第二十章建筑声学测量

分类：建筑声学原理

第一节测量概述

环境的优劣主要决定于声源及围护结构的声学特性。建筑声学测量服务于声其主要内容包括：声源声学特性、材料和结构声学特性及环境声学特性测量等。

声学测量必须具备声源、可控声学环境(声学实验室)和声接收分析设备系统三个条件测量声源时，通常把待测声源置于一定的声学环境中，直接由声接收设备对其声信号进行接收分析；测量材料和结构声学特性时，如材料吸声系数、构件隔声量测量等，一般做法是把待测材料和构件置于特定声环境中，由声源发声，此时接收设备接收到的声信号已反映了待测材料和构件的影响，因此，通过对接收信号的分析即可获得材料和构件的声性；测量声学环境时，只需具备声源和接收设备即可。声源在待测环境中发声，分析到的声信号，就可了解环境的声学特性。声学测量中所用的声源、声环境及接收设备满足一定的要求。

一、声源

测试所用的声源有普通声源和电声源两种，前者如产生脉冲声的发令枪、爆竹、汽球（曝裂发声)、电火花发生器和产生宽带稳态噪声的气流噪声、标准打击器等；后者通常由信号发生器、滤波器、功率放大器和扬声器组成，信号发生器通常有白噪声发生器、粉红噪声发生器、正弦信号发生器和脉冲声发生器等几种。白噪声和粉红噪声是两种具有特定频谱的稳态噪声。白噪声的频率特性是在相等带宽内具有相同的能量，当用等比带宽滤波器(如1/1倍频程滤波器或1/3倍频程滤波器)去分析时，则中心频率增加一倍(相当于绝对带宽增加一倍)能量就增加一倍，即增加3dB。粉红噪声则是在等比带宽内具有相等的能量。而在等带宽时，频率增加一倍能量减少一半，即降低3dB。

二、声学实验室

声学实验室为声学测量提供特定的可控声学环境。常见的建筑声学实验室有混响室、消声室和隔声实验室等。

混响室具有表面吸声很小、混响时间长、扩散性好、声场分布均匀等特点，主要用于测量材料吸声系数、声源声功率及混响时间等。

消声室与混响室相反，表面吸声达0.99以上，满足自由场条件。消声室主要用于对声源特性的测量及用于模拟自由场条件的环境声学试验等。

隔声实验室主要用于测量构件空气声及撞击声隔声量。

三、声学测量接受系统

（一）传声器

传声器的作用是把声学物理量转换成电学物理量，而连接气候的仪器设备都是处理电学物理量的。基本的声学物理量是声压、质点速度和位移。因为测量声压的传感器比测量质点速度和位移的传声器具有制造简单、性能良好的优点，又可以模拟人耳这个同样是接受声压的接收器，所以现在广泛使用的是把声压转换成电学量（通常是电压）的传声器。因此，声学测量中最常用的基本声学物量是声压。

传声器的种类很多，声学测量中常用的是电容传声器。它具有灵敏度高（即在一定声压作用下输出的电压高)、动态范围大、频率响应好(在很宽的频率范围内有平直的响应)以及性能稳定等优点。电容传声器价格较高，且需配有提供极化电压的电源，这是它的不足之处。另有一种驻极体电容传声器，其稳定性稍差，但不需要另加极化电压，因此使用方便，可作为测量精度要求较低的测量传声器。

相据测试条件的不同，传声器灵敏度又分为自由场灵敏度、扩散场灵敏度和声压灵敏一般自由场灵敏度都是指0°入射角而言。扩散场灵敏度是当声波无规入射时的灵敏度，即所有入射角的自由场灵敏度的平均值。压强灵敏度是不管声场条件，只考虑传声器膜片上所受到的实际声压情况，即传声器输出电压与作用在膜片上的声压之比。形状规则的传声器，这三种灵敏度之间有一定的关系。

为了方便测量，有的传声器做得使0°入射时的自由场灵敏度频响尽量平直，称为自由场型传声器，如B&K445、4165型。有的传声器做得使压强灵敏度或扩散场灵敏度的频响尽量平直，，称为压强型传声器。在进行声学测量时，应按照声场情况，选用适当型号的传声器。如在室外测试时，应选用自由场型传声器；在反射声较强的室内测试时，可选用压强型传声器。在缺乏自由场型传声器而又要进行自由场0°测试时，可考虑以压强型传声器在75°入射时使用。对于直径较小的传声器，如直径12mm以下，由于大多数声学测量的主要频率范围内的灵敏度随入射方向变化不很大，因此可以忽略方向的影响。

