張晉源，袁苗達(dá)，楊洋，褚志剛

（1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院車(chē)輛工程學(xué)院，重慶401120；2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400044)

基于賽賓原理的車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

張晉源1，袁苗達(dá)1，楊洋1，褚志剛2

（1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院車(chē)輛工程學(xué)院，重慶401120；2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400044)

為有效測(cè)量?jī)?nèi)飾材料在實(shí)際汽車(chē)中的平均吸聲系數(shù)，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)分析車(chē)內(nèi)聲學(xué)性能，提出基于賽賓原理的車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法以及詳細(xì)的測(cè)量計(jì)算流程。針對(duì)某轎車(chē)的測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果表明：該方法有效可行；1 250 Hz以上頻段，該轎車(chē)的車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)基本保持穩(wěn)定，約為0.33。研究結(jié)果為車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量提供有效方法，為轎車(chē)內(nèi)飾聲學(xué)性能的評(píng)價(jià)分析提供依據(jù)。

聲學(xué)；賽賓原理；車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲是汽車(chē)性能的重要方面，采用具有優(yōu)良吸聲性能的內(nèi)飾材料是改善車(chē)內(nèi)噪聲品質(zhì)的重要措施。吸聲系數(shù)是衡量?jī)?nèi)飾材料吸聲性能的重要指標(biāo)，采用合理有效的方法準(zhǔn)確測(cè)定車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)是評(píng)價(jià)、分析、改進(jìn)內(nèi)飾聲學(xué)性能的前提，對(duì)進(jìn)一步降低車(chē)內(nèi)噪聲、改善車(chē)內(nèi)聲學(xué)環(huán)境具有重要意義。

傳統(tǒng)的聲學(xué)材料吸聲系數(shù)測(cè)量常在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，采用的典型測(cè)量方法主要有混響室法[1，2]和駐波管（阻抗管）法[3―6]?；祉懯曳▽⒉牧蠘蛹糜诨祉懯覂?nèi)，在混響室內(nèi)測(cè)量從聲源停止發(fā)聲到其聲能衰減60 dB時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，即混響時(shí)間，基于賽賓原理所建立的混響時(shí)間與混響室體積、材料樣件表面積、混響室表面積間的關(guān)系來(lái)確定材料的吸聲系數(shù)，其可以得出聲波無(wú)規(guī)則入射時(shí)材料的平均吸聲系數(shù)[7―9]。駐波管法將材料按照一定規(guī)格準(zhǔn)確切割后放入駐波管內(nèi)，利用移動(dòng)的單傳聲器測(cè)量駐波管中聲壓的極小值和極大值或利用雙傳聲器測(cè)量?jī)蓚髀暺鏖g的傳遞函數(shù)來(lái)確定吸聲系數(shù)，其測(cè)量結(jié)果為聲波垂直入射時(shí)材料的吸聲系數(shù)[8，9]。上述實(shí)驗(yàn)室測(cè)量無(wú)法有效考慮材料在實(shí)際汽車(chē)中的安裝布置、邊界條件、材料成形參數(shù)等因素，測(cè)量結(jié)果不能完全反映材料在實(shí)際汽車(chē)中的吸聲性能[10]，因此，近年來(lái)，材料吸聲系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法備受關(guān)注，丹麥Brüel&K j?r公司[11]將實(shí)驗(yàn)室駐波管法引入到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，開(kāi)發(fā)了手持式駐波管，其可以在車(chē)內(nèi)測(cè)量不同局部位置內(nèi)飾的吸聲系數(shù)，但無(wú)法測(cè)量計(jì)算整個(gè)車(chē)內(nèi)空間的平均吸聲系數(shù)，因此無(wú)法反映整體吸聲性能。為有效測(cè)量車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)，本文提出了基于賽賓原理的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，把密封的汽車(chē)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)近似作為一個(gè)混響場(chǎng)，放置聲源于車(chē)內(nèi)發(fā)聲，布置傳聲器于車(chē)內(nèi)典型位置測(cè)量聲音信號(hào)并計(jì)算混響時(shí)間，基于賽賓原理確定平均吸聲系數(shù)，該方法簡(jiǎn)單方便，不需要昂貴的混響室，成本低，能夠有效測(cè)量?jī)?nèi)飾的平均吸聲系數(shù)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 測(cè)量原理

