室内声学设计：6 消声室-形成和发展历史

1早期的自由场房间(无回声室)

因电机噪声研究的需求，英国的大都会威格士公司(Metropolitan-Vickers Electrical Company)在1928年建设了目前文献能查到的最早的消声室。当时还没有消声室这个名词术语，他们把这种功能的房间称为“模拟自由场环境的，无内部反射的房间” [1]，并随后又建造了一个更加大的无反射测试室。

Churcher后来在Nature上的文章[2]里说，这段时间Metropolitan-Vickers Electrical的声学实验室规模翻倍了，可想象当时声学研究蓬勃兴起的情形。

图1是Metropolitan-Vickers Electrical在1928年建设的无反射测试室的内部照片，房间的墙面都铺满了吸声材料。

图1 英国Metropolitan-Vickers Electrical在1928年建设的无反射室

美国国家物理实验室在1936年前(具体年份不详)[3]建立了用于传声器灵敏度测量的无反射测试室，他们称之为“吸声内衬室”。所采用的吸声结构为6in (~15cm)鳗草+12in(~30cm)棉絮，总厚度约45cm，吸声结构是采用楔形悬挂的方式，悬挂于外尺寸为10ft(~3m)的立方体内部(如图2)。

图2 美国国家物理实验室1930年代早期的吸声内衬室

早期的一些消声室多数是根据吸声的基本原理来设计建设，但文献记载中都没有查到对吸声结构性能、消声室建成后的声学性能的描述，直到贝尔实验室在1936年建成他们的第一间消声室[3]。

图3 贝尔实验室1936年建成的消声室

这间消声室的内部吸声构造，在对不同构造进行了驻波管吸声性能测试比较的基础上，确定了10层平纹细布+6层法兰绒的构造+9cm空气层的吸声构造(总厚度约47cm)，建成后房间的净空间约为20ft×14ft×8ft (6m×4.3m×2.4m)。Bedell还采用速度传感器，利用剔除反射声的方法，测量了消声室实际建成后，壁面材料的吸声系数(图4)。该消声室是目前能查询到的第一间有声学性能参数的消声室。从文章中所给出的吸声系数测量结果上来看，驻波管的测量结果与实际建成后的测量结果还是有一定的差异。这可以理解为实际建成后，消声室内的声波入射方向并不仅是驻波管中的垂直入射方向。

图4 贝尔实验室1936年消声室吸声性能

贝尔实验室1940年在Murray Hill 建成了采用尖劈吸声结构的无回声室，并声称是世界上最老的尖劈构造的消声室[5]。该消声室尺寸为32ft×28ft×32ft  (9.75m×8.5m×9.75m)，吸声尖劈长137cm，基部尺寸为60cm×60cm。它是第一个列入最安静房间的吉尼斯世界记录的消声室。

图5 贝尔实验室1940年建成的尖劈消声室

1938年，Meyer在德国柏林工业大学建造消声室，他根据吸声材料阻抗渐变的理论，选择了金字塔型的吸声构造，并且系统地研究了尖部与基部尺寸比例、尖部渐变曲线(线性、指数曲线)等对吸声性能的影响，最终确定了如图6和7所示的金字塔形吸声构造。

该消声室的尺寸为16m×11m×9 m，尖劈长度为100cm，基部尺寸为15cm×15cm。图7为所采用吸声结构及其声压反射系数曲线。

图6 柏林工大1938年建成的金字塔形吸声结构消声室

图7 柏林工大1938年消声室吸声结构声压反射系数

1943年，美国无线电公司(RCA)在原来老的自由场房间(尺寸6.7m×6.1m×4m，建成年代不详)的基础上，建设完成了尺寸为48ft×36ft×36ft (14.6m×11m×11m)的新自由场房间。该房间吸声结构为垂直吸声板，厚度为1in(~2.54cm)，长度分别为7ft(~2.1m)和4ft(~1.2m)的吸声板交替间隔1ft(~30cm)垂直安装于墙面，吸声材料后面留1ft(~30cm)的空气层。吸声结构总长度为8ft(~2.45m)。建成后房间净空间为32ft×20ft×20ft (9.75m×6.1m×6.1m)。吸声结构的吸声性能测试方法如Bell实验室Bedell所采用的方法，用速度传感器在房间内测量反射声能与吸收声能比获得。该房间的截止频率为40Hz，吸声结构的实测吸声系数如图8b所示。

图8a 美国RCA1943年建成的大消声室

图8b 美国RCA1943年大消声室的实测吸声系数

目前德国高端音箱EVE AUDIO使用的消声室的内部结构跟这个非常相似。

图9 德国EVE Audio的消声室

二战期间，哈佛大学受美国军方委托，研发高声强扬声器，用于改善部队登陆时空地通讯能力，以及用扬声器阵列制造声场，虚拟部队进攻以迷惑德军。该研究需要建设自由场空间的实验室。著名声学大师白瑞纳克(L.Beranek)第一次把这样的自由场空间取名消声室(anechoic chamber)，并在文章中专门标注了anechoic的发音[8]。这是第一次把这样的房间从无回声室、无反射室、自由场房间等名字用一个专有名词“消声室”来表述。虽然随后很多年，国际上有众多学者认为消声室的名称不恰当，应该用自由场室(包括国内消声室研究最早的权威学者，南京大学的孙广荣教授[9])，但因为白瑞纳克(L.Beranek)的名声太大，因此这个名字就一直沿用下来。该实验室建成后，哈佛的同事们都把这个房间叫做Beranek‘s Box(白瑞纳克箱)。

