室内声学设计之消声室内通过噪声测试

坚持不懈

1、通过噪声测试原理和标准

道路交通噪声是全球环境噪声的重要来源，汽车通过噪声的限值也从1970年的82dB(A)降低到1992年的74 dB(A)。在2014年联合国经济委员会发布的UN/ECE R51.03法规中[1]，将通过噪声的限值设定为2016年达到72 dB(A)，2020年实现70 dB(A)，到2024年达到68 dB(A)。同时，UN/ECE R51.03法规中也对通过噪声的测试方法进行了更新。汽车通过噪声的要求越来越严格，以及测试方法的调整，给汽车工业带来了机遇和挑战。

图1  汽车通过噪声限值的发展趋势

ISO 362汽车通过噪声测试标准由以下3部分组成：

ISO362-1:2015 - Measurement of noise emitted by accelerating road vehicles -Engineering method - Part 1: M and N categories

ISO 362-2:2009 -Measurement of noise emitted by accelerating road vehicles - Engineering method- Part 2: L category

ISO362-3:2016Measurement of noise emitted by accelerating road vehicles - Engineering method- Part 3: Indoor testing M and N categories

其中ISO362-1和ISO362-3均是对M和N类车的通过噪声测试方法，一个为室外试验场测试法，一个是消声室内测试法。图2中给出了室外试验场通过噪声测试的原理图，ISO362-3中规定的是在消声室内模拟室外试验场通过噪声的测试方法，图3中给出了室内模拟通过噪声测试的原理图。通过图2和图3对应关系，可以更加清晰地理解ISO362-3中规定的消声室内通过噪声模拟测试的原理。

图2  室外试验场通过噪声测试原理图

图3 消声室内通过噪声测试原理图

ISO362-3中规定的消声室内通过噪声测试方法，是在消声室内两侧布置两排传声器阵列，用传声器和被测车辆相对位置关系以及速度关系，来模拟在户外测量中车辆行驶在不同位置时，在PP‘线上2只传声器在不同时间测量的声级信号。图4中给出了在消声室内，通过对2排传声器测点信号的提取，获得等效于户外不同位置、时间、速度条件下的PP’线上2只传声器测量结果，从而得到完整的通过噪声的过程。

图4  消声室内多点测试提取获得通过噪声

众多研究表明，室内模拟通过噪声测试与室外试验场测试获得很好的一致性，如大众Golf、保时捷911以及宝马116d的室内外通过噪声差值分别为0.1dB，0.2dB和0.4dB[2]。

图5  BMW 116d室内外通过噪声结果对比

图6  文献[2]研究中所使用的通过噪声实验室

2、通过噪声测试消声室的声场性能检验

ISO362-3中所规定的消声室的自由声场性能检验采用ISO3745或ISO26101中规定的方法。

2.1自由声场允许偏差

由于ISO362规定的通过噪声的测量精度为工程级，并且由于ISO362-3中规定的自由场验收路径与地面的夹角较小，因此ISO362-3中规定的自由声场的最大允许偏差比ISO3745附录A.2和ISO26101中的规定值，放宽了1dB。ISO362-3中规定的半自由声场(半消声室)最大允许偏差和ISO3745/ISO26101中规定值的对比如下表(红色为ISO362-3中规定值)：

表1 测量值与按平方反比律计算值之间的允许最大偏差(ISO 362-3以红色示出)

2.2自由声场验收测量方法

ISO362-3规定3种自由声场性能的检验方法。

方法1：从房间中心到各测点处(多条线)

在方法1的声场鉴定中，声源置于房间虚拟的PP‘线的两行传声器阵列的中心，测量路径从声源到各个传声器测点。考虑到要将到每个测点的路径都测量的工作量会很大，所以可以根据房间的对称性来减少对称位置的测量路径。

图7  验收方法1的测量路径和自由场声级衰减线

方法2：从房间中心到一个测点+测点间(1条线+N个点)

在方法2的声场鉴定中，声源置于房间虚拟的PP‘线的两行传声器阵列的中心，测量从声源到位于房间各个角落的传声器路径(通常为4条)，并加上各传声器测点处的测量。最终根据各测点与声源距离进行平方反比律声场检验。

图8  验收方法2的测量路径和自由场声级衰减线

方法3：两列传声器测点线

在方法3的声场鉴定中，声源置于房间虚拟的PP‘线的两行传声器阵列的中心，测量路径为分别沿着左侧和右侧传声器阵列点进行，测量覆盖完整的传声器阵列的长度。测量线距房间中心7.5m，测点高度为1.2m

图9  验收方法3的测量路径和自由场声级衰减线

2.3 ISO 362-3自由声场验收测量中需要注意的问题

在户外通过噪声测试ISO362-1中，规定了通过噪声测点处的传声器高度为1.2m，这个测点高度是根据汽车噪声对环境和人的影响来确定的。在ISO 362-3中规定室内测试方法对通过噪声进行模拟测试时，测点的高度必须与室外保持一致在1.2m高度。

但这在半消声室验收测试中会带来一些问题，为了便于说明ISO362-3中规定的测点路径的影响，我们在图7中按比例画出了方法1和方法2声场验收中由声源到传声器测点的测量路径，并标出了一些典型位置的传声器高度。从这个图中我们发现，由于在7.5m测量阵列线处的测点高度限定为1.2m，实际上出现了很多测点距离地面太近，这必然影响了测量的准确性。另一方面，低频时声源尺寸较大，引起的地面反射干涉会有比较大的影响。

