声学标准解读：3 混响室法吸声测量ISO354最新修订—低频模态抑制纳入标准
引言
混响室法吸声测试国际标准ISO354:2003目前处于修订阶段，本次修订的主要目的是改善在不同实验室测量结果的可复现性。一些研究表明了实验室之间的可复现性与混响室的声学设计、测试方法等多种因素有关。经过修订工作组多年来的研究，该标准在2019年提出了技术委员会稿(CD)。在ISO/CD 354:2019中，朗德在混响室吸声测试中一直采用的房间模态抑制法纳入了标准条文中，成为本次修订的主要技术修改部分。本次技术分享，主要跟大家介绍ISO/CD 354:2019相对于现行的ISO354-2003的一些改进与调整，以及这些改进对测量结果可复现性改善的一些实际测试结果。
混响室法存在的问题
2.1 测试原理
无规入射条件下的吸声系数可以在满足扩散场条件下的混响室内进行，在国家标准ISO354:2003 (GB/T 20247-2006)以及美国国家标准ASTM C423-17中对测量方法进行了规定。该方法通过在混响室内测试安装被测吸声材料前后的混响时间，采用赛宾(Sabine)公式来计算吸声系数：(相关知识的详细介绍参阅：“室内声学设计：1 赛宾和混响时间”以及 “吸声降噪技术：3 无规入射吸声性能的测量” )
式中：
V───空场(即混响室内未放置被测材料)时混响室体积，m³；
c ───混响室内声波在空气中的传播速度，m/s；
T1───空场时混响室内的混响时间，s；
T2───放入被测材料后混响室内的混响时间，s；
S ───被测材料的面积，㎡；
m1 ─── 空场混响室条件下的声强衰减系数，；
m2 ─── 放入被测材料后混响室条件下的声强衰减系数，；
图1 混响室法吸声系数测量系统图
2.2 存在问题
混响室法是通过混响时间的测量来间接获得无规入射吸声系数，因此测量的准确性有赖于赛宾公式在实际测量混响室内的符合程度，因此，一般要求测量声场足够扩散。
虽然标准中提出了进行声场扩散性检验的一些指导原则和方法，也有一些研究提出了声场扩散度的量化方法，但实际上要获得一个理想的扩散场还是有一定的难度的。因此，长期以来不同实验室测量得到的吸声系数的复现性差一直是个比较大的问题。
测量结果比较分散的原因之一是由于不同实验室房间的容积和形状的差异带来的声场和材料的相互作用情况的不同。由于房间简正模式(参阅：“室内声学设计-2 房间简正模式”)、扩散不充分、被测材料安装在一个墙面等因素必将带来声场分布的各向异性特征，建立一个理想的扩散声场实在不易。同时，材料的安装位置、声源和接收点的位置也会影响到测量结果。
原因之二是采用赛宾公式的近似产生的，在被测吸声材料的面积比较大或者吸声系数比较高的时候，混响室内的平均吸声系数大于0.1了，这时候-log(1-α)再用α来近似就产生了误差，并且这一误差会随着吸声系数的增加而增大。
第三个原因是由于边缘效应引起的，尤其是对厚的材料。边缘效应引起的误差与被测材料的尺寸有关，即与周长面积比有关。虽然标准中提出了周长面积比的要求，但同一比值的材料在不同实验室中对声场的影响是有差异的，另外，由于受材料尺寸的限制，在不同实验室很难保证周长面积比绝对相同。
2.3 ISO 354修订的初衷
虽然说众多研究提出了采取不同方式改善混响室内的声场的方法，但这些方法在实际使用中并不具有很好的可操作性，因此ISO 354针对现有的版本提出一些在实际实验室中可实施的完善方法。这些修订包括：1) 更加严格的房间尺寸和低频模态阻尼控制，以满足更高要求的声衰减特性；2) 采用参考吸声体等方面的内容。
ISO/CD 354修订的主要内容
3.1 混响室的低频阻尼
在ISO/CD 354:2019中一个重大修订是增加了对混响室的低频阻尼。朗德科技为提高低频测量的准确度，在测量吸声结构声学性能时一直采用低频阻尼的方法。
在ISO354:2003中，规定了对200m3容积混响室的等效吸声面积的上限值，并且随着房间容积的增大，这个上限值还需要乘上一个系数。
但在ISO/CD 354:2019中提出了在低频段采用阻尼缩短混响时间，将不论多大容积的混响室，等效吸声面积在100~315Hz频段控制在6㎡。因为这样可以提升模态宽度和模态重叠，从而降低声场的空间不均匀性。
图2 朗德科技在中国建研院测试CPA吸声时采用的低频阻尼
图3 朗德科技在同济大学测试CPA吸声时采用的低频阻尼
3.2 混响室声场扩散度
在ISO354:2003中提出的对混响室扩散特性的检验方法是：在室内增加扩散体，室内的平均吸声系数将随着扩散体的增多而增加，当平均吸声系数达到一最大值不再增加时，房间的扩散体的数量达到最佳值。
