ISO 10534-22023 声学阻抗管声学特性的测定第2部分法向吸声系数和法向表面阻抗的双传声器技术标准立项发展报告

ISO10534-2:2023《声学阻抗管中声学特性的测定第2部分：法向吸声系数和法向表面阻抗的双传声器技术》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Acoustics—Determinationofacousticpropertiesinimpedancetubes—Part2:Two-microphonetechniquefornormalsoundabsorptioncoefficientandnormalsurfaceimpedance摘要声学材料的吸声性能测定是声学工程、建筑声学、噪声控制及材料科学研究中的基础性技术工作。阻抗管双传声器法作为测定材料法向入射声学参数的核心方法之一，因其试样尺寸小、测试快速、精度可控等优势，在国际上得到广泛应用。本报告围绕国际标准化组织（ISO）发布的ISO10534-2:2023《声学阻抗管中声学特性的测定第2部分：法向吸声系数和法向表面阻抗的双传声器技术》展开系统论述。报告首先梳理了该标准的研制背景与技术沿革，阐述了从ISO10534-2:1998至现行版本的技术修订要点，明确了双传声器技术的基本原理、适用频率范围及关键测试条件。其次，报告详细解析了标准的核心技术内容，包括测试装置要求、传声器校准方法、传递函数计算流程以及吸声系数和表面阻抗的求解算法，并对比分析了与驻波比法的技术差异。再次，报告介绍了标准修订的主要承担单位中国计量科学研究院在声学计量领域的技术积累与贡献。最后，报告从标准化价值、工程应用前景及后续发展方向三个维度进行了总结与展望，旨在为声学材料研发、建筑声学设计、噪声治理工程及标准化工作者提供系统性的技术参考。关键词：阻抗管；双传声器技术；法向吸声系数；法向表面阻抗；传递函数；声学计量；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、引言噪声污染已被世界卫生组织列为现代城市环境中亟待治理的三大公害之一。在建筑声学设计、交通运输噪声治理、工业噪声防护以及声学材料研发等众多领域，准确测定材料的吸声性能是开展声学设计与评价的基础前提。材料的吸声系数和表面阻抗是描述其声学边界特征的两个核心参数，前者表征材料吸收声能的比例，后者则反映材料表面对声波的反作用特性，二者共同构成了声学材料性能评价与数值仿真计算中不可或缺的输入条件。在材料吸声性能的测定方法中，阻抗管法以其独特的优势占据了重要地位。相较于混响室法（REVERBERATIONROOMMETHOD），阻抗管法所需试样尺寸小、材料用量少、测试周期短，且能够获得法向入射条件下更为精确的声学参数。在阻抗管法的发展历程中，驻波比法曾是早期的主要技术手段，但该方法测试效率低、操作繁琐、对操作人员技术要求高。20世纪80年代以来，随着数字信号处理技术和快速傅里叶变换算法的普及，基于传递函数的双传声器技术逐渐成熟并走向工程应用，最终被国际标准化组织采纳为正式标准方法。ISO10534-2作为阻抗管双传声器技术的国际标准，自1998年首次发布以来，已成为全球声学材料测试领域应用最广泛的标准方法之一。2023年10月，国际标准化组织正式发布了该标准的修订版本ISO10534-2:2023，在测试精度、适用频率范围、校准程序等方面进行了系统性更新。本报告旨在对该标准的研制背景、技术原理、核心内容、修订要点及应用价值进行全面的梳理与分析，以期为相关领域的工程技术人员和标准化工作者提供参考。二、标准研制背景与技术沿革2.1阻抗管法的发展历程阻抗管法测定材料声学特性的研究可追溯至20世纪30年代。1934年，美国科学家W.C.Sabine在研究建筑材料的吸声性能时，首次提出了利用管内驻波场测量材料法向吸声系数的设想。此后，多位研究者不断完善这一方法，形成了经典的驻波比法。1945年，Beranek将驻波比法系统化，建立了基于驻波极大值和极小值之比来计算吸声系数的标准程序，该方法在相当长的时期内是阻抗管测量的主要手段。驻波比法虽然原理清晰、结果可靠，但其逐点扫描的测量模式决定了测试效率较低。一个频率点的测量往往需要手动移动探针寻找驻波极值位置，全频段的测量耗时可达数小时。此外，该方法仅限于测量吸声系数，难以直接获得表面阻抗等更丰富的声学信息。