聲學測試基礎知識簡介：聲學測試室與環(huán)境

2017-05-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

測試室是輔助進行聲學測量的特殊環(huán)境。主要有兩個目的:

創(chuàng)建聲音功率與聲壓之間關系已知的環(huán)境。
為了降低或消除噪聲干擾,其中包括環(huán)境噪聲、輔助設備、機械設備、汽車、卡車、飛機和軌道交通和其他設備所帶來的噪聲等等。

聲音功率測量需要如下的聲學測試室和環(huán)境:

精確級別:消聲室、半消聲室和共響室
工程級別:半消聲室和自由場室
調查級別:自由場室和自然環(huán)境

聲音強度測量要求自由場室和自然環(huán)境。

聲音質量測量要求自由場室和自然環(huán)境。

基本概念

聲壓等級隨著距離聲源的距離和方向而變化。部分變化是聲源導致的,也可能是測試環(huán)境導致的。一個好的測試環(huán)境用戶可以區(qū)分這些變化。

下圖展示了聲音場相關的五個領域:

近場:靠近聲源附件的區(qū)域,聲壓在平均值附近波動。在近場范圍內,距離聲源不同位置的聲波由于相位不同,通過干擾互相增強或削弱。因此,近場深度是聲源幾何形狀、測量位置和聲音波長的函數(shù)。
遠場:遠離聲源的區(qū)域,聲壓隨著距離增加逐漸減弱。在遠場范圍內,距離聲源不同點的聲波是同相位的。遠場在近場結束的地方開始。
直接場:聲音能量主要來源于聲源直線傳播而不通過反射的區(qū)域。
共響場:聲音能量主要來源于聲源通過反射(至少一次)的區(qū)域。在反射次數(shù)有限的統(tǒng)計限制下,共響場逐漸達到散射場的條件。
環(huán)境噪聲區(qū)域:聲音能量并非來源于聲源而主要來源于與測試無關的區(qū)域。

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低環(huán)境噪聲測試室的聲場

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高環(huán)境噪聲測試室的聲場

1. 消聲室

消聲室是高精度級別的聲功率測試所需的,例如ANSI S12.35和ISO 3745。這樣的測試室包含高透射損失的外部封套(通常用混凝土或模塊化鋼板構造),它的天花板、地板和墻壁帶有消聲的內部楔子。通常為了可以在楔子上行走,還使用張力電纜地板。

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消聲室結構

消音楔子是設計用于對高于設計節(jié)制頻率的所有頻率,提供高于0.99的吸收系數(shù)。經(jīng)過這樣楔子的反射,強度將衰減20 dB或以上。消音楔子的長度通常是截止頻率處波長的四分之一。例如,100 Hz截止頻率的楔子通常約為36英寸長。高效消音楔子的設計和制造是非常復雜的任務,須由聲學室設計者完成。

由于在消音室中缺少反射,室內為直接場。聲壓級別和聲音功率等級之間的關系為簡單的反平方傳播法則:

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其中LPi是第i個麥克風處的聲壓等級,LW是聲音功率級別,r是從聲源到接收點以米為單位的距離,DIi是聲源在第i個麥克風方向的直接索引。

設計良好并經(jīng)過良好構建的外殼對噪聲的降低通常在數(shù)值上至少等于外殼組件的聲音傳播損失。因此第i個三分之一音高的內部聲強等級為:

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被測設備的每個麥克風位置的聲強等級應該比背景聲壓等級高10 dB或更多。

驗證

在這樣的性能級別下,任何聲音反射表面都會影響環(huán)境的性能。盡管許多反射都被有效抑止了,一部分仍然存在。因此,規(guī)范標準要求完成驗證測試,其中包括一系列偏離測試,找出聲音傳播在一定程度上沒有遵照上述等式的區(qū)域。

