設(shè)置為頂面兩個(gè)、側(cè)面2兩個(gè)、側(cè)面3一個(gè)，如圖3所示。半橢球體類似于將半球體的厚度壓縮后的形狀，安置在墻面上，所占據(jù)的范圍成圓形。表3給出了5個(gè)半橢球體半軸長(zhǎng)的設(shè)計(jì)尺寸，其中a、b、c分別為其3個(gè)方向的幾何半軸尺寸。

a) 頂面b) 側(cè)面2c) 側(cè)面3

單位：mm

圖3 半橢球擴(kuò)散體在墻面上的位置

3.4 混響室IV的擴(kuò)散體設(shè)計(jì)

混響室IV與混響室I的尺寸相同，均作為混響室II(發(fā)聲室)的受聲室，因此，混響室IV的擴(kuò)散體設(shè)計(jì)應(yīng)與混響室I保持一致(具體見(jiàn)混響室I的擴(kuò)散體設(shè)計(jì))。

3.5 混響室擴(kuò)散體材料

本設(shè)計(jì)方案中所有擴(kuò)散體材料采用鍍鋅鋼板材料，厚度為20 mm。該材料吸聲系數(shù)小，在各個(gè)頻段內(nèi)基本均為0.04。

4 聲場(chǎng)擴(kuò)散性數(shù)值仿真

為了對(duì)上述擴(kuò)散體設(shè)計(jì)的擴(kuò)散性能進(jìn)行驗(yàn)證，采用建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)軟件(Odeon)對(duì)4個(gè)混響室的聲場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。鑒于篇幅原因，本文僅介紹混響室III的聲場(chǎng)仿真結(jié)果。

混響室III設(shè)有1個(gè)隔聲窗，在隔聲窗處布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

經(jīng)計(jì)算仿真，圖4中9個(gè)測(cè)點(diǎn)的模態(tài)分布如圖5所示。由圖5顯示的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，所有測(cè)點(diǎn)的模態(tài)密度分布較密且均勻，說(shuō)明混響室III聲場(chǎng)具有良好的擴(kuò)散性。混響室III的隔聲窗處所有測(cè)點(diǎn)的平均模態(tài)密度見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，每個(gè)1/3倍頻程頻段內(nèi)的模態(tài)密度可滿足聲場(chǎng)擴(kuò)散的要求。

圖4 混響室Ⅲ隔聲窗處測(cè)點(diǎn)布置示意圖

b) 測(cè)點(diǎn)2

c) 測(cè)點(diǎn)3

d) 測(cè)點(diǎn)4

e) 測(cè)點(diǎn)5

f) 測(cè)點(diǎn)6

g) 測(cè)點(diǎn)7

h) 測(cè)點(diǎn)8

i) 測(cè)點(diǎn)9

為了分析頻率100 Hz時(shí)的聲場(chǎng)擴(kuò)散性，將100 Hz時(shí)混響室III隔聲窗處各測(cè)點(diǎn)聲壓分布制圖，如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，在100 Hz時(shí)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓分布均勻，證明其擴(kuò)散性良好。

表4 混響室III 9個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均模態(tài)密度

圖6 混響室III隔聲窗處測(cè)點(diǎn)100 Hz聲壓級(jí)分布

5 結(jié)論

本文分析了吸聲測(cè)量和隔聲測(cè)量中對(duì)混響室的功能要求，選擇擴(kuò)散板作為基本擴(kuò)散體，對(duì)擴(kuò)散體的大小以及數(shù)量要求進(jìn)行分析及設(shè)計(jì)，得到的混響室擴(kuò)散體設(shè)計(jì)方案如表5所示。

表5 混響室擴(kuò)散體設(shè)計(jì)方案