ISO 10534-22023 聲學阻抗管聲學特性的測定第2部分法向吸聲系數和法向表面阻抗的雙傳聲器技術標準立項發展報告

ISO10534-2:2023《聲學阻抗管中聲學特性的測定第2部分：法向吸聲系數和法向表面阻抗的雙傳聲器技術》標準立項發展報告StandardizationDevelopmentReport:Acoustics—Determinationofacousticpropertiesinimpedancetubes—Part2:Two-microphonetechniquefornormalsoundabsorptioncoefficientandnormalsurfaceimpedance摘要聲學材料的吸聲性能測定是聲學工程、建筑聲學、噪聲控制及材料科學研究中的基礎性技術工作。阻抗管雙傳聲器法作為測定材料法向入射聲學參數的核心方法之一，因其試樣尺寸小、測試快速、精度可控等優勢，在國際上得到廣泛應用。本報告圍繞國際標準化組織（ISO）發布的ISO10534-2:2023《聲學阻抗管中聲學特性的測定第2部分：法向吸聲系數和法向表面阻抗的雙傳聲器技術》展開系統論述。報告首先梳理了該標準的研制背景與技術沿革，闡述了從ISO10534-2:1998至現行版本的技術修訂要點，明確了雙傳聲器技術的基本原理、適用頻率范圍及關鍵測試條件。其次，報告詳細解析了標準的核心技術內容，包括測試裝置要求、傳聲器校準方法、傳遞函數計算流程以及吸聲系數和表面阻抗的求解算法，并對比分析了與駐波比法的技術差異。再次，報告介紹了標準修訂的主要承擔單位中國計量科學研究院在聲學計量領域的技術積累與貢獻。最后，報告從標準化價值、工程應用前景及后續發展方向三個維度進行了總結與展望，旨在為聲學材料研發、建筑聲學設計、噪聲治理工程及標準化工作者提供系統性的技術參考。關鍵詞：阻抗管；雙傳聲器技術；法向吸聲系數；法向表面阻抗；傳遞函數；聲學計量；ISO10534-2AbstractThedeterminationofsoundabsorptionperformanceofacousticmaterialsisafundamentaltechnicaltaskinacousticengineering,architecturalacoustics,noisecontrol,andmaterialsscience.Asoneofthecoremethodsformeasuringnormal-incidenceacousticparameters,thetwo-microphonetransferfunctiontechniqueinimpedancetubeshasbeenwidelyadoptedinternationallyduetoitsadvantagesofsmallspecimensize,rapidtesting,andcontrollableaccuracy.ThisreportsystematicallyelaboratesonISO10534-2:2023,*Acoustics—Determinationofacousticpropertiesinimpedancetubes—Part2:Two-microphonetechniquefornormalsoundabsorptioncoefficientandnormalsurfaceimpedance*,issuedbytheInternationalOrganizationforStandardization.Thereportfirstreviewsthedevelopmentbackgroundandtechnicalevolutionofthestandard,elaboratingonkeytechnicalrevisionsfromISO10534-2:1998tothecurrentedition.Itthenprovidesadetailedanalysisofthecoretechnicalcontent,includingtestapparatusrequirements,microphonecalibrationmethods,transferfunctioncalculationprocedures,andalgorithmsfordeterminingabsorptioncoefficientandsurfaceimpedance.ThereportalsointroducesthetechnicalcontributionsoftheNationalInstituteofMetrology,China,asamajorparticipatinginstitution.Finally,thereportconcludeswithasummaryandoutlookfromtheperspectivesofstandardizationvalue,engineeringapplicationprospects,andfuturedevelopmentdirections.Keywords:impedancetube;two-microphonetechnique;normalsoundabsorptioncoefficient;normalsurfaceimpedance;transferfunction;acousticmetrology;ISO10534-2一、引言噪聲污染已被世界衛生組織列為現代城市環境中亟待治理的三大公害之一。在建筑聲學設計、交通運輸噪聲治理、工業噪聲防護以及聲學材料研發等眾多領域，準確測定材料的吸聲性能是開展聲學設計與評價的基礎前提。材料的吸聲系數和表面阻抗是描述其聲學邊界特征的兩個核心參數，前者表征材料吸收聲能的比例，后者則反映材料表面對聲波的反作用特性，二者共同構成了聲學材料性能評價與數值仿真計算中不可或缺的輸入條件。在材料吸聲性能的測定方法中，阻抗管法以其獨特的優勢占據了重要地位。相較于混響室法（REVERBERATIONROOMMETHOD），阻抗管法所需試樣尺寸小、材料用量少、測試周期短，且能夠獲得法向入射條件下更為精確的聲學參數。在阻抗管法的發展歷程中，駐波比法曾是早期的主要技術手段，但該方法測試效率低、操作繁瑣、對操作人員技術要求高。20世紀80年代以來，隨著數字信號處理技術和快速傅里葉變換算法的普及，基于傳遞函數的雙傳聲器技術逐漸成熟并走向工程應用，最終被國際標準化組織采納為正式標準方法。ISO10534-2作為阻抗管雙傳聲器技術的國際標準，自1998年首次發布以來，已成為全球聲學材料測試領域應用最廣泛的標準方法之一。2023年10月，國際標準化組織正式發布了該標準的修訂版本ISO10534-2:2023，在測試精度、適用頻率范圍、校準程序等方面進行了系統性更新。本報告旨在對該標準的研制背景、技術原理、核心內容、修訂要點及應用價值進行全面的梳理與分析，以期為相關領域的工程技術人員和標準化工作者提供參考。二、標準研制背景與技術沿革2.1阻抗管法的發展歷程阻抗管法測定材料聲學特性的研究可追溯至20世紀30年代。1934年，美國科學家W.C.Sabine在研究建筑材料的吸聲性能時，首次提出了利用管內駐波場測量材料法向吸聲系數的設想。此后，多位研究者不斷完善這一方法，形成了經典的駐波比法。1945年，Beranek將駐波比法系統化，建立了基于駐波極大值和極小值之比來計算吸聲系數的標準程序，該方法在相當長的時期內是阻抗管測量的主要手段。駐波比法雖然原理清晰、結果可靠，但其逐點掃描的測量模式決定了測試效率較低。一個頻率點的測量往往需要手動移動探針尋找駐波極值位置，全頻段的測量耗時可達數小時。此外，該方法僅限于測量吸聲系數，難以直接獲得表面阻抗等更豐富的聲學信息。2.2雙傳聲器技術的提出與標準化20世紀70年代末至80年代初，隨著數字信號處理技術的快速發展，基于雙傳聲器和傳遞函數測量的新方法應運而生。1977年，Seybert和Ross首次提出了利用兩個固定位置的傳聲器測量管內聲壓，通過計算傳遞函數來獲得材料聲學特性的方法。1980年，Chung和Blaser對該方法進行了系統的理論分析和實驗驗證，建立了完整的雙傳聲器傳遞函數法理論框架。與駐波比法相比，雙傳聲器技術無需移動傳聲器位置，可在寬頻帶內一次完成全部頻率點的測量，極大地提高了測試效率。