坐便器沖洗噪聲測量不確定度分析

朱東綿 肖景紅 袁芳麗 趙江偉

摘 要：依據(jù)GB/T 3768-2017《聲學(xué) 聲壓法測定噪聲源聲功率級和聲能量級 采用反射面上方包絡(luò)測量面的簡易法》中的要求， 對坐便器沖洗噪聲（聲功率級）的測量不確定度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，采用半球測量面（單反射面）測得的坐便器沖洗噪聲LWA為58.8 dB，擴(kuò)展不確定度為4.0 dB（k=2），其中采樣引入的不確定度最大， 其次是環(huán)境噪聲修正和測試方法引入的不確定度， 聲級計、測量重復(fù)性以及測聲源運(yùn)行不穩(wěn)定及安裝條件引入的不確定度較小。增加測點(diǎn)的位置數(shù)量可有效降低坐便器沖洗噪聲測量的不確定度。

關(guān)鍵詞：坐便器;沖洗噪聲;不確定度;聲壓級;聲功率級

1 前 言

坐便器沖洗噪聲是家居生活噪聲的主要來源之一，尤其在夜間，過高的沖洗噪聲會干擾人們的休息和睡眠，因此，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6952-2015《衛(wèi)生陶瓷》[1]規(guī)定了坐便器沖洗噪聲的限值要求，測試方法則采用GB/T 3768《聲學(xué) 聲壓法測定噪聲源聲功率級和聲能量級 采用反射面上方包絡(luò)測量面的簡易法》[2]。

測量不確定度是評價測量水平的重要指標(biāo)，并可能對測試結(jié)果的可信度、可比性和可接受性產(chǎn)生影響，因而備受關(guān)注。影響坐便器沖洗噪聲的測量不確定度的因素可歸結(jié)為兩大類，一是方法再現(xiàn)性，二是噪聲源發(fā)聲不穩(wěn)定。目前的研究[3-4]中，僅進(jìn)行了測試結(jié)果重復(fù)性的研究，未對影響方法再現(xiàn)性的因素進(jìn)行全面的分析，也未考慮噪聲源發(fā)聲不穩(wěn)定的影響。因此，本文擬根據(jù)GB/T 3768-2017的方法對坐便器沖洗噪聲（聲功率級）的測量不確定度進(jìn)行研究，為測量水平的提高及衛(wèi)生潔具沖洗噪聲標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供參考。

2 測量過程

2.1 測試環(huán)境和設(shè)備

坐便器沖洗噪聲的測試在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，測試環(huán)境參數(shù)如下：

可用空間：4.2 m × 4.0 m × 2.9 m;

內(nèi)表面面積Sv：81.16 m2;

平均吸聲系數(shù)α：0.50;

吸聲量A：40.58 m2;

測試采用的聲級計為噪聲統(tǒng)計分析儀（杭州愛華，型號AWA6218）。

2.2 被測聲源

測試樣品為雙沖坐便器，尺寸380 mm × 710 mm × 665 mm，無蓋板。樣品按正常使用狀態(tài)安裝在反射面中心位置。測試過程采用全沖模式，進(jìn)水壓力為0.14 MPa（靜壓）。

2.3 基準(zhǔn)體和測量面

被測聲源基準(zhǔn)體尺寸（l1×l2×l3）為0.71 m × 0.38 m × 0.665 m，特征尺寸d0=0.777 m。

測試采用半球測量面（單反射面），測量半徑r=1.6 m，測量面面積S=16.08 m2。測量面上測點(diǎn)的位置見圖1和表1。

說明：A——測量面;B——基準(zhǔn)體;r——測量面半徑;x軸與長度（l1）方向平行，y軸與寬度（l2）方向平行。

2.4 測試結(jié)果

在各測點(diǎn)分別測試背景噪聲A計權(quán)時間平均聲壓級L'pAi （B ）及被測噪聲源A計權(quán)時間平均聲壓級L'pAi （ST ），按GB/T 3768 - 2017中給出的公式計算L'pAi （B ）平均值、L'pAi （ST ）平均值、背景噪聲修正值K1A、環(huán)境噪聲修正值K2A、測量面時間平均聲壓級LpA及聲功率級LWA，測試及計算結(jié)果見表2。