由于这些因素的影响，ISO 362-3中将声场的运行偏差也做了相应放宽，比ISO3745/ISO26101中规定值大了1dB。

图10  验收方法1和2中由声源到传声器测点的测量路径

3、通过噪声半消声室的声场验收案例

我们通过2个验收案例的介绍，给大家对通过噪声半消声室声场特征更加清晰的概念。

案例1：德国斯图加特IBP通过噪声实验室

该半消声室的房间净空尺寸为23.7m*18.75m*6.4m，内部吸声结构为顶面采用ASA650，侧墙采用BCA350。

图11  IBP通过噪声实验室内景

该通过噪声实验室的声场验收采用的是前面所说的方法3，即对两排传声器阵列线进行测量，测量传声器的测点间距为0.5m。为了全面检验该通过噪声半消声室的声场特征，测量频率从20Hz开始，并且按照ISO3745中要求的±2.5dB作为允许偏差，自由场测量范围为20m*15m。

图12中给出了该通过噪声实验室的630Hz以下频段的声场验收测量结果。从测量结果曲线上来看，在-10m~+10m的整个测量范围内，在31.5Hz以上的频段内均满足ISO3745规定的±2.5dB的允许偏差。

图12  IBP通过噪声实验室声场验收测量曲线

案例2：德国BMW通过噪声实验室

该通过噪声半消声室[3]的土建净尺寸为34.0m*22.5m*7.0m，内部吸声结构采用吸声尖劈，安装吸声尖劈后房间的净空尺寸为30.6m*18.8m*5.2m。房间内部吸声结构的总深度为1.8m，设计截止频率为42Hz。

图13  BMW通过噪声实验室内景

图14中给出了该通过噪声实验室的声场验收测量结果曲线，验收方法也是采用方法3，图中给出的声场偏差允许范围也是ISO 3745中规定的±2.5dB的允许偏差。从图中展示的曲线可以看出，在40Hz时，满足允许偏差的范围约11.1m~-11.5m=22.6m，在50H的范围约11.4m~-10.5m=21.9m(该数据为从图中估读出，与实际可能存在一定的误差) 。可以看出该房间从40Hz起，7.5m线处，在约±11m长度的范围内满足ISO3745的偏差要求。

图14  BMW通过噪声实验室声场验收测量曲线

讨论与分析

我们看到给出的2个案例的声场验收标准均是考核了ISO3745中规定的±2.5dB的允许偏差，并且在ISO362-3要求的测量范围内声场均能满足运行偏差的要求。那这是否意味着ISO362-3中提出的允许偏差可以更加严格？实际上并非如此。这是因为，一方面ISO362本身规定的是工程级精度，没有提高声场精度的必要；另一方面，正如我们前面提到的，由于ISO362-3中的验收方法1和方法2的测量轨线存在距离地面很近的测点，影响了声场验收的测量。我们上面介绍的2个案例均是采用方法3来进行声场验收的，这样就能保证声场验收的测点距离地面足够的高度。

4、尺寸受限实验室的通过噪声测试

ISO362-3中对通过噪声测试的实验室的尺寸要求作出了规定，要求最小长度L为：

其中l为最大被测车辆的长度，d为吸声结构的厚度，λ为最低测量频率的波长。

对于单侧测量的情况，单侧的宽度W为：

式中，w为被测车辆的最大宽度。(注意：这里修正了ISO 362-3中公式(3)中的错误，被测声源不应置于非自由场环境中。)

对于双侧测量时，房间的宽度为：

为了确保被测声源和所有测点位于自由声场条件中，ISO362-3在房间尺寸中提出了在四侧壁面距离吸声材料表面1/4波长的要求(根据ISO3745附录A3.2.2条规定，自由场鉴定最大测量范围为到距离吸声材料表面1/4波长处)。如果自由场计算中，到距离壁面1/4波长处仍不能达到满足自由场精度要求的偏差范围，则需扩大房间的尺寸(如前面案例中的BMW通过噪声实验室)。

对于尺寸受限的实验室， ISO362-3的附录E中给出了指导。其关键是必须保证能测量到声级最大点，这可以从声级变化曲线上来判断，也可以通过与户外测试比较来进行验证。

图15  两个峰值噪声在不同位置的通过噪声例

另外的方法就是分别进行正向和反向测试，将两组测试拼接起来，获得完整的通过噪声时间变化曲线。

图16  通过正/反向测试来活动完整的通过噪声曲线

关于在缩小尺寸房间内，从测量技术上来进行通过噪声的测试，以获得在7.5m处的通过噪声级，有许多相关的研究[4-5]。如图17中给出了通过近距离和7.5m处传声器阵列的声传播关系，获得大房间内的通过噪声测试结果。

图17  通过近远距离的声传播特征外推到7.5m

参考文献
1. ECE World Forum for Harmonization of Vehicle Regulations - Working Party on Noise:  “Proposals for the 03 series of amendments to Regulation No. 51 (Noise of  M and N categories of vehicles)”, 2015, UNECE, Geneva.
2. M. Kraemer, P. Branstaett, A. Ickinger. Comparison of Pass-By Noise from Real Track and Simulated Measurement at the Roller Test Bench. In: Proceeding of Inter-noise 2016, Hamburg, Germany, 2016.
3. H. Finsterhoelzl, V. Caldiero, etal. A New Exterior Noise Testing Facility in the Development     Process at BMW, ATZ Worldwide, 108(4):2-5, 2006.
4. E. Arslan. A new method to measure vehicle pass-by noise in a finite dimensioned semi-anechoic room. Master thesis of Middle East Technical University, 2010.
5. M. Behrendt, G. Robens, A. Albers. Method for Scaling the Indoor Pass-by Noise Testing on a Roller  Test Bench in a Small Anechoic Chamber. Journal of Basic and Applied  Physics, 2(5):29-35, 2013.