消声室的声学设计

消声室的声学设计

许力1魏梦婷2沈超3

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摘要：本文对消声室的类型、规格和技术经济指标的确定，消声室的隔振、隔声处理，消声室的吸声处理等方面的问题进行了探讨。

关键词：消声室；自由声场；声学测量；吸音

消声室的应用领域很广，包括基础理论研究、应用研究、新产品开发研究、环境噪声治理等方面。诸如噪声学、建筑声学、电声学、语言及音乐声学、心理及生理声学等均离不开作为声学测量基本配套设施的消声室。消声室的应用具有显著的社会效益和经济效益，因此对消声室的声学设计进行深入研究具有重要意义。

一、消声室设计规范

在进行消声室设计时，需根据消声室的用途和所规划的试验功能来制订消声室的规格和声学性能要求。

1、型式选择，根据用途和被试对象的情况，慎重考虑采用全消声室或半消声室。全消声室为六面吸声构造，适用于发动机噪声控制试验研究和传声器校正。半消声室为五面吸声构造的硬地坪建筑，适用于汽车噪声测试。靠近地面安装的小型内燃机试验，地面反射声的影响较小，可用半消声室测量噪声。对于中型消声室，为了节省建设投资，可在地坪上铺设移动式吸声尖劈。此种消声室适用于汽车、发动机的噪声试验。

2、频率测量范围的选择，根据测定对象的声谱和重要研究频域，确定频率范围。一般根据下限截止频率来决定消声室的净空间大小，并进行隔声构造和吸声构造设计。上限截止频率受室内行走地面结构（如踏栅）、支柱等反射面的限制。室内反射面的线性尺寸要求不大于上限截止频率声波波长的1/4。一般情况下，设计频率范围可取100-8000Hz。

3、净空尺寸，根据测试对象声源的最大尺寸和侧声点与声源的距离来决定净空的大小。房间的形状一般取长方体，如果声源的声场比较均匀，可将声源偏置进行噪声测量，这样，可以减小消声室的净空。依我国当前情况来看，不必兴建技术难度和耗资都大的大型消声室。例如国产汽车的噪声较大，宜用中、小型消声室重点开展各种总成的振动噪声控制技术的试验研究。至于整车主噪声源的分析可在中型消声室内用近场分析法进行试验。

4、本底噪声。室内的本底噪声应越低越好。然而，必须按照经济适用的原则，规定一个容许限度。容许限度等于被测对象的最低声压级加上10dB，该条件需在测定频率范围内的全部倍频程声压级上都得到满足，为了达到本底噪声的容许限度，必须对拟建场地的环境噪声和干扰源进行调查，把实测资料作为隔声、防振设计的依据。

二、消声室自由声场偏差的要求

消声室是获得自由声场实验条件的房间，根据实验内容的差别，对消声室的声学设计要求有所不同。消声室的用途有电声器件电声参数的测量、机器设备辐射噪声功率的测定、乐器及其他发生器件声学量的测试、测试用传声器的声校准、其他需要自由声场条件下的声学实验。其中，测试传声器的标准对声场有最严的偏差要求；半消声室中测定机器辐射的噪声功率。允许有较大的声场偏差。所以在进行消声室声学设计时．应根据测试项目的测量不确定度所要求的对自由声场允许偏差的条件，综合考虑消声室的大小和界面吸声结构的吸声性能。如有关扬声器电声参数的测试，要求自由声场的偏差小于10％．即略小于ldB；对于噪声源声功率级测定的精密法，消声室内自由声场偏差：800-1500Hz允许±1.0dB，≤630Hz和≥6300Hz允许±1.5dB；半消声室内自由声场偏差：≤630Hz允许±2.5dB，800～5000Hz允许±2.0dB，≥6300Hz允许±3.0dB；如果是工程法，则允许有更大的自由声场偏差。

消声室设计中的注意事项

1、纯音信号的测试项目与宽带噪声信号的测试项目对界面吸声系数的要求可有较大差别。当界面吸声系数=0.99，即=0.1时．偏差址=1dB的范围为<0.2L，=-ldB的范围为<0.18L。扬声器电声参数的测试，多半用纯音信号，所以一般要求界面吸声系数大于0.99。才能在足够大的测试距离上满足声场偏差小于±10％的要求。若要求<1dB，则即使=L/2，即测点接近界面。也只要=0.88就够了。特别在半消声室中进行机器辐射噪声功率级的测定，允许自由声场偏差≤±2dB或±3dB，所以对界面吸声系数不必要求达到O.99。

