摘要：駐波管法和混響室法是吸聲測量技術中常用的方法，用於現場測量時不滿足特殊聲場環境假設、樣品尺寸、頻率限制等。脈衝回波方法和聲強測量法對測量環境沒有嚴格要求，適用於現場測量。這類方法的共同特點是在頻域處理數據，往往需要將反射波與人射波分離，測量步驟較多，不利於在線測量。參數反演方法直接利用測量的聲壓時間序列獲得聲學阻抗或吸聲係數，是一種時域測量方法，更適用於在線測量。在聲學理論指導下，藉助於計算機與數字信號處理技術的研究成果，一些新的測量方法不斷被提出，但要成為一種成熟的技術，還有大量的研究工作去做。
- 引言
吸聲係數反映了吸聲結構的宏觀聲學性能，是噪聲治理工程中選用聲學結構的重要理論依據。吸聲係數與材料的特性阻抗以及聲學結構(厚度、被襯等)密切相關，是人射波頻率和人射角度函數。在局部反映條件下，它取決於端面的法向聲阻抗率。
長期以來，吸聲係數的測量始終是一項重要的基礎性工作。常用的主要有阻抗管法和混響法。阻抗管法包括駐波比法(SWR)和傳遞函數法(TTF)。前者利用阻抗管中平面波形成的駐波波幅比值，確定樣品的法向吸聲係數、反射係數、表面聲阻抗率或聲導納率。該方法測量精度較高，但它要求以純音為測量信號，測量步驟較為煩瑣和費時。傳遞函數法採用具有平穩性和各態遍歷性的寬帶隨機信號激勵，通過測量駐波管壁上兩雙傳聲器位置處聲壓時域信號，對採樣信號經過傅立葉變換以獲得傳遞函數，進而計算吸聲係數等參數。該方法理論推導嚴密，測量速度快，但有兩個主要缺陷：一是要求雙傳聲器通道的相位匹配，二是對測量頻率有所限制。針對第一個問題，Chu提出採用偽隨機噪聲作為激勵信號，用單傳聲器順序測量，保證了前後兩次測量時聲場一致[1]。俞悟周等進一步提出三點測量方法[2]，其要點是藉助第三點所得額外數據提高計算精度，特別當兩測量點間距接近半波長整數倍時，效果更明顯。由於駐波管管長和管徑的限制，測量頻率總是有一定範圍。另外，阻抗管法只能測量小樣品垂直人射吸聲係數，無法正確觀察和研究吸聲係數依賴於吸聲結構尺寸及邊界條件的影響。
混響室法測量有無樣品時房間的混響時間，通過計算吸聲量確定樣品在擴散聲場中的吸聲係數。它能測量聲波無規人射時的平均吸聲係數，可以是大樣品和非均勻材料。然而，它需要專門的測量房間。另外，由於混響聲場擴散程度以及材料邊緣效應的影響，各混響室對同一材料吸聲係數的測量結果有時差別很大，而且吸聲係數隨材料面積及測量位置的變化也很大，在中高頻段得到的吸聲係數有時會大於1。Pellam首次嘗試從散射理論出發，推導了有限寬度的無限長條材料的吸聲係數[3] 。Daniel給出了有限大材料與無限大材料吸聲係數的關係[4]。賀加添分析了聲場擴散對吸聲係數的影響關係，提出了一些解決擴散問題的可能途徑[5]。
顯然，阻抗管法和混響室法都屬於實驗室方法，因為需要為“測量”創造一種特殊的“聲環境”，如駐波、擴散聲場等，其理論依據是吸聲係數定義中的簡諧信號和平面波的假設條件。雖然這兩種方法己獲得廣泛的應用，也有相應的測量標準，但是，我們往往更需要對吸聲係數進行現場測量，因為現場測量數據更加真實地反映了聲學結構使用時的效果。其原因是：（1）實際應用條件通常不滿足實驗室測量所要求的特殊聲環境；（2）在有些應用環境，如有流、加壓或高聲強等條件下，實驗室不能方便準確地測量聲學結構的吸聲係數；（3）實驗室測量通常在低頻時誤差較大。
因此，發展現場及在線吸聲測量技術成為一個非常熏暮鄉勻研家課題。本文將對這方面的研究進展和發展趨勢進行評述。
