自由场鉴定的相关标准
自由声场判定原理
2.1平方反比率(Inverse Square Law)
自由声场的鉴定方法是将实际测量的声场随距离衰减特性与理论进行对比，在符合一定的偏差范围内的声场可以定义为自由场。
理想条件下，声功率为W的点声源在自由场空间中辐射声场，其在距离r处的声强I可表示为：
可以看出，声强I和声压p2与距离平方成平方反比关系，即平方反比律(Inverse Square Law)：
图1 点声源在自由空间的辐射
由此，可以获得声场中两个不同距离处的声压级差：
或者用某个位置的声压级表示：
其中a为由声源辐射声功率决定的系数，r0为声源声中心校准距离(声中心与传声器路径原点的距离差)，ri为第i个测点与测量球面或半球面中心的距离。这个就是在ISO3745中定义的声场中测点声压级的理论计算公式。将实测值与这一理论计算值进行对比，就可以进行自由场特性的判定。
2.2 自由声场允许偏差
在ISO3745附录A.2和ISO26101中，对全自由声场(消声室)和半自由声场(半消声室)规定了自由场偏差(如下表)：
表1 测量值与按平方反比律计算值之间的允许最大偏差(ISO 3745/ ISO 26101)
在ISO26101-2017中明确了表1中规定的偏差值为通用声学测试的自由场验收最大允许偏差。在相关测量标准中没有规定自由场偏差范围时，宜采用表1中的值来检验，在有些测量规范中的允许偏差值会比表1中的宽松或严格。例如，在ISO362-3中规定的半消声室最大允许偏差是在表1中给出的ISO3745 / ISO26101规定值基础上放宽了1dB，而在IEC 60268-4: 2018 “音响系统设备 第4部分: 传声器” 中规定了对所有频带的最大允许偏差为0.5dB[1]。
自由声场鉴定的测量要求
3.1 测试声源[1, 4]
测试声源的要求包括了辐射声压级、声源稳定性以及指向性偏差等几方面的要求。对于声源辐射声压级，为保证所有测量具有足够的信噪比，ISO26101中规定了测试声源辐射的声压级要高于本底噪声6dB(最好15dB)，而在ISO3745中的规定为10dB。这些要求在低噪声的消声室环境中一般不难实现，但对于大的房间测点距离声源较远处会有不满足这一条件的情况发生，尤其在高频段。这时候就需要考虑采取其它措施来保证测量的信噪比。
除了辐射声级外，对声源的稳定性也作了规定。在ISO3745中对稳定性要求≤±0.5dB，而ISO26101中要求≤±0.2dB。采用参考点的传声器进行声源辐射监测，并进行相应的修正，可以提高测试的准确性，这在ISO26101中给出了相应的修正公式。
标准中对测量声源的指向性偏差要求如表2所示。
表2 声源指向性允许偏差(ISO 3745/ ISO 26101)
满足测试声源条件的点声源，一般需要在不同频段采用不同的声源。图2中给出了用作半自由场测试的几种声源的指向性偏差测量结果，从指向性偏差要求上看，每种声源只能覆盖一部分频段。图3中给出某鉴定机构采用的四种自由场鉴定声源。
图2 几种点声源的半自由场指向性偏差符合性
图3 自由场鉴定声源例
图4 德国PTB使用的低频半12面体和高频1/2英寸1/4英寸探管声源
对于测量信号的带宽， ISO3745和ISO26101中均规定了根据实际使用要求，可以选择1/3倍频程窄带信号或单频纯音信号。一些对声场进行细致研究的测量中还采用了1/6倍频程及1/12倍频程等带宽信号[7]。
3.2声源的位置
在ISO26101中明确了，全消声环境中声源应置于测量环境的中心；半消声环境中应置于反射面中心的表面。在ISO3745中规定了，全消声室中声源的声中心应尽量和测量球体中心吻合(最好位于房间中心)；半消声室中声源的声中心应尽量和测量半球体中心吻合(最好位于反射面中心)，与反射面的距离<150mm(最好是<1/10λ)。建议声源安装在反射面的空穴中。
3.3测量路径
ISO3745中规定的测量路径
在ISO3745中规定了自由场的测量路径至少为5条，这5条线为从测量球面(或者半球面)中心到以下的路径：
1) 到房间顶角的路径，至少选其中3条；
2) 垂直于墙面/顶面的路径，至少选1条；
根据这一路径确定原则，我们建议在按照ISO3745鉴定自由场时，选择如下6条路径：
1) 如图5中路径b，到房间的其中3个顶角中的3条；
2) 如图5中路径a，到房间的长边和短边侧墙与顶面交线垂直线路径各1条，共2条路径；
3) 如图5中路径c，到房间顶面垂线(常常为顶面中心)1条路径。
需要注意的是， ISO3745中还规定了半消声室中的测量路径与反射面的夹角必须大于20°，这在ISO362-3中可能存在不满足这一要求的情况，在确定测量路径中应注意。除此之外， ISO3745中还规定半消声室中测量路径的范围，必须比反射面小最低测量频率的1/4波长并至少不小于0.75m(见A3.2.2条)，即半消声室自由场验收范围最大到距离壁面最低测量频率的1/4波长(并不小于0.75m)的位置。
图5 在ISO 3745中规定的测量路径
ISO26101中规定的测量路径
在ISO26101中规定了自由场的测量路径也是至少为5条，这5条线为从测量球面(或者半球面)中心到以下的路径：
a) 到房间的侧墙与顶面交线垂直线路径(如图6中路径a)，至少选其中1条；
b) 到房间顶角的路径(如图6中路径b)，至少选1条；
c) 到房间壁面中心的路径(如图6中路径c) ，至少选1条；
d) 如果房间平面不是正方的(即房间的长宽不相同)，则以上c)的路径中需包含一条到长边侧墙中心(如图6中路径d1)和1条到房间的短边侧墙中心(如图6中路径d2)；
e) 附加至门、通风口、透声开孔等非均匀界面的测量路径(如图6中路径e)。
