吸聲尖劈高頻聲學特性比較評價法

高申平，張小改，吳德林，余崇皓，陳 儉，俞醒言

(1.浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310013; 2.浙江省聲學振動精密測量技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310013)

0 引 言

隨著科技的發展，人們對聲學方面（如電聲、建筑聲、超聲、聽力等）的要求，對家用電器噪聲安靜程度的要求，對歌劇院、電影院、音樂廳等聲樂效果的要求等日益提高。針對電聲產品聲品質進行研究、評價均須在消聲室或者半消聲室內進行。目前國內消聲室、半消聲室、消聲箱的建造數量日益增多，而吸聲尖劈作為消聲室的吸聲主體，其聲學特性對消聲室整體聲學性能起到至關重要的作用[1]。

吸聲尖劈的聲學性能直接影響并反映在消聲室自由聲場空間范圍參數結果上。駐波比法和傳遞函數法是對吸聲尖劈聲學特性評價的兩種常用方法[2]。駐波比法在幾十赫茲到幾百赫茲頻率下能夠準確評價吸聲尖劈的聲學性能，然而隨著信號頻率繼續增加、信號波長變短，駐波比法測量誤差增大。傳遞函數法是使用雙傳聲器進行測量，將被測樣品裝在一個平直、剛性、氣密的阻抗管的一端，檢測樣品兩個位置的聲壓級，求得兩個傳聲器信號的聲傳遞函數，頻率范圍取決于管徑大小和傳聲器布置的位置[3]。消聲室建設的吸聲尖劈尺寸、填充材料含量、填充方式等差別較大，傳遞函數法無法準確評價吸聲尖劈整體的聲學特性。

本文提出一種自由聲場空間范圍比較評價吸聲尖劈高頻特性的方法（以下簡稱“比較評價法”），在消聲室環境中，定義當前自由聲場空間范圍值為參考值，將被校吸聲尖劈替換消聲室內足夠面積的原尖劈，測量替換尖劈后軸向的自由聲場空間范圍并與參考值進行比較，若自由場空間范圍變大，則表明被校吸聲尖劈聲學性能較原吸聲尖劈性能好，反之則差。通過這種方式評價吸聲尖劈的聲學性能，不僅適用頻率范圍更寬，而且無尺寸、填充類型和材料的限制。

1 測量原理

比較評價法需要對自由聲場空間范圍進行準確的測量。若完全按照JJF 1147-2006中給出的自由聲場空間范圍計算公式得出理論曲線和測量曲線，存在“遠端對齊”[4]現象。故本文采用ISO 26101-2012[5]中評價自由場的方法計算聲場范圍[6]，避免了“遠端對齊”引起的偏差，使計算得到的聲場范圍更加準確。

1.1 反平方律聲壓級的計算

對每一傳聲器路徑的每一個測量頻率，按照以下公式計算反平方律聲壓級Lp：

式中:Lp(ri)——距離r處的反平方律聲壓級，dB；

Lpi——第i個測量點的聲壓級，dB；

r0——參考距離，r0=1m；

ri——聲源假定聲中心到測量點的距離，m；

N——沿每個傳聲器路徑的測量點的數目。

1.2 與反平方律聲壓級的偏差[7]

所有測量位置上的聲壓級Lpi與根據反平方律估計的對應聲壓級Lp之間的偏差ΔLpi由下式確定：

記錄聲壓級對距離的連續曲線，代入式（2）計算偏差，比較理論曲線與測量曲線以確定偏差，從而確定被校消聲室的自由場空間范圍。

2 方法驗證

通過實驗驗證比較評價法的可行性。

待測樣品為B型紗網尖劈，由1.2 mm厚穿孔率30%的穿孔板覆蓋A型紗網尖劈構成，結構示意如圖1所示。

圖1 A型與B型尖劈結構示意圖

B型紗網尖劈的聲學性能通過駐波比法得到的結果與A型紗網尖劈基本一致，無法有效評價區分兩款尖劈的高頻聲學性能。

在已知自由場空間范圍的消聲室內，實驗消聲室凈空尺寸為10.1 m×9.8 m×5.2 m（長×寬×高），自由場范圍的截止頻率100 Hz，采用的尖劈為A型紗網尖劈，該尖劈底座橫截尺寸600 mm×600 mm，尖劈長度850 mm，后空腔長度250 mm。將全消聲室一面墻體中心部分2.4 m×2.4 m的尖劈拆下換上被測B型紗網尖劈。

