何鹭凤

（厦门嘉达声学技术有限公司，福建 厦门 361009）

消声室的尖劈吸声结构与自由场

何鹭凤

（厦门嘉达声学技术有限公司，福建 厦门 361009）

消声室的吸声结构对自由声场的形成至关重要。文章对目前消声室普遍使用的尖劈吸声结构的长度、平头设置、填充的吸声材料、护面层对吸声特性以及自由声场的影响进行了讨论。

消声室；尖劈吸声结构；平头尖劈；自由声场半径

为了准确地测量出声源的特性，应该把声源放在一个没有干扰的理想空间中。在这个空间中，传播声波的介质均匀地向各个方向无限延伸，使声源辐射的声波能“自由”地传播，既无障碍物的反射，也无环境噪声的干扰，这样的空间，称为“自由声场”。

由于消声室的空间容积有限，通过在消声室界面设置强吸声材料，吸收入射声波，形成局部无反射的空间，该空间即所谓的自由场空间。由于点声源的声波是以球形波的形式传播，在传播过程中球形波的任何反射都将破坏该自由场，所谓的自由场半径指的是在此半径内没有任何的反射存在。自由场半径是用于衡量自由场空间大小的指标。

1 尖劈吸声结构分析

1.1 尖劈状吸声结构

尖劈状吸声结构是一种用于消声室的特殊吸声结构。通常可分为尖部和基部两部分。安装时在尖壁和壁面之间留有空气层。其结构是用直径3.2～3.5mm的钢丝制成一定形状和尺寸的骨架，外面套上玻纤布、塑料窗纱等罩面材料，里面装以多孔材料，如玻璃棉毡、玻璃纤维、矿渣棉、泡沫塑料等。

由于尖劈吸声结构有多个吸声表面。在投影面积相同的情况下，有效的吸声面积＞2倍，加上声波的衍射作用，大大提高了有效吸声面积。即使吸声材料的中高频吸声系数较低，也容易满足中高频有效吸声系数≥0.99的要求。尖劈吸声系统从顶部到底部逐渐增大的结构，

在满足较大的吸声面积的同时实现了与空气阻抗的匹配（即逐渐过渡理论），从而满足对低频的有效吸收。

一般认为，当吸声材料出现在声波波峰位置（1/4波长）的时候，将会出现最大的吸收率（≥0.99%）。尖劈的声学特性常用声压反射系数表示，反射系数≤0.1时（吸声系数≥0.99）所对应的最低频率，称为截止频率。

1.2 尖劈长度对吸声特性的影响

尖劈吸声结构的吸声特性主要取决于尖劈的长度和形状，尖劈的长度L决定了截止频率，通常尖劈的长度不小于对应截止频率的1/4波长；尖劈尖部（即L1部分）越长，尖劈低频吸声性能越好；尖劈基部（即L2部分）主要对低频（小于200Hz）的吸收起很大影响，对高频吸收则很小；尖劈背后留有空腔，相当于增加尖劈长度，可调整共振频率，提高低频吸收特性，一般取尖劈总长度的5%～25%。

1.3 填充材料对吸声特性的影响

改变材料的容重可以间接控制材料内部微孔尺寸。一般来讲，多孔吸声材料容重的适当增加，意味着微孔的减少，能使低频吸声效果有所提高，但中高频吸声性能却可能下降。由于尖劈吸声结构的中高频吸声性能比较容易满足，所以，适当增加填充材料的容重，在不影响中高频吸声性能的前提下，可以进一步提高低频吸声效果。

1.4 护面材料对吸声特性的影响

1.4.1 纤维织物面层材料

纤维织物层也是吸声材料，当纤维织物面层的流阻较低时，可以提高中高频吸声性能。同时，基本上对吸声特性不构成影响。但同时存在纤维织物的防火等级较低，容易滞留灰尘，不利于保持尖劈吸声结构的整洁美观的不足。

1.4.2 耐候薄膜面层材料

耐候薄膜具不透气、柔软、受张拉时有弹性等材料作为护面材料，具有防止多孔吸声散落的功能。但相当于在材料表面上加了一层高流阻的材料，将会影响材料的中高频吸声特性。同时，具有一定的低频共振吸声作用。程度与薄膜的厚度密切相关，厚度越大影响越大。当耐候薄膜厚度≤0.01mm时，则对吸声特性影响不大。

1.4.3 穿孔板面层材料

一般认为穿孔板的穿孔率＞25%时，对多孔材料起保护支撑和装饰作用，对多孔吸声材料的吸声性能基本不影响；穿孔率＜20%时，它仍然具有声阻和吸声质量，由于高频声波的绕射作用较弱，因此高频吸声效果会受到一定影响。同时，具有一定的低频共振吸声作用；穿孔率＜10%时，会降低高频段吸声性能，提高低频段吸声性能，具有低频共振吸声作用。