測量表面

使用球形麥克風陣列要求在消聲室內至少有20個麥克風位置。球形表面的半徑要求不小于被測設備長度尺寸特性的兩倍。在一些條件下,需要多達40個麥克風位置。

可以允許在麥克風和楔子尖之間有四分之一波長,盡管在一些情況下(例如在寬帶噪聲源環(huán)境下),可能要用靠近楔子尖位置的麥克風對房間進行驗證。

消音室的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點:保存聲源的方向信息
優(yōu)點:保存聲音的時間歷史
優(yōu)點:高級別的測量精度
缺點:需要大型、相對昂貴、精確驗證的房間,對于小型聲源需要20英尺的立方體(用于測試100 Hz),如果要測量更大的聲源,則測試頻率需降低。缺點:需要大量麥克風位置。如果實驗室吞吐量是重要的,則需要考慮多通道的同步采集。

行業(yè)標準

ANSI S12.35
ISO 3745

2. 半消音室

消音室用于高精確級別的聲功率測量,例如ANSI S12.35和ISO 3745,以及工程等級的聲功率測量,例如ANSI S12.34和ISO 3744。許多測試代碼要求使用半消音室(例如用于計算機、ECMA 74、ISO 7779和ANSI S12.10)。這樣的測試室包含高傳輸損失的外殼,它內部的天花板和墻壁帶有消音楔子裝飾。地面特意設計為高反射性,吸收系數(shù)為0.06或更小,通常用混凝土建造。

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半消音室結構圖

由于消音室欠缺反射,室內充滿直接聲場,當聲源安裝在反射平面時,聲壓等級和聲音功率等級之間的關系為方向為2的反平方法則傳輸關系:

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其中LPi是第i個麥克風的聲壓等級,LW是聲音功率等級,r是從聲源到接收點以米表示的距離,DIi是聲源方向第i個麥克風的方向索引。當聲源高度高于反射平面較大時(約為波長的十分之一),這個關系不再成立:直接聲波和反射聲波的相位必須進行調整。

出于實際的原因,在被測設備較大或較重時,通常傾向于使用半消聲室。

良好設計并經(jīng)過良好構建的外殼對噪聲的降低通常在數(shù)值上至少等于外殼組件的聲音傳播損失。因此第i個三分之一音高的內部聲強等級為:

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如果使用過大或過多的穿透深度,或是如果穿透沒有為噪聲控制進行合適的設置,測試室外殼隔離可能受到負面影響。迂回傳播也可能會將過多的聲音能量帶到測試室內。

被測設備每個麥克風位置的聲壓等級在理想情況下,應該超過背景聲壓等級10 dB或更多。

驗證

在精確等級標準中要求完成一系列偏離測試,找出聲音傳播沒有遵照上述等式接收的區(qū)域。相比消音室而言,半消音室允許大一些的偏差。

對于工程等級的聲音功率測試,主要驗證步驟是完成參照聲源的聲壓測量,并且注意測量網(wǎng)格中聲音能量的偏差。這個測量中的最大允許環(huán)境校正因數(shù)是2 dB。

測量表面

為了進行精確等級的聲音功率測量,需要使用含有10個麥克風的半球網(wǎng)格。半球的半徑要求不比聲源特征尺寸的兩倍小。

對于工程等級的聲音功率測量,允許矩形平行六面體(鞋盒)測量表面。網(wǎng)格適合與距離聲源約為1米的位置,但是比被測設備的計劃尺寸小。對于大型機器而言,這減小了所需的測試室尺寸。

可以允許在麥克風和楔子尖有四分之一波長,盡管在一些情況下(例如在寬帶噪聲源環(huán)境下),可能要用靠近楔子尖位置的麥克風對房間進行驗證。

半消音室的優(yōu)點和缺點

優(yōu)點:保存聲源的大部分方向信息(特別是相對于波長而言較小的聲源)
優(yōu)點:保存聲音的時間歷史
優(yōu)點:相對高級別的測量精度
缺點:需要大型、相對昂貴、精確驗證的房間,對于小型聲源需要20×20×10英尺的立方體(用于測試100 Hz),如果要測量更大的聲源,則測試頻率需降低。
優(yōu)點:半消音室比消音室成本更低。
缺點:需要大量麥克風位置。如果實驗室吞吐量是重要的,則需要考慮多通道的同步采集。

行業(yè)標準

ANSI S12.35
ISO 3745
ANSI S12.34
ISO 3744
ANSI S12.10
ISO 779
ECMA 74

3. 共響室

共響室用于高精度的聲功率測量,例如ANSI S12.31和ISO 3741,以及聲音吸收測量,例如ASTM C423和ISO 354。這個測試室由帶有聲音反射內部裝飾的高傳輸損失外殼組成。所有測量在聲源的回響區(qū)域進行。

