基于現(xiàn)有混響室的優(yōu)化改造設(shè)計(jì)

　　摘要：某高校原有混響室存在本底噪聲過(guò)大，聲場(chǎng)均勻性較差及檢測(cè)數(shù)據(jù)不完整等問(wèn)題，在不拆除原有基礎(chǔ)建設(shè)的前提下，本文旨在優(yōu)化設(shè)計(jì)使其符合國(guó)家規(guī)范，并獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的混響室.利用聲場(chǎng)擴(kuò)散理論對(duì)聲學(xué)混響室的空間進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，最終將其空間尺寸的長(zhǎng)、寬、高定為7.76m、5.56m、4.50m，使其在滿足規(guī)范GB/T20247—2006要求的最大線度小于1.6倍體積前提下，保證長(zhǎng)、寬、高的比值不成整數(shù)倍，以此來(lái)消除矩形空間的聲簡(jiǎn)并共振現(xiàn)象.對(duì)混響室內(nèi)表面進(jìn)行隔聲處理，使各個(gè)頻率的最小吸聲量滿足現(xiàn)行規(guī)范GB/T20247—2006的要求;對(duì)混響室內(nèi)墻體進(jìn)行弧形改造，對(duì)墻面涂刷金剛石顆粒，在頂部布置擴(kuò)散體，使聲場(chǎng)擴(kuò)散時(shí)達(dá)到理想狀態(tài)，并依照規(guī)范JJF1143—2006對(duì)混響室進(jìn)行校準(zhǔn).以某高校研發(fā)的吸音板作為標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行測(cè)試，最后得到較完整的吸聲系數(shù)曲線及平均吸聲系數(shù)，用于分析材料在不同頻率范圍內(nèi)的吸聲特性.

　　關(guān)鍵詞：建筑聲學(xué);混響室;混響時(shí)間;降噪效果;聲場(chǎng)擴(kuò)散;吸聲系數(shù)

　　0引言混響室內(nèi)聲波得到較為充分的反射后，會(huì)形成理想的擴(kuò)散聲場(chǎng)或磁場(chǎng).因此，可用該擴(kuò)散聲場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量不同材料、不同結(jié)構(gòu)體的吸音隔聲能力及對(duì)電磁波的干擾能力[1].同濟(jì)大學(xué)聲學(xué)研究室建筑聲學(xué)組[2]對(duì)于混響時(shí)間測(cè)量中出現(xiàn)偏差的問(wèn)題進(jìn)行研究.王季卿等[3]針對(duì)混響室內(nèi)擴(kuò)散體安置對(duì)混響時(shí)間測(cè)量偏差的影響進(jìn)行研究.孫廣榮等[4]研究了擴(kuò)散體在靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)混響時(shí)間測(cè)量的空間偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差影響.

　　楊小軍等[5]在孫廣榮研究的基礎(chǔ)上，將研究的頻帶拓寬到1/3倍頻程、中心頻率為100～5000Hz的頻帶范圍.通過(guò)3組不同實(shí)驗(yàn)條件下混響時(shí)間測(cè)量的空間偏差和重復(fù)偏差的比較，總結(jié)出測(cè)量空間偏差和重復(fù)偏差較小的測(cè)量條件.隨著理論研究的深入和科學(xué)技術(shù)的成熟，混響室的應(yīng)用得到了極大的擴(kuò)展.當(dāng)前我國(guó)噪聲問(wèn)題日趨嚴(yán)重，吸聲降噪領(lǐng)域檢測(cè)手段的需求也逐年增加.

　　由于大部分混響室建于混響室理論和施工技術(shù)尚不完善的初期階段，其空間結(jié)構(gòu)不合理，聲場(chǎng)擴(kuò)散度不佳，室內(nèi)表面吸聲量不達(dá)標(biāo)，拆除重建成本造價(jià)高且工期較長(zhǎng).本文以楊志華[1]設(shè)計(jì)的混響室作為參考，綜合現(xiàn)有條件，在不拆除原有混響室前提下進(jìn)行改造，并以此總結(jié)出了幾種提升混響室檢測(cè)性能的方法.本研究在聲學(xué)檢測(cè)和建筑聲學(xué)教學(xué)方面具有現(xiàn)實(shí)意義，可為建筑聲學(xué)相關(guān)的研究提供借鑒，為建筑學(xué)專業(yè)實(shí)訓(xùn)提供聲學(xué)場(chǎng)所.

