声学测试室与环境

声学测试室与环境
测试室是辅助进行声学测量的特殊环境。主要有两个目的：
•    创建声音功率与声压之间关系已知的环境。
•    为了降低或消除噪声干扰，其中包括环境噪声、辅助设备、机械设备、汽车、卡车、飞机和轨道交通和其他设备所带来的噪声等等。
声音功率测量需要如下的声学测试室和环境：
•    精确级别：消声室、半消声室和共响室
•    工程级别：半消声室和自由场室
•    调查级别：自由场室和自然环境

声音强度测量要求自由场室和自然环境。
声音质量测量要求自由场室和自然环境。

基本概念
   声压等级随着距离声源的距离和方向而变化。部分变化是声源导致的，也可能是测试环境导致的。一个好的测试环境用户可以区分这些变化。
下图展示了声音场相关的五个领域：
•    近场：靠近声源附件的区域，声压在平均值附近波动。在近场范围内，距离声源不同位置的声波由于相位不同，通过干扰互相增强或削弱。因此，近场深度是声源几何形状、测量位置和声音波长的函数。
•    远场：远离声源的区域，声压随着距离增加逐渐减弱。在远场范围内，距离声源不同点的声波是同相位的。远场在近场结束的地方开始。
•    直接场：声音能量主要来源于声源直线传播而不通过反射的区域。
•    共响场：声音能量主要来源于声源通过反射（至少一次）的区域。在反射次数有限的统计限制下，共响场逐渐达到散射场的条件。
•    环境噪声区域：声音能量并非来源于声源而主要来源于与测试无关的区域。

 
低环境噪声测试室的声场

 
高环境噪声测试室的声场


高环境噪声测试室的声场

1. 消声室
    消声室是高精度级别的声功率测试所需的，例如ANSI S12.35和ISO 3745。这样的测试室包含高透射损失的外部封套（通常用混凝土或模块化钢板构造），它的天花板、地板和墙壁带有消声的内部楔子。通常为了可以在楔子上行走，还使用张力电缆地板。
 
消声室结构
    消音楔子是设计用于对高于设计节制频率的所有频率，提供高于0.99的吸收系数。经过这样楔子的反射，强度将衰减20 dB或以上。消音楔子的长度通常是截止频率处波长的四分之一。例如，100 Hz截止频率的楔子通常约为36英寸长。高效消音楔子的设计和制造是非常复杂的任务，须由声学室设计者完成。

由于在消音室中缺少反射，室内为直接场。声压级别和声音功率等级之间的关系为简单的反平方传播法则：
 


    其中LPi是第i个麦克风处的声压等级，LW是声音功率级别，r是从声源到接收点以米为单位的距离，DIi是声源在第i个麦克风方向的直接索引。

    设计良好并经过良好构建的外壳对噪声的降低通常在数值上至少等于外壳组件的声音传播损失。因此第i个三分之一音高的内部声强等级为：
 

    被测设备的每个麦克风位置的声强等级应该比背景声压等级高10 dB或更多。

验证
    在这样的性能级别下，任何声音反射表面都会影响环境的性能。尽管许多反射都被有效抑止了，一部分仍然存在。因此，规范标准要求完成验证测试，其中包括一系列偏离测试，找出声音传播在一定程度上没有遵照上述等式的区域。

测量表面
    使用球形麦克风阵列要求在消声室内至少有20个麦克风位置。球形表面的半径要求不小于被测设备长度尺寸特性的两倍。在一些条件下，需要多达40个麦克风位置。