根据这一路径确定原则，我们建议在按照ISO26101鉴定自由场时，选择如下6条路径：
1) 如图6中路径b，到房间的其中1个顶角中的1条；
2) 如图6中路径a，到房间的长边和短边侧墙与顶面交线垂直线路径各1条，共2条路径；
3) 如图6中路径d1/d2，到房间的长边和短边侧墙中心各1条，共2条路径；
4) 如图6中路径e，到房间的非均匀界面(如门)1条路径。
图6 在ISO 26101中规定的测量路径
3.4传声器的移动距离[1]
在ISO3745中明确了测量从距离声源声中心0.5m处开始，每条路径至少测量10个测点，且测点之间的间隔不超过0.1m。
ISO26101-2017中要求测量路径原点与起点的距离不应超过最低评定频率的1/4波长，测点的移动距离至少为最低工作频率对应的1/4波长(在ISO26101-2012中规定为1/2波长)，直至达到消声室(或半消声室)的测量假定边界。测点之间的间隔在1kHz以下小于1/10波长，在1kHz以上的频率，间隔不大于25mm。
平方反比率声压衰减的计算
在ISO3745中规定的平方反比律声压级计算公式如式(5)所示：
其中a为由声源辐射声功率决定的系数，r0为声源声中心校准距离(声中心与传声器路径原点的距离差)，ri为第i个测点与测量球面或半球面中心的距离。
在ISO26101中规定的平方反比律声压级计算公式为：
其中b为用来调整声压级理论计算值的参数，使得理论计算的声压级与测试声压级间的偏差在一个允许的区间内，实际上是对测点与声中心距离的修正。r0=1m为参考距离，ri为第i个测点与声源声中心的距离。
ISO 3745和ISO 26101中声压及衰减计算公式的改变，其反应的本质是：ISO3745中通过声中心的校准，使得计算的声压级衰减曲线相对于平方反比律曲线产生旋转，来获得测量曲线和理论曲线的拟合；ISO26101中通过偏差值b的调整，实际上获得的声压级衰减曲线和平方反比律曲线之间产生平移。我们以文献[5]中的例子来跟大家展示这种差异(由于该例子差异不是特别明显，需要仔细观察)。
从原理上来讲，ISO26101中给出的计算方法更加严格。有研究表明[6]，这种改动在低频段自由场测量中，对尺寸比较大的消声室基本不会影响自由场测量结果，但对尺寸小的消声室可能会引起自由场范围的差异。在高频段自由场测量中，声源的声反射影响将会给高频衰减曲线拟合造成影响。看来ISO26101仍需要在实际应用中不断完善，正如ISO26101-2017中已经修正了ISO26101-2012版中对测量距离1/2波长的要求(见本文3.4节)。
参考文献
1. 何龙标,牛峰等. 消声室自由声场鉴定的相关标准探讨, 噪声与振动控制. 35(2015):403–405.
2. ISO 3745:2012, Acoustics – Determination of sound power levels and sound energy levels of noise sources using sound pressure – Precision methods for anechoic rooms and hemi-anechoic rooms, International Organization for Standardization, 2012.
3. ISO 26101:2017, Acoustics – Test methods for qualification of free-field environments, International Organization for Standardization, 2012.
4. C. Bethke, V. Wittstock. Technical aspects in the qualification of free-field environments. In: Proceeding of NAG/DAGA 2009, International Conference on Acoustics, Rotterdam.
5. M. Russo, L. Kraljevic etal. Acoustic performance analysis of anechoic chambers based on ISO 3745 and ISO 26101: standards comparison and performance analysis of the anechoic chamber at the University of Split. Euronoise 2018, Crete, Greece, 2018
6. D. Winker, B. Stahnke. The influences of changes in international standards on performance qualification and design of anechoic and hemi-anechoic chambers. In: Proceeding of Inter-noise 2016, Hamburg, Germany, 2016
7. K. A. Cunefare, J. Badertscher. On the qualification of anechoic chambers; Issues related to signals and bandwidth. J Acoust. Soc. of Am. 120(2006):820-829
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