无响室技术资料

1、無響室之性能規範與驗證涂聰賢*、盧奕銘、郭淑芬工業技術研究院 量測技術發展中心 動態工程量測研究室地址：新竹市300光復路2段321號16館電話：03-574-3791 傳真：03-572-6445E-mail: .tw摘要無響室是應用在資訊家電、電聲音響產品之電聲性能、麥克風測試與評估及執行生理聽覺方面之研究等一個不可或缺之聲學環境。本文中首先介紹無響室設計之考量，從待測物與量測需求確定無響室之性能諸元與要求，從而說明無響室之聲學性能測試驗證之方式，期望藉由無響室之聲學性能說明與特性認定之進行，提供無響室使用者於一般測試時之量測數據變異性之參考，及協助確認無響室各項聲

2、學性能之良莠判斷依據。關建字：無響室、環境修正參數、逆平方法AbstractAnechoic chamber provides a good acoustics envelopment and it is widely applied on acoustics researches like the quietness of consumer electronic products, the performance of louder speakers, the microphone validation, and the human relatived hearing and speech

3、research, etc. This article will present the requirements and also the verification procedures for the sound filed of anechoic chamber. Through the careful validation produce on anechoic chamber performance will help the users improving theirs measurement confidence and used the environment appropri

4、ately.Keywords: anechoic chamber, Environmental correction, Inverse Square Law壹、前言產品於量測聲壓值或是頻率分析，都不希望其量測值受氣候、地面或其他物體的反射音干擾，需要於室內籌建一座能具量測狀況重現性、環境控制良好之環境以阻絕其他聲源干擾及避免聲波反射的實驗室，此即為無響室(anechoic chamber)。無響室就其中文及英文之字義，為沒有回音(without echo)，其構造為一個隔離且封閉空間，使用隔音材料組成之牆面，隔離及阻絕了外在環境之聲音與電磁噪音源傳入室內，而其內部之表面廣泛地鋪設吸音材料，用以

5、吸收室內之聲波及避免聲音於室內產生反射與殘響現象，創造一近似聲音無邊界且具均勻、等向傳遞之自由音場環境。在1940年哈佛大學之貝爾實驗室(Murray Hill, Bill Labs) 最早使用玻璃纖維楔塊體做吸音材1，此種楔型之吸音體可將導引傳遞到室內表面之聲波有效地在玻璃纖維楔塊中反射、吸收而轉換成熱能形式。無響室因應不同之使用需求亦可分為半無響室(Hemi-anechoic chamber)及全無響室(anechoic chamber)，其差別在於全無響室內部表面皆具有吸音材料，地板部分則使用網狀地板懸架於吸音楔之上；而半無響室則是在地板上使用聲音完全反射的地板代替吸音材料。在實際運用上

6、，半無響室的地板可以承受較大較重的物體，在使用上較為方便。由於無響室之目的在提供一個良好控制之聲學量測環境，無響室之性能與音場特性如隔音特性、背景噪音、吸音楔之吸音率、及內部之自由音場等聲場環境特性等之性能確認執行工作，在無響室建造完成後之驗收及後續使用上就顯得非常重要。貳、無響室聲學性能說明無響室提供一良好之音場環境，在ISO規範中24及參考文獻57中提到相關無響室設計之際，需考量之項目與需求扼要整理如下：1. 適當之內部空間，確保麥克風於自由音場內量測2. 在量測之頻率範圍內可提供良好之吸音效果3. 在無響室內除待測物外，盡可能減少聲波反射表面與障礙物4. 足夠低的背景噪音5. 半無響室中

7、，地板需為光滑堅硬的平板，其正向入射吸音係數需小於0.06以下所以吾人在進行無響室規劃需考量之因素有1. 背景噪音背景噪音取決於待測物的最低聲壓值，除了無響室內部的背景噪音外，量測設備的雜訊值也必須一併考慮。依照ISO 3745規定，在麥克風的位置上所有可能干擾總合的背景噪音要比待測物最低聲壓值至少低6 dB，最好要超過12 dB。因量測設備本身對於背景噪音亦會有貢獻，因此建議室內背景噪音比待測物聲壓值低15 dB以上。2. 待測物之尺寸與截止頻率範圍此兩個因素將決定無響室之室內空間大小與吸音楔之尺寸。無響室的空間要足夠大以使麥克風可以放置在遠音場中，且不可太過靠近無響室的吸音楔表面，以確保麥

