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無規(guī)入射吸聲系數(shù)用αs表示，采用混響室法測(cè)量。該方法測(cè)試系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，首先要有一間體積大于200m³的混響室，所需的試件面積一般在10~14m²左右（依據(jù)混響室的體積確定）。由于聲波在房間內(nèi)大多是無規(guī)入射到物體及室內(nèi)表面，所以無規(guī)入射的吸聲系數(shù)更加符合實(shí)際聲場(chǎng)條件。在聲學(xué)工程的設(shè)計(jì)計(jì)算中，如廳堂音質(zhì)混響時(shí)間的計(jì)算、噪聲控制工程的吸聲降噪計(jì)算，都應(yīng)采用混響室法的吸聲系數(shù)。無規(guī)入射吸聲系數(shù)還用于材料吸聲性能的等級(jí)評(píng)定，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定以混響室法吸聲系數(shù)作為劃分依據(jù)。

 

混響室法吸聲系數(shù)測(cè)量的詳細(xì)過程和要求由以下的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出：

GB/T 20247-2006 聲學(xué)  混響室吸聲測(cè)量。(eqv. ISO 354，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C 423)

 

1、混響室法無規(guī)入射吸聲系數(shù)測(cè)量原理

根據(jù)室內(nèi)聲學(xué)的基本原理，在房間的幾何尺寸確定（即體積和內(nèi)表面積），房間的混響時(shí)間與房間內(nèi)的吸聲材料的吸聲量（材料面積S與吸聲系數(shù)αs的乘積）有關(guān)。因此，通過測(cè)量在混響室內(nèi)放入被測(cè)材料前后的混響時(shí)間，就能計(jì)算出被測(cè)材料的吸聲系數(shù)αs，計(jì)算根據(jù)下式進(jìn)行：

式中：V  為空?qǐng)觯椿祉懯覂?nèi)未放置被測(cè)材料）時(shí)混響室體積，m³；c 為混響室內(nèi)聲波在空氣中的傳播速度，m/s；T1 為空?qǐng)鰰r(shí)混響室內(nèi)的混響時(shí)間，s；T2 為放入被測(cè)材料后混響室內(nèi)的混響時(shí)間，s；S 為被測(cè)材料的面積，m²；m1 為空?qǐng)龌祉懯覘l件下的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，m-1；m2 為放入被測(cè)材料后混響室條件下的聲強(qiáng)衰減系數(shù)，m-1。

圖1 混響室法吸聲系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)圖

 

2、測(cè)量混響室的要求

 

 

混響室體積：

在ISO 354 和GB/T20247中對(duì)混響室的體積作出明確的規(guī)定，要求混響室的容積不小于150m³，新建混響室的容積不小于200m³?；祉懯殷w積直接影響了混響室在低頻聲場(chǎng)的均勻度和擴(kuò)散性能，想要在低頻段獲得更加好的測(cè)量準(zhǔn)確性，必須有更加大的混響室體積。但由于高頻空氣聲吸收的影響，混響室體積的增大也意味著高頻測(cè)量的準(zhǔn)確性的降低，這種降低主要來自于2個(gè)方面：

 

高頻混響時(shí)間較短（如很多實(shí)驗(yàn)室在8000Hz空?qǐng)龌祉憰r(shí)間在2s以下），混響時(shí)間的測(cè)量誤差引起根據(jù)上式計(jì)算的吸聲系數(shù)的誤差增大；

 

大空間中長(zhǎng)距離聲傳播使得高頻空氣吸聲衰減隨溫濕度變化特征非常明顯，即混響室中放置吸聲材料前后很小的溫濕度改變，都會(huì)引起混響時(shí)間的變化，從而導(dǎo)致吸聲系數(shù)計(jì)算結(jié)果的顯著誤差。

 

因此標(biāo)準(zhǔn)中明確提出“容積超過500m³的混響室可能由于空氣吸聲而不能準(zhǔn)確測(cè)量出高頻段的吸聲”。

 

