吸声降噪技术：无规入射吸声性能的测量
来源：朗德科技公众号（ID：landtop-tech）
无规入射吸声系数用αs表示，采用混响室法测量。该方法测试系统相对复杂，首先要有一间体积大于200m³的混响室，所需的试件面积一般在10~14m²左右（依据混响室的体积确定）。由于声波在房间内大多是无规入射到物体及室内表面，所以无规入射的吸声系数更加符合实际声场条件。在声学工程的设计计算中，如厅堂音质混响时间的计算、噪声控制工程的吸声降噪计算，都应采用混响室法的吸声系数。无规入射吸声系数还用于材料吸声性能的等级评定，国家标准也规定以混响室法吸声系数作为划分依据。
混响室法吸声系数测量的详细过程和要求由以下的国家标准给出：
GB/T 20247-2006 声学 混响室吸声测量。(eqv. ISO 354，美国标准ASTM C 423)
根据室内声学的基本原理，在房间的几何尺寸确定（即体积和内表面积），房间的混响时间与房间内的吸声材料的吸声量（材料面积S与吸声系数αs的乘积）有关。因此，通过测量在混响室内放入被测材料前后的混响时间，就能计算出被测材料的吸声系数αs，计算根据下式进行：
式中：V 为空场（即混响室内未放置被测材料）时混响室体积，m³；c 为混响室内声波在空气中的传播速度，m/s；T1 为空场时混响室内的混响时间，s；T2 为放入被测材料后混响室内的混响时间，s；S 为被测材料的面积，m²；m1 为空场混响室条件下的声强衰减系数，m-1；m2 为放入被测材料后混响室条件下的声强衰减系数，m-1。
图1 混响室法吸声系数测量系统图
2测量混响室的要求
混响室体积：
在ISO 354 和GB/T20247中对混响室的体积作出明确的规定，要求混响室的容积不小于150m³，新建混响室的容积不小于200m³。混响室体积直接影响了混响室在低频声场的均匀度和扩散性能，想要在低频段获得更加好的测量准确性，必须有更加大的混响室体积。但由于高频空气声吸收的影响，混响室体积的增大也意味着高频测量的准确性的降低，这种降低主要来自于2个方面：
高频混响时间较短（如很多实验室在8000Hz空场混响时间在2s以下），混响时间的测量误差引起根据上式计算的吸声系数的误差增大；
大空间中长距离声传播使得高频空气吸声衰减随温湿度变化特征非常明显，即混响室中放置吸声材料前后很小的温湿度改变，都会引起混响时间的变化，从而导致吸声系数计算结果的显著误差。
因此标准中明确提出“容积超过500m³的混响室可能由于空气吸声而不能准确测量出高频段的吸声”。
混响室空场混响时间：
在ISO 354 和GB/T20247中给出了混响室空场吸声量的上限值（相当于空场混响时间的下限值），下表中给出了体积为200mm³和300m³混响室的混响时间下限值。
根据混响室吸声性能测量的原理，在混响室内放入被测试件后，混响室仍应满足近似扩散场的要求，此时上式所表达的房间内吸声与混响时间之间的关系才适用。因此，在混响时设计时，空场混响时间应尽可能比上表的混响时间长，以确保在测量高吸声性能的材料时，获得较好的测量准确度。
为获得混响室内良好的声场扩散，标准中明确规定了“不论混响室的形状如何，通常需要设置固定或悬挂的扩散体或旋转的扩散体”。目前常见的混响室扩散体的形式也是这三种，如德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所 (IBP) 采用的是悬挂扩散体的形式，并且通过外形尺寸的非规则性来激发房间内更加多的模态。国内建筑物理研究所新建的混响室完全采用了和IBP混响室相同的尺寸和设计。
图2 德国IBP悬挂扩散体
采用旋转扩散体的混响室如南京大学混响室，以及IBM在日本大和研发中心的混响室。但由于旋转机构的机械耐久性等问题，采用旋转扩散体方式的混响室相对较少。
图3 （左）南京大学混响室；（右）IBM日本大和研发中心混响室
针对ISO354标准修订的一些研究工作，对比了采用悬挂扩散体和采用体积扩散体对室内声场扩散性能的影响，下图是研究中采用的模型。研究结果认为采用体积扩散体的方式可以在混响室内获得更加好的声场扩散性能。
图4 扩散体对声场扩散性能影响研究模型
同济大学1985年建成的混响室是全球第一个采用体积扩散体的混响室，国内近期建设的混响室有一些也是采用了体积扩散体的设计，如长安福特（图6）。
图5 同济大学混响室
图6 长安福特混响室
在汽车工业中，从节省研发成本的角度出发，常采用混响箱 (a-Cabin) 进行无规入射吸声系数的测量。混响箱 (a-Cabin) 的单边几何尺寸一般为标准混响室的1/3，体积在标准混响室的1/30左右，测量材料的面积一般在1.2m²左右。有效测量频率范围在400Hz以上。该测量方法执行的标准为：
