聲學實驗室
正文
人造的、理想的、特殊的聲學環境，是進行聲學研究和環境聲學研究的實驗場所。許多環境聲學方面的工作，如噪聲源測量，氣流噪聲的研究，聽力測定、護耳器的測量，測量儀器的校準，以及吸聲材料和隔聲結構的研究等都可以在這種實驗室中進行。聲學實驗室通常包括混響室、隔聲室和消聲室。它具有良好的隔聲和隔振性能，並附有控制室，用來放置測試儀器和控制指示設備。隔振和隔聲 實驗室的隔振一般採用質量彈簧系統，即把實驗室建成獨立的混凝土房間，放在彈簧基礎上。房間質量與彈簧組成的系統的共振頻率要大大低於實驗室內進行測試所用的最低頻率，其比值通常為1/20，使外界的振動不會影響室內的測試工作。
實驗室的隔聲一般採用雙層牆結構。通常外牆是磚牆抹灰，可提高隔聲值 6分貝以上。內牆是混凝土結構，無窗，門用特製隔聲門，周圍作成準確的碰頭縫，敷以呢絨,以保證嚴密無縫；或在門框線上嵌裝橡膠氣墊,以便充氣密封。還可採用雙層門，以保證隔聲效果。
混響室 混響室的吸聲本領極低，室內聲音經過多次反射形成聲能分布均勻的房間，為聲學研究提供擴散聲場（見聲場）的環境。混響室用於測定材料的吸聲係數、揚聲器和噪聲源的聲功率、機器及其部件的耐噪聲性能；並用於研究空氣、水蒸汽和雲霧的吸聲特性，以及語言清晰度等。 混響室的設計要求：①儘量加長空室的混響時間；②保證室內的聲擴散狀態。房間的混響時間是：
為了保證室內聲擴散狀態，混響室簡正振動方式應有足夠密度,簡正頻率分布均勻。對矩形混響室來說,簡正振動方式的密度ΔN/Δf和頻率f（赫）的平方及房間的容積V（米3）成正比，即ΔN/Δf≈4πf2V/c3，c為聲速。因而，除應加大混響室的容積外，房間的長寬高比例應按調和級數選定。這樣可消除簡併化，使簡正振動頻率分布均勻，傳播方向無規，而達到良好的擴散（見室內聲學）。
擴散問題主要出現在室內放置吸聲材料進行測試的過程中。由於材料的吸聲係數對不同方向入射的聲波是不同的,特別是對掠入射波（入射角接近90°）的吸收很小，因此聲場在衰變過程中，掠入射波的相對強度逐漸增加，有效衰變率不斷減小。這樣情況同混響室的大小、吸聲材料的面積和吸聲特性都有關係。因此，同樣材料在不同實驗室測試所得的結果往往不同。為了改變這種情況，可增加動態擴散（衰變中的擴散）。通常採用的方法有：增加吸收,懸掛固定式或安裝鏇轉式擴散體,採用多個柱形牆面或把混響室建成不規則形狀。其中以懸掛固定式擴散體的方法最有效，安裝鏇轉式擴散體的方法也常被採用。
隨著火箭、飛彈和各種類型飛行器的發展，須要建立高聲強實驗室（見彩圖）。這種實驗室主要包括一間混響室和幾套行波管，特點是聲壓級高,通常為170～175分貝。早期聲源曾用鏇笛,目前大多使用氣流揚聲器，其聲功率達10千瓦以上。主要用於大振幅聲波傳播試驗、噪聲環境試驗、金屬結構聲疲勞試驗、精密儀表的聲失效試驗和生物試驗等。 隔聲室 用於測定樓板、牆壁、門、窗等對固體聲和空氣聲的隔聲性能。隔聲室一般包括聲源室Ⅰ、接收室Ⅱ、Ⅲ和控制室Ⅳ（圖1）。 在聲源室的地板上和側牆上,各有一個試件視窗,可以裝設待測的構件。房間Ⅰ和Ⅲ用來測試地板和天花板的固體傳聲和空氣隔聲。在Ⅰ室中用標準撞擊器激發時，Ⅲ室內測得的平均聲壓級 L可根據下式折合為標準撞擊聲壓級LB：
LB=L+10 lg(A/A0)式中A為接收室內的總吸聲量；A0為標準吸收量,一般取10米2。通常測試用1/3倍頻帶，LB是頻率的函式。
房間Ⅰ和Ⅱ用來測試牆壁和門窗的隔聲特性（見隔聲測量）。測定空氣聲的隔聲本領時，聲源室用揚聲器供聲，通常用白噪聲或囀聲,經過1/3倍頻帶濾波。隔聲本領為：
R=L1-L2+lg(S1/A)式中L1、L2分別為聲源室和接收室中測得的平均聲壓級；S1為試件面積(米2)；A為接收室吸聲量。測定總吸聲量A時可用混響法。
