环保质检中心噪声实验室规划V01.docx

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环保质检中心噪声实验室规划V01

国家环保设备质量监督检验中心

声学实验室建设规划

（第一版）

同济大学声学研究所

2013年4月

国家环保设备质量监督检验中心

声学实验室建设规划

一．声学实验室规划建设背景

根据国家环保设备质量监督检验中心、无锡市宜兴质量技术监督局就“国家环保设备质量监督检验中心”建设规划，国家环保设备质量监督检验中心将建设环保设备及产品的声学检测和服务的能力，以满足环保产业发展及其产品质量监督检验的要求。

本规划设计在根据相关国际、国内标准，结合声学产品的性能检测以及产业发展需求，对声学性能检测实验室的技术功能进行需求分析的基础上，提出监督检验中心声学和噪声控制相关设备产品的声学性能检测实验室的建设规划建议，以及分期实施计划。

二．声学性能检测参数及标准

本章对设备及材料等声学性能检测按照检测参量及其检测中采用的标准进行分析。

2.1材料吸声性能检测

通过吸声材料或吸收结构将声能吸收，从而降低噪声的能量是噪声控制的重要途径之一。

同时，吸收材料（或结构）在控制室内声环境的舒适性以及音质上也有着广泛的应用。

吸声材料（或结构）的类别和形式多种多样，并且随着技术的进步，新的材料不断涌现，以满足越来越全面的应用要求。

吸声材料（或结构）虽然形式众多，但如果按其吸声机理来分类，可以分成多孔性吸声材料和共振吸声结构两大类。

噪声控制设计以及厅堂音质设计中需要对材料的吸声性能有全面的了解，因此，材料的吸声性能的检测是最基本的声学检测内容。

同时，吸声性能检测在道路交通噪声控制的声屏障、消声器设计等方面也是必备的基本检测参量。

2.1.1材料吸声性能的评价量

吸声材料或吸声结构的吸声能力采用吸声系数来描述。

吸声系数定义为材料吸收的声能与入射到材料上的总声能之比，符号为

。

用公式可表示为：

（1.1）

式中：

——入射声能；

——被材料或结构吸收的声能；

——被材料或结构反射的声能；

——声能反射系数。

吸声系数是评定材料吸声作用的主要指标，吸声系数越大，材料的吸声性能越好；反之，吸声系数越小，材料的吸声性能越差。

一般材料（或结构）的吸声系数介于0～1之间，通常把吸声系数的材料称为吸声材料。

吸声系数与声波的频率以及入射声波的方向有关。

吸声系数可以表示为频率的函数。

图1.1中给出了多孔性吸声材料和共振吸声结构的典型吸声频谱曲线。

多孔性吸声材料的吸声性能一般在低频段比较小，随着频率的增高，吸声系数逐渐增大，在中高频段获得比较高的吸声；而共振吸声结构的吸声性能在共振频率附近比较好，偏离共振频率点以后吸声性能逐渐减小。

a）多孔性吸声材料b）共振吸声结构

图2.1–1吸声材料（结构）的典型吸声系数频谱

声波入射到材料表面的方向，可分为如图1-2所示的正入射、斜入射和无规入射三种形式，其中正入射又称为法向（垂直）入射。

因此，根据声波的入射角度不同，吸声系数可分为法向入射吸声系数、斜入射吸声系数和无规入射吸声系数。

在材料吸声系数测量中，最常进行的检测有法向入射吸声系数和无规入射吸声系数。

不同入射角下的斜入射吸声系数的测量比较复杂，一般在科学研究单位研究中才会用到。

图2.1–2声波入射到材料表面的方向

2.1.2法向入射吸声系数的测量

2.1.2.1法向入射吸声系数测量技术方法

法向入射吸声系数（又称垂直入射吸声系数）通常用符号

表示。

这种吸声系数采用阻抗管法（又称驻波管法）进行测量，该方法所需试件的材料面积很小，测试装置简单，测试结果精确。

适用于对吸声理论研究、吸声结构的优化试验、研制开发新产品以及进行材料吸声性能的相对比较。

在阻抗管中测量法向入射吸声系数的方法分为驻波比法和传递函数法两种，这两种方法的测量过程及其要求的详细描述分别由以下两个国家标准给出：

①．GB/T18696.l-2004声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第1部分：

驻波比法。

（eqv.ISO10534-1，美国标准ASTMC384-98）

②．GB/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。

（eqv.ISO10534-2，美国标准ASTME1050-2010）

驻波比法法向入射吸声系数测量

驻波比法的测量装置见图1-3，其基本原理是由声频信号发声器带动安装在驻波管一端的扬声器，在驻波管内辐射平面波，当平面波在管中传播遇到阻抗管另一端时将产生一反射平面波，入射平面波与反射平面波相互叠加后形成驻波，从而在管内形成了固定的波腹和波节，因此，阻抗管也称为驻波管。