在這一技術背景下，國際標準化組織聲學技術委員會（ISO/TC43）下屬的聲學材料分技術委員會著手制定基于雙傳聲器技術的國際標準。1998年，ISO正式發布了ISO10534-2:1998《聲學阻抗管中聲學特性的測定第2部分：法向吸聲系數和法向表面阻抗的雙傳聲器技術》，標志著雙傳聲器技術完成了從學術研究到標準化應用的重要轉變。2.3ISO10534-2:2023的修訂背景自1998年首次發布以來，ISO10534-2已走過二十余年的應用歷程。在此期間，聲學測量技術、數字信號處理硬件和傳感器制造工藝均取得了長足進步，相關領域對測量精度和不確定度評定的要求也不斷提高。與此同時，ISO10534-1（駐波比法）已于2010年前后完成修訂，ISO10534-2在技術內容協調性方面也需相應更新。2023年10月，ISO正式發布了修訂后的ISO10534-2:2023版本，該版本在充分吸納近年來學術界和工業界研究成果的基礎上，對標準的適用范圍、校準方法、不確定度評定等內容進行了系統性的修訂與完善。三、標準核心技術內容解析3.1基本測量原理ISO10534-2:2023所規定的雙傳聲器技術的核心原理基于平面波在阻抗管內的傳播理論。在剛性壁阻抗管中，聲波以平面波形式傳播，入射波到達材料表面后部分被吸收，部分被反射，在管內形成穩定的駐波場。通過在管壁上的兩個不同位置分別安裝傳聲器，可以同步采集這兩個位置的聲壓信號，進而計算兩點間的聲學傳遞函數。設管內兩個傳聲器位置分別為x?和x?，間距為s，入射波和反射波的復振幅分別為A和B。根據平面波疊加原理，兩位置的聲壓可以表示為入射波與反射波的疊加。通過計算兩點聲壓的傳遞函數H??，結合已知的傳聲器間距、管徑及聲波數等參數，可以求解出入射波與反射波的振幅比（即反射系數R）。材料的法向吸聲系數α和法向表面阻抗Z則可以直接由反射系數推導獲得：α=1-|R|2Z=ρ?c?(1+R)/(1-R)其中，ρ?為管內空氣密度，c?為空氣中聲速。3.2適用頻率范圍標準的適用頻率范圍受阻抗管截面尺寸和傳聲器間距兩個因素的共同約束。為保證管內僅傳播平面波，聲波頻率必須低于管的截止頻率，即：f<0.586c?/D（對于圓形管，D為管內徑）f<0.5c?/a（對于方形管，a為邊長）另一方面，傳聲器間距s決定了有效測量的頻率下限和上限。通常情況下，傳聲器間距應滿足s遠小于半波長以保證傳遞函數計算精度，同時s又不應過小以維持足夠的相位差分辨率。ISO10534-2:2023中針對不同管徑和傳聲器間距組合，給出了詳細的適用頻率范圍指南。例如，對于內徑100mm的圓形阻抗管，典型適用頻率范圍約為50Hz~1600Hz；對于內徑30mm的小管，上限頻率可擴展至約6400Hz。實際操作中，為覆蓋更寬的頻率范圍，常需配備不同管徑的阻抗管或將傳聲器間距設置為可調節結構。3.3測試裝置要求標準對阻抗管測試系統提出了明確的技術要求。阻抗管應為剛性、氣密性良好的圓管或方管，管內壁應光滑平整以保證平面波傳播條件。管壁上的傳聲器安裝孔應確保傳聲器膜片與管內壁齊平，避免因安裝凹陷或突出引起的聲場擾動。試樣安裝應保證試樣背后為空腔或剛性背襯，且試樣邊緣與管壁之間應有良好的密封。對于傳聲器通道的校準，標準明確要求兩個傳聲器通道之間必須進行幅值和相位的匹配校準。在2023版修訂中，標準對校準方法進行了補充完善，除了傳統的互換法（交換兩傳聲器位置進行兩次測量）外，還增加了基于電信號注入的校準方法，使校準程序更加靈活、便捷。3.4測量程序與計算方法標準規定的測量程序主要包括以下步驟：（1）試樣制備與安裝；（2）傳聲器通道校準；（3）寬頻帶信號激勵（通常采用白噪聲、粉紅噪聲或最大長度序列信號）；（4）雙通道同步數據采集；（5）傳遞函數計算；（6）反射系數、吸聲系數和表面阻抗的求解。在傳遞函數計算環節，標準推薦采用功率譜密度和互功率譜密度的方法，即通過H??=S??/S??計算傳遞函數，其中S??為位置1的自功率譜密度，S??為兩位置間的互功率譜密度。該方法能夠有效抑制不相關噪聲的干擾，提高測量信噪比。