吴云 / 江苏省计量科学研究院

消声室自由场的鉴定

吴云 / 江苏省计量科学研究院

在声学理论知识及相关技术文件的基础上，全面阐述了消声室的鉴定过程，提出了一种有别于现行标准的新的消声室内自由声场理论声压级的计算方法。根据这一方法，对选取的全消声室进行了鉴定试验，给出了具体试验数据，并对结果中的不理想数据作出分析。

消声室；自由声场；声压级；下限频率；吸声

0 引言

GB/T 6882-2008 《声学 声压法测定噪声源声功率级 消声室和半消声室精密法》附录A和JJF 1147-2006《消声室和半消声室声学特性校准规范》是目前国内技术机构对消声室进行声学特性鉴定的主要技术依据。本质上，这两个技术法规都是对ISO标准ISO 3745-2003《Acoustics-Determination of sound power levels of noise sources using sound pressure-Precision methods for anechoic and hemianechoic rooms》的国内解读。消声室、半消声室的鉴定主要是对其背景噪声的测量和自由声场频率范围和空间范围的测量，其中，背景噪声的测量较为简单，主要是在用户所需要的工况下对消声室的内部噪声进行测量，在此不做进一步讨论。本文主要对消声室、半消声室的自由声场频率范围和空间范围测量进行阐述。涉及的主要测量装置如图1、图2所示。

图1 消声室自由声场频率范围和空间范围的测量装置

图2 半消声室自由声场频率范围和空间范围的测量装置

1 鉴定过程

鉴定过程主要是使传声器沿某一声源（对于消声室，一般要求声源假定的声中心尽可能位于房间的几何中心；对于半消声室，则尽可能使声源假定的声中心位于房间反射面的中心）至房间特定位置（如两面墙和天花板或底面的相交处）的路径移动，声源选择随机噪声或正弦信号输出，在相应频率范围内，测量在路径上各个测点的声压级（测点之间要求距离相等并间距不大于10 cm，每条路径上测点不小于10个）。

以上自由声场频率范围和空间范围的测量方法，其核心内容都是确定通过测量消声室声场内各点的声压级以确定声波在消声室内的传播是否符合自由场内的传播规律，但在理论声压级的计算上，国内相关标准采用的公式如式（1）所示。

式中：qi= 10-0.05Lpi；

Lpi——第i个测点的声压级；

ri——声源假定声中心到测量点的距离；

N——沿每个传声器路径的测量点数目

r0是沿传声器移动轴线的声中心的补偿，这是声源实际声中心与假定声中心之间相差的距离，由式（2）给出。

很容易得出，在现行国内标准中，自由声场的理论值即反平方律声压级本质上是对已测得数据的拟合，并未实际反应声波在自由场中衰减的物理规律，与其称为理论声压级，不如称之为理论拟合值，即假定测点数据能较好地反映自由声场规律，再反推是否每个数据均符合，这一计算方式在测点较多的情况下能较好地反映消声室内部声场状态，从原理上考虑，甚至无需严格遵守等距取点的原则，但实际测量中必须保证足够多的测点才能拟合出较为准确的曲线来计算理论值。这意味着在完成每个测量频率点整个或大部分的数据测量之前，无法确定已完成的测点是否符合自由声场的规律。因此在实际操作中，完全可以采用另一种方法，即在测量前确定各点的理论值。

理论上，自由声场内的声场应满足：

式中：r——测点到声中心的距离；

p——测点的声压；

A——与声源声功率有关的常量

即自由声场的理论声压级应为一条形状与-20lgr相同的对数曲线，该对数曲线随声源的声功率特性不同在坐标轴上上下移动。长期以来，国内消声室鉴定方面的权威机构如中国计量科学研究院和南京大学采取的均是用透明材料制作出能反映-20lgr曲线特征的模板，测量时将此曲线与多个测量点构成的实际测量曲线对比，通过模板的上下移动确定合适的lgA的位置。近年来各大科研院所开始开发计算机化的测量系统，基本原理依然是与相应对数曲线对比。

从理论上说，上面的方法在选取了某一参照点之后可以方便计算另一点的理论声压级。如距声中心50 cm处声压级为95.0 dB，85 cm处的声压级与50 cm相比，衰减量应为，故85 cm处理论声压级应为90.4 dB。但不可忽略的是，所谓的声中心往往不像很多人想象的一样，位于声源振膜的中心等位置。采用国标推荐的方法可以通过大量数据的拟合修正声中心的位置，但如果想及时知道某一个测点是否超差，则有必要在测量之前确定声中心的位置，以确定准确的传声器距声中心距离r。南京大学孙广荣、胡春年、吴启学三位教授提出了两种通过实验确认的方法：在消声室中距声源较近的位置（确保能认定为理想自由场，但声源的反射不致破坏自由场效果）选取距纸盆中心r1和r2的位置分别测量声压级，有：

