坐便器冲洗噪声测量不确定度分析
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摘 要：依据GB/T 3768-2017《声学 声压法测定噪声源声功率级和声能量级 采用反射面上方包络测量面的简易法》中的要求， 对坐便器冲洗噪声（声功率级）的测量不确定度进行了分析，结果表明，采用半球测量面（单反射面）测得的坐便器冲洗噪声LWA为58.8 dB，扩展不确定度为4.0 dB（k=2），其中采样引入的不确定度最大， 其次是环境噪声修正和测试方法引入的不确定度， 声级计、测量重复性以及测声源运行不稳定及安装条件引入的不确定度较小。增加测点的位置数量可有效降低坐便器冲洗噪声测量的不确定度。
关键词：坐便器;冲洗噪声;不确定度;声压级;声功率级
1 前 言
坐便器冲洗噪声是家居生活噪声的主要来源之一，尤其在夜间，过高的冲洗噪声会干扰人们的休息和睡眠，因此，国家标准GB/T 6952-2015《卫生陶瓷》[1]规定了坐便器冲洗噪声的限值要求，测试方法则采用GB/T 3768《声学 声压法测定噪声源声功率级和声能量级 采用反射面上方包络测量面的简易法》[2]。
测量不确定度是评价测量水平的重要指标，并可能对测试结果的可信度、可比性和可接受性产生影响，因而备受关注。影响坐便器冲洗噪声的测量不确定度的因素可归结为两大类，一是方法再现性，二是噪声源发声不稳定。目前的研究[3-4]中，仅进行了测试结果重复性的研究，未对影响方法再现性的因素进行全面的分析，也未考虑噪声源发声不稳定的影响。因此，本文拟根据GB/T 3768-2017的方法对坐便器冲洗噪声（声功率级）的测量不确定度进行研究，为测量水平的提高及卫生洁具冲洗噪声标准的制订提供参考。
2 测量过程
2.1 测试环境和设备
坐便器冲洗噪声的测试在半消声室内进行，测试环境参数如下：
可用空间：4.2 m × 4.0 m × 2.9 m;
内表面面积Sv：81.16 m2;
平均吸声系数α：0.50;
吸声量A：40.58 m2;
测试采用的声级计为噪声统计分析仪（杭州爱华，型号AWA6218）。
2.2 被测声源
测试样品为双冲坐便器，尺寸380 mm × 710 mm × 665 mm，无盖板。样品按正常使用状态安装在反射面中心位置。测试过程采用全冲模式，进水压力为0.14 MPa（静压）。
2.3 基准体和测量面
被测声源基准体尺寸（l1×l2×l3）为0.71 m × 0.38 m × 0.665 m，特征尺寸d0=0.777 m。
测试采用半球测量面（单反射面），测量半径r=1.6 m，测量面面积S=16.08 m2。测量面上测点的位置见图1和表1。
说明：A——测量面;B——基准体;r——测量面半径;x轴与长度（l1）方向平行，y轴与宽度（l2）方向平行。
2.4 测试结果
在各测点分别测试背景噪声A计权时间平均声压级L'pAi （B ）及被测噪声源A计权时间平均声压级L'pAi （ST ），按GB/T 3768 - 2017中给出的公式计算L'pAi （B ）平均值、L'pAi （ST ）平均值、背景噪声修正值K1A、环境噪声修正值K2A、测量面时间平均声压级LpA及声功率级LWA，测试及计算结果见表2。
3 测量不确定度的评定
3.1 概述
初步估计显示，经大气条件修正后的声功率级LWA是式（1）所示的一系列参数的函数：
式中：
δmethod ——测量方法带来的不确定度输入量，包括结果推导和相应的不确定度;
δomc ——运行和安装条件带来的不确定度输入量;
L'pA （ST ） ——被测噪声源运行时，在整个测量面上A计权时间平均声压级的平均值;
S ——测量面的面积;
S0 ——基准面的面积;
K1A ——背景噪声修正值;
K2A ——环境修正值;
δmet ——考虑声压级和声功率级时所用的不同分贝基准量，以及声功率随温度和压力的变化的输入量;
δslm ——聲级计带入的不确定度的输入量;
δmic ——有限数量测点位置带来的不确定度的输入量;
δangle ——声源声发射方向与测量面法向之间的角度差的输入量;
δtone ——由于频谱形状和有调声的存在而引起的不确定度的输入量。
各输入量的期望值（平均值）是对输入量值的最佳估计，且其标准偏差是对数值离散程度的度量，称为不确定度。与安装和运行条件相关的不确定度分量包含在σomc中，而σR0则包括了其他不确定度分量。
声功率级的测量不确定度u（Lw）由式（2）进行估算：
总标准偏差的计算按式（3）进行计算：
式中：σR0为方法复现性标准差;σomc为被测声源运行不稳定及安装条件引起的不确定度标准差。
扩展不确定度U可由式（4）计算：
扩展测量不确定度取决于所要求的包含概率。测量值为正态分布时，真值在（LW-U）到（LW+U）范围内的置信水平为95%时，对应于k=2的包含因子;如果测定声功率级的目的是将结果与某个限值进行比较，则采用单边正态分布的包含因子更为合适，此时对应于包含概率为95%的包含因子为k=1.6。
3.2 σomc的确定
为确定σomc，对安装在同一位置的同一坐便器、使用相同的声级计、由相同的测试人员在L'pi （ST ）最大的声级计位置（10#位）进行6次重复测量，每次重复测量前均重新安装坐便器。按式（5）计算σomc。测试及计算结果见表3。 式中：
