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1、引言

目前聲學(xué)材料的吸聲系數(shù)測量方法主要有2種：駐波管法和混響室法。駐波管方法有較多分支，主要分為單傳聲器駐波比法和雙傳聲器的傳遞函數(shù)法。這2種方法可以較為準(zhǔn)確地測量聲波垂直入射情況下的吸聲系數(shù)。

駐波管法測量步驟繁瑣， 要求將材料按照一定規(guī)格準(zhǔn)確切割，將被測材料放入駐波管中進(jìn)行測量。由于材料和管壁之間不能準(zhǔn)確吻合，使測量結(jié)果存在一定誤差，并且該方法只能測量垂直入射的情況，實驗室環(huán)境下測量得到的結(jié)果并不能完全反映吸聲材料在現(xiàn)場實際使用中的吸聲性能。

混響室法需要在體積較大的混響室內(nèi)進(jìn)行，一般要求試件面積在10～12m2，聲源設(shè)備為無指向性揚聲器或揚聲器組，在測量低頻時還需要變換揚聲器位置。混響室方法能夠測量吸聲材料在擴散場中的性能，較為接近實際使用時的情況。但由于混響室本身的限制，使該方法無法大規(guī)模應(yīng)用，測量周期也較長。

如何準(zhǔn)確地現(xiàn)場測量材料的吸聲系數(shù)已成為聲學(xué)工程中的一個重要問題。自20世紀(jì)70年代以來，由Allard 等提出的反射法得到了很好的發(fā)展， 能夠在一定程度滿足實際中的要求。

2、Allard 雙傳聲器阻抗法

自由場情況下測量吸聲系數(shù)，最為著名的方法是Allard的雙傳聲器方法。通過測量吸聲材料表面的聲阻抗率來估計吸聲系數(shù)，具體的實驗設(shè)置如圖1所示。

其中，R 為揚聲器與被測材料之間的距離，M1和M2代表2個傳聲器，△r為2個傳聲器之間的距離，d為傳聲器中點M點與被測材料之間的距離。M點處的聲壓可近似表示為p=（p1+p2）/2。

質(zhì)點速度可以表示為

v=（p2-p1）/jωρ△r （1）

M點處的法向聲阻抗率為

其中H（ω）=p2/p1，易得材料表面的法向聲阻抗率為

可得反射系數(shù)為r=（Z-1）/（Z+1），吸聲系數(shù)為α=1- r 2。

該方法原理簡單清晰，實驗設(shè)置簡單。但是由于激勵聲源揚聲器的限制，主要存在兩方面的問題：無法產(chǎn)生準(zhǔn)確的平面波，需要增大揚聲器和被測材料的距離來近似得到平面波，或者在模型中引入球面波來進(jìn)行計算，由此引入新的誤差；對測量環(huán)境有較高的要求，只能在消聲室或者空間較大的環(huán)境下對面積較大的材料進(jìn)行測量。當(dāng)測量環(huán)境空間較小時，吸聲材料以外其他壁面的反射聲對結(jié)果有較大的干擾，嚴(yán)重影響該方法的普及應(yīng)用。

3、PU 矢量探頭法

PU探頭是由Microflown 公司于20 世紀(jì)90年代發(fā)明的，通過測量2根距離30 μm的鉑金絲之間的溫度差來得到測試位置的聲壓和質(zhì)點速度，如圖2所示。

將探頭放置于距離被測材料表面為d 處的M點，探頭與聲源距離為R1，與由吸聲材料表面反射的虛源距離為R2，由測量得到M 點的聲壓和質(zhì)點速度，由此求得該點的聲阻抗率ZM，反射系數(shù)為

該方法簡單方便，能夠快速測量吸聲系數(shù)。但由于PU探頭的限制還有以下幾個方面的問題：PU探頭目前還沒有大規(guī)模應(yīng)用，價格昂貴，且每次使用之前還需要進(jìn)行標(biāo)定，通用性有待進(jìn)一步加強；該方法仍使用通常的揚聲器作為聲源，受測試環(huán)境影響較大。

4、參量陣揚聲器法

南安普敦大學(xué)的Humphrey最早將參量陣引入到吸聲系數(shù)的水下測量中，用以解決聲源發(fā)射的限制問題。在高壓消聲水箱中，通過使用參量陣來測量材料在水下不同環(huán)境及深度下的吸聲系數(shù)， 極大簡化了原有的測試系統(tǒng)。

中科院聲學(xué)所通信聲學(xué)實驗室將其系統(tǒng)加以改進(jìn)，引入到空氣中吸聲系數(shù)的測量中。使用參量陣非線性自解調(diào)可聽聲，利用其高指向性和在參量陣陣長距離內(nèi)按平面波進(jìn)行傳播的特性，結(jié)合雙傳聲器傳遞函數(shù)法，將傳聲器靠近被測材料的表面放置，使用線性掃頻激勵信號，快速測量吸聲系數(shù)，降低了不同環(huán)境對測試結(jié)果的影響。實驗設(shè)置及原理如圖3所示。

圖3中，p1為傳聲器1 處的聲壓，p2為傳聲器2處的聲壓，d為2個傳聲器之間的距離，l為傳聲器2與被測材料的距離。假設(shè)Pin為入射聲波，Pre為反射聲波，則傳聲器1處的聲壓可表示為

p1=Pinejk（d+l）+Pree-jk（d+l）（5）

傳聲器2處的聲壓可表示為

p2=Pinejkl+Pree-jkl（6）

入射波從傳聲器1到傳聲器2的傳遞函數(shù)為

Hin=e-jkd （7）

反射波從傳聲器1 到傳聲器2 的傳遞函數(shù)為Hre=ejkd。

將式（5）和式（6）代入下式，則兩個傳聲器的傳遞函數(shù)為

由式（8）可求得反射系數(shù)為

該方法對測量對象要求低， 可對小尺寸的材料進(jìn)行測量。且抗干擾能力強，可在較小房間內(nèi)復(fù)雜的聲環(huán)境下進(jìn)行測量。在不同環(huán)境下測量所得結(jié)果的相對誤差基本在5%以下，有較高的穩(wěn)定性。但由于參量陣揚聲器的限制，該方法對于500 Hz 以下低頻范圍的測量無法準(zhǔn)確完成，這也是目前存在的主要問題，需要進(jìn)一步研究。

5 小結(jié)

介紹了3種現(xiàn)場測量吸聲系數(shù)的方法，對各方法的基本原理和實驗步驟進(jìn)行了比較分析，并對各種方法的優(yōu)缺點進(jìn)行了概括。Allard 的方法最為簡單，實驗設(shè)備要求低，但是結(jié)果受環(huán)境影響較大；PU探頭方法測量結(jié)果較好，但受到探頭的制約，需要換能單元進(jìn)一步發(fā)展，降低成本，提高可靠性和易用性；參量陣揚聲器方法受被測材料大小和環(huán)境影響小，但是由于發(fā)聲單元的限制，對低頻的測量還需要進(jìn)一步研究。