GB T 21228.1-2007 声学.表面声散射特性.第1部分 混响室中无规入射声散射系数测量.pdf

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1、ICS 9112020A 59 a目中华人民共和国国家标准GBT 2122812007ISO 17497-1：2004声学表面声散射特性第1部分：混响室无规入射声散射系数测量Acoustics-Soundscattering properties of surfacesPart 1：Measurement of the random-incidence scattering coefficientin a reverberation room2007-1卜14发布(IS0 174971：2004，IDT)2008050 1实施丰瞀髁鬻瓣警糌瞥霎发布中国国家标准化管理委员会促19GBT 2122

2、81-2007ISO 174971：2004前言一引言”1范围2规范性引用文件3术语和定义4原理-5频率范围6测试安排61混响室62旋转台和底板-63试件7测试步骤71测试信号72声源和接收设备73脉冲响应的测量74温度和相对湿度75衰变曲线的估算8结果表述81计算方法82准确度83结果表达9测试报告附录A(资料性附录)测量结果的准确度参考文献目 次I111233334555566667779O刖 昌GBT 212281-2007IS0 17497-1：2004GBT 21228声学表面声散射特性包括以下两部分：第1部分：混响室无规入射声散射系数测量第2部分：自由场指向性扩散系数测量本部分是G

3、BT 21228的第1部分，本部分等同采用ISO 174971：2004声学表面声散射特性第1部分：混响室无规入射声散射系数测量(英文版)。本部分的附录A为资料性附录。本部分由中国科学院提出。本部分由全国声学标准化技术委员会(SACTC 17)归口。本部分主要起草单位：中国科学院声学研究所、中国建筑科学研究院、同济大学、中广电广播电影电视设计研究院。本部分主要起草人：吕亚东、谭华、盛胜我、莫方朔、王季卿、陈建华、张明照、尹铫。GBT 212281-2007ISO 17497-1：2004引 言表面声散射程度在室内声学各个方面(如：音乐厅、录音棚、车间和混响室)研究中非常重要。散射不足会导致严重

4、偏离指数型声压衰减规律。另一方面，室内通过强散射表面可以获得近似扩散的声场。室内散射程度是与室内音质相关的一个重要因素。GBT 21228的本部分将声散射系数作为一个新概念引入。声散射系数与吸声系数在室内声学计算、模拟和预测建模中非常有用。表面散射模型的建立对于得到室内声学的可靠预测十分重要。GBT 21228的本部分提出定量测量表面散射特性的方法，以代替以前曾经应用但不被广泛接受的估算法。GBT 21228的第2部分将重点介绍指向性扩散系数的测量方法，指向性扩散系数虽不同于无规人射声散射系数，但与其相关。声散射系数是用来粗略描述声散射程度的物理量，扩散系数则是描述声散射的指向性均匀度，即扩散

5、表面的质量。因此两个概念都需要，它们有不同的应用场合。GBT 212281-20071S0 174971：2004声学表面声散射特性第1部分：混响室无规入射声散射系数测量1范围GBT 21228的本部分规定了由表面粗糙度引起的表面无规入射声散射系数的测量方法。应在混响室中以足尺模型或实物缩尺模型进行测量。测量结果可用来描述有多少来自表面的声反射偏离了镜面反射。其结果还可用于与室内声学和噪声控制有关的对比和设计计算。本方法不适用于表征表面声散射的空问均匀分布特性。2规范性引用文件下列文件中的条款通过GBT 21228的本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包

6、括勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。GBT 172471声学户外声传播衰减第1部分：大气声吸收的计算(GBT 1724712000，idt IS0 96131：1993)GBT 20247声学混响室吸声测量(GBT 20247 2006，ISO 354：2003，IDT)3术语和定义下列术语和定义适用于本部分。31镜面反射specular reflection遵循斯奈尔(Snell)定律的反射，即：反射角等于入射角。注：镜面反射可通过远大于入射声波长的刚性平面来近似得到。32