(二)测量大器

由传声器接收来的信号一般是微弱的，在进行信号分析之前必须加以放大。放大器一般设有直接和前置放大器输入端。前置放大器输入端给传声器提供必需的极化电压。测量放大器有输入和输出两级放大，共提供增益100以上。在两级放大器之间插入滤波器和计权网络。两级放大器均有各自的衰减器。两个衰减器的配合使用要得当，一般是尽量少在输人级衰减，以便获得较大的信噪比，但要注意不能使输人级过负荷，否则信号失真较大

测量放大器一般带有快、慢、脉冲、峰值等时间响应特性，配上电容传声器后，可成为实验室用的精密声级计，如配上加速度计，即成为振动测量仪器。

(三)滤波器

滤波器是一种选频装置。根据不同频率成分的通过特性，滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等几种。在信号频率分析中主要使用带通滤波器。带通滤波器又有恒百分比带宽、恒频带带宽和恒频率数带宽之分，常用的为恒频带带宽滤波器，如1/3倍频带滤波器和倍频带滤波器。

理想的滤波器对通带内的信号没有衰减，使其全部通过；对通带外的信号全部衰减，不能通过。但实际的滤波器对通带以内的信号仍会有一定程度的衰减，而通带以外的信号也有少量通过。

声学测量中，通过使用滤波器可以了解被测对象的频率特性，以及把不需要的频率成份滤除掉，以改善接收信号的信噪比。

为了使测得的声学物理量与人的主观感受有较好的对应关系，在声学测量接收系统中加入计权网络，以便对不同频率的声音进行不同衰减。计权网络是滤波线路的一种，通常有A、B、C、D四种，分别用于测量不同的噪声，测量结果分别用dBA、dBB、dBC和dBD表示。在环境噪声测量中，通常都采用A计权。如果对所有频率都不衰减，则被称为“线性”(档)，测量结果直接用dB表示。

(四)读出及记录设备

接收系统测量结果通常以指针指示或数字显示的方式表示，如测量放大器、声级计面板上的表头或数字显示。有时为了对测量结果作进一步分析，如混响时间测量(声压级衰变过程)时，需要把结果输出到其它记录或显示设备。

声级记录仪是常用的记录设备之一。它能记录直流和交流信号，可用于记录一段时间内噪声的起伏变化，如分析某时段交通噪声的变化情况；也可用来记录声压级衰变过程如测量房间混响时间。

示波器可用来显示较短的脉冲或变化极快的信号。为了方便摄影，建筑声学中测量脉冲响应使用的是低频长余辉示波器。磁带记录仪可以把声音记录在磁带上加以保存或重放。

(五)声级计

把传声器、放大器、计权网络和显示装置等组成一个仪器，就是声学测量中广泛使用的声级计。有时也把倍频带滤波器或1/3倍频带滤波器组合到声级计中，成为一台功能较全的组合式声学测试设备。

通过放大、处理后的噪声信号，在表头上指示读数或显示数字时，其响应时一般有快”和“慢”两档。功能较多的声级计有更多不同的平均时间。对于脉冲声级计，还有“脉冲”档以及“脉冲保持”、“最大值保持”等不同功能。使用中应根据不同类型的噪声信号，选用合适的时间响应档。“慢档”可以测量不短于1000ms的声音信号；“快档”可以测量不短于200ms的声音信号；短于200ms的脉冲声，必须用“脉冲”档测量。对长于1000ms上的稳态信号，用“慢档”、“快档”和“脉冲”档测量，得到的结果应当相同。

目前一些声级计还增加了储存和计算功能；可以按一定采样间隔在一段时间内连续采样，最后计算出统计百分数声级和等效连续A声级，实际上已成了一台噪声分析仪，用于环境噪声的测量十分方便。

声级计每次使用前都要用声级校正设备对其灵敏度进行校正。常用的校正设备有声级校正器，它发出一个100的纯音。当校正器套在传声器上时，在传声器膜片处产生个恒定的声压级(通常为94dB)。通过调节放大器的灵敏度，进行声级计读数的校正。另一种校正设备为“活塞发声器”，同样产生一个恒定声压级(通常为124dB)。活塞发声器信号频率为125Hz，所以在校正时，声级计计权必须放在“线性”档或“C”档。

声级计一般配有防风罩，在室外有风情况下使用。稍大的风会在传声器边缘上产生风噪声，给传声器套上防风罩可减少风噪声的影响。

随着计算机技术的不断发展，计算机应用于声学测量越来越广泛，经传声器接收、放大器放大后的模拟信号，通过模数转换成为数字信号，再经数字滤波器滤波或快速傅利叶变换(FFT)就可获得噪声频谱，对此由计算机作各种运算、处理和分析，可以得到各种所需的信息。最终结果可以很方便地存贮、显示或通过打印机打印输出，做到测量过程自动化，显示结果直观化，大大节省人力，提高测量效率。可以预计，将来的声学测量，将以计算机作为接收系统分析、处理数字信号的核心设备。

