测量材料的吸声系数，还有第三种方法吗？

哼吉吉

随着工业化的发展，各种场合都需要用特殊材料进行降噪处理。如汽车的内饰，除了满足美观和舒适，还需要有吸声降噪功能。如公共空间的建筑材料，对于吸声降噪也会有要求。

材料的吸声能力，行业定义是：声波遇到壁面或其他障碍物时，一部分声能被反射，一部分声能被壁面或障碍物吸收转化为热能而消耗，还有少部分声能透射到另一侧，而某种材料或结构的吸声能力大小采用称为吸声系数。

大家知道材料的吸声系数的检测，一般有两种方法：驻波管法和混响室法。还有第三种方法吗？

一、传统吸声系数测量方法
声波传播至材料表面时，一部分声能量被吸收，这种现象称为材料吸声。吸声材料或吸声结构的吸声能力用吸声系数(α)来表征，定义为吸收的声能与入射的总声能之比，即吸声系数(α)取值范围[0,1]，数值越大表明材料的吸声能力越强。

吸声系数是评价吸声材料或吸声结构性能的重要指标，传统吸声系数测量方法主要有混响室法（GB/T 20247声学 混响室吸声测试）和驻波管法（GB/T 18696 声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量），在实际应用中各有优劣。

1. 混响室法如下图所示，具有如下特点：

①要求待测样本面积10m2~12m2，即要求大样本；

②材料边界因素、面积因素等造成被测材料吸声系数比真实值偏高，而且有时吸声性能较好的材料经常出现吸声系数大于1的情况。

图1 混响室法示意图

2. 驻波管法如下图所示，要求：

①在驻波管中测试，对被测材料的尺寸、材质有较强限制；

②待测材料与测试设备必须精确配合，否则会产生很大误差；

③测试频率范围窄。10cm直径驻波管测试范围一般为250Hz-1600Hz；3cm直径驻波管测试范围一般为1000Hz-6000Hz。

图2 驻波管实物图

3. 开放式驻波管如下图所示，具有特点：

①费力；

②当测试样本接触面不平整时，测试受限；

③声泄露会导致测试不准。

图3 开放式驻波管测试图

二、阻抗枪系统
上述混响室法和阻抗管法测量材料吸声性能大多在实验室环境下，对材料尺寸和测试环境要求严格，而实际上各种吸声材料应用环境各不相同。为了准确测量材料在现场工程应用中的吸声性能，以本公司核心产品-声矢量传感器（见下图）为基础，结合镜像源模型，研制出一款可现场测量吸声系数的测量系统---阻抗枪。

图4 粒子声学1/2英寸声矢量传感器

阻抗枪由声矢量传感器、信号采集调理一体机、功率放大器和处理软件组成。其中声矢量传感器可以直接测量声强（与B&K声强计对比，测量误差小于1dB，后续文章讨论），也可通过计算声压与声质点振速的比值得到声阻抗，进而实现现场测量待测样本的反射系数和吸声系数等参数。

阻抗枪产品可以脱离传统的混响室、驻波管测试条件，具有实时、现地、不破坏待测材料的优势，下图为部分测试用场景。

图5 粒子声学阻抗枪应用演示图

三、实际案例
为了验证阻抗枪测量材料吸声系数的准确性，粒子研发人员对比了几种样本。

1. 双层3M棉

在办公室环境下，使用阻抗枪测试双层3M绵的吸声系数，实测图如下所示。

图6 阻抗枪测3M棉吸声系数演示图

阻抗枪吸声系数测试结果如图实线所示，同时在直径10cm和3cm的阻抗管中分别测试双层3M棉样本在250Hz-1600Hz、1KHz-6KHz频带的吸声系数进行对比。测量结果表明：阻抗枪测试结果与阻抗管基本吻合。

图7 阻抗枪与阻抗管测3M棉吸声系数结果对比

2. 45D海绵
在办公室环境下，使用阻抗枪分别测试单、双层45D海绵的吸声系数，实测图如下所示。

图8 阻抗枪测45D海棉吸声系数演示图

在直径10cm的阻抗管中测试单层、双层45D海绵样本的吸声系数，频率范围250Hz-1600Hz，作为参照。测试结果表明：阻抗枪测试结果与阻抗管结果基本吻合，并且阻抗枪结果可以展示出吸声样本的高频共振现象。

图9 阻抗枪与阻抗管测45D海棉吸声系数结果对比

3. 35D海绵
阻抗枪在狭小、嘈杂办公室测试环境使用时，低频不可避免的会受到一定干扰，使得吸声系数测量结果在400-600Hz时与驻波管测量结果有差异。为此在半消声室利用阻抗枪对35D单层海绵进行测试，结果与驻波管测试结果一致，且测试频带可下潜至200Hz。即测试环境较理想时，阻抗枪一次测量可获得待测材料200Hz~10kHz频带的吸声系数；一般环境下可给出400Hz~10kHz频带下的吸声系数测量结果。

图10 阻抗枪与阻抗管测35D海棉吸声系数结果对比

4. 地板
声矢量传感器与样本之间的距离，会影响吸声系数的测试结果。一般来讲，测地板等强反射样本，PU距样本 4mm~10mm 测试效果好，距离太大会导致结果偏差增大。
下图给出了粒子声学阻抗枪系统测量地板砖的吸声系数结果，三次测试结果一致，吸声系数均在0附近，与实际相符。

图11 阻抗枪测地板吸声系数结果

5. 扫场吸声
使用粒子的声矢量传感器，以阻抗枪测吸声系数原理为基础，通过扫场的方法，可得到扫描面的吸声系数并实现吸声性能的可视化。
实验用亚克力板总尺寸40cm*40cm*1cm，中心镂“LZ”并填充海绵。在办公室搭建扫场实验，如下图所示。

图12 扫场测吸声系数演示图

得到吸声系数的可视化结果，与常规吸声曲线相比，更加直观、形象。

四、延伸
综上所述，阻抗枪作为一种新的吸声系数测量方式，具有便携、准确的优势，对工程现场测量与诊断具有很高的应用价值。

参考文献
1、吸声系数现场测试系统研制与开发【D】, 谢荣基, 电子科技大学, 2015