- 2 脈衝回波方法
在空間聲反射實驗中，具有340m/s速度的聲波在短時間內可以到達包括待測樣本和周圍環境在內的所有區域並形成多次反射，因此，待測表面的反射信號很容易被其它反射波污染，且往往難於從人射信號中分離出來。所以，現場測量大多選擇時間與空間延續短暫、便於信號記錄的脈衝信號。而且，短脈衝包含着豐富的頻率成份，可以同時獲得較寬頻帶範圍的待測物理量。正由於此，近代吸聲測量技術主要採用脈衝回波方法( Echo-impulse Method)，根據所採用的聲脈衝和所採取的信號處理方法不同，形成了以下幾種技術方案：
- 2.1 MLS序列的波形相減技術(Subtractiontechnique)
該技術最早可追溯到上世紀三十年代，現代的基於MLS序列的測量裝置從上世紀九十年代開始出現[6-9]。其假設條件是平面波法向人射或斜人射，有兩個測量步驟:首先在自由場測量人射波(包括可能的環境反射)作為參考信號;其次在反射面附近(愈近愈利於斜人射情況)布放單傳聲器測量反射前後的聲信號。利用“時間窗”並將兩次測量信號相減獲得反射波時間序列。將入射與反射信號做傅立葉變換，計算復頻域的反射係數和吸聲係數。從文獻[7,8]可以看到:對垂直人射，有效頻率範圍是250Hz-8kHz。目前，此方法已成為某些測量標準(如Eu-ropean Standard Pr ENV 1793-5)的理論基礎，同時有商業軟件(完成自動“加窗”處理以及反射系如吸聲係數計算等)可以在測量中使用。顯然，這種方法需要一個用於LMS序列的聲源發射與數據採集系統，這在技術實現上並沒有很大困難。然而，在數據處理時，必須將反射波與入射波分離，為此，需要進行自由場測量獲得參考信號。同時，需要採用“時間窗”去除邊緣或環境等附加反射信號。最後，吸聲係數計算在頻域完成，涉及時頻轉換時的信號處理與補償問題。
- 2.2傳遞函數法(Transfer function method )
在這種測量系統中，使用MLS序列作為脈衝聲源，通過測量脈衝響應而獲得傳遞函數，再計算吸聲係數[10-12]。其假設條件是球面波掠人射，有兩個測量步驟:一是遠離反射面測量從揚聲器到傳聲器的脈衝響應，並做加窗處理作為參考信一號;二是在反射面附近布放傳聲器再次測量脈衝響應，並做加窗處理。
將兩次脈衝響應做FF丁並相除，獲得從揚聲器到傳聲器的傳遞函數，利用球面波傳播規律，可以計算反射係數和吸聲係數。測量時要注意聲源不能靠近反射面。可以看到，該方法與2.1的原理有所不同，但測量步驟基本一致，所以存在的問題也是類似的。文獻[13]對以上這兩種方法有詳細的介紹對比。
- 2.3擴展脈衝技術(Stretched pulse technique)
為了改善單一脈衝測量時的信噪比問題不五談卜ura等提出利用一種擴展脈衝技術[14-16)。其測量步驟是:用擴展波分別入射參考硬壁和待測反射面，測量反射前後的擴展脈衝信號。該脈衝經過一個逆濾波器壓縮后就成為一個短脈衝，經加窗處理獲得反射信號。對硬、軟兩種表面的反射信號做頻譜分析，利用功率譜之比計算出該人射角時不同頻率的吸聲係數。該技術除要解決好用於擴展脈衝聲源發射和數據採集問題，以及反射波與人射波的分離問題外，涉及的主要問題是逆濾波器設計與時頻域信號處理。
- 3聲強測量方法