式中：Δr——纸盆中心到实际声中心的距离

从相应数据即可求出Δr的值。为确保数据可靠，建议做多次测量求平均值。但需注意的是，在各个频点，声源的声中心是变化的。得出Δr的准确值则可确定声中心的实际位置，这样对于每一个测点，r的准确值已知，根据任一可靠测点的数据，就可以方便计算出任一位置的声压级。

2 自由声场的鉴定实例

江苏省计量科学研究院的半消声室（见图3）采用尖劈和空腔的吸声结构。吸声尖劈为双尖结构，长度1.50 m。后空腔0.20 m，安装尖劈后消声室净空间为8.00 m×6.00 m×8.60 m （地网以上5.40 m）。

2.1 鉴定设备

1）B&K 3560型多通道声分析仪；

2）B&K 4190型传声器单元；

3）BSWA PA50型功率放大器；

4）低中频扬声器、高频扬声器。

图3 江苏省计量科学研究院的消声室

2.2 测试路径

如图4所示，以测试方向OA为例，原点O位于地网中心以上0.85 m，A点高度为1.35 m，使用50 Hz～20 kHz的1/3倍频程中心频率正弦信号，从声源表面中心0.5 m开始，沿传声器路径以0.1 m步进测量声压级，以50 Hz及16 000 Hz OA向的部分数据为例（通过调节声源及功率反放大器，使得距声源中心距离50 cm时测得的相应声压级为100 dB）。

图4 测试路径

2.3 结果分析

实际测量中，在确定了初始点的值后（表1为50 cm点），如采取逐点测量的方法，完全可以在测量过程中即时计算各点的理论值，以随时确定数据是否超差。但这一方法带来的问题是，初始点测量的准确性、稳定性至关重要，建议采取多次测量。

表1 自由声场鉴定数据

测量过程中还发现，测试线OA上在16 000 Hz点上，自由场空间较其他频率有明显差异。经过实际试验可知，在测试线OA上，临近测试线的支架对16 000 Hz纯音的传播造成了较大影响。加密测点重点测量支架附近的声场偏差，由测量数据可知，在支架附近（3.20～3.30 m处）自由声场超差，但远离支架后，数据又恢复正常。因此消声室测量中如出现明显点，往往需要鉴定人员寻找误差原因，确定是由于测量传感器、传声器路径、扬声器等造成的测量误差还是由于消声室室内如梁、通风口、灯具等造成的声场固有误差。在消声室的设计中，这些位置都是需要重点考虑的，必要时需要额外加以声学处理。

3 结语

消声室是近年来快速发展的一种声学专业实验室，本文就其鉴定提出了一些见解。与传统方法相比，本文提出的方法其优势在于能较早发现声场中的超差点。但为了更好地应用到实际工作中，还需要大量的现场试验及数据支持。

［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］吴硕贤，张三明，葛坚. 建筑声学设计原理［M］. 北京：科学出版社，2000.

［3］马大猷. 噪声与振动控制工程手册［M］. 北京：机械工业出版社，2002.

［4］杜功焕，朱哲民，龚秀芬. 声学基础（上下）［M］. 上海：上海科学技术出版社，1981.

［5］赵其昌. 消声室声场分析模型探讨［J］. 电声技术，2011，35（3）：4-7.

［6］顾熙棠，张宗茂，叶振弘. 消声室的设计和性能检测［J］. 宁波大学学报，1992，5（20）：64-69.

［7］全国声学计量技术委员会. JJF 1147-2006消声室和半消声室声学特性校准规范［S］. 北京：中国计量出版社，2006.

［8］工业和信息化部. GB 50800-2012消声室和半消声室技术规范［S］.北京：中国计划出版社，2012.

［9］全国声学标准化技术委员会（SAC/TC17）. GB/T 6882-2008声学 声压法测定噪声源声功率级 消声室和半消声室精密法［S］. 北京：中国标准出版社，2008.

Identification of free field in the anechoic room

Wu Yun
（Jiangsu Institute of Metrology）

The paper expounds the identification process of freefield in the anechoic room on the basis of acoustics theory and relevant technical documents， proposes a new calculation method for theoretical SPL of freefield in the anechoic room， which is different from the adopted method in current standards. Identification experiments of a selected anechoic room are carried out， and concrete experimental data are given. Meanwhile the reason for the emergence of unsatisfactory data in the results is analyzed.

anechoic room； freefield； sound pressure level （SPL）； cut-off frequency； sound-absorbing