3 測量不確定度的評定

3.1 概述

初步估計顯示，經(jīng)大氣條件修正后的聲功率級LWA是式（1）所示的一系列參數(shù)的函數(shù)：

式中：

δmethod ——測量方法帶來的不確定度輸入量，包括結(jié)果推導(dǎo)和相應(yīng)的不確定度;

δomc ——運(yùn)行和安裝條件帶來的不確定度輸入量;

L'pA （ST ） ——被測噪聲源運(yùn)行時，在整個測量面上A計權(quán)時間平均聲壓級的平均值;

S ——測量面的面積;

S0 ——基準(zhǔn)面的面積;

K1A ——背景噪聲修正值;

K2A ——環(huán)境修正值;

δmet ——考慮聲壓級和聲功率級時所用的不同分貝基準(zhǔn)量，以及聲功率隨溫度和壓力的變化的輸入量;

δslm ——聲級計帶入的不確定度的輸入量;

δmic ——有限數(shù)量測點(diǎn)位置帶來的不確定度的輸入量;

δangle ——聲源聲發(fā)射方向與測量面法向之間的角度差的輸入量;

δtone ——由于頻譜形狀和有調(diào)聲的存在而引起的不確定度的輸入量。

各輸入量的期望值（平均值）是對輸入量值的最佳估計，且其標(biāo)準(zhǔn)偏差是對數(shù)值離散程度的度量，稱為不確定度。與安裝和運(yùn)行條件相關(guān)的不確定度分量包含在σomc中，而σR0則包括了其他不確定度分量。

聲功率級的測量不確定度u（Lw）由式（2）進(jìn)行估算：

總標(biāo)準(zhǔn)偏差的計算按式（3）進(jìn)行計算：

式中：σR0為方法復(fù)現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差;σomc為被測聲源運(yùn)行不穩(wěn)定及安裝條件引起的不確定度標(biāo)準(zhǔn)差。

擴(kuò)展不確定度U可由式（4）計算：

擴(kuò)展測量不確定度取決于所要求的包含概率。測量值為正態(tài)分布時，真值在（LW-U）到（LW+U）范圍內(nèi)的置信水平為95%時，對應(yīng)于k=2的包含因子;如果測定聲功率級的目的是將結(jié)果與某個限值進(jìn)行比較，則采用單邊正態(tài)分布的包含因子更為合適，此時對應(yīng)于包含概率為95%的包含因子為k=1.6。

3.2 σomc的確定

為確定σomc，對安裝在同一位置的同一坐便器、使用相同的聲級計、由相同的測試人員在L'pi （ST ）最大的聲級計位置（10#位）進(jìn)行6次重復(fù)測量，每次重復(fù)測量前均重新安裝坐便器。按式（5）計算σomc。測試及計算結(jié)果見表3。

式中：

Lp， j ——第j次重復(fù)測量并經(jīng)背景噪聲修正后的聲壓級;

Lpav ——所有重復(fù)測量結(jié)果的算術(shù)平均值。

3.3 σR0的確定

3.3.1 測量方法

假設(shè)整個建模方法是完整和正確的，則由殘余不確定度引起的umethod=0.6 dB，靈敏系數(shù)cmethod=1。

3.3.2 聲壓級測量的重復(fù)性

在相同條件下、單一位置（10#位）進(jìn)行6次連續(xù)的聲壓級測量，以測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為標(biāo)準(zhǔn)不確定度。測試過程中固定被測聲源，每次測試前重新安裝聲級計。按式（6）計算uL'pA （ST ），測量及計算結(jié)果見表4。

3.3.3 測量面面積

3.3.4 背景噪音修正

背景噪聲修正值的標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度uK1A為測量面單一傳聲器位置ΔLp重復(fù)測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在10#位對ΔLp進(jìn)行6次重復(fù)測量，測量及計算結(jié)果見表5。

靈敏系數(shù)c（K1A）按式（7）計算，計算結(jié)果c（K1A）=1。

3.3.5 環(huán)境噪音修正

環(huán)境噪音修正引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uK2A≈K2A/4，故有uK2A≈4.12/4=1.03 dB。