    可以允许在麦克风和楔子尖之间有四分之一波长，尽管在一些情况下（例如在宽带噪声源环境下），可能要用靠近楔子尖位置的麦克风对房间进行验证。
•    消音室的优点和缺点
优点：保存声源的方向信息
优点：保存声音的时间历史
优点：高级别的测量精度
缺点：需要大型、相对昂贵、精确验证的房间，对于小型声源需要20英尺的立方体（用于测试100 Hz），如果要测量更大的声源，则测试频率需降低。缺点：需要大量麦克风位置。如果实验室吞吐量是重要的，则需要考虑多通道的同步采集。
行业标准：ANSI S12.35、ISO 3745。
2. 半消音室
    消音室用于高精确级别的声功率测量，例如ANSI S12.35和ISO 3745，以及工程等级的声功率测量，例如ANSI S12.34和ISO 3744。许多测试代码要求使用半消音室（例如用于计算机、ECMA 74、ISO 7779和ANSI S12.10）。这样的测试室包含高传输损失的外壳，它内部的天花板和墙壁带有消音楔子装饰。地面特意设计为高反射性，吸收系数为0.06或更小，通常用混凝土建造。


 
半消音室结构图

    由于消音室欠缺反射，室内充满直接声场，当声源安装在反射平面时，声压等级和声音功率等级之间的关系为方向为2的反平方法则传输关系：
 

    其中LPi是第i个麦克风的声压等级，LW是声音功率等级，r是从声源到接收点以米表示的距离，DIi是声源方向第i个麦克风的方向索引。当声源高度高于反射平面较大时（约为波长的十分之一），这个关系不再成立：直接声波和反射声波的相位必须进行调整。

    出于实际的原因，在被测设备较大或较重时，通常倾向于使用半消声室。
良好设计并经过良好构建的外壳对噪声的降低通常在数值上至少等于外壳组件的声音传播损失。因此第i个三分之一音高的内部声强等级为：
 

    如果使用过大或过多的穿透深度，或是如果穿透没有为噪声控制进行合适的设置，测试室外壳隔离可能受到负面影响。迂回传播也可能会将过多的声音能量带到测试室内。

    被测设备每个麦克风位置的声压等级在理想情况下，应该超过背景声压等级10 dB或更多。

验证
    在精确等级标准中要求完成一系列偏离测试，找出声音传播没有遵照上述等式接收的区域。相比消音室而言，半消音室允许大一些的偏差。

    对于工程等级的声音功率测试，主要验证步骤是完成参照声源的声压测量，并且注意测量网格中声音能量的偏差。这个测量中的最大允许环境校正因数是2 dB。

测量表面
    为了进行精确等级的声音功率测量，需要使用含有10个麦克风的半球网格。半球的半径要求不比声源特征尺寸的两倍小。

    对于工程等级的声音功率测量，允许矩形平行六面体（鞋盒）测量表面。网格适合与距离声源约为1米的位置，但是比被测设备的计划尺寸小。对于大型机器而言，这减小了所需的测试室尺寸。

    可以允许在麦克风和楔子尖有四分之一波长，尽管在一些情况下（例如在宽带噪声源环境下），可能要用靠近楔子尖位置的麦克风对房间进行验证。
•    半消音室的优点和缺点：
优点：保存声源的大部分方向信息（特别是相对于波长而言较小的声源）
优点：保存声音的时间历史
优点：相对高级别的测量精度
缺点：需要大型、相对昂贵、精确验证的房间，对于小型声源需要20×20×10英尺的立方体（用于测试100 Hz），如果要测量更大的声源，则测试频率需降低。
优点：半消音室比消音室成本更低。
缺点：需要大量麦克风位置。如果实验室吞吐量是重要的，则需要考虑多通道的同步采集。
行业标准：ANSI S12.35、ISO 3745、ANSI S12.34、ISO 3744、ANSI S12.10、ISO 779、 ECMA 74。

3. 共响室
    共响室用于高精度的声功率测量，例如ANSI S12.31和ISO 3741，以及声音吸收测量，例如ASTM C423和ISO 354。这个测试室由带有声音反射内部装饰的高传输损失外壳组成。所有测量在声源的回响区域进行。
 