2、随之而来的是关于吸声结构的设计。对于要求吸声系数>0.99的吸声结构．一般采用尖劈形状。因为多孔性材料的吸声机理，是材料内部有大量气流连通的空气隙。形成细管甚至毛细管，当声波传入时．声波在细管中的振动因内摩擦而转化为热能被吸收。吸声能力与材料的空隙率（如玻璃棉的空隙率达96％左右）、流阻及材料的纤维结构有关。同时，吸声的频率特性与材料厚度有关，即吸声最大值的下限频率大约是其厚度相对应的1/4波长的频率。要使低频吸声好，就得增加多孔性吸声材料的厚度。但由于材料的流阻．不能任意增大厚度来延伸低频吸收。各种多孔性材料都有其有效厚度。

因此，要使高吸声特性向低频扩展，就把多孔性材料做成尖劈形状。从尖劈结构的截面来看，是从空气媒质逐渐过渡到多孔性材料。声阻抗有渐变过程。使声波能传入尖劈结构深部并被转化为热能消耗掉。当然．要设计达到0.99以上的吸声系数。除与材料本身的参数有关外，还与尖劈的形状（尖劈的角度和劈部与尖部的比例）有关。尖劈的总长度决定最大吸声系数的最低频率（一般称吸声系数大于O.99的最低频率为尖劈的截止频率），大约为尖劈总长度相应为1/4波长的频率。如果利用尖劈基部与尖劈后空腔深度的共振吸声结构，则截止频率还可稍向低频延伸。

在宽带噪声信号的测试情况。尤其半消声室中噪声源声功率级的测定．很多情况下就不一定采用尖劈吸声结构的设计。如，在为某企业设计大型电机的声功率测定进行半消声室设计时，采用三层布幕的多共振吸声结构，在低频驻波管中试验不同材质的防火布，改变与刚性壁的安放距离，获得100Hz以上吸声系数大于0.86的结果，很节省地完成了半消声室的设计任务。

3、关于消声室大小和形状的考虑。一般消声室的建筑造型几乎不用球状、柱状或圆弧面的形状。因为如果吸声结构的吸声系数完全大于0.99，则壳体形状的影响不大：但在吸声系数甚低于O.99的情况，至少在吸声结构的截止频率以下，吸声系数急遽下降，则大的凹面会产生聚焦的声缺陷，完全不可能获得近似的自由声场。对于机器辐射噪声功率的测试，一般测点都要在设备的四周空间布置，所以多为设计成方形或长方形的半消声室，按有关测试标准所要求的测量距离、测量位置、允许与自由声场的偏差，来确定边长及高度的尺寸，当然会适当留有余地，还要考虑今后可能有的设备大小。对于电声器件的参数测量，则如果声源（扬声器）放在消声室中心，传声器沿轴向或平面对角线方向放置（一般测试距离1m．对于大尺寸的音箱及线阵列等扬声器系统，需要较大的测试距离），则消声室尺寸就较大。一般考虑是将声源与传声器测试线的中心设在消声室的中心，并且测试线沿平面对角线方向，消声室的形状是长方形．这样安排使消声室空间最为节省。

4、隔振设计，隔振设计的目的是有效地减弱外界振动通过地基或楼板传到消声室。理论上，消除或减小振源、控制震动传播途径、加强基础隔振性能都能达到这一目的。但在实际工程中，考虑到经济、环境、施工条件等因素，通过浮筑结构减弱传到半消声室的振动是最可行的做法。浮筑结构的具体做法有弹簧隔振浮筑系统和弹性介质浮筑结构等。在实践中，弹性介质浮筑结构具有造价低、性能佳、施工进度快等优点，是值得在工业企业中推广运用的。

四、结语

总之，消声室是声学测量的基本配套设施，根据实验内容的不同，对消声室内自由声场的允许偏差亦有所不同。在不同的测试信号、吸声结构的选用、消声室大小等方面给出设计考虑。

参考文献：

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