　　1混響室的工作原理

　　一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室邊界可以反射全部聲能，使其均勻擴(kuò)散到混響室的各個(gè)角落，房間各處的能量密度相同，聲能傳播的方向無(wú)規(guī)則分布.因此，利用混響室法測(cè)量吸聲系數(shù)是目前現(xiàn)有測(cè)量方法中唯一與實(shí)際工況相近的一種方法.利用大功率音響噪聲源在室內(nèi)擴(kuò)散聲能，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后關(guān)閉聲源，以此測(cè)試室內(nèi)聲壓衰減到60dB所需時(shí)間，即混響時(shí)間T60，單位為s.通過(guò)混響時(shí)間的測(cè)量，再利用國(guó)家給定規(guī)范中的公式可計(jì)算出吸聲系數(shù).采用混響室法測(cè)量吸聲系數(shù)主要是利用均勻的混響室內(nèi)聲場(chǎng)來(lái)測(cè)試聲波無(wú)規(guī)則入射后材料的吸聲性能.通常用吸聲系數(shù)來(lái)定義其吸聲性能的高低.現(xiàn)行規(guī)范《聲學(xué)混響室吸聲測(cè)量》GB/T20247—2006[6]規(guī)定混響室法測(cè)量吸聲系數(shù)是利用測(cè)試出的混響室在不同聲波頻率下得到的混響時(shí)間T。

　　2混響室設(shè)計(jì)

　　上述計(jì)算吸聲系數(shù)公式的必要條件是混響室聲場(chǎng)為理想的擴(kuò)散場(chǎng)，聲波可以在室內(nèi)聲場(chǎng)中均勻擴(kuò)散，以此達(dá)到測(cè)試混響時(shí)間時(shí)不會(huì)出現(xiàn)誤差范圍之外的空間偏差.混響室內(nèi)墻體表面的吸聲系數(shù)應(yīng)盡量小，避免由于空?qǐng)龅奈�聲量過(guò)大而產(chǎn)生誤差.適當(dāng)布置一些利于聲場(chǎng)擴(kuò)散的材料，如擴(kuò)散板和旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散體等.根據(jù)混響室法測(cè)量吸聲系數(shù)的原理，結(jié)合《聲學(xué)混響室吸聲測(cè)量》(GB/T20247—2006)[6]和《混響室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范》(JJF1143—2006)[7]要求以及學(xué)校實(shí)際情況和需求，確定設(shè)計(jì)思路.結(jié)合教學(xué)及科研的需求，混響室的優(yōu)化必須滿足以下要求：

　　1)在本底噪聲、室內(nèi)聲壓標(biāo)準(zhǔn)偏差和室內(nèi)空?qǐng)鑫�聲量等方面滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求.2)測(cè)量數(shù)據(jù)可反映出材料在不同頻率下的吸聲特性，以滿足應(yīng)用于教學(xué)科研項(xiàng)目輔助的功能要求.3)建成后室內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，保證科研人員及學(xué)生的健康安全.

　　2.1混響室空間設(shè)計(jì)

　　原有混響室的房間為矩形空間，為減少施工量，混響室繼續(xù)沿用矩形空間.保證混響室的長(zhǎng)、寬、高之比不成整數(shù)倍，以此來(lái)消除矩形空間的聲簡(jiǎn)并共振現(xiàn)象[1]。

　　2.2混響室內(nèi)部吸聲量處理

　　為了盡量減小混響室在空?qǐng)鰰r(shí)各頻段的吸聲量，混響室內(nèi)壁表面采用水泥砂漿抹平后平鋪一層金剛石顆粒，再噴涂一層反射材料，使墻體表面毛糙且吸聲量很低.為方便布置試件，減小邊緣效應(yīng)對(duì)測(cè)量吸聲系數(shù)的影響，地磚采用光面瓷磚.盡量降低墻面和地面對(duì)聲波的吸收，增加聲反射，使室內(nèi)聲場(chǎng)達(dá)到更好的擴(kuò)散效果.

