家庭影院声学：刚性玻璃纤维密度测试

此文涵盖了一系列测试，比较不同密度的硬质玻璃纤维的吸收效果，以及添加FRK覆层的影响。

硬质玻璃纤维有多种密度可供选择，硬质岩棉和硬质矿棉也有类似的产品。我最熟悉的是欧文斯科宁（Owens-Corning）的硬质玻璃纤维，该品牌常见的密度有三种。最受欢迎的产品是703，密度为每立方英尺3磅（pcf）或每立方米45千克。701的密度（1.5 pcf）是703的一半，而705（6 pcf）的密度是703的两倍。703和705还提供FRK版本，在玻璃纤维的一面粘合有金属化纸张。FRK代表铝箔增强牛皮纸（Foil Reinforced Kraft paper）。

尽管701很少用于声学目的，但我在测试中还是将其包含在内，希望能确定密度变化对吸收效果的趋势。如果我只测试703和705，结果可能不会那么具有说服力。不幸的是，由于701非常脆弱，因此没有可用的FRK覆层版本。所以，我请玻璃纤维供应商手动将金属化纸张粘贴到原始的701面板上。通过目测确认，这种纸张与欧文斯科宁粘合到硬质玻璃纤维上的纸张完全相同，且粘合良好。

虽然这些产品的声学数据很容易获取，但在评估极低频（低于100 Hz）的吸收时，这些数据并不实用。测量吸收的标准方法是在声学实验室的混响室中进行。然而，很少有声学实验室能够在100 Hz以下进行准确的测试。我从未见过制造商公布的数据列出125 Hz以下的吸收性能。在选择用于建造低音陷阱的材料时，100 Hz以下的性能至少与较高的低频性能一样重要。因此，我必须设计一种新方法来评估这些材料在极低频下的吸收效果。我并不需要以萨宾（Sabins）为单位的绝对吸收值，但我需要知道哪种材料的吸收效果更好。

我的解决方案是使用ETF软件（全频5秒扫描模式）在一个正常大小的房间（大约16 x 11.5 x 8英尺）中进行测试。这个房间的模式分布并不算糟糕，而且——同样重要的是——它位于一个安静的位置，随时可以使用，并且是空的，没有沙发或书架等吸音家具。与声学实验室标准混响室测试得到的粗略三分之一倍频程结果不同，ETF可以将衰减带宽解析到小于1 Hz。从下文中的各种图表结果中，你可以清晰地识别每个房间模式，并看到其各自的衰减时间。缺点是，这个特定房间只能测试那些产生共振的频率。因此，虽然我可以完美地测量35 Hz、49 Hz和71 Hz的衰减时间变化，但无法测试60 Hz或其他中间频率。为了做到这一点，我需要找到另一个房间。

真正的声学实验室会控制温度和湿度，但在这里似乎并不重要。这些因素在测试之间不会发生显著变化，而且在低频下影响较小。反正我并不需要认证的萨宾值，只需要相对比较。另外，ETF还有一个很大的优势，至少在测试不同低音吸收器的效果时是如此：除了清晰地显示每个模式的衰减时间是如何减少的之外，ETF还显示吸收是如何拓宽这些共振的带宽（降低Q值）的。根据我的经验，低音陷阱的这一特性至少与平滑低频响应和减少模式振铃时间同样重要。随着带宽的拓宽，峰值和凹陷的影响会明显减弱——与单个低音音符特别突出的情况相比，更宽的频率范围被强调。这一点在后续的图表中清晰可见。

请注意，这里描述的测试没有提供任何具体数值！所有分析都是通过视觉观察进行的，观察每个模式频率上模态振铃的衰减时间是如何减少的（“山脉”随着时间向前推进），同时观察每个模式的Q值是如何降低的，从而使峰值变得更宽。

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测试房间

下图显示了测试房间及其尺寸，以及放置测量麦克风的“听音”位置。根据录音室设计师Wes Lachot的建议，房间按照从前到后和从地板到天花板的38%比例进行了划分，以获得最平坦的低频响应。事实上，这对于这些测试来说可能并不重要，因为这里的重点是评估衰减时间的变化，而不是获得最平坦的测量响应。

总共进行了12次独立测试，测试期间小心确保麦克风位置保持不变。第一组6次测试比较了三种密度的材料，分别在有和没有FRK覆层的情况下进行，使用了12块每块3英寸厚的面板。然后，使用6块6英寸厚的面板重复进行了相同的测试，因为一些声学专家建议，随着面板厚度的增加，密度的重要性可能会降低。

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下方的照片展示了玻璃纤维样品在房间中的放置方式，旁边的图表显示了每组样品的模态振铃变化。这两个表格按密度递增的顺序排列，从上到下密度逐渐增加，左侧是普通玻璃纤维，右侧是FRK类型。这样，你可以从上到下观察密度增加时的效果变化，从左到右观察在特定密度下添加FRK的影响。两个组别的右上角重复显示了房间空置时的模态振铃图，以便进行对比，而无需频繁滚动页面。

在页面底部，有描述和额外的照片，展示了样品的确切放置方式。在完成12块FRK面板的三种组合测试后，移除了其中一半面板的FRK覆层，以创建6英寸厚的FRK版本。之后，又移除了剩下6块面板的FRK覆层，以创建6英寸厚的普通面板，以及12块3英寸厚的普通面板。
12块3英寸厚面板测试

6块6英寸厚面板测试

结论

从这些图表中我们能得出什么结论？首先，很明显，对于所有类型的玻璃纤维材料来说，将十二块较薄的面板更均匀地分布在房间内，比使用六块较厚的面板（覆盖较小的总表面积）效果更好。所有使用12块面板的测试中，振铃衰减速度更快，模态的带宽更宽，与使用六块厚面板的情况相比有显著改善。

在12块面板的密度比较中，每次增加密度都会减少振铃时间，并显著降低每个模式的Q值（品质因数），相比于较低密度的版本。同样，在所有12块面板的测试中，FRK覆层在从最低的41 Hz模式到200 Hz的上限频率范围内都改善了吸收效果。在使用六块6英寸厚面板的测试中，这种趋势不那么明显。在一个特定情况下——701普通面板与701-FRK的对比——普通版本在42 Hz模式下表现稍好。但其他模式几乎没有变化，这可能是因为覆盖的房间总表面积较小。这也表明，当面板变得更厚时，密度的重要性似乎有所减弱。然而，即使只有六块6英寸厚的面板，705-FRK依然是明显的赢家，尽管在42 Hz处的优势只有轻微的差距。

请注意，在一些FRK图表中，200 Hz处看起来像是有更长的衰减时间，但实际情况并非如此。200 Hz的峰值实际上位于一个稍高的频率，因此其中心超出了图表的右边界。在“空房间”图中，200 Hz以上的峰值非常窄（高Q值）。而在6英寸厚的701-FRK图中，这个峰值变得更宽（低Q值），并由于吸收的存在，峰值频率略微下降。原本隐藏在图表右边界之外的一个较大峰值，现在更完整地呈现在图表上。因此，这个峰值并没有变得更糟，反而变得更好。

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样品放置

在12块面板的测试中，每个墙角（墙-墙）堆叠了两块面板，一块放置在前、后、左、右四面墙的地板-墙角处。

在6块面板的测试中，将两块3英寸厚的面板并排放置，一块面板位于另一块面板的前方。在墙角（墙-墙）的测试中，将上方的面板移到下方面板的前面。在地板-墙角的测试中，将两块面板从侧墙移开，以加厚前方和后方的地板-墙角面板。

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