原创 空气声隔声测试方法

      材料和构件的空气声隔声主要包括三种测试方法：

一是阻抗管隔声测试，该方法的优点是隔声测试比较简单，其缺点是由于试件面积非常小，测试声波的频率可能还小于试样的最低阶共振频率，即这时的隔声主要由试件的刚度决定，并且试件的阻抗是以劲度抗为主，它随频率的提高而减小，使得试件的隔声则随频率的提高而降低。因此阻抗管的测试结果与测试面积和安装条件有很大的关系，因此由阻抗管测试的试件隔声量是较难反映该材料在实际使用时的隔声性能。

其二是分别测量构件或墙体两侧的声压级，然后再按照接收室的混响时间修正后求得构件或墙体的隔声量。目前该方法是隔声测量的主要方法，其实验室隔声测试标准为GB/T 19889.3-2005，现场测试标准为GB/T 19889.4-2005。

其三是在测量构件或墙体的声源室的声压级，而后用声强在接收室侧扫描构件或墙体的声强，从而得到构件或墙体的隔声量。该方法的精度较高，且对于墙体不是单一成分结构时，可以分别得到不同部位的隔声量。该方法实验室测试标准为GB/T 31004.1-2014，现场测试标准为GB/T 31004.2-2014。

1. 空气隔声的阻抗管测量

如图1所示，在阻抗管内由扬声器产生一平面波，垂直入射到试样表面。这样将在声源侧形成入射波p1i和反射波p1r，在试样另外一侧也将形成透射波p2t和反射波p2r。这四个波沿管轴线方向的声压变化表达式为：

因此如果测得位置1~4声压分布：

则可求得上述系数为：

从而求得试样的垂直隔声量R为：

图2 1.4mm铝板阻抗管隔声测试结果。a) 内径100mm，b)内径29mm

图2为1.4mm厚的铝试样在内径分别为100mm和29mm阻抗管中测得的隔声系数。为了保证阻抗管中的平面波，因此在这两个阻抗管中的工作频率分别为50~1600Hz和500~6400Hz。

由图2可以看到，不同直径的1.4mm铝板的隔声性能是不一样的。其隔声性能在超过某一临界频率后，随频率的增大而减小。由于试样的力阻抗Zm可表示为：

当频率较低时，Km/ω>>Mmω，试件的力阻抗主要以主要由试件的刚度决定，它随频率的提高而减小，从而使得试件的隔声则随频率的提高而降低。随着频率的提高，当Km/ω= Mmω时，板发生共振，墙的振动就会很大，则向另一侧辐射的声音也越大，板的隔声越差。单层板的共振频率，与板的大小、厚度、弹性模量、面密度以及边界条件等因素有关，对于周边自由，半径为a的圆形薄板，其共振频率为：

式中：l为试样厚度，E为试样弹性模量，ν为泊松比，ρ为试样密度，ρa为材料面密度，Amn为比例系数，其最低阶为5.251。

这样由式(6)可计算当试样直径为10cm，其第一阶共振频率为723Hz（E取6.85× 1010N/m2、ν取0.3404、ρ取2700kg/m3），而图2a中的低谷处，对应该板的共振频率为716Hz，基本等于上述理论计算值。当试样直径为29mm时，第一阶共振频率为8600Hz，因此在图2b中，由于频率测试范围为500~6400Hz，此时第一阶共振频率已超出测试范围内，因此在图2b中的隔声整体是以劲度控制区为主。

所以采用阻抗管测试隔声时，最好先计算该材料放入阻抗管后的共振频率；通常而言，阻抗管比较适合弹性高分子材料隔声的测试。

2. 声压法隔声测试

国标GB/T 19889.3-2005的空气声隔声测试是在如图3所示的两个相连的混响室进行，其中每个混响室体积不小于50m3，并且容积差大于10%。测试时，将待测试件置于公共隔墙的开口上，开口面积为10m2左右，以保证尽可能减小边界声场对隔声测试的影响以及确保测量频率远高于构件产生弯曲振动的共振频率。同时将试件洞口边框四周边缘的缝隙进行密封，以保证在声源室发出稳态噪声，主要通过试件进入接收室。

图3 混响室-混响室隔声测试

由于向墙板入射（或透射）的声强不易直接测量，但可以由两室内中间区域的平均声压级来加以间接推算。因为除了靠近声源及墙面的区域外，两室内其它区域的声场近似完全扩散。设声源室内的声压为p1，那么单位立体角内向待测试件入射的声强为：

