室内声学设计：5 噪声源声功率测量的混响室

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根据噪声源的不同类型和特点，噪声源声功率测量的实验室环境主要有混响环境、消声环境两大类，本次分享跟大家探讨声功率测量混响环境的要求。混响环境中适用于稳态、宽带、窄带以及含有离散频率成分的噪声源声功率的测量。混响环境条件下现有的测量标准及其适用条件如表1所列。

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*美国空调供暖和制冷工业协会(AHRI)在ISO 3741基础上针对空调噪声的特点，发布了对应的比较法测量标准AHRI 220-2012.

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图1 同济大学声学所非规则表面混响室

混响室的总体技术要求

在ISO 3741中对测试混响室的要求，主要体现在4个方面：

①足够大的混响室体积，以满足房间简正模式密度的要求，达到声场均匀度指标;

②合适的房间形状，以保证简正模式分布的均匀性;

③较小的室内吸声，以保证足够的混响，达到标准偏差的指标;

④较低的背景噪声，以达到被测声源足够的信噪比，保证测量的精确性。

混响室体积的要求

在ISO 3741中规定了不同的最低测量下限频率下，混响室的最小体积的要求(如表2)。虽然ISO 3741在附录E中给出了测量频率范围可以向下拓展到50Hz、63Hz和80Hz频带，但是没有给出拓展到这些频带时，混响室体积的具体要求(除了建议体积大于200m3)。AHRI 220中明确指出“自50~80Hz的1/3倍频带噪声是HVAC设备中不可忽视的成分”，并且规定了要将测量频率范围拓展到100Hz以下频段时，混响室的体积至少应达到280m3。

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在ISO3743中对混响环境的体积要求相对简单，这三个标准中对体积的要求对比如下表：

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混响室体型的要求

为了在混响室内获得更加均匀的简正模式分布，ISO3741和ISO3743.2中都规定了房间体型的要求。混响室应：

①尽量采用各个面不相互平行的长方体型式；

②如果是长方体形时，房间的长、宽、高不应成简单的比例。常见地采用以下的比例关系：

对于体积在200m3左右的房间，下表4中的尺寸比例也是比较理想的房间尺度比例关系：

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图2 德国FhG建筑物理所的非平行壁面混响室

混响室内的吸声(ISO 3741)

混响室内吸声会产生以下3个方面的影响：

①被测声源与传声器之间的距离：在声功率直接法测量中，被测声源与传声器距离需要根据混响室的体积以及混响时间确定; 在比较法测量中，被测声源与传声器距离受标准声源声功率级与声压级的差值影响，而这个差值与混响室声场的扩散特性有关。

②被测声源的声辐射特性：处于混响室内的声源在噪声辐射时，混响室内声场将产生对声源的附加辐射阻抗。由于混响室内吸声条件的变化，附加辐射阻也随之变化;

③测试空间的频响特性：不同频带吸声的变化，将影响混响室内的频率响应特性;

因此，混响室内的吸声既不宜过大，也不宜太小，需要控制在一个合适的范围内。

在ISO 3741中规定，混响室在6300Hz以下的每个1/3倍频程频带内，混响时间应满足：

T60 > V/S，即混响室内平均吸声系数α<0.16

对上述既不宜过大，也不宜太小要求的具体设计控制可进一步细化为：

①混响室表面吸声系数足够小，以保证合适的混响声场；

②频率fg以下的吸声系数应足够大，以有效抑制房间简正模式的影响。

以混响室体积V=200 m3为例，

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③在混响室内增加旋转扩散体或增加低频阻尼和低频吸声体，展开频率响应(简正模式宽度)，改善低频声场均匀性。

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图3 奥克兰大学带旋转扩散体的混响室

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图4 采取了低频阻尼的混响室

④在3kHz以上频段，空气的吸声比较明显，尤其是对大的混响室。高频段的空气吸声影响声场均匀性。为了降低混响室内高频的空气声吸收，应保持室内空气相对湿度RH>50%。

在ISO3743中对吸声的要求相对比较简单，除要求地面吸声系数：a <0.06外，要求其它各面吸声应均匀，并且墙面和天花板的吸声系数在测试室平均吸声系数的0.5~1.5倍之间。

混响室内的背景噪声

在ISO3741中提出了对背景噪声的相对要求和绝对要求。

5.1 相对背景噪声规定

相对要求规定混响室的本底噪声与被测设备噪声关系，规定了在≤200Hz和≥6300Hz的1/3倍频带范围内，混响室的本底噪声必须比被测件对应频带的本底噪声低6dB以上；在250~5000Hz的1/3倍频带范围内，混响室的本底噪声必须比被测件对应频带的本底噪声低10dB以上(如表5所示)。

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实际测量中经常会碰到这样的情况，被测件在某些频带的噪声辐射特别低，造成混响室背景噪声与被测件相应频带噪声差值不能满足表5中的规定。这种情况下，判定混响室的背景噪声不符合测量要求显然不合理。因此， ISO3741中作出规定：当经过修正后的被测件A计权声级在某个或某几个1/3倍频程频带的声级小于声级最大的1/3倍频程频带的声级15dB以上，那么这些辐射噪声很小的频带可以忽略(不必按照表5检验本底噪声)，如图5所示。另一个情况是，当计入/忽略这些频带计算得到的总A计权声级差值在0.5dB(A)以内，那么这些辐射噪声很小的频带也可以忽略(即不必按照表5检验本底噪声)。

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