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

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StandardizationDevelopmentReport:ISO10534-2:2023Acoustics—Determinationofacousticpropertiesinimpedancetubes—Part2:Two-microphonetechniquefornormalsoundabsorptioncoefficientandnormalsurfaceimpedance摘要随着现代工业与建筑声学领域的快速发展，材料声学性能的精确表征已成为噪声控制、声学设计及产品质量评估的关键环节。阻抗管法作为测定材料法向声学参数的核心方法之一，在世界范围内得到广泛应用。ISO10534-2:2023《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》由国际标准化组织（ISO）正式发布，取代了此前实施的ISO10534-2:1998版本。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术内容、修订历程与应用价值，重点阐述了双传声器技术的测量原理、测试装置要求、校准规范和数据处理方法，分析了其在声学材料研发、建筑声学设计、汽车NVH性能优化及航空航天降噪工程等领域的应用前景。报告还对该标准的主要参与单位ISO/TC43声学技术委员会的组织架构和工作机制进行了详细介绍。该标准的发布对于推动声学测量技术的标准化和国际化发展，促进全球声学产业的技术交流与贸易合作具有重要意义。关键词：阻抗管；双传声器技术；法向吸声系数；法向表面阻抗；声学测量；标准化Keywords:impedancetube;two-microphonetechnique;normalsoundabsorptioncoefficient;normalsurfaceimpedance;acousticmeasurement;standardization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解决的主要公共卫生问题之一。在噪声控制工程实践中，吸声材料与吸声结构的性能表征是开展声学设计的基础前提。准确测定材料的法向吸声系数和法向表面阻抗，对于材料筛选、结构优化和声学建模均具有不可替代的作用。在诸多声学参数测量方法中，阻抗管法因其试样尺寸小、测量快捷、重复性好等优势，成为实验室条件下测定材料法向声学性能的主流方法。其中，双传声器传递函数法由Chung和Blaser于1980年首次提出，随后被国际标准化组织采纳，形成了ISO10534-2标准。经过二十余年的工程实践与技术进步，国际标准化组织于2023年正式发布了该标准的最新修订版——ISO10534-2:2023，以更好地适应当前声学测量技术的发展需求。本报告旨在全面分析ISO10534-2:2023标准的立项背景、技术内容、修订要点和应用前景，为相关领域的科研人员、工程技术人员和标准化工作者提供参考。二、标准立项背景与修订历程2.1国际声学标准化体系概述国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，简称ISO）是全球最大的非政府性国际标准制定机构，其下设的第43技术委员会（ISO/TC43）专门负责声学领域的国际标准化工作。ISO/TC43下设若干分技术委员会和工作组，其中SC1分委会负责噪声测量与评价，SC2分委会负责建筑声学。阻抗管测量标准由ISO/TC43/SC1下属的工作组负责制定和维护。目前，ISO10534系列标准涵盖了声学阻抗管测量技术中两类主要方法：第1部分（ISO10534-1）规定了使用驻波比法测定法向吸声系数和法向表面阻抗的原理与程序；第2部分（ISO10534-2）则规定了基于双传声器传递函数法的测量技术。两者互为补充，适用于不同的测量频段和精度要求。2.2标准的历史沿革ISO10534-2标准的历史可以追溯至20世纪90年代。在此之前，阻抗管法测量主要依靠驻波比法（即现ISO10534-1），该方法虽然精度较高，但测量过程繁琐耗时，不适用于快速、宽频的测试需求。随着数字信号处理技术和双传声器测量方法的逐步成熟，采用双传声器传递函数法进行阻抗管测量在学术界和工业界获得了日益广泛的认可。