在測試輕結構時,由於試件隔聲本領小,聲能往返透過試件，不但影響隔聲本領的測試,而且A的測試也有困難。中國科學院聲學研究所於1977年提出的小試件、輕結構隔聲測量的方法是:在兩間混響室之間的牆壁上,開一面積為1米2的試件窗裝設試件，在接收室一面用隔聲罩圍起來。這樣可將小試件隔聲量的測量高限提高20分貝以上。
消聲室 牆內面吸聲本領特彆強，室內聲音主要是直達聲的房間。它可為聲學研究工作提供自由聲場的環境。主要用於:傳聲器自由場互易校準,傳聲器和揚聲器特性的測試和比較，電聲儀器設備的測試，同語言、聽覺有關的測試,噪聲源發聲特性的測定等方面的研究;也用於需要避免反射聲和噪聲干擾的工作（如錄聲、聲波分析、波的衍射和干涉）。設計消聲室時應考慮房間的內外尺寸，自由場的誤差，自由場的低截止頻率，房間的背景噪聲以及通風照明等。
房間尺寸主要由下述參數決定：聲源的類型和大小；所需要的測試距離；所要求的最低頻率；尖劈的長度和牆的厚度等。若圍繞聲源作球面聲壓級測量，測量範圍的半徑要大於聲源最大尺寸的2倍以上,但不能低於60厘米。傳聲器或聲源離開尖劈頂的距離要大於所需要最低頻率的1/4波長,不能小於60厘米。這樣，用於球面聲壓級測量的房間內部尺寸至少為：
Dmin=4Sd+λ/2式中Dmin為消聲室最小內尺寸（相對牆面上尖劈頂到頂的距離）;Sd為聲源的最大尺寸,或為30厘米（兩者取較大者）;λ為所需要最低頻率的波長。內部尺寸確定後,外部尺寸就容易估計，只要加上尖劈長度、牆的厚度以及空氣管道等所需的空間即可。
實際上，消聲室內聲場與理想的自由聲場總有一定的差別，設計時的預先估算，可按要求來選取參數。對消聲室來說，只需考慮六個牆面的一次反射聲對直達聲的影響，可忽略二次以上的反射聲。同時假定六個反射聲到達接收點時相位都相同，並與直達聲在接收點相位相同或相差180°的極端情況，即可得到最大誤差的表示式：
為邊界吸聲層的聲壓反射係數;r是聲源和接收點間的距離；d1～d6 是六個反射聲的傳播距離；δ的單位為分貝。消聲結構是多種多樣的，套用最廣泛的是尖劈結構，如圖2所示。低頻時,尖劈的吸聲係數隨入射波的波長的增加而減小,當波長大於4倍尖劈長度時，吸聲係數急速減小。規定正入射吸聲係數達99％的最低頻率為截止頻率。它與尖劈的材料, 以及尖劈的頂角φ、底寬w、長度l、肩高h有關。常用的尖劈,其長度大約相應於截止頻率波長的1/4。低頻時，尖劈長度要很長,這在製作上有困難，造價也高。現在一般在尖劈和牆間留有空隙，形成共振腔，以增加對低頻的吸收。 為了對笨重的工業設備和機器結構進行聲學測量，現在較廣泛地採用半消聲室。半消聲室的地板由混凝土或水磨石構成，四壁和天花板覆以吸聲結構。例如法國馬賽力學和聲學實驗室不久以前建造的消聲室即為半消聲室。它的容積可以改變,以適應不同聲狀態的測量。室內容積為5.5×3.5×3.2立方米或8.5×6.5×3.2立方米。 馬大猷教授利用鏡面概念，建造了一個“卦限消聲室”。在這個消聲室（容積為4×4×4立方米）中,只在兩鄰壁和天花板做尖劈處理，另外兩壁和地板分別用瓷磚和水磨石鋪面,形成良好的聲反射面,即“三面鏡子”，使較小空間獲得較大空間效果。此消聲室在結構上等於一個8×8×8立方米的常規消聲室的八分之一,因而取名為卦限消聲室。（見彩圖） 在卦限消聲室中，只要聲源或接收器中有一個正好在三面鏡子的交點上，聲傳播情況和常規消聲室內相同，在測試中不受反射的影響。實際上，因點源不能製造得理想那么小，換能器正好放在交點上是不易做到的。但只要這個點到反射面的距離小於1/20波長，因反射而產生的誤差就不超過 5％。卦限消聲室的明顯優點是構造簡單，造價低廉和使用方便；缺點是測試頻率有高限。用平方反比定律鑑定卦限消聲室內實現自由聲場程度時，特性是良好的。測試中證明保證三個鏡面的平滑是卦限消聲室中最重要的條件之一。
參考書目
馬大猷著：《聲學實驗室的設計和使用》，《科學通報》，1964年4月號，295～305。
E. Meyer, ed., Technical Aspect of Sound Ⅲ,Elsevier,Amsterdam,1964.