實驗信號源使用十二面體聲源和寬頻同軸聲源，頻率分別為20 Hz~20 kHz和10~50 kHz。聲源置于全消聲室內中心位置離地網高度2.0 m處，測量傳聲器正對聲源，測量路徑從距離聲源1 m處開始至4 m處結束，總測試距離為3 m，測量方式為點測，每測點的距離間隔為0.1 m，共計31個測點，測試路徑地網鋪滿吸聲材料。圖2為室內測量示意圖。

多次重復測量，得到各點處聲壓級并計算得到自由聲場空間范圍，結果表明：在頻率低于10 kHz情況下，A型紗網尖劈與B型紗網尖劈得到的自由場空間范圍一樣；隨著頻率增加，兩種吸聲尖劈的性能出現顯著的差別。

圖2 室內測量示意圖

在進行高頻自由聲場偏差計算時，考慮聲衰減因素。依據JJF 1147-2006附錄B中給出的空氣對聲波吸收的計算公式，計算在當前頻率、溫度、濕度和大氣壓情況下的聲衰減系數[8]，對實際聲壓級測量值進行聲衰減補償。

以20 kHz和50 kHz信號為例，A型和B型尖劈聲壓級隨距離變化曲線及反平方律聲壓級理論值曲線如圖3、圖4所示。

圖3 20 kHz時A型和B型尖劈聲壓級隨距離變化曲線及反平方律聲壓級理論值曲線

對比A型和B型尖劈測量結果表明：在高頻段B型紗網尖劈的自由聲場空間范圍小于A型紗網尖劈的自由場空間范圍，說明A型紗網尖劈的高頻聲學性能優于B型紗網尖劈。比較評價法實現了對B型紗網尖劈的聲學性能評價。

3 實驗影響因素研究

比較評價法實現了吸聲尖劈的高頻聲學特性評價，然而如何準確測量室內的聲壓級，直接影響比較評價法的準確性，本節設計實驗對影響測量的因素進行優化研究。

圖4 50 kHz時A型和B型尖劈聲壓級隨距離變化曲線及反平方律聲壓級理論值曲線

3.1 聲衰減是否影響自由聲場空間范圍測量

在傳統消聲室的校準過程，理論自由聲場聲壓級的計算模型中只包含了聲音隨聲源距離的衰減量，未考慮空氣吸收對聲壓級產生的影響。實際上，由于空氣吸收的影響，當聲波在空氣介質中自由傳播時，除了聲壓與距離成反比關系衰減外，還因空氣的吸收而隨距離衰減，空氣吸收的大小與大氣壓力、溫度、相對濕度、頻率有關[9]。因此有必要研究高頻聲衰減是否影響自由場空間范圍測量。

對樣品A型紗網尖劈實際測量數據進行空氣吸收的修正，修正前后（20~50 kHz）的結果對比如圖5所示。由圖可知，在頻率20 kHz以下時，修正對結果影響較小；在高于20 kHz頻率時，必須對測量聲壓級數據進行空氣吸收的修正，以獲得更加準確的自由場空間范圍測量結果。

3.2 全消聲室地網是否影響聲壓級測量

全消聲室地網，一方面具有足夠的強度和剛度，以保安全；另一方面不允許地網聲反射影響聲場特性[10]。然而在進行高頻（20~50 kHz）性能測試時，全消聲室地網是否影響聲壓級測量結果未得到驗證，本節針對地網影響進行研究。

實驗使用純音信號，頻率范圍1~50 kHz，分別測量地網鋪滿吸聲材料與不鋪吸聲材料兩種情況下各點處聲壓級，得到測量結果分別為kA(f,d)和kB(f,d)，其中f為頻率點（Hz），d為測點數（個）。