1998年，ISO首次发布了ISO10534-2:1998版本，确立了双传声器技术作为阻抗管声学测量的国际标准方法。该版本的发布，极大地推动了吸声材料测试技术从逐点扫频向宽频快速测量的转变，为声学材料研发和质量控制提供了高效、统一的测量平台。2.32023版修订的必要性与目标自1998年版发布以来，声学测量技术经历了长足发展。一方面，数据采集硬件和数字信号处理技术实现了跨越式进步，多通道实时分析系统的性能大幅提升，为更精确的声学测量创造了条件；另一方面，新功能声学材料不断涌现，如微穿孔板吸声体、声学超材料、多孔纤维复合材料等，对测量方法的适用性提出了更高要求。同时，在多年的标准实施过程中，各国实验室积累了丰富的实践经验，也发现了一些需要澄清和补充的技术细节。在此背景下，ISO/TC43/SC1启动了ISO10534-2的修订工作。修订的目标主要包括：完善双传声器技术的理论基础，明确测量不确定度的评定方法，更新校准程序以适应现代测量设备的需求，以及补充对特殊材料和特殊测试条件的指导。修订过程遵循ISO标准制定的公开透明原则，广泛征求了各成员国和联络组织的意见，历经委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）等阶段，最终于2023年10月正式发布。三、标准主要内容与技术解析3.1标准的适用范围ISO10534-2:2023规定了使用阻抗管、双传声器传递函数技术测定材料法向吸声系数和法向表面阻抗的测试方法。该方法适用于测定吸声材料法向入射条件下的声学性能，其有效测量频率范围取决于阻抗管的直径和传声器间距等几何参数。标准规定的测量方法适用于多孔吸声材料、共振吸声结构、声学超材料等多种类型的试样，也可用于测量非标准试样和特殊边界条件下的声学性能。标准明确规定了测试的使用条件限制，包括频率范围的上限和下限要求、温度与湿度条件、试样安装方式等，确保测量结果的可比性和可重复性。此外，标准还提供了测量系统的校准方法和验证程序，以保证测量数据的准确性和溯源性。3.2测量原理双传声器技术的核心测量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，当平面声波入射到管端的试样表面时，会在管中形成由入射波和反射波叠加而成的驻波场。通过在管壁的两个不同位置分别安装传声器，测量两位置处的声压信号，利用传递函数法即可计算出试样表面的复反射系数，进而推导出法向吸声系数和法向表面阻抗。其基本的测量过程为：首先由声源在阻抗管中产生平面波，利用安装于管壁两个不同位置的传声器，同步测量该两处的声压信号。然后利用频率响应函数分析技术得到两传声器位置之间的声压传递函数，并结合传递函数法的数学公式计算出试样表面的反射系数，继而推导出法向吸声系数和法向表面阻抗。由于不需要进行逐点扫频，一次宽频信号激励即可覆盖整个有效频率范围，显著提高了测量效率。3.3测量装置与技术要求标准对阻抗管测量装置的各组成部分提出了明确的技术要求。阻抗管是测量的核心部件，须为刚性壁管，截面形状可为圆形或方形。标准规定了管壁材料、内壁光滑度、管长与直径的比例等要求，以确保管内声场满足平面波传播条件。管径的选择取决于目标测量频率范围的上限，管径越大，有效上限频率越低。对于方形管和圆形管，标准分别给出了几何尺寸的推荐值及公差要求。传声器安装要求是两个传声器安装在管壁的特定位置，其间距应在标准规定的范围内。传声器的安装方式应保证其感压面与管内壁平齐，避免对管内声场产生干扰。标准对传声器间距的选择给出了明确的指导原则，需在测量精度和有效频率范围之间取得平衡。对于高频测量，可采用间距较小的配置；对于低频测量，则需要较大的传声器间距以保证足够的相位差分辨率。声源系统需能在有效频率范围内产生稳定、可重复的宽频声信号。标准推荐使用白噪声、粉红噪声或最大长度序列等多种激励信号。声源应具有足够的输出功率和良好的频响平坦度，以在各测试频率上获得足够的信噪比。信号采集与处理系统须具备至少两个同步采样通道，采样率和分辨率的性能指标应满足测量精度要求。数据处理软件需能实现传递函数计算、反射系数提取和声学参数换算等功能，并按照标准规定的算法进行窗函数处理和FFT分析。3.4校准与验证要求为确保测量结果的准确性和可溯源性，ISO10534-2:2023对测量系统的校准和验证提出了明确要求。校准要求主要包括：传声器的声学校准（采用活塞发生器或声学校准器）、通道间相位匹配校准、以及系统整体性能的验证程序等。其中，通道间相位失配是影响双传声器法测量精度的重要因素，标准对此给出了详细的校准方法和误差修正程序。同时，标准还推荐采用已知声学性能的参考材料进行系统验证，以确认整个测量链路的工作状态正常。