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聲音功率聲音吸收

用于聲音吸收測試

所有表面都故意做成反射性的,其吸收系數(shù)在所有頻率下為0.05或更低,允許部分空氣吸收。測試室的體積必須比125立方米大,為200立方米或更大。房間尺寸不能為1:1,長邊和短邊的比例也不能超過2:1。需要聲音反射材料懸掛在室內,并且強烈推薦在測試過程中進行移動。測試室和散射表面區(qū)域可能按照實際經(jīng)驗使用驗證過程確定。此外,散射區(qū)域的表面區(qū)域(兩面)需要至少為主測試室的25%。

每三分之一音階的理想測量動態(tài)范圍是45 dB。注意為了能夠同時測量所有頻帶,必須在所有頻帶同時滿足動態(tài)范圍需求。

聲功率測試

需求是相似的,但是房間容量必須是用于精確等級測試聲源容量的100倍。此外,還需要在低于200 V1/3的頻率進行聲音吸收,其中V是用立方米表示的體積。

建造問題

測試室使用混凝土建造的,對于聲音吸收測試十分有用,但是需要為聲音功率等級測試添加低頻率聲音吸收材料。用模塊化鋼板建造的測試室對聲音功率等級測試十分有用,因為鋼板在低頻下十分靈活,提供了正確的低頻吸收能力。鋼板測試室在聲音吸收測試中并不是最有效的:提高的低頻聲音吸收可能會達到標準容忍的極限,從而使解析低頻下典型的聲音吸收數(shù)值變得困難。

聲壓/功率關系

測試室是設計用于大量的房間模式使用的,在極高模式數(shù)量的統(tǒng)計極限下,會產(chǎn)生聲壓級別和聲音功率級別的以下簡單關系:

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其中LP是聲壓級別,LW是聲音功率級別,A是測試室的Sabine吸收。根據(jù)溫度和靜態(tài)壓力,標準給出了多個修正。對于聲音功率測試,為了補償墻壁大于均值的聲音能量密度引進了Waterhouse修正。

如果模式數(shù)量足夠多,聲壓等級本質上是在測試室的中央部分統(tǒng)一的。注意模式數(shù)量與Vf3成正比,因此隨著頻率降低,模式數(shù)量快速減小。將測試室的體積翻倍有效擴展了三分之一音階的低頻性能。

聲音隔離

良好設計并經(jīng)過良好構建的外殼對噪聲的降低通常在數(shù)值上大大小于外殼組件的聲音傳播損失。這是因為任何穿刺進入測試室內部的聲音會在幾次反射之內滯留在測試室內,從而提高能量強度。因此第i個三分之一音高的內部聲強等級為:

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在存在活躍寬帶噪聲源的聲壓等級將在所有感興趣的頻帶內,比環(huán)境聲音等級(包括脈沖事件)高45 dB或更多。

驗證

對于聲音吸收:

空房間聲音吸收系數(shù)。
在沒有測試標本存在的情況下,對測試室的麥克風位置衰減速率的變化進行測量。
在有測試標本存在的情況下,對衰減速率變化進行測量。使用參照測試標本。
在有聲源位置的情況下,對衰減速率變化進行測量。

對于聲音功率:

空房間聲音吸收系數(shù)。
對于寬帶噪聲源,平均聲壓等級隨著參照聲源在測試室內位置的變化。
對于音高聲源,聲壓等級隨著麥克風位置對于播放間斷音高喇叭的聲壓等級變化。

共響室對聲音功率的優(yōu)點/缺點

缺點:聲源的方向信息丟失
缺點:聲音的時間歷史丟失
優(yōu)點:相對較高的測量精度
缺點:需要較大、經(jīng)過仔細驗證的測試室,大約為200立方米
優(yōu)點:可以使用一個麥克風快速完成測量