近十幾年來，在聲學測量領域內最引人注目的一個發展就是聲強測量技術的出現及實用化。它的應用領域非常廣泛，其中也包括在吸聲測量技術方面的應用。其原理是利用聲強探頭測量得到雙傳聲器的自功率譜和互功率譜，計算歸一化的聲阻抗率，然後計算獲得某入射角度下的吸聲係數[17]。己有的研究表明[18]：該方法在低頻範圍較精確，而聲強探頭與材料表面的距離對測量結果沒有影響。該方法固有的誤差來源主要是雙傳聲器的有限間距和兩通道的相位失配。要減小雙傳聲器間距對測量結果的影響，要求間距乘人射角的餘弦應遠小於人射聲波最高頻率所對應的波長，由此決定了測量的頻率範圍不能太高。作為專用儀器，聲強探頭相位失配可以控制在最小的範圍內，而且近年來發展了許多行之有效的誤差補償方法[19]，所以兩通道的相位匹配一般是滿足要求的。
此外，隨着計算機與數字信號處理技術的不斷發展，一些新的方法不斷被應用於吸聲測量技術中。如朱從雲等提出了一種基於倒頻譜分析的吸聲係數測量方法。該方法採用穩態隨機聲源，單傳聲器測量反射前後的聲壓信號，通過求採樣信號的倒功率譜計算滋測耐料的吸聲係數[20]。
綜上所述，與阻抗管法和混響法等傳統實驗室方法相比，脈衝回波法和聲強測量法等不需要特殊的聲場環境，所用人射聲波通常是帶寬信號，所以適用於現場測量。但可以看到，這些方法在計算吸聲係數時都需要在頻域處理數據，因此，不可避免地涉及信號的時一頻域變換、加窗等，由此可能引起信息泄漏等一系列問題。而且，數據處理時需要將反射波與人射波分離，這往往也不是一件容易的事情。另外，如果使用雙傳聲器，還涉及相位和幅度匹配問題。
- 4參數反演方法
顯然，要實現在線測量，不僅要求數據測量能夠在現場進行，而且數據處理最好直接在時域完成。另外，對入射聲波不要有較多的假設條件，以避免與實際應用條件相差太遠。然而，在現有條件下，有許多因素阻礙了該項工作的發展，主要表現為:首先，傳統的聲阻抗是針對平面簡諧波假設、在頻域定義的聲學量，能否將傳統的聲阻抗頻域模型轉化為適用於寬帶的時域阻抗邊界條件呢？其次，實驗中測量的聲學量都是時、空分佈，並沒有頻譜特徵，如果要避開對數據的頻域變換而直接處理時域數據，就需要能夠計算任意聲波對阻抗表面反射聲場的數值解。最後，需要研製性能良好的脈衝聲源以進行反射實驗。
近年來，Fung和Ju[21-23]提出了一種滿足因果性的時域阻抗邊界條件。他們證明，當聲阻抗採用阻尼諧振子模型時，對應的時域反射係數是穩定的、並滿足寬帶要求。研究表明:常用的局部反應材料表面阻抗可由數目不多的幾個阻尼諧振子近似表示[24]，而一般時域反射係數可以由一系列阻尼諧振子的組合表示，當獲得這些諧振子模型參數后，反射係數就確定了，相應也可以換算出吸聲係數和表面聲阻抗。在此基礎上，他們發展了一種用於聲學計算的時域有限差分方法，可以計算任意聲波通過阻抗面后的反射聲場。隨後,Jing和Fung[25]又成功地研製了一種脈衝聲源，它可以產-生短脈衝並具有較好的重複性。
如果將反射面作為一個聲學系統，反射前後的聲脈衝是系統的輸入與輸出，由人射波和反射面阻抗條件計算反射后的聲場是一個正向計算問題。那麼，利用輸入和輸出數據求反射面的聲阻抗模型參數就成為一個反問題。阻抗參數反演的原理是:一個有限長度的脈衝聲反射信號包含着反射面的聲阻抗信息，如果使正向計算得到的聲壓時間序列與相應的測量值接近，或者使其在測量的一段時間達到均方最小，由此確定了一個最優模型參數，它能夠正確地描述實際反射面的聲阻抗特徵。
最近，Hou和Fung等對聲阻抗參數反演的技術方案做了初步探索[26]:他們利用Levenberg-M-arquardt算法進行參數估計，聲場的正向計算採用Fung所建立的時域聲阻抗模型和時域有限差分方法，對一個微穿孔板結構進行了脈衝聲反射的實際測量，經過對樣本數據的處理和誤差分析，利用實驗測量數據估計得到的聲阻抗參數與理論設計值是一致的。