即入射声强与入射角无关。而从待测试件透射入受声室的声强为It=τ(θ)Ii；对不同入射角θ取平均，可得单位立体角内从待测试件透射的平均声强为：。设试件面积为S，则透入受声室的声功率为。设受声室内的声压为pt，存在的吸声最为A，可得向单位面积墙面投射的声功率为pt2/(ρ0c0)，因此吸收的声功率为p22/(ρ0c0)A，因此在稳态时，有：

由式(8)可得待测试件对于无规入射的隔声量R为：

式中：Li和Lt分别为声源室和接收室的平均声压级。它们计算公式为：

式中：Lin为声源室第n个测点的声压值，N为声源室测量点数；Ltm为接收室第m个测点的声压值，M为接收室测量点数。

式(9)即为测量隔声构件隔声量的基本关系式。式中涉及接收室的吸声A，可采用测量接受室混响时间法直接加以确定。

对于隔墙的现场隔声测试，其标准化声压级计算公式为：

式中：T为接收室混响时间，T0为参考混响时间，取T0=0.5s。

3. 隔声测试声强法

以上介绍了隔声测试的声压法基本原理。在实际测试中，为了保证声波在试样的无规入射，因此作为隔声测试的声源室一般采用混响室，声源室的声场也用声压法测量。当声源室空间平均声压为pi，则射向单位面积试样的声功率：

如果用声强在接收室试件附近测得声强为It，则可得试件的隔声量R为：

(13)

式(13)即为采用声强法测量隔声量的公式。在实际测试过程中，为了消除声强扫描时反射声波的影响，接收室一般采用消声室。

图4 隔声测试声强实验室测试方法

在实际测试中，为了便于和理论值比较，一般要求试样隔声在质量定理控制区域，因此对测试样品需要满足一定的尺寸。SAE J1400规定的试样尺寸（对角线长或直径）下的常温测量时的最低频率如表1所示。

表1 试样尺寸与最低测量频率

                                   (14a)

对于现场测量，如果现场隔墙是由若干组件组成，如一个墙体有墙、门和窗等；则这时的试样的平均声强级可表示为：

式中：Sm为被测试样的总面积，Smi为第i个组件的面积，Ini为第i个组件的平均声强。

这样，每个组件的透射声强为：

                                            (14b)

4. 隔声声强法与声压法的结果偏差

通常认为声强法隔声测试结果要小于声压法隔声测试结果，特别是是在低频段，该偏差越大，因此引入修正项Kc：

                                                (15)

式中：Sr为接收室的表面积、V为接收室体积、λ为频带中心频率对应的波长。

这样，得到修正后的声强隔声量为：

                                                         (16)

另外，对于现场测试，GB/T 31004.2-2014在附录B给出了采用GB/T 19889.4的测量结果表观隔声量R’对比，需引入一个修正项K2，并分析和给出了三组材料测试结果的对比。整体而言，墙体结构越复杂，偏差越大。图5为同一实验室对34组双层轻质结构测量结果对比。其中准确度K2为粗线，标准偏差为细线。

图5 GB/T 31004.2-2014测量结果与GB/T 19889.4-2005测试结果对比

我们对图6所示的一组隔墙按照GB/T 31004.2-2014和GB/T 19889.4-2005分别进行了测试。该墙体主体为双层石膏板，整个墙体面积为3.6m*3.5m；内嵌的单层玻璃窗为1.8m* 1.75m；门为0.85m*2.07m。

其中空气隔声测试设备为B&K 2250声级计，噪声源为白噪声；声强测试设备为B&K 3560C机箱和B&K 3599声强探头。声压法的空气隔声量R’为GB/T 19889.4-2005中式(6)。声强测试时，按照墙体结构，分别测试窗、门、门缝、窗左侧石膏板墙体、窗上方墙体、窗下方墙体、窗右侧和门左侧墙体、门上方墙体、门右侧墙体共计9个部分墙体的声强结果。

图6 测试隔墙

表2为声压法和声强法对该隔墙的现场隔声测试结果对比。其标准偏差为图5给出的细线粗略范围。

表2 声压法和声强法对该隔墙的现场隔声测试结果对比

同时由式(14)可知，声强法测试隔声最大优势在于可以定量评估该隔墙不同构件的隔声量。由图6可知，该复合墙主要包括门、双层轻质隔墙和玻璃窗三个结构。表3为这三种结构透过的声功率级对比。由表3可知，窗的透声是最小的。频率高于250Hz以后，门的透声是最主要的。另外，对于门两侧的墙体在声强测试时，可能因为门的原因而使得该部分墙体测量的透声在高频段大于其他部分墙体，这也使得测得的墙体总体透声量在高频部分略有偏高。

表3 三种结构透过的声功率级(dB) 对比