混響室空?qǐng)龌祉憰r(shí)間：

在ISO 354 和GB/T20247中給出了混響室空?qǐng)鑫暳康纳舷拗担ㄏ喈?dāng)于空?qǐng)龌祉憰r(shí)間的下限值），下表中給出了體積為200mm³和300m³混響室的混響時(shí)間下限值。

 

根據(jù)混響室吸聲性能測(cè)量的原理，在混響室內(nèi)放入被測(cè)試件后，混響室仍應(yīng)滿足近似擴(kuò)散場(chǎng)的要求，此時(shí)上式所表達(dá)的房間內(nèi)吸聲與混響時(shí)間之間的關(guān)系才適用。因此，在混響時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)，空?qǐng)龌祉憰r(shí)間應(yīng)盡可能比上表的混響時(shí)間長(zhǎng)，以確保在測(cè)量高吸聲性能的材料時(shí)，獲得較好的測(cè)量準(zhǔn)確度。

 

3、混響室擴(kuò)散體的型式

為獲得混響室內(nèi)良好的聲場(chǎng)擴(kuò)散，標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定了“不論混響室的形狀如何，通常需要設(shè)置固定或懸掛的擴(kuò)散體或旋轉(zhuǎn)的擴(kuò)散體”。目前常見的混響室擴(kuò)散體的形式也是這三種，如德國(guó)弗勞恩霍夫建筑物理研究所 (IBP) 采用的是懸掛擴(kuò)散體的形式，并且通過外形尺寸的非規(guī)則性來激發(fā)房間內(nèi)更加多的模態(tài)。國(guó)內(nèi)建筑物理研究所新建的混響室完全采用了和IBP混響室相同的尺寸和設(shè)計(jì)。

圖2 德國(guó)IBP懸掛擴(kuò)散體

采用旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散體的混響室如南京大學(xué)混響室，以及IBM在日本大和研發(fā)中心的混響室。但由于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械耐久性等問題，采用旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散體方式的混響室相對(duì)較少。

 

針對(duì)ISO354標(biāo)準(zhǔn)修訂的一些研究工作，對(duì)比了采用懸掛擴(kuò)散體和采用體積擴(kuò)散體對(duì)室內(nèi)聲場(chǎng)擴(kuò)散性能的影響，下圖是研究中采用的模型。研究結(jié)果認(rèn)為采用體積擴(kuò)散體的方式可以在混響室內(nèi)獲得更加好的聲場(chǎng)擴(kuò)散性能。

圖3擴(kuò)散體對(duì)聲場(chǎng)擴(kuò)散性能影響研究模型

 

同濟(jì)大學(xué)1985年建成的混響室是全球第一個(gè)采用體積擴(kuò)散體的混響室，國(guó)內(nèi)近期建設(shè)的混響室有一些也是采用了體積擴(kuò)散體的設(shè)計(jì)，如長(zhǎng)安福特。

 

4、汽車工業(yè)中的混響箱(a-Cabin)

 

在汽車工業(yè)中，從節(jié)省研發(fā)成本的角度出發(fā)，常采用混響箱 (a-Cabin) 進(jìn)行無規(guī)入射吸聲系數(shù)的測(cè)量?；祉懴?(a-Cabin) 的單邊幾何尺寸一般為標(biāo)準(zhǔn)混響室的1/3，體積在標(biāo)準(zhǔn)混響室的1/30左右，測(cè)量材料的面積一般在1.2m²左右。有效測(cè)量頻率范圍在400Hz以上。該測(cè)量方法執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為：

 

SAE J2883-2015 Laboratory Measurement of Random Incidence Sound Absorption Tests Using a Small Reverberation Room

 