SAE J2883-2015 Laboratory Measurement of Random Incidence Sound Absorption Tests Using a Small Reverberation Room
图7中给出了25mm厚的玻璃棉在大混响室和混响箱内的测试结果的对比，可以看出，虽然混响箱的测试下限频率为400Hz，但由于在低频声场扩散性的影响，在400~1600Hz的频率范围内的测试结果将和标准混响室内的测试结果有一定的差异。
图7 标准混响室和混响箱测试结果的对比（25mm玻璃棉）
混响室吸声测量中，对高吸声的材料常常会出现测量出的吸声系数大于1的情况，这与吸声系数的物理定义相违背。这种现象在混响室测量中被称作“边缘效应 (edge effect)”。边缘效应有时被认为被测试件周边没有封闭引起的附加吸声，这是完全错误的理解。根据测量规范的要求，测量材料边缘必须进行刚性封闭，或者通过测试地面的下沉调节，使得材料完全镶嵌在地板中（如中国建筑物理研究院的新混响室以及同济大学的混响室），这时候仍然会出现测量结果大于1的情况。
引起边缘效应的主要原因为以下几点：
由于声波波长关系，使得声波的作用范围扩大，以至于计算中处于材料外的声波，仍然会受到材料吸声的影响，使得这部分声波在反射时能量被衰减；
来自于材料边缘的衍射影响，产生了附加吸声；
材料边缘处由于阻抗突变，使得原本应入射到周围地面的声波，由于阻抗突变产生声波弯曲，入射到了材料表面，引起附加吸声。
由此可知，在混响室中材料布置长宽尺寸的改变，将会影响被测材料的边缘长度，引起的边缘效应的影响也不同。所以在测量规范中规定了混响室测量中材料布放的长宽比。
边缘效应的产生，是由于在测试中采用的是有限尺寸的材料，而吸声系数的定义是无限尺寸的材料。因此，也有一些学者研究如何通过有限尺寸材料的测试推出无限尺寸材料的吸声性能5)。无限尺寸材料的吸声系数才是材料吸声性能的真值。
图8 有限尺寸测量结果和无限尺寸吸声系数真值
无规入射和法向入射吸声系数的关系
根据理论计算，仅当吸声材料的声阻值和声抗值之有一定联系时垂直（法向）入射吸声系数α0 和无规入射吸声系数αs 才可能有单值的对应关系。在共振时声抗等于零，垂直（法向）入射共振吸声系数αr（即α0=αr）与无规入射吸声系数αs 的对应关系如下表或图9所给出的曲线所示。当相对声阻抗r ≥ 1时，无规入射吸声系数αs 一般要比垂直入射吸声系数α0 大；反之，当相对声阻抗率r ≤1时，αs 值一般比α0 值小。
表 当α0=αr时，α0与α0=αs的对应值
图9 垂直入射吸声系数和无规入射吸声系数的换算关系
参考文献：
[1] M.L.S. Vercammen. Improving the accuracy of sound absorption measurement according to ISO 354. Proceedings of the International Symposium on Room Acoustics, ISRA 2010, 29-31 August 2010, Melbourne, Australia
[2] M.R. Lauternbach, M.L.S. Volume Diffusers in the Reverberation Room. Proceedings of 20th International Congress on Acoustics, ICA 2010, 23-27 August 2010, Sydney, Australia
[3] T. W. Bartel, “Effect of absorber geometry on apparent absorption coefficients as measured in a reverberation chamber”, J. Acoust. Soc. Am., 69(4), 1065–74 (1981).
[4] A. de Bruijn, The edge effect of sound absorbing materials “revisited”, NAG 2007
[5] Makita Y., Hidaka T. Comparison between reverberation and random incident sound absorption coefficients of a homogeneous and isotropic sound absorbing porous material. Acustica, 66, (1998)