3.3.6 氣象修正

3.3.7 聲級計

噪聲統(tǒng)計分析儀校準(zhǔn)證書給出的測量結(jié)果擴(kuò)展不確定度為U=0.4 dB（k=2），故有uslm=0.2 dB。

3.3.8 采樣

由采樣引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度umic按式（8）計算，測量和計算結(jié)果見表6。

式中：

NM ——傳聲器位置數(shù)。對于本次測試，NM=8;

L'pav ——L'pi? （ST ）測量值的算術(shù)平均值。

3.3.9 角度

在反射平面上自由聲場的半球測量面，典型的標(biāo)準(zhǔn)偏差uangle為0.25 dB。靈敏系數(shù)cangle=10-0.1K2A 。K2A=4.12 dB，故cangle=0.4。

3.3.10 頻譜形狀

當(dāng)聲源沒有產(chǎn)生可聽有調(diào)聲時，可假設(shè)utone=0 dB。坐便器沖洗過程未產(chǎn)生可聽有調(diào)聲，故utone=0 dB。

3.3.11 σR0的確定

表7給出了估算σR0的各不確定度分量的相關(guān)參數(shù)。由于各不確定度分量的相關(guān)性可以忽略，故有：

根據(jù)式（9），

3.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度

4 各不確定度分量的相對貢獻(xiàn)

以各不確定度分量的ciui值占標(biāo)準(zhǔn)不確定度σtot的百分比，來表示各分量的相對貢獻(xiàn)。圖2使用柱狀圖表示了各分量的相對貢獻(xiàn)，可以看出，采樣引入的不確定度最大， 其次是環(huán)境噪聲修正和測試方法引入的不確定度， 聲級計、測量重復(fù)性以及測聲源運(yùn)行不穩(wěn)定及安裝條件引入的不確定度相對較小，其余參數(shù)對不確定度的貢獻(xiàn)非常小。

分析表6的測試結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，采用8個位置（4個主傳聲器位置加4個附加傳聲器位置）進(jìn)行測試時，umic為1.5 dB，如只在4個主傳聲器位置（4#位、5#位、6#位、10#位）進(jìn)行測試，umic為2.5 dB，不確定度顯著增加。由于坐便器的沖洗噪聲有明顯的指向性，其上方的噪聲輻射顯著，因此，采用半球測量面（單反射面）進(jìn)行坐便器沖洗噪聲測試時，至少要采用8個傳聲器位置進(jìn)行測試，才能保證測試精度;必要時，還需根據(jù)ISO 3744的規(guī)定，在噪聲高輻射區(qū)域的測量面上安排附加的傳聲器，以進(jìn)一步降低測量不確定度。

環(huán)境噪聲修正對不確定度的貢獻(xiàn)僅次于采樣。K2A越小，環(huán)境噪聲修正值引入的測量不確定度uK2A越小。雖然降低K2A值同時會導(dǎo)致角度誤差的靈敏系數(shù)cangle增加，但即使是在K2A為0 dB的極端情況下，cangle為1，cangleuangle為0.25 dB，角度對不確定度的貢獻(xiàn)依然很小。總體而言，對于半球測量面，降低K2A，有利于提高測試精度。增大的測試空間、在測試室的頂棚和墻壁使用吸音材料的方法，增加房間的吸聲量，可以降低K2A，提高測試精度。

5 結(jié) 語

在全沖模式、無蓋板、進(jìn)水壓力0.14 MPa（靜壓力）下，采用半球測量面（單反射面）測得的坐便器沖洗噪聲聲功率級LWA為58.8 dB，方法復(fù)現(xiàn)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為1.95 dB，安裝及運(yùn)行條件不穩(wěn)定引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.28 dB，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度2.2 dB，擴(kuò)展不確定度4.4 dB（k=2）。

在各不確定度分量中，采樣引入的不確定度最大， 其次是環(huán)境噪聲修正和測試方法引入的不確定度， 聲級計、測量重復(fù)性以及測聲源運(yùn)行不穩(wěn)定及安裝條件引入的不確定度相較小。因此，采用半球測量面（單反射面）進(jìn)行坐便器沖洗噪聲測試時，至少要采用8個傳聲器位置進(jìn)行測試，才能保證測試精度，此外，增加測試環(huán)境的吸聲量也有利于測試精度的提高。

參考文獻(xiàn)

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