7、扩散声场diffuse sound field能量密度均匀，在各个传播方向为无规分布的声场。33声散射系数scattering coefficient如总反射声能减去镜面反射声能之后与总反射声能的比值。注：理论上，却可在0和1之间取值，其中：o表示完全镜面反射表面，I则表示完全散射的表面。下标0用来表示相对表面法向的人射角度。若无下标，则表示无规人射。34无规入射声散射系数random-incidence scattering coefficient5总反射声能减去扩散声场中表面镜面反射声能之后与总反射声能的比值。GBT 212281-2007IS0 174971：200435无规入射吸声系数

8、random-incidence absorption coefficient口，入射声能减去扩散声场中表面总反射声能之后与人射声能的比值。36无规入射镜面吸声系数random-incidence specular absorption coefficientCfspec入射声能减去扩散声场中表面上镜面反射声能之后与入射声能的比值。注：当损失包含散射声能和被吸收的声能时，这是表观吸声系数，。可在仉和1之间取值。37实物缩尺比例physical scale ratio1：N实物缩尺模型的任一线性尺度与足尺实物同一线性尺度之比。注：用于声学测量的缩尺模型中的声波波长遵循同样的实物缩尺比例。因此，如

9、果缩尺模型与足尺实物采用同样的声速，则模型测量所用的频率应是足尺实物所用频率的N倍。4原理本方法的原理可以通过观察时域反射和散射效果来进行阐释。图1表示自由场中从试件不同方位凹凸表面反射引起的3个带通脉冲。2山q蚓韫+图1 在试件3个不同位置测得的带通脉冲响应示例时间tmSGBT 212281-2007ISO 17497-1：2004显然，早期反射部分是高度相关的，该相关部分等同于镜面反射分量。相反，后期部分相位不同并且取决于特定方位，反射脉冲的“尾部”能量包括了散射部分。测量方法原理是从反射脉冲中提取镜面能量，即：可以通过不同试件方位获得的脉冲响应同步(锁相)平均得到。该原理可以直接应用于混

10、响室测量。除常规吸声系数测量外，可将(圆形)试件放置在旋转台上测量不同试件方位的脉冲响应。通过声压脉冲响应的同步平均，镜面分量得到同相相加，而散射声则干涉相消。假定散射分量统计意义上彼此无关，可以看出(见参考文献1)n个室内脉冲响应同步相加后，早期衰变与声吸收和试件声散射引起的表观能量损失的联合效应相关。5频率范围应按i3倍频程进行测量，其中心频率在100 Hz5 000 Hz频率范围内。这是针对足尺测量计算而言的。如果采用1：N实物缩尺比例，则中心频率位于N100 HzNX 5 000 Hz频率范围内。注1：倘若缩尺模型填充的气体声速不同于空气声速，则测量频率应按波长遵循实物缩尺比例1：N进

11、行选择。注2：如果空气衰减过大，则测量可忽略高频，详见613。6测试安排61混响室611概述GBT 20247给出了混响室的技术要求。扩散体位置应固定，即运动扩散体(旋转扩散体)不应使用。房间及室内设备尽可能不变。温度和湿度对测量有很大影响，见74。任何可能产生空气运动或改变室内空气特性的设备，如通风系统不宜启动。612室内容积混响室容积V(单位：ITl3)至少为：V200N-3613空室声吸收空室的吸声量A，包括空气衰减不宜超过：AlO3Vj注：根据631试件尺寸要求，导出经验关系A。S1，其中：S为试件面积。62旋转台和底板要求旋转台能够旋转试件。旋转台应具有圆形刚性底板，底板应相对旋转轴

12、对称。底板尺寸应为试件最大尺寸，见63。旋转台的任何部分距室内墙壁的距离不应小于N-110 m，见图2。GBT 212281-2007ISO 17497-1：20041旋转台；2墙面；d直径；一距室内墙壁的最小距离。 图2具有试件旋转台的混响室平面图应测量底板本身的声散射系数，以便核查测试装置对测试结果的影响，见814。不应超过表1列出的与频率相关的数值。表1 底板本身的最大声散射系数频率(，N)Hz 100 125 160 200 250 315 400 500 530声散射系数sh 005 005 0，05 005 005 005 005 0 05 010频率(，N)Hz 800 1 00