Beranek对在此以前的消声室采用的几种吸声结构进行了深入的对比研究，从吸声性能、制造和安装成本等方面进行了综合比较(其实结构的独创性也是一个重要方面)，没有选择金字塔形结构，而选择了尖劈吸声结构来建造他的Beranek‘s Box。（当然有很多人对Beranek的尖劈结构的首创性提出异议，毕竟Bell实验室1940年在Murray Hill上建的消声室就是采用的尖劈吸声结构。但是，Beranek毕竟是权威，所以你会看到有一些人对这件事的评论说：“他说是，那就是吧！”）

图10 哈佛大学消声室和尖劈吸声结构

在此后，Beranek创造的消声室名词和他发明的尖劈吸声结构被广泛应用自由声场环境建设。

既然是通过阻抗的渐变来实现高的吸声效率，那么采用多层材料，使得由外到内的阻抗形成逐渐加大的渐进变化，也能实现高吸声效率。1980年Davern提出采用材料密度变化实现阻抗渐变结构作为消声室内部吸声结构[10-11]。在此以后，相继在世界各地建设了平板结构的消声室。

平板结构的消声室的一个特点，是利用相对薄的吸声结构厚度和经济的造价来建设自由场环境。但由于早期在多层材料参数优化方面，还没有像现代仿真技术的发展，因此，有些制造厂家的平板吸声结构的吸声性能并不如尖劈结构的好，于是我们会看到有些企业的宣传认为平板结构只适用于1/3倍频程窄带信号的测量，而采用纯音信号测量时，其声场表现较差。但最近还有研究表明：在相同截止频率，平板结构的厚度小于尖劈的，平板结构的声场性能优于尖劈的[12]。

图11 尖劈和平板的自由场衰减性能(均为100Hz截止频率)

1993年，著名的德国斯图加特大学FKFS声学风洞建成，其驻室采用了膜共振吸声结构，这是德国自1990年开始的倡导创新(Innovative)思潮的一项典型科学成果的应用。1997年，宝马汽车采用共振吸声结构建造成功了发动机测试消声室。

相继，崇尚创新精神的德国，在2000年采用BCA结构建成了奔驰-梅赛德斯测试中心的6间消声室，在2001年采用BCA结构建成大众声学测试中心的多间消声室[13]。这些案例的成功，推动了宽频共振吸声结构(BCA)在消声室中的广泛应用。

随着朗德科技将这项技术引进到国内，2002在国内建成第一间宽频共振吸声结构消声室以来，近600间应用BCA和ASA宽频共振吸声结构先进技术的消声室在国内已建成。

图12 德国斯图加特大学FKFS声学风洞驻室(膜共振吸声结构)

图13 德国BMW建成的发动机测试消声室(1997年)

图14 应用BCA和ASA宽频吸声结构的消声室

参考文献

1.Churcher B G. Engineering, 135, 563(1933).

2.Churcher B G. Research Work of theMetropolitan-Vickers Electrical Co. Ltd. Nature 131, 126 (1933)

3.Kaye G W C. The Acoustical Work of theNational Physical Laboratory. J. Acous. Soc. Am., 7(1936):167-177

4.E H Bedell[1936]. Some data on a roomdesigned for free field measurements. J. Acous. Soc. Am. 8(1936):118–125

5.https://www.bell-labs.com/anechoic-chamber/

6.E Meyer, G Buchmann, A Schoch. Eine neue,hochwirksame schallabsorbierende Anordnung und die Konstruktions einesshalltotem Raumes. Akustische Zeitschrift 1940(5):352

7.H F Olson. Acoustic Laboratory in the NewRCA Laboratories, J. Acous. Soc. Am.  15(1943):96–103.

8.L L Beranek, H P Sleeper. The Design andConstruction of Anechoic Sound Chambers. J. Acous. Soc. Am.  18(1946):140–150.

9.孙广荣，胡春年，吴启学. 消声室和混响室的声学设计原理. 科学出版社，1981年，北京.

10.W. A. Davern, “Flat-walled graded densityanechoic lining,” Tenth International Congress on Acoustics, Sydney, 1980.

11.I P Dunn, W A Davern. Calculation ofAcoustic Impedance of Multilayer Absorbers. App. Acoust. 19 (1986) 321-334.

12.C Jiang, S. Zhang, L. Huang. On theacoustic wedge design and simulation of anechoic chamber, Journal of Sound andVibration. 381(2016)139–155.

13.H Fuchs. Applied Acoustics Concepts,Absorbers, and Silencers for Acoustical Comfort and Noise Control. Springer, 2012.

声学演义 之 室内声学设计

Something about sound

系列谈之六

吸声降噪技术：9 阻抗复合吸声结构

室内声学设计：5 噪声源声功率测量的混响室