在ISO/CD 354:2019中提出了采用混响时间空间变化来检验的方法：首先使用参考吸声体测量，得到标准条件下混响时间的相对标准偏差。然后计算混响时间空间标准偏差的测量和理论值的比值fd。在250~3150Hz频段的1/3倍频程的标准偏差的平均值在1以内，则声场满足扩散度的要求。除此之外，还需要检验衰减曲线的线性度，这是因为在混响室扩散度不够时，衰减曲线将会呈现非线性的衰减特性。
3.3 参考吸声体
在ISO/CD 354:2019中提出了采用参考吸声体测量的方法。
如果在混响室中测量一个标准(参考)吸声体(如200mm厚的双层玻璃棉板)，则根据参考吸声体在多个实验室测量得到的平均吸声量Areq和该参考吸声体在测量所使用的混响室获得的吸声量As,ref的差值，可以对被测吸声材料的测量结果进行修正。在标准草案中给出了参考吸声体(200mm厚的双层玻璃棉板)的垂直入射吸声系数和流阻率参数，用于参考吸声体的符合性检验。同时，标准草案中给出了该参考吸声体的倍频程等效吸声量Areq的最大、最小值，而在测量所使用的混响室根据标准测量程序获得的参考吸声体的吸声量为As,ref，由此可计算吸声的修正系数：
图4 实验室循环测试中得到的8个实验室的Gmma值
采用参考吸声体的测量步骤为：
(1). 测量参考吸声体的等效吸声面积As,ref，并和标准中给出的吸声量Areq对比，检验测量结果是否在标准中给出的范围内，由此来检验混响室特性是否满足测量要求；
(2). 根据参考吸声体的测试结果，根据上式计算修正系数；
(3). 对被测吸声材料的测得的吸声量AT采用下式进行修正：
式中A1和A2分别为按照被测材料前后测量得到的等效吸声量。
3.4 测试声源在混响室中的布置
在ISO354:2003中规定了测试中声源应放在多个位置，并且各位置之间的间距至少为3m。在ISO/CD 354:2019中规定声源必须放在墙角，这样才能激发最多的简正模式(参阅：“室内声学设计-2 房间简正模式”)，而且为了配合不同实验室墙角的形状，可以制作与之相适应的扬声器箱外型。规范中给出了声源性能合规性检验的方法和要求。
下图中给出了混响室中采用低音声源(Sub)和十二面体声源(Dod)在距离墙角不同位置(D=30cm, 40cm, 50cm)测量的混响时间的对比。
图5 低音声源(Sub)和十二面体声源(Dod)测量的混响时间
3.5 混响时间的测量
在ISO354:2003中规定了评价混响时间衰减曲线的声级范围为20dB(T20)，但在ISO/CD 354:2019中规定必须采用30dB(T30)，并且发令枪、气球和电火花等脉冲声源不再被允许。
在吸声系数计算中仍采用带空气吸声修正的赛宾公式，但当被测材料的体积大于2m³时，需要对混响室的容积进行修正，扣除吸声材料所占的体积。
3.6 混响室体积的要求
在ISO354:2003中要求混响室的体积至少为150m³，对新建的混响室体积要求为至少200m³。在ISO/CD 354:2019中提出了混响室体积至少为190m³，并且不大于350m³，最佳的尺寸范围为200~250m³。
根据这一体积要求，一批老的小混响室将不再能使用，同时一些新建的大混响室也将存在问题。如同济大学声学研究所的混响室体积为286m³，在标准规定的范围内，而新建的中国建筑科学研究院的混响室为398m³，超过了350m³上限的要求。后期标准在征求意见中是否会在体积方面作调整，值得关注。
图6 实验室之间复现性标准偏差对比
参考文献
1、ISO 354:2003, Acoustics – Measurement of Sound Absorption in a Reverberation Room; International Organization for Standardization, 2013.
2、ISO/CD 354:2019, Acoustics – Measurement of Sound Absorption in a Reverberation Room; International Organization for Standardization, 2019.
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4、M. Vercammen, On the Revision of ISO 354-Measurement of the Sound Absorption in the Reverberation Room, ICA 2019, Proceeding of the 23rd International Congress on Acoustics. September 2019 in Aachen, Germany.
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