與傳統實驗室方法和己有的現場測量方法相比，參數反演方法直接處理現場測量的聲壓時間序列，不需做傅立葉變換，所以，它是一種時域方法。而且，這種方法也不需要將反射波與入射波進行分離。目前，該方法的研究才剛開始起步，所涉及的技術問題主要有:一般條件下的時域聲阻抗模型與聲場數值計算方法研究；各種快速穩健的參數估計算法(包括各參數的敏感性、脈衝特性、信號記錄長度、聲源強度、背景噪聲等對參數估計的影響規律)的研究;重複性能好及波形可控的脈衝聲源研製等。
- 5小結
駐波管法和混響室法是吸聲測量技術中傳統並常用的方法，大量的研究工作對這些方法不斷進行改進，使得它們已經成為成熟的技術並有了國際和國家標準。但僅屬於實驗室方法，用於現場測量時存在許多問題，如不滿足特殊聲場環境假設、樣品尺寸、頻率限制等，因此現場測量技術是一個長期以來人們感興趣的研究課題。脈衝回波方法和聲強測量法對測量環境沒有嚴格要求，適用於現場測量。根據所採用的脈衝波以及所採取的信號處理方法不同，該方法也有不同的技術方案。這類方法的共同特點是在頻域處理數據，可歸結為頻域方法。而且往往需要將反射波與人射波分離，測量步驟較多。這些都不利於在線測量。參數反演方法直接利用測量的聲壓時間序列獲得聲學阻抗或吸聲係數，是一種時域測量方法，更適用於在線測量。近年來，吸聲測量技術的研究不斷發展，在聲學理論指導下，藉助於計算機與數字信號處理研究成果，一些新的測量方法不斷被提出，但要成為一種成熟的技術，還有大量的研究工作去做。
參考文獻
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上海戲劇學院實驗劇場改建后音質獲得好評
由章奎生聲學設計研究所承擔建聲設計的上海戲劇學院實驗劇場改擴建工程日前竣工，室內音質獲得好評。上海戲劇學院實驗劇場為908座以話劇演出為主的專業劇場。觀眾廳平面為矩形，長約30m,寬約24m，最高處約10m。觀眾廳後部設一層樓座，池座中部為全台階起坡18排坐席，總高差1.7m。兩側座席也全台階起坡，直至與後部樓座連通。實驗劇場是戲劇學院設備最完備的演出實習基地，也是上海各種大型活動和國際性文藝交流演出的主要演出場所之一，剛閉幕的第九屆中國上海國際藝術節的一些劇目就在該劇場演出。實驗劇場始建於上世紀八十年代中期經過20多年的使用，業主及聽眾反映觀眾廳前中區聽音效果不佳，2006年特委託章奎生聲學設計研究所進行建聲改造設計。
2007年10月26日實驗劇場舉行了竣工后的首演，由俄羅斯聖彼得堡年輕人劇團演出契訶夫的傳世名劇《三姐妹》。演出獲得巨大成功，劇場室內音質也獲得了專家及聽眾的一致好評。
2007年11月7日章奎生聲學設計研究所對實驗劇場進行了廳堂音質現場測量，測試結果表明改建后劇場音質有顯著改善。中頻混響時間比改建前縮短0.19s，當聲源位於台口處，空場混響為1.25s，非常適合以話劇演出為主的劇場;室內聽音清晰度很高，D50達到0.60以上;同時側向聲反射係數LF達到0.27，比改建前的0.14提高近一倍豐富的側向反射聲對於改善前中區音質效果作用也十分明顯。
實驗劇場改建工程是聲學所承接並在2007年內竣工的六個建聲工程中又一個成功的項目，進一步增強了聲學所在建築聲學領域的影響力。
上海現代建築設計(集團)有限公司
現代都市院章奎生聲學設計研究所
宋擁民、章奎生