8、克風能置於自由音場內量測。假設待測物最大長度為L，則在距離為待測物1 m以上至離吸音楔表面l/4間之區域可視為自由音場。如表1所示即為無響室內部最小淨空間尺寸，可以依據待測物之最大尺寸(L)、高度(H)與截止波長(l)計算5、6。表1 無響室最小內部尺寸概算表 (單位: 公尺)無響室種類長寬高全無響室(L/2)+(l/4)+1×2(L/2)+(l/4)+1×2(L/2)+(/4)+1×2半無響室(L/2)+(l/4)+1×2(L/2)+(l/4)+1×2(L/2)+(l/4)+11. 截止頻率與吸音楔之選用圖1 吸音楔外型示意圖5截止頻率為使用

9、頻率的下限，當聲波頻率過低以至於使吸音楔的能量吸收效果小於99 %、或聲波反射超過10 %時的頻率稱為截止頻率。所以，吸音楔在截止頻率以上之吸音效果需達到0.99以上。截止頻率的訂定可依據使用者所需量測的最低頻率決定。吸音楔之形狀、尺寸、材料、吸音係數等與室內之聲音吸收、聲場特性、與截止頻率有密切關係，吸音楔在裝置時，與牆面間可保留空氣隙以增加穿透損失。依照ISO 37453規定，吸音楔與空氣隙的總長度需大於截止頻率對應波長之1/4；如圖1所示，其中l即為聲波截止頻率對應之波長。2. 良好的隔振與隔音處理防止藉由結構及空氣所傳遞之噪音，避免室內空調、電磁噪音等干擾，此因素將決定無響室室內之背景

10、噪音。隔音量需求依據現場噪音量以及室內背景噪音之要求，從而決定無響室結構所需之隔板材料以及厚度，而以數層隔板中間襯以吸音材料、空氣層及隔音材料，藉由聲音傳遞介質多次之改變，亦可達到不錯之隔音效果。為防止振動影響無響室內部背景噪音而對聲音量測造成影響，有必要在無響室下方裝置隔振物。另外，無響室中隔音門的大小需考慮到待測物進出的方便性，設計時必須加強隔音處理。3. 室內之溫濕度與大氣壓力量測之聲壓值會隨溫度上升而增加，為了控制週遭溫度引起之量測偏差，無響室內之溫度應控制在1530 間因為在此溫度差異下，溫度聲壓值影響偏差在0.2 dB內；且在此溫度控制範圍內濕度所影響之聲功率最大偏差在0.04 d

11、B以內可忽略濕度之影響3。其他如ISO 77798中亦規範，若製造者與待測物無特定操作溫度與濕度之特殊要求下，量測時無響室之環境溫度應控制在23 ± 2 ，相對濕度維持在40%70%間，週遭大氣壓力若無特殊需求，應維持在86 kPa 106 kPa間；因此，無響室內之冷房均勻性、溫濕度控制與空調進、出風口之安排、換氣率、空調噪音之消除亦需做妥善之設計與安排。4. 其他如全無響室之網床地板、網目大小與承載重量、室內之照明、電器與電磁波隔離、儀器或測試件吊架，訊號線管路與開口、控制室與儀器擺設等均需於無響室設計時一併考量。另外目前有全無響室與半無響室共構方式，即是採用無響室之地面可快速、

12、且重複拆卸與安裝使用，在設計時需考慮地面鋪設後之平整性與測試件是否會因起鋪裝地面之振動、聲音而影響量測數據，另外地面之對量測頻率範圍內聲音反射率是否合乎需求。參、無響室聲學性能測試之執行在本章節中說明無響室之聲學性能驗證之程序與方法，在參考文獻5,6,9中亦對無響室性能分析與測試著墨甚多，下列主要依循ISO 3744及ISO 3745規範，將目前常用之無響室聲學性能測試之執行方法說明如下：1 m1 m1 m1 mDoor1 ml Microphone positions圖2 無響室背景噪音量測位置1. 無響室背景噪音量測背景噪音的量測方法為在無響室外的環境正常工作的情形下室內的聲壓值，測試方法