第二节环境噪声测量

由于现代工业、交通等的发展，噪声源辐射的总噪声能量有增长的趋势。另一方面，随着人民生活水平的提高，对环境质量的要求也随之提高。噪声扰民问题变得更加突出。因此，环境噪声测量越来越普及。通常环境噪声测量的目的是了解被测环境是否满足允许噪声标准或噪声超标情况，以便提出相应的控制对策。对不同的噪声源和不同的环境，噪声测量的方法也有所不同。

考虑到人耳的频率响应特性，环境噪声测量中大多测量A计权声级。有时为了了解噪声频率特性，尚需测量倍频程或1/3倍频程声压级。

从时间分布特性来看，噪声通常可分为稳态噪声、脉冲噪声和随机分布噪声。稳态噪声是指强度和频谱基本上不随时间变化的噪声，如电机噪声、风机噪声等。对稳态噪声，用声级计“慢”档与“快”档测量的结果应是相同的。脉冲噪声是持续时间很短的噪声，如冲击噪声、爆裂噪声等，通常可用“脉冲”档，或“最大保持”档测量。随机分布噪声的产生可以是由于声源的发声是随机的，或者声源的出现和消失是随机的，如道路交通噪声、无明确噪声源的室外环境噪声等。

测点位置的不同也会直接影响测量结果。当需了解某建筑受环境噪声污染大小时，测点应选在面向噪声源一侧建筑外窗或外窗外1m、高度大于1.2m的位置。工业企业厂界噪声测量时，测点应选在厂界外1m处。道路交通噪声测量，测点位置选在人行道上离马路边500px处，高度为1.2m。生产环境的噪声测量，测点应选在工人操作的位置，测点高度应为人耳的高度。测量时，传声器指向影响较大的声源；若难于判别声源方向，则应将传声器竖直向上。测点数应足够多，以便包括各工种的操作岗位与操作路线。非生产场所室内噪声测量，如办公室、会议室、医务室、托儿所等室内噪声测量，一般应在室内居中位置附近选3个测点，将传声器置于离地面1.2m高处，最后以三点的平均值代表室内噪声水平。

第三节混响时间测量

混响时间测量是最重要的建筑声学测量项目。在厅堂音质评价、材料和结构吸声系数测量，隔声测量及混响室法声源声功率测量时都要进行混响时间测量。

混响时间测量中，声信号通常采用白噪声或粉红噪声。当房间内背景噪声级较高时，可在功率放大器前加带通滤波器，以提高信噪比。传声器把接收到的信号输出给测量放大器和滤波器，经滤波和放大后的信号，最后输给声级记录仪。测试时，待扬声器发出的声音达到稳态后，使声源突然停止发声，在此之前先启动记录仪，使记录纸以一定速度匀速前进，以便记录笔在其上画出声压级衰变曲线。

通常混响时间可以用透明混响圆盘直接在声压级衰变曲线上量得。具体方法是：选择混响圆盘上标有相应的记录纸声压级范围(通常为50dB和75dB两种)和纸速的区间，使之顺着走纸方向，同时使该区间右侧过圆心的粗线压在衰变曲线上，并使混响圆盘的圆心通过记录纸的一条分格线，此时，该分格线所指刻度值即为混响时间值。通常根据衰变曲线上-5~-35dB的衰变范围来决定衰变斜率。

混响时间测量中，声源信号也可以采用调频正弦信号，即“啭音”信号。调制频率约为10Hz。采用啭音是为了避免采用正弦信号时容易出现的驻波现象。此外，也可采用脉冲声作为声源信号。通常用的脉冲声源有发令枪、爆竹和汽球爆裂声等。

测量频率一般选取125~4000共6个倍频程中心频率或100~3150Hz共16个1/3倍频程中心频率

厅堂混响时间测量时，声源通常是放在自然声源的位置，如舞台中央大幕线内3m，高度离舞台面1.5m左右。测点数一般不应少于5个。对非对称体型的厅堂，应适当增加测点。测点位置的选择应有代表性。对于对称体型的厅堂，测点必须在偏离纵向中心线1.5m的纵轴上及侧座内选取。对有楼座的厅堂，应包括楼座区和挑台下的测点。测点距离地面高度应为2~2.5m，与墙的距离应大于1.5m。每个测点对低频段(500Hz以下)的每个中心频率测取6条衰变曲线，求其平均值；在中高频段测取3条曲线，求其平均值。