圖7中給出了25mm厚的玻璃棉在大混響室和混響箱內(nèi)的測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，可以看出，雖然混響箱的測(cè)試下限頻率為400Hz，但由于在低頻聲場(chǎng)擴(kuò)散性的影響，在400~1600Hz的頻率范圍內(nèi)的測(cè)試結(jié)果將和標(biāo)準(zhǔn)混響室內(nèi)的測(cè)試結(jié)果有一定的差異。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)混響室和混響箱測(cè)試結(jié)果的對(duì)比（25mm玻璃棉）

 

5、混響室測(cè)量中的”邊緣效應(yīng)”

 

混響室吸聲測(cè)量中，對(duì)高吸聲的材料常常會(huì)出現(xiàn)測(cè)量出的吸聲系數(shù)大于1的情況，這與吸聲系數(shù)的物理定義相違背。這種現(xiàn)象在混響室測(cè)量中被稱作“邊緣效應(yīng) (edge effect)”。邊緣效應(yīng)有時(shí)被認(rèn)為被測(cè)試件周邊沒有封閉引起的附加吸聲，這是完全錯(cuò)誤的理解。根據(jù)測(cè)量規(guī)范的要求，測(cè)量材料邊緣必須進(jìn)行剛性封閉，或者通過測(cè)試地面的下沉調(diào)節(jié)，使得材料完全鑲嵌在地板中（如中國(guó)建筑物理研究院的新混響室以及同濟(jì)大學(xué)的混響室），這時(shí)候仍然會(huì)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果大于1的情況。

 

引起邊緣效應(yīng)的主要原因?yàn)橐韵聨c(diǎn)：

 

由于聲波波長(zhǎng)關(guān)系，使得聲波的作用范圍擴(kuò)大，以至于計(jì)算中處于材料外的聲波，仍然會(huì)受到材料吸聲的影響，使得這部分聲波在反射時(shí)能量被衰減；

 

來自于材料邊緣的衍射影響，產(chǎn)生了附加吸聲；

 

材料邊緣處由于阻抗突變，使得原本應(yīng)入射到周圍地面的聲波，由于阻抗突變產(chǎn)生聲波彎曲，入射到了材料表面，引起附加吸聲。

 

由此可知，在混響室中材料布置長(zhǎng)寬尺寸的改變，將會(huì)影響被測(cè)材料的邊緣長(zhǎng)度，引起的邊緣效應(yīng)的影響也不同。所以在測(cè)量規(guī)范中規(guī)定了混響室測(cè)量中材料布放的長(zhǎng)寬比。

 

邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生，是由于在測(cè)試中采用的是有限尺寸的材料，而吸聲系數(shù)的定義是無限尺寸的材料。因此，也有一些學(xué)者研究如何通過有限尺寸材料的測(cè)試推出無限尺寸材料的吸聲性能5)。無限尺寸材料的吸聲系數(shù)才是材料吸聲性能的真值。

圖5 有限尺寸測(cè)量結(jié)果和無限尺寸吸聲系數(shù)真值

 

無規(guī)入射和法向入射吸聲系數(shù)的關(guān)系

 

根據(jù)理論計(jì)算，僅當(dāng)吸聲材料的聲阻值和聲抗值之有一定聯(lián)系時(shí)垂直（法向）入射吸聲系數(shù)α0 和無規(guī)入射吸聲系數(shù)αs 才可能有單值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在共振時(shí)聲抗等于零，垂直（法向）入射共振吸聲系數(shù)αr（即α0=αr）與無規(guī)入射吸聲系數(shù)αs 的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表或圖9所給出的曲線所示。當(dāng)相對(duì)聲阻抗r ≥ 1時(shí)，無規(guī)入射吸聲系數(shù)αs 一般要比垂直入射吸聲系數(shù)α0 大；反之，當(dāng)相對(duì)聲阻抗率r ≤1時(shí)，αs 值一般比α0 值小。

 

表 當(dāng)α0=αr時(shí)，α0與α0=αs的對(duì)應(yīng)值

圖6 垂直入射吸聲系數(shù)和無規(guī)入射吸聲系數(shù)的換算關(guān)系

 

參考文獻(xiàn)：

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[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)