坐便器沖洗噪聲測量不確定度分析
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摘 要：依據GB/T 3768-2017《聲學 聲壓法測定噪聲源聲功率級和聲能量級 采用反射面上方包絡測量面的簡易法》中的要求， 對坐便器沖洗噪聲（聲功率級）的測量不確定度進行了分析，結果表明，采用半球測量面（單反射面）測得的坐便器沖洗噪聲LWA為58.8 dB，擴展不確定度為4.0 dB（k=2），其中采樣引入的不確定度最大， 其次是環境噪聲修正和測試方法引入的不確定度， 聲級計、測量重復性以及測聲源運行不穩定及安裝條件引入的不確定度較小。增加測點的位置數量可有效降低坐便器沖洗噪聲測量的不確定度。
關鍵詞：坐便器;沖洗噪聲;不確定度;聲壓級;聲功率級
1 前 言
坐便器沖洗噪聲是家居生活噪聲的主要來源之一，尤其在夜間，過高的沖洗噪聲會干擾人們的休息和睡眠，因此，國家標準GB/T 6952-2015《衛生陶瓷》[1]規定了坐便器沖洗噪聲的限值要求，測試方法則采用GB/T 3768《聲學 聲壓法測定噪聲源聲功率級和聲能量級 采用反射面上方包絡測量面的簡易法》[2]。
測量不確定度是評價測量水平的重要指標，并可能對測試結果的可信度、可比性和可接受性產生影響，因而備受關注。影響坐便器沖洗噪聲的測量不確定度的因素可歸結為兩大類，一是方法再現性，二是噪聲源發聲不穩定。目前的研究[3-4]中，僅進行了測試結果重復性的研究，未對影響方法再現性的因素進行全面的分析，也未考慮噪聲源發聲不穩定的影響。因此，本文擬根據GB/T 3768-2017的方法對坐便器沖洗噪聲（聲功率級）的測量不確定度進行研究，為測量水平的提高及衛生潔具沖洗噪聲標準的制訂提供參考。
2 測量過程
2.1 測試環境和設備
坐便器沖洗噪聲的測試在半消聲室內進行，測試環境參數如下：
可用空間：4.2 m × 4.0 m × 2.9 m;
內表面面積Sv：81.16 m2;
平均吸聲系數α：0.50;
吸聲量A：40.58 m2;
測試采用的聲級計為噪聲統計分析儀（杭州愛華，型號AWA6218）。
2.2 被測聲源
測試樣品為雙沖坐便器，尺寸380 mm × 710 mm × 665 mm，無蓋板。樣品按正常使用狀態安裝在反射面中心位置。測試過程采用全沖模式，進水壓力為0.14 MPa（靜壓）。
2.3 基準體和測量面
被測聲源基準體尺寸（l1×l2×l3）為0.71 m × 0.38 m × 0.665 m，特征尺寸d0=0.777 m。
測試采用半球測量面（單反射面），測量半徑r=1.6 m，測量面面積S=16.08 m2。測量面上測點的位置見圖1和表1。
說明：A——測量面;B——基準體;r——測量面半徑;x軸與長度（l1）方向平行，y軸與寬度（l2）方向平行。
2.4 測試結果
在各測點分別測試背景噪聲A計權時間平均聲壓級L'pAi （B ）及被測噪聲源A計權時間平均聲壓級L'pAi （ST ），按GB/T 3768 - 2017中給出的公式計算L'pAi （B ）平均值、L'pAi （ST ）平均值、背景噪聲修正值K1A、環境噪聲修正值K2A、測量面時間平均聲壓級LpA及聲功率級LWA，測試及計算結果見表2。
3 測量不確定度的評定
3.1 概述
初步估計顯示，經大氣條件修正后的聲功率級LWA是式（1）所示的一系列參數的函數：
式中：
δmethod ——測量方法帶來的不確定度輸入量，包括結果推導和相應的不確定度;
δomc ——運行和安裝條件帶來的不確定度輸入量;
L'pA （ST ） ——被測噪聲源運行時，在整個測量面上A計權時間平均聲壓級的平均值;
S ——測量面的面積;
S0 ——基準面的面積;
K1A ——背景噪聲修正值;
K2A ——環境修正值;
δmet ——考慮聲壓級和聲功率級時所用的不同分貝基準量，以及聲功率隨溫度和壓力的變化的輸入量;
δslm ——聲級計帶入的不確定度的輸入量;
δmic ——有限數量測點位置帶來的不確定度的輸入量;
δangle ——聲源聲發射方向與測量面法向之間的角度差的輸入量;
δtone ——由于頻譜形狀和有調聲的存在而引起的不確定度的輸入量。
各輸入量的期望值（平均值）是對輸入量值的最佳估計，且其標準偏差是對數值離散程度的度量，稱為不確定度。與安裝和運行條件相關的不確定度分量包含在σomc中，而σR0則包括了其他不確定度分量。
聲功率級的測量不確定度u（Lw）由式（2）進行估算：
總標準偏差的計算按式（3）進行計算：
式中：σR0為方法復現性標準差;σomc為被測聲源運行不穩定及安裝條件引起的不確定度標準差。
擴展不確定度U可由式（4）計算：
擴展測量不確定度取決于所要求的包含概率。測量值為正態分布時，真值在（LW-U）到（LW+U）范圍內的置信水平為95%時，對應于k=2的包含因子;如果測定聲功率級的目的是將結果與某個限值進行比較，則采用單邊正態分布的包含因子更為合適，此時對應于包含概率為95%的包含因子為k=1.6。
3.2 σomc的確定
為確定σomc，對安裝在同一位置的同一坐便器、使用相同的聲級計、由相同的測試人員在L'pi （ST ）最大的聲級計位置（10#位）進行6次重復測量，每次重復測量前均重新安裝坐便器。按式（5）計算σomc。測試及計算結果見表3。 式中：