13、0 1 250 1 600 2 000 2 500 3 150 4 000 5 000声散射系数Sh 010 010 015 015 015 020 020 020 02563试件631试件面积试件面积宜尽可能大，以获得良好的测量准确度。试件宜为圆形，其直径至少宜为_NX30 113。或者试件可为正方形，其边长至少为NX265 m。这时，底板的直径至少应为N-1375 ITI。如果试件不是圆形的，那么试件应齐平安装。4GBT 212281-2007ISO 17497-1：2004632试件结构深度这里所述测量方法旨在测定表面粗糙度。因此只有当结构深度与试件尺寸相比足够小时，结果才可靠。结构深度

14、(见图3)宜为：d16式中：d旋转台直径。d试件直径；结构深度。图3结构深度的定义注：由于沿试件边缘试件高度变化，会出现边缘效应。和同样试件结构无限大表面声散射系数相比，其结果会导致声散射系数很高。边缘效应有时会使测得的声散射系数s1。633旋转台上试件位置试件周边表面宜尽可能光滑并具有刚性。不要用固定高度刚性边来覆盖周边表面，沿试件周边表面的开孔应被密封。如果试件旋转对称，试件应以下述方式放置在旋转台上。对称中心应至少偏离旋转台中心d8，其中：d为旋转台直径。634试件声吸收试件吸声系数不宜超过m一05。但是，倘若声吸收是声散射结构一部分的话，则试件本身也应具有相应的吸声性能。注：具有高吸声

15、系数的试件，本测量不会得出可靠的测量结果，见附录A。7测试步骤71测试信号由于估算需要相干平均，所以测试信号应是确定性的信号。应采用脉冲响应积分法。建议采用周期性伪随机噪声信号如MLS，以便获得脉冲响应。对于与测试信号相关的其他要求(如正弦扫频、周期长度、谱能密度、滤波等)参照GBT 20247。72声源和接收设备声源和接收设备的技术要求和位置参见GBT 20247。GSX 20247给出的尺度宜按缩尺因子N进行缩尺。73脉冲响应的测量根据GBT 20247在无试件和有试件情况下测量脉冲响应，分别得到混响时间T，和瓦。应至少采用两个声源位置和3个传声器位置，共得到6个测量结果。混响时间为每个测

16、量位置测定的混响时间的算术平均。对声源和接收位置的每一种组合，连续发射一组周期性伪随机信号，并在旋转台旋转时接收测量。总测量时间应等于旋转台旋转一周的时间。例如：使用5 s测试周期的伪随机信号和转速1 rmin，必须连续发射12个信号周期。或者对于每组声源一接收位置组合可以进行n次测量，每次测量试件旋转360。n。相干平均数n宜在60”120之间。n一72为优选值，相应的旋转角鲥一5。每次测量声源信号应该相同。为获得非时变响应，需要进行n次测量的锁相平均。这可以通过在5GBT 212281-2007ISO 17497-1：2004计算脉冲响应之前，进行声压脉冲响应平均或接收信号平均来得到。包括

17、底板但不包括试件的步进或连续转动旋转台的测量结果为混响时间T3。旋转试件的测量结果为混响时间L(见表2)。表2四种不同混响时间的测量条件混响时间 试 件 旋转台n 无 不旋转T2 有 不旋转T3 无 旋转T4 有 旋转为避免室内空气运动和其他不稳定条件引起的测量误差，宜在人员离开房间并关门15IN min之后再开始进行测量。为最大限度减小温度漂移等产生的影响，应尽快进行测量。74温度和相对湿度测量过程中温度和相对湿度变化会对测量结果产生很大影响，尤其是对高频结果。减小空气衰减能够提高测量准确度。四种测量情况(见73)每次测量之前和测量之后，应测量室内温度和相对湿度。取每种测量情况的平均值用于第

18、8章所述的校正。75衰变曲线的估算采用GBT 20247规定的脉冲响应积分法进行脉冲响应估算。特别是反向积分应限制在脉冲响应级的线性斜率范围内。T。、T：、T3宜线性衰变到背景噪声级，而t的衰变由两条叠加衰变曲线构成，仅宜估算第1条衰变曲线。设积分范围为-30 dB，并假定第1个衰变处于该范围内，估算一5 dB和一20 dB之间范围内的混响时间。按照GBT 20247进行混响时间的空间平均。8结果表述81计算方法811计算无规入射吸声系数口。：利用式(1)计算无规入射吸声系数旷sss詈(壶一击)一警c一训式中；y混响室容积，单位为立方米(m3)；s试件面积，单位为平方米(m2)；T。无试件，但