　　混響室在進(jìn)行空?qǐng)鑫�聲量測(cè)量時(shí)，各個(gè)頻率吸聲量均不大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值，因此，不同頻率下的空?qǐng)鑫�聲量滿足規(guī)范要求.

　　2.3室內(nèi)隔聲設(shè)計(jì)

　　混響室的優(yōu)化設(shè)計(jì)在原有基礎(chǔ)建設(shè)上進(jìn)行，處于某校建工樓一樓內(nèi)部，半徑1km內(nèi)無(wú)交通干道且無(wú)大型噪聲源.因此，在底噪處理方面進(jìn)行如下兩方面的優(yōu)化設(shè)計(jì).

　　1)在原有墻體上加厚墻體，澆筑最大厚度為500mm的弧面墻體，以降低測(cè)試時(shí)墻體外部噪聲源對(duì)試件測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的影響.2)設(shè)置相距1m，厚度為200mm的內(nèi)外隔聲門，對(duì)混響室內(nèi)外連接通道進(jìn)行隔聲處理.關(guān)閉隔聲門后，使用HS5633B通用聲級(jí)計(jì)，依照《混響室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范》(JJF1143—2006)[7]布置測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行混響室本底LAeq總聲壓級(jí)測(cè)量.為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，取3次測(cè)量的算術(shù)平均值作為該測(cè)點(diǎn)的本底噪聲聲壓級(jí)。打開(kāi)AWA5510A十二面體聲源調(diào)節(jié)至測(cè)試功率，在相同測(cè)點(diǎn)進(jìn)行3次聲壓測(cè)試，3次測(cè)試結(jié)果取算術(shù)平均值作為該測(cè)點(diǎn)工作噪聲(測(cè)量噪聲)聲壓級(jí)，測(cè)試結(jié)果如表3所示.由表3可知，各測(cè)點(diǎn)的工作噪聲與本底噪聲聲壓級(jí)的差值均大于12dB(A).

　　使用愛(ài)華AWA6290M-3主機(jī)配合傳聲器在測(cè)點(diǎn)5(工作噪聲聲壓薄弱點(diǎn))處進(jìn)行1/3倍頻程的本底噪聲與工作噪聲的聲壓級(jí)比較，其中工作噪聲聲壓級(jí)按規(guī)范要求從穩(wěn)態(tài)聲壓衰減5dB起，衰減至20dB后開(kāi)始測(cè)量.比較結(jié)果.在1/3倍頻程各個(gè)中心頻率工作噪聲聲壓級(jí)均大于本底噪聲聲壓級(jí)12dB以上。

　　工作噪聲進(jìn)行LAeq總噪聲聲壓級(jí)測(cè)量同樣超過(guò)本底噪聲聲壓級(jí)12dB(A)以上，均滿足《混響室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范》JJF1143—2006規(guī)定的“在混響室測(cè)量頻率范圍內(nèi)，所有頻帶的本底噪聲聲壓應(yīng)比該混響室工作聲壓的下限聲壓級(jí)一般至少低12dB(A)”[7]要求.綜上所述，該混響室在本底噪聲方面合格，隔聲處理有效.