13、是由高靈敏度之麥克風置於無響室室內中心點、距室內中心1公尺的四個方向點、隔音門後1公尺等位置（如圖2所示），透過實時頻譜分析儀量測各點的音壓位準值，計算其室內平均音壓位準值，以獲得無響室之背景噪音。2. 無響室隔音性能量測2 m2 m2 m2 m1 m1 mDoorLoudspeaker圖3 無響室隔音性能量測點示意圖隔音量為量測無響室內外的聲壓衰減值，測試方法是由揚聲器(loudspeaker)於室外產生一高音壓位準的寬頻噪音，將麥克風分別置於室內外距隔音門中心線1 m處、及室內（如圖3），透過即時頻譜分析儀，分別量測室內外部平均音壓位準值，而內外的聲壓差值為其隔音量獲得內外音壓差，再計算隔

14、音指標STC (Sound Transmission Class)。3. 無響室逆平方法量測逆平方法可決定無響室符合自由音場之需求與範圍及截止頻率，其確認常採用逆平方衰減法採用自由音場中音源隨距離增加一倍衰減6 dB的方法。使用誤差小於±1 dB的無方向性的音源，建議在不同的頻率範圍使用不同的音源。頻率400 Hz以下以25 cm之電動喇叭、頻率介於400 Hz - 2000 Hz以兩個10 cm喇叭同鎖於同一平面上模擬球音源、而頻率介於2000 Hz-10 kHz以小於1.5 cm之圓柱管配合喇叭(baffled loudspeaker)為音源。在ISO 3745 (2003年版)

15、中說明量測路徑最少需含五條不同之直線，麥克風從假定之音源中心50 cm處至確定之範圍止以等距離移動，而每條路徑上至少需量測10點。在全無響室中，音源放置在接近待測物的位置，最好為無響室中心點；在半無響室中，音源放置於反射地板上，反射地板與音源的輻射表面的距離愈近愈好，以避免聲像音源的干涉，確保音源為無方向性，誤差小於±1 dB。記錄每一位置點以及每個頻帶的聲壓值，利用逆平方法比較量測值以及理論值的差異。其作法說明如下，首先依據量測之結果估算隨距離變化之聲壓值，如式(1)所示，其中r0為音源中心在麥克風移動路徑之線性偏移量，為量測時採用之假定音源中心與實際音源中心之偏差量可由方程式(3

16、)求得，而ri為第i點麥克風位置距離假定之音源幾何中心之距離、Lpi為麥克風於第i點量測之聲壓位準值，其允許之差異如表2。所以逆平法量測與估算之差異值表示如方程式(5) (1)(2)(3)(4)(5) 其中其中Lpi=Lpi-Lp(ri)4. 無響室截止頻率圖4 無響室逆平方法之結果範例無響室設計階段，吸音楔之截止頻率可在實驗室常使用阻抗管法評估(實驗室法)，將整個吸音楔放置於阻抗管中測試，比較入射波與反射波之聲壓值，當聲壓反射係數超過0.1的最低頻率即為截止頻率。另外工程上亦可以吸音楔與空氣隙的總長度推算截止頻率。在無響室組裝完成後可以由逆平方法之數據評估無響室之截止頻率(實際量測)。表2

17、無響室逆平方法聲場確認之允許差異無響室種類1/3八度音頻範圍(Hz)允許差異(dB)全無響室£6308005000³6300±1.5±1.0±1.5半無響室£6308005000³6300±2.5±2.0±3.05. 無響室共振頻率與隔振量共振頻率與隔振量之要求有助於降低結構傳音(stricture borne)及無響室內部執行之量測不受外界振動之影響。無響室之共振頻率、隔振量用來檢驗無響室及隔振系統之自然頻率及隔振能力；共振頻率之測試如同一般模態測試般，以衝擊槌敲擊無響室結構件當作輸入訊號，而