Lp， j ——第j次重复测量并经背景噪声修正后的声压级;
Lpav ——所有重复测量结果的算术平均值。
3.3 σR0的确定
3.3.1 测量方法
假设整个建模方法是完整和正确的，则由残余不确定度引起的umethod=0.6 dB，灵敏系数cmethod=1。
3.3.2 声压级测量的重复性
在相同条件下、单一位置（10#位）进行6次连续的声压级测量，以测量值的标准偏差作为标准不确定度。测试过程中固定被测声源，每次测试前重新安装声级计。按式（6）计算uL'pA （ST ），测量及计算结果见表4。
3.3.3 测量面面积
3.3.4 背景噪音修正
背景噪声修正值的标准测量不确定度uK1A为测量面单一传声器位置ΔLp重复测量结果的标准偏差。在10#位对ΔLp进行6次重复测量，测量及计算结果见表5。
灵敏系数c（K1A）按式（7）计算，计算结果c（K1A）=1。
3.3.5 环境噪音修正
环境噪音修正引入的标准不确定度uK2A≈K2A/4，故有uK2A≈4.12/4=1.03 dB。
3.3.6 气象修正
3.3.7 声级计
噪声统计分析仪校准证书给出的测量结果扩展不确定度为U=0.4 dB（k=2），故有uslm=0.2 dB。
3.3.8 采樣
由采样引起的标准不确定度umic按式（8）计算，测量和计算结果见表6。
式中：
NM ——传声器位置数。对于本次测试，NM=8;
L'pav ——L'pi （ST ）测量值的算术平均值。
3.3.9 角度
在反射平面上自由声场的半球测量面，典型的标准偏差uangle为0.25 dB。灵敏系数cangle=10-0.1K2A 。K2A=4.12 dB，故cangle=0.4。
3.3.10 频谱形状
当声源没有产生可听有调声时，可假设utone=0 dB。坐便器冲洗过程未产生可听有调声，故utone=0 dB。
3.3.11 σR0的确定
表7给出了估算σR0的各不确定度分量的相关参数。由于各不确定度分量的相关性可以忽略，故有：
根据式（9），
3.4 标准不确定度和扩展不确定度
4 各不确定度分量的相对贡献
以各不确定度分量的ciui值占标准不确定度σtot的百分比，来表示各分量的相对贡献。图2使用柱状图表示了各分量的相对贡献，可以看出，采样引入的不确定度最大， 其次是环境噪声修正和测试方法引入的不确定度， 声级计、测量重复性以及测声源运行不稳定及安装条件引入的不确定度相对较小，其余参数对不确定度的贡献非常小。
分析表6的测试结果可发现，采用8个位置（4个主传声器位置加4个附加传声器位置）进行测试时，umic为1.5 dB，如只在4个主传声器位置（4#位、5#位、6#位、10#位）进行测试，umic为2.5 dB，不确定度显著增加。由于坐便器的冲洗噪声有明显的指向性，其上方的噪声辐射显著，因此，采用半球测量面（单反射面）进行坐便器冲洗噪声测试时，至少要采用8个传声器位置进行测试，才能保证测试精度;必要时，还需根据ISO 3744的规定，在噪声高辐射区域的测量面上安排附加的传声器，以进一步降低测量不确定度。
环境噪声修正对不确定度的贡献仅次于采样。K2A越小，环境噪声修正值引入的测量不确定度uK2A越小。虽然降低K2A值同时会导致角度误差的灵敏系数cangle增加，但即使是在K2A为0 dB的极端情况下，cangle为1，cangleuangle为0.25 dB，角度对不确定度的贡献依然很小。总体而言，对于半球测量面，降低K2A，有利于提高测试精度。增大的测试空间、在测试室的顶棚和墙壁使用吸音材料的方法，增加房间的吸声量，可以降低K2A，提高测试精度。
5 结 语
在全冲模式、无盖板、进水压力0.14 MPa（静压力）下，采用半球测量面（单反射面）测得的坐便器冲洗噪声声功率级LWA为58.8 dB，方法复现性引入的标准不确定度为1.95 dB，安装及运行条件不稳定引入的标准不确定度为0.28 dB，合成标准不确定度2.2 dB，扩展不确定度4.4 dB（k=2）。
在各不确定度分量中，采样引入的不确定度最大， 其次是环境噪声修正和测试方法引入的不确定度， 声级计、测量重复性以及测声源运行不稳定及安装条件引入的不确定度相较小。因此，采用半球测量面（单反射面）进行坐便器冲洗噪声测试时，至少要采用8个传声器位置进行测试，才能保证测试精度，此外，增加测试环境的吸声量也有利于测试精度的提高。
参考文献
[1] 卫生陶瓷：GB/T 6952-2015 [S]. 北京：中国标准出版社，2015.
[2] 声学 声压法测定噪声源声功率级和声能量级 采用反射面上方包络测量面的简易法：GB/T 3768-2017 [S]. 北京：中国标准出版社，2017.
[3] 李文杰，王博，郝秋伟.半球测量表面在喷射虹吸式坐便器冲洗噪声测试领域的应用[J]. 中国测试，2017（2）：34-41.
[4] 李文杰，王博，章雪松. 不同测量表面对喷射虹吸式坐便器冲洗噪声测试的影响[J]. 声学技术，2016（12）：550-562.
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