19、有底板时测得的混响时间，单位为秒(s)；T2有试件时测得的混响时间，单位为秒(s)；c。T，测量期间空气声速，单位为米每秒(ms)；c：T2测量期问空气声速，单位为米每秒(ms)；m。采用T，测量期间的温度和相对湿度；按照GBT 172471计算得到的空气声能衰减系数，单位为每米(m-1)；m。T2测量期间的空气声能衰减系数，单位为每米(m-1)。测量混响时间T，、T2时，无需旋转转台。根据GBT 172471，空气声速由式(2)计算：GBT 212281-2007IS0 174971：2004式中：空气温度，单位为摄氏度()。在该标准中，声压衰减系数n的单位为分贝每米(dBm)。声能衰减系数

20、m可由式(3)计算：m一而；丽。嚣西 一(3)”一而i丽4蕊 一(812计算无规入射镜面吸声系数口，镜面吸声系数。可由式(4)计算：a一-sss詈(上c4T,壶)一-(mt式中：T3无试件旋转底板时测得的混响时间，单位为秒(s)；t试件放置在旋转的旋转台上测得的混响时间，单位为秒(s)c。T3测量期间空气声速，单位为米每秒(ms)；ctT4测量期间空气声速，单位为米每秒(ms)；m。T。测量期间空气声能衰减系数，单位为每米(m_1)；m。T4测量期间空气声能衰减系数，单位为每米(m-1)。其他符号如811所述。813计算无规入射声散射系数s利用式(5)计算无规入射声散射系数s：E一1一!一堡堂

21、!一竺!二堡“ 1一口， 1一a，814计算底板声散射系数s。理想情况下，混响时间T。和T3应该相等。但是底板的一些非对称性会导致L减小。试件存在时也会引起该误差。底板本身的声散射系数(如62所述)由式(6)计算：。-sss詈(壶 1一垡(。一。，)T Sc1 1 J ”5 式中符号如上所述。82准确度测量结果的准确度取决于试件大小，试件吸声系数和测试室空室的吸声量，准确度按附录A计算。83结果表达对于所有测量频率，应以图表形式报告如下内容；吸声系数m；无规入射声散射系数s。表格中的结果应修约到001，舍去小于0的值，大于1的值可能会出现(由边缘效应引起，见632)并且应予报告。在图形表示中，

22、横坐标为对数尺度上的频率，纵坐标为线性尺度上的测量结果。测量点应用直线连接。如果两条曲线能够清楚地标出，其结果可以出现在同一张图中。频率按照等效足尺频率(，N)给出，并注明缩尺比例1：N。纵坐标从0到1的距离长度与横坐标5个倍频程距离长度之比宜为2：3。9测试报告测试报告应参考GBT 21228的本部分，并包括下述内容：a)测试机构名称；b)测试日期；7GBT 212281-2007IS0 17497-1：20048c)试件描述、表面面积、结构深度以及在旋转台上的安装方式，最好给出图示d)混响室形状、扩散处理方式、传声器和声源位置数量；e) 混响室尺寸、容积和总表面积；f)对于四种测量情况，每

23、一情况的温度和相对湿度；g)按照83报告测量结果；h)测量准确度估算。GBT 212281-2007IS0 17497-1：2004附录A(资料性附录)测量结果的准确度对于式(1)和式(4)中的每一个混响时间(T1、Tz、T3及L)的标准偏差(乱、岛、岛和文)可由以下式得出：占式中：K混响时间测量次数；亍一混响时间L的空间平均：儋磊磊Kf面1蚤-Tf式(1)和式(4)吸声系数的不确定度： 吣55丁3V漆瓣。一警招丽最后，声散射系数标准偏差为： 甓l庀三丽声散射系数95置信度范围估计为标准偏差的2倍。9GBT 212281-2007150 174971：2004参考文献1 VORLANDER Mand MOMMERTz EDefinition and measurement of random-incidencescattering coefficientsApplied Acoustics，60，2000：1871992GBT 3240-1982声学测量中的常用频率3GBT 3241-1998倍频程和分数倍频程滤波器10