Lp， j ——第j次重復測量并經背景噪聲修正后的聲壓級;
Lpav ——所有重復測量結果的算術平均值。
3.3 σR0的確定
3.3.1 測量方法
假設整個建模方法是完整和正確的，則由殘余不確定度引起的umethod=0.6 dB，靈敏系數cmethod=1。
3.3.2 聲壓級測量的重復性
在相同條件下、單一位置（10#位）進行6次連續的聲壓級測量，以測量值的標準偏差作為標準不確定度。測試過程中固定被測聲源，每次測試前重新安裝聲級計。按式（6）計算uL'pA （ST ），測量及計算結果見表4。
3.3.3 測量面面積
3.3.4 背景噪音修正
背景噪聲修正值的標準測量不確定度uK1A為測量面單一傳聲器位置ΔLp重復測量結果的標準偏差。在10#位對ΔLp進行6次重復測量，測量及計算結果見表5。
靈敏系數c（K1A）按式（7）計算，計算結果c（K1A）=1。
3.3.5 環境噪音修正
環境噪音修正引入的標準不確定度uK2A≈K2A/4，故有uK2A≈4.12/4=1.03 dB。
3.3.6 氣象修正
3.3.7 聲級計
噪聲統計分析儀校準證書給出的測量結果擴展不確定度為U=0.4 dB（k=2），故有uslm=0.2 dB。
3.3.8 采樣
由采樣引起的標準不確定度umic按式（8）計算，測量和計算結果見表6。
式中：
NM ——傳聲器位置數。對于本次測試，NM=8;
L'pav ——L'pi （ST ）測量值的算術平均值。
3.3.9 角度
在反射平面上自由聲場的半球測量面，典型的標準偏差uangle為0.25 dB。靈敏系數cangle=10-0.1K2A 。K2A=4.12 dB，故cangle=0.4。
3.3.10 頻譜形狀
當聲源沒有產生可聽有調聲時，可假設utone=0 dB。坐便器沖洗過程未產生可聽有調聲，故utone=0 dB。
3.3.11 σR0的確定
表7給出了估算σR0的各不確定度分量的相關參數。由于各不確定度分量的相關性可以忽略，故有：
根據式（9），
3.4 標準不確定度和擴展不確定度
4 各不確定度分量的相對貢獻
以各不確定度分量的ciui值占標準不確定度σtot的百分比，來表示各分量的相對貢獻。圖2使用柱狀圖表示了各分量的相對貢獻，可以看出，采樣引入的不確定度最大， 其次是環境噪聲修正和測試方法引入的不確定度， 聲級計、測量重復性以及測聲源運行不穩定及安裝條件引入的不確定度相對較小，其余參數對不確定度的貢獻非常小。
分析表6的測試結果可發現，采用8個位置（4個主傳聲器位置加4個附加傳聲器位置）進行測試時，umic為1.5 dB，如只在4個主傳聲器位置（4#位、5#位、6#位、10#位）進行測試，umic為2.5 dB，不確定度顯著增加。由于坐便器的沖洗噪聲有明顯的指向性，其上方的噪聲輻射顯著，因此，采用半球測量面（單反射面）進行坐便器沖洗噪聲測試時，至少要采用8個傳聲器位置進行測試，才能保證測試精度;必要時，還需根據ISO 3744的規定，在噪聲高輻射區域的測量面上安排附加的傳聲器，以進一步降低測量不確定度。
環境噪聲修正對不確定度的貢獻僅次于采樣。K2A越小，環境噪聲修正值引入的測量不確定度uK2A越小。雖然降低K2A值同時會導致角度誤差的靈敏系數cangle增加，但即使是在K2A為0 dB的極端情況下，cangle為1，cangleuangle為0.25 dB，角度對不確定度的貢獻依然很小?？傮w而言，對于半球測量面，降低K2A，有利于提高測試精度。增大的測試空間、在測試室的頂棚和墻壁使用吸音材料的方法，增加房間的吸聲量，可以降低K2A，提高測試精度。
5 結 語
在全沖模式、無蓋板、進水壓力0.14 MPa（靜壓力）下，采用半球測量面（單反射面）測得的坐便器沖洗噪聲聲功率級LWA為58.8 dB，方法復現性引入的標準不確定度為1.95 dB，安裝及運行條件不穩定引入的標準不確定度為0.28 dB，合成標準不確定度2.2 dB，擴展不確定度4.4 dB（k=2）。
在各不確定度分量中，采樣引入的不確定度最大， 其次是環境噪聲修正和測試方法引入的不確定度， 聲級計、測量重復性以及測聲源運行不穩定及安裝條件引入的不確定度相較小。因此，采用半球測量面（單反射面）進行坐便器沖洗噪聲測試時，至少要采用8個傳聲器位置進行測試，才能保證測試精度，此外，增加測試環境的吸聲量也有利于測試精度的提高。
參考文獻
[1] 衛生陶瓷：GB/T 6952-2015 [S]. 北京：中國標準出版社，2015.
[2] 聲學 聲壓法測定噪聲源聲功率級和聲能量級 采用反射面上方包絡測量面的簡易法：GB/T 3768-2017 [S]. 北京：中國標準出版社，2017.
[3] 李文杰，王博，郝秋偉.半球測量表面在噴射虹吸式坐便器沖洗噪聲測試領域的應用[J]. 中國測試，2017（2）：34-41.
[4] 李文杰，王博，章雪松. 不同測量表面對噴射虹吸式坐便器沖洗噪聲測試的影響[J]. 聲學技術，2016（12）：550-562.
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