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第七章声学材料与声学结构的测量在噪声控制和建筑声学工程中要使用大量的声学材料和声学结构，其声学性能的测试是声学测量的重要内容，主要包括两方面：①吸声性能的测量，包括吸声系数和声阻抗率两个参数的测量；②隔声性能的测量，主要是隔声量的测量。本章对上述参数的各种测量方法分别加以介绍。7.1吸声系数和声阻抗率测量使用吸声材料是一种重要的噪声控制方法，同时它还是一种控制室内音质的重要方法。一个好的剧院、礼堂、录音室、会议厅等建筑物，除结构强度、建筑美学等方面的考虑外，还必须具有良好的音质条件。所谓良好的音质条件是指，对于音乐和语言来说要有良好的听闻条件和足够低的噪声水平。一般说来，室内音质除与它的空间形状和几何尺寸有关外，在很大程度上还决定于建筑物墙壁和室内物品对声音的吸收程度。绝大多数物体对声音都有或多或少的吸收作用，但为了控制音质，时常需要采用以吸声为主的吸声材料。在工程实践中，首先要测定备选声学材料的吸声系数，然后根据厅堂功能，结合室内空间形状、体积和表面积计算出要达到理想音质所需要的吸声量，昀后在设计要求指导下铺设合乎要求的吸声材料。由此可见，声学材料吸声系数的测量是一项重要的基础性工作。另外，由声学基础知识可知，材料的吸声系数与其声阻抗率有直接关系，因此，它们常常被作为同一类声学参量予以考虑。吸声系数作为描述吸声材料吸声性能的物理量，它被定义为被吸声材料吸收的声能与入射声能之比。在我国国家标准中，与吸声系数和声阻抗率有关的是：①GBJ88—1985（驻波管法吸声系数与声阻抗率测量规范）；②GBJ47—1983（混响室法吸声系数测量规范）；③GB/T18696.2—2002（声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第2部分:传递函数法）。其中“声学阻抗管中吸声系数和声阻抗率的测量第1部分：驻波比法”已列入全国声学标准化技术委员会的工作计划。归纳起来，测量吸声系数的测试方法主要分三类：声波导管法、自由声场法和混响室法。前两种方法所测的是吸声材料的垂直入射或斜入射的吸声系数，后者所测得的是吸声材料的无规入射吸声系数。下面分别予以介绍。7.1.1驻波管法1、吸声系数测量用驻波管法只能测定吸声材料的垂直吸声系数，该方法既简单又经济，根据测量结果可推算到均匀无规入射条件下的吸声系数，所以在一定意义上可以代替既费时而又不经济的混响室法。当然，这种换算只能适用于吸声材料是“局部反应”（localreactive）的材料。（1）测量装置由本书第一章中有关声波导管的知识可知，如果在管中声波传播的频率低于管道截止频率，则管道中只传播平面波。利用平面波在有限长管道中驻波分布特点即可得到管道末端声学材料的吸声系数。用有限长管道构成的驻波管，其结构见图7.1.1，其主要部分是一根内壁坚硬光滑、截面均匀的管道，管道的末端安装被测材料样品。限制驻波管中声源频率在管道截止频率以下，这样由扬声器向管道下游辐射的声波在管中以平面波形式传播。驻波管法测量吸声系数的频率上限是管道的截止频率，对于圆管和方管，其截止频率0cf和0sf的计算公式分别是Dcfc0084.1⋅=π（7.1.1）Lcfs200=（7.1.2）式中D为圆管直径，L为方管边长，0c为空气中的声速。图7.1.1驻波管的结构及测量装置简图图7.1.1所示的驻波管为单传声器驻波管，目前还有一种双传声器驻波管，有明显优点，近年被越来越多地应用，如B&K公司的双传声器阻抗测量管BK4206。平面波在材料表面被反射回来，其结果是在管中建立起驻波声场。从材料表面算起，管中出现了声压极大和极小的交替分布。利用可移动的探管传声器，可测出声压极大与极小的声级差（或极大值与极小值的比值），由此便可确定垂直入射吸声系数。虽然信号源输给扬声器的是单频电信号，但扬声器发出的并不一定是纯音，所以在接收端必须进行滤波才能除去不必要的高次谐波分量。由于要满足在管中传播的声波为平面波和必要的声压极大值、极小值的数目，常设计有低、中、高频三种尺寸和长度的驻波管，分别适用于不同频率范围。对于整个测量范围，要求反射面的驻波比在40dB以上。（2）测试原理如前所述，当声波的频率满足关系式0cff时，圆管中只能传播平面声波，声波从试件表面（参考平面）反射回来，在管中形成驻波。设ip为入射波，于是ip可写成)(0kxtjiepp−=ω（7.1.3）式中k是平面波的波数。设材料的反射系数为r，则反射声波的声压pr为)(0kxtjrerpp+=ω（7.1.4）引进相角λπθ/2xkx−=−=（7.1.5）式中λ为波长，式（7.1.5）表明：当探管端部从材料面离开时，θ由零变为正值与（x−）成正比例地变化，每移过一个波长的距离，θ增加π2。把式（7.1.5）代入（7.1.3）、（7.1.4）两式，并略去时间因子，则管内任意一点处的总声压可写成][0θθjjrireepppp−+=+=（7.1.6）因反射系数一般是复数，可写成δjerr=，r是一个比1小的数值，δ是反射时的相位移。从式（7.1.4）知声压极大值与声压极小值分别为①当2δπθ+=n时，n=0,1,2…|)|1(||0maxrpp+=（7.1.7）②当2)212(δπθ++=n时，n=0,1,2…|)|1(||0minrpp−=（7.1.8）根据垂直入射吸声系数的定义，有刚性活塞材料驻波管探管扬声器装压强传声器小车轨道及标尺信号发生器传声器放大器窄带滤波器pξ1pminpmaxλ/22||1r−=α（7.1.9）若规定驻波比||||maxminppG=（7.1.10）则把式（7.1.6）、（7.1.8）代入上式，得αα−+−−=+−=1111||1||1rrG（7.1.11）昀后得到2)1(4GG+=α（7.1.12）上式说明，只要确定极大声压和极小声压的比值，就可以求出垂直入射的吸声系数。如果驻波比以分贝为单位，即实际测定的是声压级极大值和极小值间的声压级差L，即GLlg20=，则可由下式求得α22020]101[104LL+×=α（7.1.13）上面两式中的S，L和α三个参数是等价的，测定了其中的一个就可以求出其他二个。