2.2双传声器技术的提出与标准化20世纪70年代末至80年代初，随着数字信号处理技术的快速发展，基于双传声器和传递函数测量的新方法应运而生。1977年，Seybert和Ross首次提出了利用两个固定位置的传声器测量管内声压，通过计算传递函数来获得材料声学特性的方法。1980年，Chung和Blaser对该方法进行了系统的理论分析和实验验证，建立了完整的双传声器传递函数法理论框架。与驻波比法相比，双传声器技术无需移动传声器位置，可在宽频带内一次完成全部频率点的测量，极大地提高了测试效率。在这一技术背景下，国际标准化组织声学技术委员会（ISO/TC43）下属的声学材料分技术委员会着手制定基于双传声器技术的国际标准。1998年，ISO正式发布了ISO10534-2:1998《声学阻抗管中声学特性的测定第2部分：法向吸声系数和法向表面阻抗的双传声器技术》，标志着双传声器技术完成了从学术研究到标准化应用的重要转变。2.3ISO10534-2:2023的修订背景自1998年首次发布以来，ISO10534-2已走过二十余年的应用历程。在此期间，声学测量技术、数字信号处理硬件和传感器制造工艺均取得了长足进步，相关领域对测量精度和不确定度评定的要求也不断提高。与此同时，ISO10534-1（驻波比法）已于2010年前后完成修订，ISO10534-2在技术内容协调性方面也需相应更新。2023年10月，ISO正式发布了修订后的ISO10534-2:2023版本，该版本在充分吸纳近年来学术界和工业界研究成果的基础上，对标准的适用范围、校准方法、不确定度评定等内容进行了系统性的修订与完善。三、标准核心技术内容解析3.1基本测量原理ISO10534-2:2023所规定的双传声器技术的核心原理基于平面波在阻抗管内的传播理论。在刚性壁阻抗管中，声波以平面波形式传播，入射波到达材料表面后部分被吸收，部分被反射，在管内形成稳定的驻波场。通过在管壁上的两个不同位置分别安装传声器，可以同步采集这两个位置的声压信号，进而计算两点间的声学传递函数。设管内两个传声器位置分别为x₁和x₂，间距为s，入射波和反射波的复振幅分别为A和B。根据平面波叠加原理，两位置的声压可以表示为入射波与反射波的叠加。通过计算两点声压的传递函数H₁₂，结合已知的传声器间距、管径及声波数等参数，可以求解出入射波与反射波的振幅比（即反射系数R）。材料的法向吸声系数α和法向表面阻抗Z则可以直接由反射系数推导获得：α=1-|R|²Z=ρ₀c₀(1+R)/(1-R)其中，ρ₀为管内空气密度，c₀为空气中声速。3.2适用频率范围标准的适用频率范围受阻抗管截面尺寸和传声器间距两个因素的共同约束。为保证管内仅传播平面波，声波频率必须低于管的截止频率，即：f<0.586c₀/D（对于圆形管，D为管内径）f<0.5c₀/a（对于方形管，a为边长）另一方面，传声器间距s决定了有效测量的频率下限和上限。通常情况下，传声器间距应满足s远小于半波长以保证传递函数计算精度，同时s又不应过小以维持足够的相位差分辨率。ISO10534-2:2023中针对不同管径和传声器间距组合，给出了详细的适用频率范围指南。例如，对于内径100mm的圆形阻抗管，典型适用频率范围约为50Hz~1600Hz；对于内径30mm的小管，上限频率可扩展至约6400Hz。实际操作中，为覆盖更宽的频率范围，常需配备不同管径的阻抗管或将传声器间距设置为可调节结构。3.3测试装置要求标准对阻抗管测试系统提出了明确的技术要求。阻抗管应为刚性、气密性良好的圆管或方管，管内壁应光滑平整以保证平面波传播条件。管壁上的传声器安装孔应确保传声器膜片与管内壁齐平，避免因安装凹陷或突出引起的声场扰动。试样安装应保证试样背后为空腔或刚性背衬，且试样边缘与管壁之间应有良好的密封。对于传声器通道的校准，标准明确要求两个传声器通道之间必须进行幅值和相位的匹配校准。在2023版修订中，标准对校准方法进行了补充完善，除了传统的互换法（交换两传声器位置进行两次测量）外，还增加了基于电信号注入的校准方法，使校准程序更加灵活、便捷。3.4测量程序与计算方法标准规定的测量程序主要包括以下步骤：（1）试样制备与安装；（2）传声器通道校准；（3）宽频带信号激励（通常采用白噪声、粉红噪声或最大长度序列信号）；（4）双通道同步数据采集；（5）传递函数计算；（6）反射系数、吸声系数和表面阻抗的求解。