18、加速規貼附於其他結構件上當輸出訊號，藉由輸入/輸出訊號計算頻率響應函數，找出共振頻率。隔振量目的在檢驗整體系統之隔振能力，可在無響室外部利用激振源擊發樓板振動，使用加速規於無響室內部、外部量測振動值與特性，求得隔振墊之隔振量。6. 背景噪音修正評估在ISO 37442、ISO 37453及ISO 37464 使用聲壓法計算聲功率之方式中，均提出背景噪音修正K1，意即由量測表面之聲壓值計算待測物之聲功率位準時，需將背景噪音納入修正。而背景噪音之修正量與修正要求往往取決於無響室之背景噪音量與待測物之聲壓值， K1之修正值之方法與常用規範之修正需求說明如下：若為量測面上所得到之聲壓位準平均值、且為量

19、測面上所得到之背景噪音聲壓位準平均值，兩者之差值，而背景噪音修正量K1之值如下式： (6)7. 環境修正評估環境之修正量是考量一些在無響室室內之牆面或測試件表面產生反射之聲波而影響無響室內部之量測數據；所以影響環境修正之因素有吸音楔之吸音效能、實驗室內部表3 各標準對環境背景音量修正之要求不需修正需修正*無效之量測ISO 3744>10 dB3 dB 10 dB<3 dBISO 3745>20 dB10 dB 20 dB<3 dBISO 3746>15 dB6 dB 15 dB< 6 dB之聲波反射面與障礙物，在ISO 37443中建議之環境影響之修正量(K

20、2)之範圍如圖5所示。在ISO 3744及ISO 3746 規範中，量測表面平均聲壓位準之計算為，其中K1為對背景噪音量之修正，K2即為對環境之修正、在規範中針對K2之值亦直接影響到環境是否符合自由聲場之要求(如圖5)。而決定環境修正量之方法有絕對比較法(absolute comparison test)及近似法(approximate method)兩種；因為每個無響室所測試之產品不一樣，要評估K2值可利用一經校正與查驗之參考音源來執行，日後需對環境修正時可使用此參考音源當基礎，K2之值可表示如下K2=Lw*-Lwr (7) 其中Lw*為在沒有環境修正下，依據ISO 3744規範量測得到參考

21、音源之聲功率值Lwr 為標準經校驗之參考音源聲功率值另一種所以近似法中K2之值取決於待測物之表面積(S)、無響室室內吸音材料之面積(A)，而聲源位置對其影響不大。所以ISO 37442與ISO 37464中敘述環境修正值表示如下K2=10log1+4(S/A) dB (8)其中A為室內之1 kHz等效吸音面積(m2)S為待測物之表面積(m2)肆、結論低噪音產品隨著人類生活水準的提高而變得重要，低噪音之產品亦是產品性能之一個重要指標，因此無響室儼然成為產品研發中不可或缺之實驗測試環境，無響室之音場特性直接影響其測試結果，若要有好的音場特性必須從無響室之設計規劃、使用目的、量測標的物，聲學性能、法

22、規及量測規範等需求妥善考慮；另外在無響室建造之際需掌Environmental correction, K2Environmental Correction, K2, dB0.5 1 2 5 10 20 50 100 200A/S1086420Environment does not qualifyEnvironmental Correction, K2, dB圖5 環境修正K2 之需求(ISO 3744)圖6 環境修正量(K2)量測與計算結果控施工品質及同步執行確認工作以確保無響室成品之品質與性能。另外吸音楔受到粉塵、濕度產生老化或其他環境因素而影響無響室性能，使用者應持續的進行無響室各項聲學性能之確認，雖然無響室之性能確認是一繁冗且持續性之工作，但也仍有如此方可確保其聲學性能與量測之數據。伍、參考文獻1 http:/www.bell-2 Acoustic-Determination of Sound Power Levels of Noise Sources Using Sound Pressure Engineering Method in an Essentially Free Field over a Reflecting Plane, Inte