与1998版相比，2023版在测量不确定度评定方面做出了重要补充，引入了测量不确定度的系统评定方法。标准明确了各不确定度分量的来源，包括传声器校准误差、传声器间距误差、试样安装重复性、信号处理误差等，并给出了合成不确定度的估算示例。这一改进使得不同实验室之间测量结果的比对更加科学与合理。3.5测量不确定度评定测量不确定度的系统评定是2023版标准的一个重要改进。标准引入了测量不确定度评定框架，引导用户对影响测量结果的各因素进行全面分析，并通过试验设计方法评估各项不确定度分量的大小。标准提供了不确定度评定的示例流程，分析了各主要不确定度源的贡献量级，包括：传声器灵敏度校准的不确定度、两传声器间距的安装公差、频率校准误差、试样安装的可重复性、有限信噪比导致的随机误差等。标准同时推荐了A类评定和B类评定的方法组合，以及扩展不确定度的报告格式，使测量结果可以在规定的置信水平下进行国际比对。四、标准修订的主要技术变化ISO10534-2:2023相较于1998版标准的技术变化主要体现在以下几个方面：第一，测量不确定度的系统评定方法。新版本引入完整的测量不确定度评定框架和实例分析，使实验室能够对其测量结果给出可靠的不确定度估计，显著增强了测量结果的可比性和可信度。第二，扩展了适用的材料和测试场景范围。新版标准对非均匀材料、多层复合结构以及具有显著流阻特性的高吸声性能材料等给出了更为详细的指导，增强了标准的适用性。第三，更新了信号处理技术要求。针对现代数字信号处理技术的发展，标准对FFT分析参数选择、窗函数类别及参数设置、平均次数与频率分辨率的关系等方面给出了更细致的技术规定，以保证在不同硬件平台上获得一致的测量结果。第四，细化了校准规程。标准明确规定了传声器相位校准的操作步骤和接受准则，增加了对校准数据记录和保存的要求，使校准工作的可操作性大为增强。第五，增加了数值验证与交叉验证内容。新版本建议对新建立的测量系统或易变的测量条件，可使用数值模拟方式对测量理论进行验证，或采用传输矩阵法、有限元法等独立方法对双传声器法的测量结果进行交叉验证，增加了结果可靠性验证的途径。五、主要起草单位介绍ISO10534-2:2023标准的制定和修订工作由国际标准化组织ISO/TC43（声学技术委员会）负责组织，具体工作由其下设的SC1分技术委员会（噪声）和相关工作组承担。ISO/TC43技术委员会成立于1947年，是ISO最早设立的技术委员会之一，秘书处承担方历经多次变更，目前由意大利国家标准化机构（UNI）承担秘书处工作。ISO/TC43的职责范围涵盖声学领域的标准化工作，包括但不限于声学量的定义与测量方法、噪声暴露的评价、建筑声学、超声学等。技术委员会下设SC1（噪声）、SC2（建筑声学）、SC3（超声学）三个分技术委员会以及若干直属工作组。在ISO10534-2标准的修订过程中，德国标准化协会（DIN）、美国声学学会（ASA）等成员国通过其国内技术委员会向ISO/TC43提供了大量技术输入和建设性意见。欧洲多个声学研究机构和标准化实验室参与了标准的试验验证工作，为标准中的技术指标和试验方法提供了重要的实验数据支持。此外，国际计量组织（OIML）和国际实验室认可合作组织（ILAC）等联络组织也对标准的制定提供了协调与支持。六、标准应用前景与发展趋势6.1在声学材料研发领域的应用ISO10534-2:2023所规定的双传声器测量方法，为声学材料的研发提供了高效的性能评价工具。在新材料开发过程中，研究人员需要快速获取材料在宽频范围内的吸声性能数据，以指导材料配方和结构设计的优化。双传声器法的宽频测量能力使得一次测量即可获得全频段的吸声系数和表面阻抗数据，极大提高了研发效率。同时，通过测量法向表面阻抗这一重要的声学边界参数，可为理论建模和数值仿真提供可靠的输入数据。6.2在建筑声学与噪声控制领域的应用在建筑声学设计中，吸声材料的正确选型和布置是控制室内混响时间、改善语音清晰度的重要手段。ISO10534-2:2023标准为建筑师和声学工程师提供了统一的材料声学参数测量依据，使不同材料供应商提供的声学数据具有可比性。在工业噪声治理领域，该标准为隔声罩、消声器、吸声体等噪声控制装置的性能评价提供了标准化的测试方法，有助于推动噪声控制技术和产品的质量提升。6.3在汽车与航空航天工业中的应用汽车和航空航天工业是声学测量技术的重要应用领域。在车辆NVH（噪声、振动与声振粗糙度）性能开发过程中，吸声材料的精确表征对车内声学环境的优化设计至关重要。ISO10534-2:2023提供的标准化测量方法已被全球主要汽车制造商及其供应链广