在不確定度評定方面，2023版標準新增了測量不確定度評定的指導性附錄，系統分析了影響測量結果的主要不確定度來源，包括傳聲器校準誤差、聲速和空氣密度計算誤差、試樣安裝重復性、環境溫度漂移等，并給出了各類不確定度分量的典型量級和合成方法，使測量結果的可信度評估更加規范化和可操作。3.5與駐波比法的技術對比ISO10534-2所規定的雙傳聲器技術與ISO10534-1所規定的駐波比法相比，具有多方面的技術優勢。首先，雙傳聲器技術可在一次掃頻測量中獲得全頻段的吸聲系數和表面阻抗數據，測試效率大幅提高。其次，雙傳聲器技術能夠同時獲得吸聲系數和表面阻抗兩個參數，為聲學材料的深入研究和數值仿真建模提供了更為豐富的信息。第三，雙傳聲器技術對操作人員的技能要求相對較低，測量程序易于標準化和自動化。然而，雙傳聲器技術也存在一定的局限性。其測量精度在低頻段受傳聲器間距限制，在高頻段受平面波截止頻率限制，對傳聲器通道間的相位匹配要求較高。駐波比法則在低頻段精度較高。因此，兩種方法各有其適用場景，互為補充。在ISO10534-2:2023的附錄中，對兩種方法的等效性驗證給出了建議，鼓勵用戶在特定測量條件下進行交叉驗證。四、主要修訂內容介紹ISO10534-2:2023相對于1998年版，主要在以下幾個方面進行了修訂和完善：（1）術語和定義的更新。2023版對標準中的術語和定義進行了梳理和擴充，補充了近年來學術界和工程界廣泛使用的新術語，并與ISO10534-1及其他相關聲學標準保持了術語的一致性。（2）校準程序的強化。明確規定了傳聲器通道校準的具體操作流程和驗收判據，增加了校準結果的有效性驗證要求，細化了基于電信號注入校準方法的實施細節，使校準過程更加規范、可操作。（3）適用頻率范圍的精細化。對不同管徑、不同傳聲器間距組合下的適用頻率范圍給出了更為精確的指導說明，增加了對最大和最小可用頻率的估算方法，為使用者在不同測量場景下選擇合適管徑和傳聲器配置提供了科學依據。（4）不確定度評定指南的引入。新增了測量不確定度評定的規范性附錄，系統介紹了不確定度來源分析、分量量化及合成方法，填補了原版標準在測量質量評估方面的不足，使測量結果的可信度評估更加規范化和可操作。（5）試樣安裝與邊緣約束條件的明確化。對試樣的制備方法、尺寸公差、安裝方式及邊緣密封要求進行了更加具體的規定，特別是對多孔吸聲材料等柔性試樣的安裝給出了操作性指導。（6）與相關標準的協調性更新。修訂過程中充分考慮了與ISO10534-1（駐波比法）、ISO10534-3（傳遞矩陣法）等相關標準的協調一致性，確保了阻抗管測試方法體系的內部統一。五、主要參與單位——中國計量科學研究院中國計量科學研究院（NationalInstituteofMetrology,NIM）作為ISO/TC43/SC1的國內對口技術支撐單位，在本次ISO10534-2:2023標準修訂工作中發揮了重要的技術支撐作用。作為國家最高的聲學計量技術機構，NIM在聲學基準建立、聲學量值傳遞與溯源、聲學測試方法研究等方面積累了五十余年的深厚技術底蘊。在聲學計量領域，NIM建立了涵蓋空氣聲壓、超聲功率、水聲聲壓等核心量的國家計量基準和標準裝置，構建了完善的聲學量值溯源與傳遞體系。近年來，NIM在聲學材料聲學參數測量與表征方面開展了持續深入的研究，先后承擔了多項國家質量基礎共性技術研究項目，系統建立了從阻抗管測量到自由場測量的多層級聲學材料測試能力。在本次標準修訂過程中，NIM的聲學計量團隊主要參與了以下工作：（1）開展了雙傳聲器測量系統的交叉比對實驗，為修訂傳聲器校準方法提供了實驗數據支撐；（2）參與了不確定度評定指南的起草與驗證，貢獻了基于實際測量數據的典型不確定度分析案例；（3）針對多孔吸聲材料和高分子復合吸聲材料等典型試樣的安裝條件開展了系統實驗研究，為標準中試樣安裝要求的修訂提供了試驗證據；（4）參與了對標準修訂草案的技術審查和意見反饋工作，代表中國聲學界貢獻了中國在該技術領域的實踐經驗和研究成果。NIM的工作體現了中國在聲學計量與標準化領域的持續技術積累和積極參與國際標準制定的負責任態度。六、標準應用價值與發展展望6.1標準化價值ISO10534-2:2023作為阻抗管雙傳聲器技術的權威國際標準，