在传递函数计算环节，标准推荐采用功率谱密度和互功率谱密度的方法，即通过H₁₂=S₁₂/S₁₁计算传递函数，其中S₁₁为位置1的自功率谱密度，S₁₂为两位置间的互功率谱密度。该方法能够有效抑制不相关噪声的干扰，提高测量信噪比。在不确定度评定方面，2023版标准新增了测量不确定度评定的指导性附录，系统分析了影响测量结果的主要不确定度来源，包括传声器校准误差、声速和空气密度计算误差、试样安装重复性、环境温度漂移等，并给出了各类不确定度分量的典型量级和合成方法，使测量结果的可信度评估更加规范化和可操作。3.5与驻波比法的技术对比ISO10534-2所规定的双传声器技术与ISO10534-1所规定的驻波比法相比，具有多方面的技术优势。首先，双传声器技术可在一次扫频测量中获得全频段的吸声系数和表面阻抗数据，测试效率大幅提高。其次，双传声器技术能够同时获得吸声系数和表面阻抗两个参数，为声学材料的深入研究和数值仿真建模提供了更为丰富的信息。第三，双传声器技术对操作人员的技能要求相对较低，测量程序易于标准化和自动化。然而，双传声器技术也存在一定的局限性。其测量精度在低频段受传声器间距限制，在高频段受平面波截止频率限制，对传声器通道间的相位匹配要求较高。驻波比法则在低频段精度较高。因此，两种方法各有其适用场景，互为补充。在ISO10534-2:2023的附录中，对两种方法的等效性验证给出了建议，鼓励用户在特定测量条件下进行交叉验证。四、主要修订内容介绍ISO10534-2:2023相对于1998年版，主要在以下几个方面进行了修订和完善：（1）术语和定义的更新。2023版对标准中的术语和定义进行了梳理和扩充，补充了近年来学术界和工程界广泛使用的新术语，并与ISO10534-1及其他相关声学标准保持了术语的一致性。（2）校准程序的强化。明确规定了传声器通道校准的具体操作流程和验收判据，增加了校准结果的有效性验证要求，细化了基于电信号注入校准方法的实施细节，使校准过程更加规范、可操作。（3）适用频率范围的精细化。对不同管径、不同传声器间距组合下的适用频率范围给出了更为精确的指导说明，增加了对最大和最小可用频率的估算方法，为使用者在不同测量场景下选择合适管径和传声器配置提供了科学依据。（4）不确定度评定指南的引入。新增了测量不确定度评定的规范性附录，系统介绍了不确定度来源分析、分量量化及合成方法，填补了原版标准在测量质量评估方面的不足，使测量结果的可信度评估更加规范化和可操作。（5）试样安装与边缘约束条件的明确化。对试样的制备方法、尺寸公差、安装方式及边缘密封要求进行了更加具体的规定，特别是对多孔吸声材料等柔性试样的安装给出了操作性指导。（6）与相关标准的协调性更新。修订过程中充分考虑了与ISO10534-1（驻波比法）、ISO10534-3（传递矩阵法）等相关标准的协调一致性，确保了阻抗管测试方法体系的内部统一。五、主要参与单位——中国计量科学研究院中国计量科学研究院（NationalInstituteofMetrology,NIM）作为ISO/TC43/SC1的国内对口技术支撑单位，在本次ISO10534-2:2023标准修订工作中发挥了重要的技术支撑作用。作为国家最高的声学计量技术机构，NIM在声学基准建立、声学量值传递与溯源、声学测试方法研究等方面积累了五十余年的深厚技术底蕴。在声学计量领域，NIM建立了涵盖空气声压、超声功率、水声声压等核心量的国家计量基准和标准装置，构建了完善的声学量值溯源与传递体系。近年来，NIM在声学材料声学参数测量与表征方面开展了持续深入的研究，先后承担了多项国家质量基础共性技术研究项目，系统建立了从阻抗管测量到自由场测量的多层级声学材料测试能力。在本次标准修订过程中，NIM的声学计量团队主要参与了以下工作：（1）开展了双传声器测量系统的交叉比对实验，为修订传声器校准方法提供了实验数据支撑；（2）参与了不确定度评定指南的起草与验证，贡献了基于实际测量数据的典型不确定度分析案例；（3）针对多孔吸声材料和高分子复合吸声材料等典型试样的安装条件开展了系统实验研究，为标准中试样安装要求的修订提供了试验证据；（4）参与了对标准修订草案的技术审查和意见反馈工作，代表中国声学界贡献了中国在该技术领域的实践经验和研究成果。NIM的工作体现了中国在声学计量与标准化领域的持续技术积累和积极参与国际标准制定的负责任态度。六、标准应用价值与发展展望6.1标准化价值ISO10534-2:2023作为阻抗管双传声器技术的权威国际标准，