吸聲系數(shù)為材料吸收的聲能量與入射到材料表面的總聲能量的比值，是衡量材料吸聲性能的重要指標(biāo)。定義混響時(shí)間T為混響聲場(chǎng)內(nèi)聲源停止發(fā)聲至車(chē)內(nèi)聲能衰減60 dB時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，賽賓原理表明混響時(shí)間T反比于混響場(chǎng)內(nèi)壁面材料的平均吸聲系數(shù)α，如式1所示

其中V為混響場(chǎng)空間體積，S為混響場(chǎng)內(nèi)總表面積。

混響時(shí)間的測(cè)定是計(jì)算吸聲系數(shù)的關(guān)鍵，試驗(yàn)把密封的汽車(chē)車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)近似作為一個(gè)混響場(chǎng)，采用單一聲源在車(chē)內(nèi)發(fā)聲，采用多個(gè)固定位置的傳聲器測(cè)量聲音信號(hào)，稱(chēng)聲源與傳聲器間的相對(duì)位置關(guān)系為配置，圖1為兩個(gè)配置的布局示意圖。為準(zhǔn)確地測(cè)量混響時(shí)間，采用多個(gè)配置，且每個(gè)配置進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量。設(shè)配置總數(shù)為I，傳聲器數(shù)目為M，每個(gè)配置進(jìn)行N次重復(fù)測(cè)量。

圖1 配置布局示意圖

圖2為由各傳聲器測(cè)量的聲音信號(hào)計(jì)算吸聲系數(shù)的算法流程圖，首先，對(duì)每個(gè)配置的每個(gè)傳聲器的N次重復(fù)測(cè)量信號(hào)分別進(jìn)行CPB濾波得各次測(cè)量的信號(hào)在不同頻率時(shí)的衰減曲線，然后，在某頻率條件下，平均化對(duì)應(yīng)該頻率的N條衰減曲線得平均衰減曲線，并由該曲線獲取該頻率的混響時(shí)間，同理計(jì)算所有頻率對(duì)應(yīng)的混響時(shí)間得混響時(shí)間譜，接著，平均所有配置所有傳聲器的共I×M個(gè)混響時(shí)間譜得平均混響時(shí)間譜，最后，基于賽賓原理求取各頻率的吸聲系數(shù)。

圖2 算法流程圖

2 試驗(yàn)測(cè)量

為驗(yàn)證上述方法的有效性，進(jìn)行某轎車(chē)車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)，圖3為試驗(yàn)布局示意圖，采用如圖3(a)所示的無(wú)指向性聲源置于車(chē)內(nèi)4個(gè)不同位置發(fā)聲，對(duì)每個(gè)聲源位置，均采用4個(gè)傳聲器測(cè)量聲音信號(hào)，4個(gè)傳聲器分別固定在不同座椅頭枕上，如圖3(b)所示，即本試驗(yàn)采用4個(gè)配置，此外，每個(gè)配置下重復(fù)測(cè)量3次。試驗(yàn)時(shí)，為了降低孔縫泄漏對(duì)吸聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響，對(duì)車(chē)輛上的孔縫進(jìn)行了堵塞密封，并利用彩霧試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。