 
声音功率    声音吸收


用于声音吸收测试
    所有表面都故意做成反射性的，其吸收系数在所有频率下为0.05或更低，允许部分空气吸收。测试室的体积必须比125立方米大，为200立方米或更大。房间尺寸不能为1：1，长边和短边的比例也不能超过2：1。需要声音反射材料悬挂在室内，并且强烈推荐在测试过程中进行移动。测试室和散射表面区域可能按照实际经验使用验证过程确定。此外，散射区域的表面区域（两面）需要至少为主测试室的25％。

    每三分之一音阶的理想测量动态范围是45 dB。注意为了能够同时测量所有频带，必须在所有频带同时满足动态范围需求。

声功率测试
    需求是相似的，但是房间容量必须是用于精确等级测试声源容量的100倍。此外，还需要在低于200 V1/3的频率进行声音吸收，其中V是用立方米表示的体积。

建造问题
    测试室使用混凝土建造的，对于声音吸收测试十分有用，但是需要为声音功率等级测试添加低频率声音吸收材料。用模块化钢板建造的测试室对声音功率等级测试十分有用，因为钢板在低频下十分灵活，提供了正确的低频吸收能力。钢板测试室在声音吸收测试中并不是最有效的：提高的低频声音吸收可能会达到标准容忍的极限，从而使解析低频下典型的声音吸收数值变得困难。

声压/功率关系
    测试室是设计用于大量的房间模式使用的，在极高模式数量的统计极限下，会产生声压级别和声音功率级别的以下简单关系：

 


    其中LP是声压级别，LW是声音功率级别，A是测试室的Sabine吸收。根据温度和静态压力，标准给出了多个修正。对于声音功率测试，为了补偿墙壁大于均值的声音能量密度引进了Waterhouse修正。

    如果模式数量足够多，声压等级本质上是在测试室的中央部分统一的。注意模式数量与Vf3成正比，因此随着频率降低，模式数量快速减小。将测试室的体积翻倍有效扩展了三分之一音阶的低频性能。

声音隔离
    良好设计并经过良好构建的外壳对噪声的降低通常在数值上大大小于外壳组件的声音传播损失。这是因为任何穿刺进入测试室内部的声音会在几次反射之内滞留在测试室内，从而提高能量强度。因此第i个三分之一音高的内部声强等级为：

 

    在存在活跃宽带噪声源的声压等级将在所有感兴趣的频带内，比环境声音等级（包括脉冲事件）高45 dB或更多。

验证
对于声音吸收：
•    空房间声音吸收系数。
•    在没有测试标本存在的情况下，对测试室的麦克风位置衰减速率的变化进行测量。
•    在有测试标本存在的情况下，对衰减速率变化进行测量。使用参照测试标本。
•    在有声源位置的情况下，对衰减速率变化进行测量。
对于声音功率：
•    空房间声音吸收系数。
•    对于宽带噪声源，平均声压等级随着参照声源在测试室内位置的变化。
•    对于音高声源，声压等级随着麦克风位置对于播放间断音高喇叭的声压等级变化。

优点/缺点
共响室对声音功率的优点/缺点
缺点：声源的方向信息丢失
缺点：声音的时间历史丢失
优点：相对较高的测量精度
缺点：需要较大、经过仔细验证的测试室，大约为200立方米
优点：可以使用一个麦克风快速完成测量
•    行业标准：
ANSI S12.31/S12.32
ISO 3741/3742
ASTM C423/ISO 354

4. 自由场室
    自由场室是半消音室的近似。不在墙壁和天花板上布置消音楔子，而是在测试室的墙壁和天花板布置几英寸的玻璃纤维或是类似的声音吸收材料。小房间以及用于低频测试的房间需要的材料层较厚，大房间以及用于高频测试的房间有时候仅包含三英寸的声音吸收材料。
    自由场室用于工程级别和调查级别的声音功率测试。自由场室还用于声音强度测试，其主要功能是控制环境噪声，通过降低声音反射提高强度测试的精度。
    用于工程等级的声音功率测试，需要使用平行六面体测试表面。主要验证步骤是在参照声源上完成声压测试，注意声音功率差别是根据测量网格计算的。最大允许出现2 dB差别。如果差别过大，室内的声音吸收材料无法改进，解决方案是使用更多布置在声源附近的麦克风。