波腹处的声压极大值与波节处的声压极小值之比称为驻波比s。

测得管中的驻波比后，根据下式计算法向入射吸声系数：

（1.2）

图2.1–3驻波比法吸声系数测量装置图

驻波比法测量必须保证在管内形成平面波，而管道内在与管道截面尺寸有关的一定频率以下才不会产生高次波，即驻波比法测量存在一个上限频率。

对于圆形管道，它的上限频率为：

（1.3）

式中：

d───管道截面直径，m；

c0───空气中的声速，m/s。

阻抗管测试段的长度l决定了阻抗管测量的下限频率：

（1.4）

因此，驻波管的长度和直径决定了所能有效测量的频率范围。

传递函数法法向入射吸声系数测量

随着数字测量技术的发展，利用传递函数法直接在阻抗管中测量材料的吸声系数和声阻抗是一种更加方便快速的方法。

这种方法能同时测量一定频率范围内所有频率处的材料复反射系数、法向声阻抗率和吸声系数。

传递函数法吸收系数测量装置如图1-4所示。

图2.1–4传递函数法吸声系数测量装置图

传递函数法的测量原理是将白噪声信号输入扬声器，在管道内形成驻波声场。

由管壁处的传声器M1和M2同时测得声压瞬时信号p1（t）和p2（t），这两个信号经过快速傅立叶（FFT）分析进而得到两个测点之间的传递函数。

（7.7）

根据声波的传播叠加原理可得到被测材料的复反射系数R：

（7.8）

式中：

s───两测量传声器之间的距离，m；

───从试样表面到较远一个测点M1的距离，m；

k───波数。

由复反射系数R可求得材料的法向入射吸声系数：

（7.9）

由于传递函数法测量的便利性，而且其测量结果与驻波比法的结果完全等同，因此传递函数法被越来越广泛采用，在许多新修订的标准中对吸声性能参数的要求所提出的测量方法大多推荐传递函数法。

测量规范及标准

GB/T18696.l-2004声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第1部分：

驻波比法。

ISO10534-1:

1996Acoustics--Determinationofsoundabsorptioncoefficientandimpedanceinimpedancetubes--Part1:

Methodusingstandingwaveratio.（BS-EN-ISO-10534-2-2001）

ASTMC384-04（2011）StandardTestMethodforImpedanceandAbsorptionofAcousticalMaterialsbyImpedanceTubeMethod.

GB/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

ISO10534-2:

1998Acoustics-Determinationofsoundabsorptioncoefficientandimpedanceinimpedancetubes--Part2:

Transfer-functionmethod

ASTME1050-12StandardTestMethodforImpedanceandAbsorptionofAcousticalMaterialsUsingaTube,TwoMicrophonesandaDigitalFrequencyAnalysisSystem

应用标准

ASTMD1037-12StandardTestMethodsforEvaluatingPropertiesofWood-BaseFiberandParticlePanelMaterials

2.1.2.2测量设施—标准阻抗管

杭州爱华AWA6128A型驻波管吸声系数测试仪

图2.1–5杭州爱华AWA6128A型驻波管

AWA6128A型驻波管吸声系数测试仪用于测定垂直入射条件下吸声材料的吸声系数。

测试仪由驻波管、传声器、测试主机、显示器、键盘鼠标等组成。

测试仪软件根据测量到的峰声级值和谷声级值自动计算出吸声系数，并能生成吸声系数与频率的坐标曲线。

该设备满足《GB/T18696.1-2004（ISO10534-1:

1996）声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量第1部分：

驻波比法》的要求

为了满足不同的测量频段的要求，该套设备提供了两种管径尺寸：

1低频管：

Ф96x1000（mm），测量频率范围：

90Hz～1800Hz；

2高频管：

Ф30x350（mm），测量频率范围：

1500Hz～6500Hz

杭州爱华AWA8551型驻波管

图2.1–6杭州爱华AWA8551型驻波管

AWA8551型阻抗管满足GB/T18696.2-2002（ISO10534-2:

1998）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》中规定的测量要求。

杭州爱华制造的AWA8551型系列阻抗管采用铝合金材质，重量轻、尺寸小，样品安装及拆卸方便。

阻抗管的尺寸分100mm和29mm两种，有些测量频率范围为50Hz~6.3kHz。

北京声望SW422和SW477阻抗管

图2.1–7北京声望SW422和SW477阻抗管

北京声望的SW系列阻抗管的满足GB/T18696.2-2002（ISO10534-2:

1998）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》中规定的测量要求。

其中：

1SW422为低频管，直径100mm，测量频率范围为63Hz～1800Hz；

2SW477为高频管，直径30mm，测量频率范围为800Hz～6300Hz；

丹麦B&K4206和4206A阻抗管

图2.1–8丹麦B&K4206和4206A阻抗管

丹麦B&K4206和4206A两种型号的阻抗管的满足GB/T18696.2-2002（ISO10534-2:

1998，ASTME1050-2010）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》中规定的测量要求。

其中：

B&K4206的测量频率范围为50Hz~6.4kHz；B&K4206A的测量频率范围为100Hz~3.2kHz。

2.1.2.3测量设施—特殊阻抗管

英国Salford大学的低频阻抗管

英国Salford大学近期建设了一圆管式低频驻波管，用于测量更低频段的材料的吸声性能。

该阻抗管采用22mm厚的低碳钢制作，具体的管径以及有效测量频率范围没有公布。

下图分别为该低频驻波管的示意图、实景照片以及原理图。

图2.1–9英国Salford大学的低频阻抗管

同济大学的低频阻抗管

同济大学声学研究所在1974年建立了直立式的低频阻抗管，管道截面为600mmx600mm，可用于大型吸声材料或结构的低频吸声性能的测量，如消声室用吸声尖劈的测量。

该阻抗管目前不处于正常工作状态，下图为该阻抗管道实物照片。

图2.1–10同济大学直立式低频阻抗管

南京大学的低频阻抗管

南京大学建立了40