行業(yè)標準

ANSI S12.31/S12.32
ISO 3741/3742
ASTM C423/ISO 354

4. 自由場室

自由場室是半消音室的近似。不在墻壁和天花板上布置消音楔子,而是在測試室的墻壁和天花板布置幾英寸的玻璃纖維或是類似的聲音吸收材料。小房間以及用于低頻測試的房間需要的材料層較厚,大房間以及用于高頻測試的房間有時候僅包含三英寸的聲音吸收材料。

自由場室用于工程級別和調查級別的聲音功率測試。自由場室還用于聲音強度測試,其主要功能是控制環(huán)境噪聲,通過降低聲音反射提高強度測試的精度。

用于工程等級的聲音功率測試,需要使用平行六面體測試表面。主要驗證步驟是在參照聲源上完成聲壓測試,注意聲音功率差別是根據(jù)測量網(wǎng)格計算的。最大允許出現(xiàn)2 dB差別。如果差別過大,室內的聲音吸收材料無法改進,解決方案是使用更多布置在聲源附近的麥克風。

關于聲音強度測試的注意事項

聲音強度的理論指出測試方法可以完全消除室內聲音反射和環(huán)境噪聲的影響。這個理論背后要點是:

使用無限多的采樣點
源輸出完全穩(wěn)定或是所有點同時采樣。

實際實現(xiàn)要求在一段時間內順序采樣有限多的點。因此盡管這個方法可以將反射效應抑制到一定的程度,它卻無法完全消除它。自由場室通常提供充足的聲音吸收和聲音隔絕,從而可以得到聲音強度方法的完美結果。

自由場房間的優(yōu)點/缺點

優(yōu)點:可以接受的測量精度

優(yōu)點:需要大小適中、相對便宜、經(jīng)過驗證的測試室。

缺點:大量的麥克風位置需要使用大量麥克風。如果實驗室吞吐量是重要的,則需要考慮多通道的同步采集。

缺點:除了聲音強度外,相比半消音室精度較低。

行業(yè)標準

ANSI S12.34
ISO 3744
ANSI S12.10
ISO 7779
ECMA 74
ANSI S12.12
ANSI S12.36
ISO 3746

5. 其他環(huán)境

“其他環(huán)境”是剩下所有種類的類別,包含適當條件、測試室外、測試非專用地區(qū)(例如會議室)等等。在大多數(shù)情況下,他們是用于調查等級的聲音功率測試?？赡苄枰艽?、很安靜的地方完成工程等級的測量。

對于聲音質量測量,環(huán)境對聲音的作用可能是測試的相對部分,例如汽車中的聲音錄制。在這樣的情況中,內部聲學并不是問題,而來自環(huán)境聲音的潛在干擾是需要考慮的。

內部聲學

許多“其他”環(huán)境缺少墻壁或天花板上的聲音吸收材料,因此在完成工程級別的聲音功率測量時十分困難。更大的區(qū)域可能會有更好的表現(xiàn),因為它有較大的吸收空間。顯然,室外測試具有一些特定應用的優(yōu)點,因為它有很大的空間,能夠近似半消音室的性能(無限大的停車場)。

聲音強度方法在這樣的環(huán)境中仍然使用。然而,需要記住這個方法并不完全是“防彈”的,測量的精度在很高的共響環(huán)境中可能受到影響。為了達到測試環(huán)境偏離半消音狀態(tài)的程度,需要額外注意和進行采樣。

聲音隔離

“其他”環(huán)境通常至多提供中等程度的聲音隔離。來自建筑、機械系統(tǒng)和周邊活動的噪聲可能會進行干擾。這些情況的可接受性依賴于被測設備所發(fā)生的相對強度和周圍環(huán)境的聲音強度。因此,相比較輕的聲源而言,較響的聲源更可能在這樣的空間中被接受。

如果周邊等級較高,甚至會對聲音強度測量進行干擾。實際上,穩(wěn)定狀態(tài)的環(huán)境噪聲可以有效抑制在比被測設備的聲壓強度高10 dB附近。脈沖環(huán)境可以被抑制到相同的極限,但是如果測量在所有位置同時完成。而在環(huán)境等級較高時候,需要尋找較為安靜的環(huán)境。

在室外測試的最大困難是控制環(huán)境噪聲。因此,室外測試通常在大型機器上完成。

其他環(huán)境的優(yōu)點/缺點