S，L和α值之间的数值关系可以由表7.1.1查阅而得。（3）测试方法利用驻波管测定吸声材料垂直吸声系数的方法如下：①调整信号源的频率到指定的数值，并调节信号源输出以得到适宜的音量；②让传声器小车停留在除极小值外的任一位置，改变接收滤波器通带的中心频率，使指示仪表得到昀大读数；③将探管端部移至试件表面处，然后慢慢离开，找到一个声压极大值，并改变放大器增益，使仪表指针正好满刻度，再小心地找出相邻的第一极小值，可算出S或L，由表7.1.1即可查得α值。2、声阻抗率测量用驻波管法只能测定吸声材料的法向声阻抗率。法向声阻抗率的定义为0=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=xnupZ（7.1.14）式中p为声场任意一点的总声压，u是相应点处的质点振动速度。对平面波而言，质点振动速度与声压有如下的关系xpju∂∂−=01ωρ（7.1.15）把式（7.1.6）代入上式，可求得管内任一点处的质点速度为][000θθρjjreecpu−−=（7.1.16）把式（7.1.6）和式（7.1.16）代入式（7.1.14），考虑到在0x=处，0θ=。于是rrcZs−+==1100ρξ（7.1.17）式中ξ称为比声阻抗率，表示材料声阻抗率与空气特性阻抗率（00cρ）的比值，是一个无量纲的量，而且一般情况下是复数，有φξξje||=由式（7.1.17）可推导得表7.1.1S，L和α的关系α1/SSL（dB）α1/SSL（dB）0.013980.002552.00.515.670.176515.10.021980.005045.90.525.510.181514.80.03131.30.007642.30.535.360.186514.60.0496.70.010339.70.545.220.191714.40.0578.00.012837.80.555.080.197014.10.0664.70.015536.20.564.940.20213.90.0755.10.018134.80.574.810.20813.60.0848.00.020833.60.584.680.21413.40.0942.40.023632.60.594.560.21913.20.1038.00.026331.60.604.440.22513.00.1134.30.029130.70.614.330.23112.70.1231.30.031929.90.624.210.23712.50.1328.70.034829.20.634.110.24412.30.1426.50.037728.50.644.000.25012.00.1524.60.040627.80.653.900.25711.80.1623.00.043627.20.663.780.26311.60.1721.50.046626.60.673.700.27011.40.1820.20.049626.10.683.610.27711.10.1919.00.052625.60.693.510.28510.90.2017.40.055725.10.703.420.29210.70.2116.990.058924.60.713.330.30010.50.2216.120.062024.20.723.250.30810.20.2315.330.065223.70.733.160.31610.00.2414.600.068523.30.743.080.3259.80.2513.930.071822.90.753.000.3339.50.2613.310.075122.50.762.920.3429.30.2712.740.078522.10.772.840.3529.10.2812.200.082021.70.782.770.3618.80.2911.710.085421.40.792.690.3718.60.3011.240.089021.00.802.620.3828.40.3110.810.092520.70.812.550.3938.10.3210.400.096120.30.822.470.4047.90.3310.020.099820.00.832.400.4167.60.349.660.103519.70.842.330.4297.40.359.320.103719.40.852.260.4427.10.369.000.111119.10.862.200.4556.80.378.700.115018.80.872.130.4706.60.388.410.119018.50.882.060.4856.30.398.130.123018.20.891.990.5026.00.407.870.127017.90.901.930.5205.70.417.620.131117.70.911.860.5395.40.427.390.135317.40.921.7890.5595.10.437.160.139617.10.931.7200.5814.70.446.950.143916.80.941.6490.6064.40.456.740.148416.80.951.5760.6354.00.466.590.151816.40.961.5000.6673.50.476.350.157416.20.971.4190.7053.00.486.170.162015.80.981.3290.7522.50.496.000.166815.60.991.2220.8181.70.505.830.171615.31.001.0001.0000.0δδξcos21cos21222rrrr−+++=（7.1.18）1sin2tg2rr−=δφ（7.1.19）如果在确定驻波比外，又测得第一个声压极小值的位置（即图7.1.1中的距离1ξ），即可由（7.1.3）和（7.1.7）两式解得221δπξ+=k，因此b