地網鋪滿吸聲材料與不鋪吸聲材料的聲壓級，在相同頻率點的差值Δk=kA-kB，各頻點下聲壓級差的最大值結果如表1所示。并單獨給出25~50 kHz頻率下，各處聲壓級差曲線圖，如圖6所示。

通過表1和圖6各頻點的聲壓級測量結果可得：在低于20 kHz頻率的聲壓級測量，差值小于1 dB，在允許誤差范圍內，說明低于20 kHz頻率聲壓級測量受地網的影響較?。欢哂?0 kHz頻率時各測點聲壓級差值較大，最大差值5 dB，表明高于20 kHz頻率聲壓級測量受地網影響較大。

測量地網鋪滿吸聲材料與不鋪吸聲材料情況下自由聲場空間范圍從而確定是否需要對地網進行吸聲處理。測量結果圖7所示，在25 kHz頻率下，地網不鋪吸聲材料測量得到的自由場空間范圍小于鋪滿吸聲材料時的測量結果，說明地網鋪滿吸聲材料時測量聲壓級和自由場空間范圍的結果更加準確。

因此，在進行20 kHz以上吸聲尖劈高頻聲學性能評價時，需要對地網進行一定的吸聲處理，以獲得更準確的聲壓測量結果。

3.3 傳聲器測量方向是否影響聲壓級測量

JJF 1147-2006中對測量傳聲器的要求，應滿足IEC 61094-4中WS2F或WS2D型的要求，但是并未提及傳聲器[11]在聲壓級測量過程中的方向。

圖5 修正前后聲壓級隨距離變化曲線及反平方律聲壓級理論值曲線（20~50 kHz）

傳聲器的靈敏度一般指聲信號正入到傳聲器膜片時的靈敏度，但是在高頻情況下，傳聲器指向性比較明顯[12]，本節對傳聲器的朝向進行研究，以探究傳聲器的指向對實驗的影響。

實驗使用純音信號，測量A型紗網尖劈。傳聲器正對聲源和傳聲器正對尖劈的兩種布放形式，比較16 kHz和20 kHz兩個信號頻率，其實際測量的聲壓級曲線如圖8所示。

圖6 鋪滿吸聲材料與不鋪吸聲材料各測點聲壓級差（25~50 kHz）

圖7 25 kHz鋪滿吸聲材料與不鋪吸聲材料聲壓級隨距離變化曲線及反平方律聲壓級理論值曲線

圖8 16 kHz和20 kHz聲壓級隨距離變化曲線及反平方律聲壓級理論值曲線（A型紗網尖劈）

通過多次重復實驗得到結論：在低于20 kHz頻率下傳聲器的朝向對測試結果影響較小，反而傳聲器朝向尖劈得到的聲壓級測量結果波動較大，而傳聲器朝向聲源測量得到的聲壓級更加平滑。

在20 kHz以上，以50 kHz頻率測量為例，傳聲器正對聲源和傳聲器正對尖劈的兩種布放形式其測量結果，如圖9所示。

圖9 50 kHz聲壓級隨距離變化曲線及反平方律聲壓級理論值曲線（A型紗網尖劈）

通過多次重復實驗得到結論：在高于20 kHz頻率時，傳聲器的朝向對測量結果有較大的影響，傳聲器朝向聲源測量結果更為準確。

因此，在利用自由場空間范圍方法評價吸聲尖劈聲學特性時，傳聲器應正對聲源，能夠更加準確的對聲壓級進行測量。

4 結束語

本文提出通過自由聲場空間范圍比較評價吸聲尖劈高頻聲學特性，實驗驗證了方法的有效性。同時對實驗的影響因素進行優化分析。

該方法存在的不足之處，并非對尖劈的高頻性能進行直接測量或者定量的評價，但是該方法操作原理簡單，實現了對不同尺寸尖劈、不同類型吸聲尖劈高頻聲學性能的定性評價，具有一定的實用價值。