2 平头尖劈的讨论

采用平头尖劈的设计，由于可以增加消声室的室内有效空间，在工程实践上应用非常广泛。

2.1 平头尖劈的影响

一般认为将尖劈被切成平头，对低频吸声影响较小，对中高频稍有影响。将尖劈尖部切去一段（尖部长度的5%～20%），变成平尖头，截止频率以上的反射系数仍不超过0.1，对吸声效果的影响不是很大。当然，如果切掉的部分超过20%，反射系数就可能超过0.1。

2.2 尖劈吸声结构的安装方式

目前的消声室，一般设置成立方体结构。在四面墙体及顶棚、地面平行均满铺装尖劈吸声结构。尖劈吸声结构的尖部垂直于安装面。在消声室中测量时，无论声源的位置位于消声室的某位置，声源发射的声波相对于绝大多数尖劈吸声结构而言，并非处于正入射状态。

2.3 问题的提出

声波的斜射状态对理想的尖劈结构声阻逐渐加大的设想是否产生影响。斜射状态的尖劈吸声结构与正入射状态下的吸声效果是否有所差异。

相比尖劈的平头设置，部分尖劈的劈峰侧面正对着声源，反射面远大于尖劈的平头。如果该反射系数≥0.1时，是否会更多地影响到自由声场范围的允许误差，影响到消声室自由声场的检测精度。如果均不影响，是否系因为尖劈状吸声结构的多个吸声面（有效吸声面积＞2）共同作用的结果。如是，可否理解为有效吸声面积的作用大于吸声结构造型。

3 关于自由场半径

3.1 自由场

自由场是指声波在无限大空间里传播时，不存在任何反射体和反射面。消声室的六个界面全铺吸声材料的，称为全消室。消声室的六个界面中有五个面铺吸声材料的，称为半消室。由于消声室的空间容积有限，通过在消声室界面设置强吸声材料，吸收入射声波，形成局部无反射的空间，该空间即所谓的自由场空间。由于点声源的声波是以球形波的形式传播，在传播过程中球形波的任何反射都将破坏该自由场，所谓的自由场半径指的是在此半径内没有任何的反射存在。消声室的主要功能是为声学测试提供一个自由场空间或半自由场空间。

3.2 自由场半径的确定

自由场半径是用于衡量自由场大小的指标，自由场半径取决于反射声波的影响。在理想状态下，消声室内尖劈结构的劈峰均正对着声源方向，尖劈结构反射系数≤0.1时，声源中心点到尖劈劈峰的距离应是自由场半径。

3.3 影响自由场半径的主要因素

由于安装方式的局限，绝大部分尖劈结构是以各种角度的反射面正对着声源方向，尖劈结构的反射面并未完全吸收入射声波，形成反射的影响。因此，自由场半径应从声源中心点到离尖劈结构反射面有一定距离，反射面对声源的入射声波的吸收越接近100%，自由场半径越接近从声源中心点到最近尖劈结构的距离。

附属设施、灯具、控制面板的反射声波也会对自由场半径产生影响。自由场半径受消声室相对最小的二个界面的制约。当声源的等效声中心或接收器高出地面较多时，声反射的影响使声场严重偏离自由场，这种现象在频率高时更为显著，因此半消声室存在高频限。

3.4 相关表述

关于“自由场半径应从声源中心点到离尖劈1m的距离”的表述，系业内的一种参考值的一般说法，并非准确的科学表述。应当有个值域范围，该值域范围与消声室结构，尖劈结构的造型，反射面的吸声系数，总有效吸声面积比例密切相关。最终的自由场半径应以检测数据为准。

4 结语

消声室不仅是声学测试的一个特殊实验室，而且是测试系统的重要组成部分，实际上也是声学测试设备之一，其声学性能指标直接影响测试的精度。消声室吸声层的设计在很大程度上对于消声室的自由声场性能起着决定性的作用。

[1]孙广荣，胡春年，吴启学.消声室和混响室的声学设计原理[M].北京：科学出版社，1981.

[2]宋继萍.多孔材料背后空腔与低频吸声效果讨论[J].噪声与振动控制，2015（12）SI.

Wedge Noise Absorber and Free Field of Anechoic Chamber

HE Lu-feng
(Xiamen Jiada Acoustic Technology Co., Ltd, Fujian Xiamen 361009, China)

The noise absorber of anechoic chamber is very important to the form of free sound field. The paper discusses the length, tack setup, filling noise absorption, noise absorption characteristic of shield layer and the effect of free sound field on wedge noise absorber used in the anechoic chamber.

anechoic chamber; wedge noise absorber; tack wedge; semi-diameter of free sound field

TB53

A

1006-5377（2017）06-0068-03