什么是声学实验室?

什么是声学实验室?

[拼音]：shengxue shiyanshi

[外文]：acoustics laboratory

人造的、理想的、特殊的声学环境，是进行声学研究和环境声学研究的实验场所。许多环境声学方面的工作，如噪声源测量，气流噪声的研究，听力测定、护耳器的测量，测量仪器的校准，以及吸声材料和隔声结构的研究等都可以在这种实验室中进行。声学实验室通常包括混响室、隔声室和消声室。它具有良好的隔声和隔振性能，并附有控制室，用来放置测试仪器和控制指示设备。

隔振和隔声

实验室的隔振一般采用质量d簧系统，即把实验室建成独立的混凝土房间，放在d簧基础上。房间质量与d簧组成的系统的共振频率要大大低于实验室内进行测试所用的最低频率，其比值通常为1/20，使外界的振动不会影响室内的测试工作。

实验室的隔声一般采用双层墙结构。通常外墙是砖墙抹灰，可提高隔声值 6分贝以上。内墙是混凝土结构，无窗，门用特制隔声门，周围作成准确的碰头缝，敷以呢绒，以保证严密无缝；或在门边框上嵌装橡胶气垫，以便充气密封。还可采用双层门，以保证隔声效果。

混响室

混响室的吸声本领极低，室内声音经过多次反射形成声能分布均匀的房间，为声学研究提供扩散声场（见声场）的环境。混响室用于测定材料的吸声系数、扬声器和噪声源的声功率、机器及其部件的耐噪声性能；并用于研究空气、水蒸汽和云雾的吸声特性，以及语言清晰度等。

混响室的设计要求：

（1）尽量加长空室的混响时间；

（2）保证室内的声扩散状态。房间的混响时间是：

式中T为混响时间;V为房间容积;S为室内表面总面积;峞为各表面的平均吸声系数;m为空气中声波传播的强度衰减常数。为了获得长的混响时间，内墙面应坚硬光滑，材料一般采用瓷砖、水磨石、大理石或水泥粉刷后涂覆油漆等。

为了保证室内声扩散状态，混响室简正振动方式应有足够密度，简正频率分布均匀。对矩形混响室来说，简正振动方式的密度ΔN/Δf和频率f（赫）的平方及房间的容积V（米3）成正比，即ΔN/Δf≈4πf2V/c3，c为声速。因而，除应加大混响室的容积外，房间的长宽高比例应按调和级数选定。这样可消除简并化，使简正振动频率分布均匀，传播方向无规，而达到良好的扩散（见室内声学）。

扩散问题主要出现在室内放置吸声材料进行测试的过程中。由于材料的吸声系数对不同方向入射的声波是不同的，特别是对掠入射波（入射角接近90°）的吸收很小，因此声场在衰变过程中，掠入射波的相对强度逐渐增加，有效衰变率不断减小。这样情况同混响室的大小、吸声材料的面积和吸声特性都有关系。因此，同样材料在不同实验室测试所得的结果往往不同。为了改变这种情况，可增加动态扩散（衰变中的扩散）。通常采用的方法有：增加吸收，悬挂固定式或安装旋转式扩散体，采用多个柱形墙面或把混响室建成不规则形状。其中以悬挂固定式扩散体的方法最有效，安装旋转式扩散体的方法也常被采用。

随着火箭、导d和各种类型飞行器的发展，须要建立高声强实验室（见彩图）。这种实验室主要包括一间混响室和几套行波管，特点是声压级高，通常为170～175分贝。早期声源曾用旋笛，目前大多使用气流扬声器，其声功率达10千瓦以上。主要用于大振幅声波传播试验、噪声环境试验、金属结构声疲劳试验、精密仪表的声失效试验和生物试验等。

隔声室

用于测定楼板、墙壁、门、窗等对固体声和空气声的隔声性能。隔声室一般包括声源室Ⅰ、接收室Ⅱ、Ⅲ和控制室Ⅳ（图1）。

在声源室的地板上和侧墙上，各有一个试件窗口，可以装设待测的构件。房间Ⅰ和Ⅲ用来测试地板和天花板的固体传声和空气隔声。在Ⅰ室中用标准撞击器激发时，Ⅲ室内测得的平均声压级 L可根据下式折合为标准撞击声压级LB：