以第1個(gè)配置的第1個(gè)傳聲器為例，第一步，對(duì)其3次重復(fù)測(cè)量的信號(hào)分別進(jìn)行CPB濾波得各次測(cè)量的信號(hào)在不同頻率時(shí)的衰減曲線，圖4為其3次測(cè)量的信號(hào)經(jīng)CPB濾波后得到的衰減曲線瀑布圖，三幅圖均在約0.5 s時(shí)刻，聲源停止發(fā)聲，此后，各頻率條件下的聲能量均開(kāi)始衰減，最終在本底噪聲值附近波動(dòng)，此外，對(duì)比圖(a)、(b)、(c)，三者差異很小，表明試驗(yàn)工況穩(wěn)定，測(cè)量一致性好；第二步，在某頻率條件下，平均化對(duì)應(yīng)該頻率的3條衰減曲線得該頻率的平均衰減曲線。

圖3 試驗(yàn)布局示意圖

圖5(a)中的淺灰色曲線為1 000 Hz時(shí)第1個(gè)配置的第1個(gè)傳聲器的測(cè)量信號(hào)的平均衰減曲線，在平均衰減曲線上選擇20 dB的區(qū)段進(jìn)行線性回歸，計(jì)算所擬合直線的斜率，60 dB與該斜率絕對(duì)值的比值即為混響時(shí)間，20 dB區(qū)段的極大值通常由衰減曲線起點(diǎn)到開(kāi)始衰減點(diǎn)的平均聲能量減去5 dB來(lái)確定，極小值由極大值減去20 dB確定，圖5(a)中的黑色粗實(shí)線即為20 dB區(qū)段線性回歸擬合的直線段，其斜率約為-560.7 dB/s，因此，1 000 Hz時(shí)第1個(gè)配置的第1個(gè)傳聲器測(cè)得的混響時(shí)間約為0.107 s，除20 dB區(qū)段線性擬合外，30 dB區(qū)段線性擬合也是求取混響時(shí)間常用的方法，其基本思路與20 dB區(qū)段線性擬合相同，只是將擬合區(qū)段設(shè)為30 dB，圖5(a)中的深灰色虛線為30 dB區(qū)段線性回歸擬合的直線段，由此求得的混響時(shí)間約為0.105 s，與20d B區(qū)段線性擬合法求得的0.107 s僅相差0.002 s，表明1 000 Hz時(shí)二者具有較好的一致性，進(jìn)一步，圖5(b)給出了100 Hz低頻時(shí)第1個(gè)配置的第1個(gè)傳聲器的測(cè)量信號(hào)的平均衰減曲線，顯然，其平均衰減曲線下降段波動(dòng)較大，線性區(qū)段較短，這將造成擬合區(qū)段越長(zhǎng)，計(jì)算誤差越大，因此，為減小低頻時(shí)的擬合誤差，本文采用20 dB區(qū)段線性擬合來(lái)計(jì)算混響時(shí)間；第三步，按照第二步描述的方法計(jì)算所有頻率的混響時(shí)間得混響時(shí)間譜，圖6中帶“〇”實(shí)線為第1個(gè)配置的第1個(gè)傳聲器測(cè)得的混響時(shí)間譜。按照上述步驟對(duì)第1個(gè)配置的第2、3、4傳聲器的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，所得的混響時(shí)間譜如圖6中破折線、點(diǎn)線、點(diǎn)畫(huà)線所示，對(duì)比可見(jiàn)，315 Hz以下低頻段，四個(gè)傳聲器測(cè)得的混響時(shí)間差異較大，250 Hz時(shí)，第1個(gè)傳聲器測(cè)得的混響時(shí)間低于第2個(gè)傳聲器約0.15 s，這主要是因?yàn)榈皖l段車(chē)內(nèi)空腔聲場(chǎng)具有較多的整體聲腔模態(tài)，這些聲腔模態(tài)的存在使其無(wú)法形成較好的混響場(chǎng)[12]的緣故，315 Hz以上頻段，四個(gè)傳聲器測(cè)得的混響時(shí)間差異很小，車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)很接近混響場(chǎng)。