关于声音强度测试的注意事项
声音强度的理论指出测试方法可以完全消除室内声音反射和环境噪声的影响。这个理论背后要点是：
•    使用无限多的采样点
•    源输出完全稳定或是所有点同时采样。
实际实现要求在一段时间内顺序采样有限多的点。因此尽管这个方法可以将反射效应抑制到一定的程度，它却无法完全消除它。自由场室通常提供充足的声音吸收和声音隔绝，从而可以得到声音强度方法的完美结果。
•    自由场房间的优点/缺点：
优点：可以接受的测量精度
优点：需要大小适中、相对便宜、经过验证的测试室。
缺点：大量的麦克风位置需要使用大量麦克风。如果实验室吞吐量是重要的，则需要考虑多通道的同步采集。
缺点：除了声音强度外，相比半消音室精度较低。
•    行业标准:
ANSI S12.34
ISO 3744
ANSI S12.10
ISO 7779
ECMA 74
ANSI S12.12
ANSI S12.36
ISO 3746

5. 其他环境
“其他环境”是剩下所有种类的类别，包含适当条件、测试室外、测试非专用地区（例如会议室）等等。在大多数情况下，他们是用于调查等级的声音功率测试。可能需要很大、很安静的地方完成工程等级的测量。

对于声音质量测量，环境对声音的作用可能是测试的相对部分，例如汽车中的声音录制。在这样的情况中，内部声学并不是问题，而来自环境声音的潜在干扰是需要考虑的。

内部声学
    许多“其他”环境缺少墙壁或天花板上的声音吸收材料，因此在完成工程级别的声音功率测量时十分困难。更大的区域可能会有更好的表现，因为它有较大的吸收空间。显然，室外测试具有一些特定应用的优点，因为它有很大的空间，能够近似半消音室的性能（无限大的停车场）。

声音强度方法在这样的环境中仍然使用。然而，需要记住这个方法并不完全是“防弹”的，测量的精度在很高的共响环境中可能受到影响。为了达到测试环境偏离半消音状态的程度，需要额外注意和进行采样。

声音隔离
    “其他”环境通常至多提供中等程度的声音隔离。来自建筑、机械系统和周边活动的噪声可能会进行干扰。这些情况的可接受性依赖于被测设备所发生的相对强度和周围环境的声音强度。因此，相比较轻的声源而言，较响的声源更可能在这样的空间中被接受。

    如果周边等级较高，甚至会对声音强度测量进行干扰。实际上，稳定状态的环境噪声可以有效抑制在比被测设备的声压强度高10 dB附近。脉冲环境可以被抑制到相同的极限，但是如果测量在所有位置同时完成。而在环境等级较高时候，需要寻找较为安静的环境。

在室外测试的最大困难是控制环境噪声。因此，室外测试通常在大型机器上完成。
•    其他环境的优点/缺点：
缺点：较低的测量精度
优点：无需特别的测试室。
缺点：可能需要测量更多的位置，延长了测试时间。
缺点：可能会出现更多环境噪声干扰
行业标准:
ANSI S12.12
ANSI S12.36
ISO 3746
更多参考资料
相关NI产品：
•    声音与振动工具包
实用网站:
•    Acoustic Systems
•    Eckel Industries
•    Industrial Acoustics
    信息贡献者：David A. Nelson, P.E., INCE Bd. Cert.，来自于Nelson Acoustical Engineering, Inc，专攻噪声与振动控制、声音质量、实验室设施、测试控制系统和有关设备、建筑、实验室、产品和机器的指令。