LB=L+10 lg(A/A0)式中A为接收室内的总吸声量；A0为标准吸收量，一般取10米2。通常测试用1/3倍频带，LB是频率的函数。

房间Ⅰ和Ⅱ用来测试墙壁和门窗的隔声特性（见隔声测量）。测定空气声的隔声本领时，声源室用扬声器供声，通常用白噪声或啭声，经过1/3倍频带滤波。隔声本领为：

R=L1-L2+lg(S1/A)式中L1、L2分别为声源室和接收室中测得的平均声压级；S1为试件面积(米2)；A为接收室吸声量。测定总吸声量A时可用混响法。

在测试轻结构时，由于试件隔声本领小，声能往返透过试件，不但影响隔声本领的测试，而且A的测试也有困难。中国科学院声学研究所于1977年提出的小试件、轻结构隔声测量的方法是:在两间混响室之间的墙壁上，开一面积为1米2的试件窗装设试件，在接收室一面用隔声罩围起来。这样可将小试件隔声量的测量高限提高20分贝以上。

消声室

墙内面吸声本领特别强，室内声音主要是直达声的房间。它可为声学研究工作提供自由声场的环境。主要用于:传声器自由场互易校准，传声器和扬声器特性的测试和比较，电声仪器设备的测试，同语言、听觉有关的测试，噪声源发声特性的测定等方面的研究;也用于需要避免反射声和噪声干扰的工作（如录声、声波分析、波的衍射和干涉）。设计消声室时应考虑房间的内外尺寸，自由场的误差，自由场的低截止频率，房间的背景噪声以及通风照明等。

房间尺寸主要由下述参数决定：声源的类型和大小；所需要的测试距离；所要求的最低频率；尖劈的长度和墙的厚度等。若围绕声源作球面声压级测量，测量范围的半径要大于声源最大尺寸的2倍以上，但不能低于60厘米。传声器或声源离开尖劈顶的距离要大于所需要最低频率的1/4波长，不能小于60厘米。这样，用于球面声压级测量的房间内部尺寸至少为：

Dmin=4Sd+λ/2式中Dmin为消声室最小内尺寸（相对墙面上尖劈顶到顶的距离）;Sd为声源的最大尺寸，或为30厘米（两者取较大者）;λ为所需要最低频率的波长。内部尺寸确定后，外部尺寸就容易估计，只要加上尖劈长度、墙的厚度以及空气管道等所需的空间即可。

实际上，消声室内声场与理想的自由声场总有一定的差别，设计时的预先估算，可按要求来选取参数。对消声室来说，只需考虑六个墙面的一次反射声对直达声的影响，可忽略二次以上的反射声。同时假定六个反射声到达接收点时相位都相同，并与直达声在接收点相位相同或相差180°的极端情况，即可得到最大误差的表示式：

式中pt为接受点的总声压幅值；pd为直达声压幅值；


为边界吸声层的声压反射系数;r是声源和接收点间的距离；d1～d6 是六个反射声的传播距离；δ的单位为分贝。消声结构是多种多样的，应用最广泛的是尖劈结构，如图2所示。低频时，尖劈的吸声系数随入射波的波长的增加而减小，当波长大于4倍尖劈长度时，吸声系数急速减小。规定正入射吸声系数达99％的最低频率为截止频率。它与尖劈的材料， 以及尖劈的顶角φ、底宽w、长度l、肩高h有关。常用的尖劈，其长度大约相应于截止频率波长的1/4。低频时，尖劈长度要很长，这在制作上有困难，造价也高。现在一般在尖劈和墙间留有空隙，形成共振腔，以增加对低频的吸收。

为了对笨重的工业设备和机器结构进行声学测量，现在较广泛地采用半消声室。半消声室的地板由混凝土或水磨石构成，四壁和天花板覆以吸声结构。例如法国马赛力学和声学实验室不久以前建造的消声室即为半消声室。它的容积可以改变，以适应不同声状态的测量。室内容积为5.5×3.5×3.2立方米或8.5×6.5×3.2立方米。

马大猷教授利用镜面概念，建造了一个“卦限消声室”。在这个消声室（容积为4×4×4立方米）中，只在两邻壁和天花板做尖劈处理，另外两壁和地板分别用瓷砖和水磨石铺面，形成良好的声反射面，即“三面镜子”，使较小空间获得较大空间效果。此消声室在结构上等于一个8×8×8立方米的常规消声室的八分之一，因而取名为卦限消声室。（见彩图）

在卦限消声室中，只要声源或接收器中有一个正好在三面镜子的交点上，声传播情况和常规消声室内相同，在测试中不受反射的影响。实际上，因点源不能制造得理想那么小，换能器正好放在交点上是不易做到的。但只要这个点到反射面的距离小于1/20波长，因反射而产生的误差就不超过 5％。卦限消声室的明显优点是构造简单，造价低廉和使用方便；缺点是测试频率有高限。用平方反比定律鉴定卦限消声室内实现自由声场程度时，特性是良好的。测试中证明保证三个镜面的平滑是卦限消声室中最重要的条件之一。

参考书目

马大猷著：《声学实验室的设计和使用》，《科学通报》，1964年4月号，295～305。E. Meyer， ed.， Technical Aspect of Sound Ⅲ，Elsevier，Amsterdam，1964.