　　2.4混響室聲擴(kuò)散處理

　　為降低施工成本和施工難度，在房間側(cè)面墻體使用水泥一次性澆筑出弧長(zhǎng)為4049mm，弧面最高點(diǎn)為500mm，弧面底部寬為3880mm的弧形墻面.根據(jù)施工的具體情況，對(duì)實(shí)際空間的尺寸做出細(xì)微調(diào)整(調(diào)整幅度不太大，不會(huì)增加結(jié)構(gòu)的自重)。對(duì)弧形墻體表面噴灑金剛石顆粒，使墻體表面毛糙，增強(qiáng)其漫反射能力，促進(jìn)聲場(chǎng)在室內(nèi)更好地?zé)o規(guī)則擴(kuò)散;同時(shí)，在房間的頂棚布置有機(jī)玻璃擴(kuò)散體，進(jìn)一步增強(qiáng)房室內(nèi)的聲場(chǎng)擴(kuò)散能力。

　　2.5室內(nèi)空氣質(zhì)量

　　由于混響室主要用于教學(xué)和科研，出于隔聲需求，內(nèi)部空氣流通性較差，所以室內(nèi)空氣質(zhì)量問(wèn)題不容小覷.在不足50.0m2的混響室內(nèi)布置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行空氣質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果。室內(nèi)空氣污染物的測(cè)點(diǎn)值均小于文獻(xiàn)[8]規(guī)定的限值，因此，該混響室室內(nèi)空氣質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可保證學(xué)生及科研人員安全使用.

　　3混響室使用

　　3.1試件及傳感器布置

　　混響室建成后，利用該校研發(fā)的、以吸聲陶粒為主要原料的水泥基多孔吸音板進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)量.陶粒多孔吸聲材料具有耐久性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)吸聲降噪領(lǐng)域應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，常被制作成公路及高速鐵路聲屏障吸聲層及軌道吸音板[9-10].此次測(cè)試不僅是測(cè)驗(yàn)優(yōu)化后的混響室的功能指標(biāo)，也是對(duì)該�？蒲谐晒�的一次驗(yàn)證。

　　吸音板的側(cè)邊在沒(méi)有處理的情況下暴露在聲場(chǎng)中會(huì)吸收一定量的聲能，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生邊界散射等邊界效應(yīng)[12]，導(dǎo)致吸聲系數(shù)的實(shí)際測(cè)量值大于理論測(cè)量值，產(chǎn)生誤差.為盡量減小誤差，需要對(duì)吸音板的側(cè)邊使用表面平滑且吸聲系數(shù)較小的材料進(jìn)行圍合處理。

　　4結(jié)論

　　1)通過(guò)對(duì)原有的混響室進(jìn)行一系列優(yōu)化措施，使原本部分頻段數(shù)據(jù)缺失的混響室具備聲學(xué)測(cè)試能力，空?qǐng)鰰r(shí)各頻段最大吸聲量小于規(guī)范要求.從一定程度上證明了該措施的有效性，對(duì)有混響室建造要求的機(jī)構(gòu)具有一定的參考價(jià)值.

　　2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，由于低頻產(chǎn)生共振，導(dǎo)致多孔吸聲材料的吸聲性能差和吸聲系數(shù)峰值出現(xiàn)在中頻范圍內(nèi)，且吸聲系數(shù)在高頻范圍內(nèi)數(shù)值較高并逐漸趨于穩(wěn)定，這與理論吸聲系數(shù)曲線走向一致.說(shuō)明該混響室的空間及擴(kuò)散體設(shè)計(jì)相對(duì)合理，表面處理到位，本底噪聲小，室內(nèi)聲壓標(biāo)準(zhǔn)偏差低，可以判斷不同吸聲材料的優(yōu)勢(shì)頻率.優(yōu)化后的混響室可以為科學(xué)檢測(cè)不同吸聲材料的吸聲系數(shù)及降噪效果提供參考.

　　3)室內(nèi)空氣質(zhì)量小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值，可以利用混響室的設(shè)備以及混響室本身作為高校建筑學(xué)專業(yè)大學(xué)生提高對(duì)聲波的產(chǎn)生、傳遞路線及反射方向認(rèn)識(shí)的教學(xué)實(shí)踐場(chǎng)所.

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　　[6]全國(guó)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).聲學(xué)混響室吸聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：GB/T20247—2006[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

　　[7]全國(guó)聲學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì).混響室聲學(xué)特性校準(zhǔn)規(guī)范：JJF1143—2006[S].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2006.

　　[8]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范：GB50325—2020[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2020

　　作者：梁新健，周紅梅*

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