声学测量的基本环境和条件

weixin

　　测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述。声学测量必需具备特定的声学环境，并不是在任意环境中都能进行的。除了一般要求具有较安静的环境、较低的背景噪声，还要求测试环境能满足三个“理想化声场”条件的其中之一即：

　　· 平面波声场
　　· 自由声场
　　· 扩散声场

　　在这三种声场中，声学量之间的关系都十分简单，因此从原理上便可使测量方法大大简化并有效。

　　平面波声场一般比较容易获得，在一定的频率范围内，声波在刚性管壁的管道中传播时，声波的波型主要成平面波模式。吸声材料与结构的垂直入射吸声系数及声阻抗率比就是在驻波管中测量而获得的。吸声材料与结构的垂直入射吸声系数，及声阻抗率比就是在驻波管中测量而获得的。至于自由声场以及扩散声场，几乎都难以从通常的环境中获得，一般需要经过专门的声学设计。消声室就是用来模拟自由声场条件，而混响室可以形成近似的扩散声场。下面就来简要的介绍这两种声学特殊实验室的基本特性和设计要求。

　　消声室

　　我们知道自由声场就是一个没有任何干扰的理想声学空间，在这样的空间中，来自点声源辐射的声波可以均匀地向各个方向自由的传播开去，不会遇到任何障碍物的反射干扰。显然这样的条件是难以从通常的环境中现成获得的。因此需要设法在室内建立一个能近似模拟自由声场条件的消音室。

　　为了消除消声室内所有的反射声，除了在室内不能存在与测量无关的障碍物外，室内各壁面(包括墙壁、天花顶及地面)都要铺设高效的吸声体，使入射于其壁面上的声波能几乎完全被吸收掉。当然消声室还必须有良好的隔声及隔振措施，以阻断从外界来的各种噪声与振动的传入。使室内的本底或背景噪声达到远低于被测声信号的声压级。

　　要构成一个具有良好消声性能的消声室，对各个壁面铺设的吸声体的声学设计是一最为重要的环节。目前在消声室中采用的吸声体，几乎都是用多孔材料。例如，各种超细玻璃棉制作的尖劈状的吸声结构，其吸收系数一般要求达到99%以上。尖劈状吸声结构能使入射声波以逐渐过渡的方式达到良好的阻抗匹配状态，从而使声波几乎完全进入吸声体，并在吸声体内被充分吸收掉。多孔吸声材料的吸声系数在低频是会下降的。因此消声室也有低频限止频率。它由吸声尖劈的总长度决定。这总长度应不短于与消声室使用截止频率所对应的声波波长的1/4。

　　半消声室

　　为了能便于安置较重的待测机器，也有一种半消声室的设计，即室内除了地面以外，其余五个地面铺装有高吸声的尖劈，而坚硬又平整的地面犹如声的全反射面，形成一个近似半空间的自由声场，半消声室的自由声场近似要求一般可以更低一些。

　　混响室

　　混响室是模拟扩散声场的一种声学特殊实验室，对于扩散声场的基本条件，其主要要求是：在满足扩散声场的空间中，各点的声场分布统计的是处处均匀的，而从各方向传来的声波能量几率是相同的。要达到这些条件，就要求在室内形成各壁面能充分反射的环境，因此与消声室完全相反。

　　扩散体

　　在室内的壁面上，要铺设吸声系数非常小的建筑材料，如大理石、水磨石、瓷砖以及金属版板等以使室内具有光滑坚硬的内壁，从而产生充分的混响。同时为了尽量增加室内形成驻波的模式，对房间的几何尺寸的相对比例也有适当限定，此外，为了使室内低频声波能量充分的扩散，也有把内壁做成各种大的凸弧形或者在室内安装可旋转的扩散体等。

　　扩散体

　　混响室也有低频限止频率，一般当房间的尺寸与声波波长同一数量级时，室内出现的驻波模式十分稀少，以致于很难达到扩散声场条件。与这一波长相对应的频率就可作为混响室工作的低限频率，这在相关的标准中也有规定，当然作为声学实验室，混响室同样要求采取必要的隔声与隔振措施，尽量降低室内的背景噪声。

　　混响室

　　测量传声器的选择

　　声学测量时，需要传声器作为声波的接收器，传声器是将声信号转换成相应的电信号的电声换能器件，传声器的种类很多，但是作为声学测量用，主要是电容式传声器，因为电容式传声器具有很多优点，如灵敏度高，频响平直，动态范围大，体积小，稳定性好，特别适宜作为测量选用。

　　电容式传声器

　　由于声学测量通常是在不同的声学环境和条件下进行的，因此，对测量传声器的灵敏度也作了三种不同定义，即自由场灵敏度、扩散场灵敏度、压强灵敏度。一般自由场灵敏度都是指零度入射角情况，扩散场灵敏度是当声波无规入射时的灵敏度，也即对所有入射角的自由场灵敏度的平均值。压强灵敏度是指不管声场条件，只考虑作用在传声器受声膜片上的实际声压所产生的灵敏度。对自由场灵敏度做成平直的频率响应的传声器称为自由场型传声器。类似的，还有扩散型传声器和压强型传声器。

　　B&K电容传声器4165与4145的自由场灵敏度频率特性

　　Φ23.77mm传声器的自由场、扩散场、压强灵敏度的频率特性的比较

　　按照传声器的上述各种特性，再进行声学测量时，应按照不同声场情形，选择适当类型的传声器。例如在消声室中测量，应选择自由场型传声器，而在混响室测量时，选用扩散场型传声器。压强型传声器一般用在小腔中测试或者当反射较强，而体积不大的室内测量时。

　　噪声及振动分析仪

　　来源：声讯网公众号(ID：sosoac)
　　作者：杨蒙恩、王子铮