圖4 第1個(gè)配置的第1個(gè)傳聲器3次測(cè)量的信號(hào)的衰減曲線瀑布圖

按照上述步驟對(duì)每個(gè)配置的每個(gè)傳聲器的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，將得出4×4個(gè)混響時(shí)間譜，平均化這些混響時(shí)間譜得平均混響時(shí)間譜，如圖7所示。進(jìn)一步，基于式(1)所示的賽賓原理計(jì)算各頻率的吸聲系數(shù)，計(jì)算需要的車(chē)內(nèi)空間體積約為5.2 m3,車(chē)內(nèi)總表面積約為22.3 m2。圖8為計(jì)算得出的吸聲系數(shù)隨頻率的變化曲線，在100 Hz～315 Hz低頻段，吸聲系數(shù)較低且隨頻率波動(dòng)變化，測(cè)量結(jié)果誤差大，究其原因主要是因?yàn)獒槍?duì)車(chē)內(nèi)空腔尺寸，上述頻率范圍內(nèi)，車(chē)內(nèi)空腔聲場(chǎng)具有較多的整體聲腔模態(tài)，這些聲腔模態(tài)的存在使其無(wú)法形成較好的混響場(chǎng)[12]，從而導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，與圖6呈現(xiàn)的結(jié)果也相吻合；315 Hz～1 250 Hz頻段，吸聲系數(shù)隨頻率的增加而遞增，在1 250 Hz時(shí)達(dá)到0.33，隨后，吸聲系數(shù)隨頻率的變化較小，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，該趨勢(shì)與典型吸聲系數(shù)隨頻率的變化趨勢(shì)吻合，表明在315 Hz以上的頻段，本方法可行。

圖5 1 000 Hz時(shí)第1個(gè)配置的第1個(gè)傳聲器的測(cè)量信號(hào)的平均衰減曲線

圖6 第1個(gè)配置各個(gè)傳聲器測(cè)得的混響時(shí)間譜

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于賽賓原理的車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法，進(jìn)行了某轎車(chē)車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)，取得的主要結(jié)論如下：

提出的基于賽賓原理的車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法能夠有效測(cè)量汽車(chē)內(nèi)飾的平均吸聲系數(shù)，該方法不僅有效可行，而且簡(jiǎn)單方便，成本低，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值；

圖7 平均混響時(shí)間譜

圖8 吸聲系數(shù)隨頻率的變化曲線

針對(duì)某轎車(chē)的測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果表明：中高頻段該轎車(chē)的車(chē)內(nèi)平均吸聲系數(shù)約為0.33。為評(píng)價(jià)分析該轎車(chē)內(nèi)飾的聲學(xué)性能提供依據(jù)。

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[2]GBJ47-1983,混響室法吸聲系數(shù)測(cè)量規(guī)范[S].

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In-situ Measurement of Average Sound Absorption Coefficients in Cars Based on Sabin Principle

ZHANG Jin-yuan1,YUAN M iao-da1,YANG Yang1,CHU Zhi-gang2

(1.Faculty of Vehicle Engineering,Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120,China; 2.College of Mechanical Engineering,Chongqing University,Chongqing 400044,China)

To effectively measure the average sound absorption coefficient of the interior trim materials of cars and accurately evaluate their acoustical performance inside the car,an in-situ measurement method of the average sound absorption coefficients based on Sabin principle is proposed.The corresponding process for measurement and calculation is given in detail.The measurement result of a car testing shows that this method is effective and practical,and the average sound absorption coefficient,approximately 0.33,in the car holds steady in the frequency range above 1 250 Hz.This work provides a method for acoustical performance evaluation and analysis of the interior trim materials of cars.

acoustics;Sabin principle;average sound absorption coefficient in car;in-suit measurement

TB52；U467.1

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.045

1006-1355(2014)01-0201-04

2013-03-13

張晉源（1981-），男，碩士，講師，主要從事汽車(chē)振動(dòng)噪聲及故障檢測(cè)方面的研究工作。

E-mail:jyzhang25@163.com

褚志剛，博士，副教授。

E-mail:zgchu@cqu.edu.cn