Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung akustischer Eigenschaften eines in einem Schallimpedanz-Messrohr als Abschlusselement eingesetzten Materialprüflings, welches Schallimpedanz-Messrohr am einen Ende eine Schallquelle und am anderen Ende das Abschlusselement aufweist und eine zwischen den beiden Enden liegende Detektoranordnung umfasst, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Verfahren der oben genannten Art und zu deren Ausführung geeignete Vorrichtungen sind bekannt und beispielsweise in folgenden Publikationen beschrieben:
Deutsche Normen, Dezember 1963, DIN 52 215; American Society for Testing and Materials, E1050-86, Standard Test Methods for Impedance and Absorptions of Accustical Materials Using a Tube, two Microphones, and a Digital Frequency Analysis System.
Bei dem in dieser Publikation genannten Verfahren wird ein Schallimpedanz-Messrohr verwendet, dessen Schallquelle von einem Zufallsgenerator gesteuert wird. Die Schallquelle erzeugt somit ein, weissem Rauschen entsprechendes, Muster von ebenen Wellen. Die sich im Schallimpedanz-Messrohr ausbildenden stehenden Wellen, insbesondere deren Schalldruck, werden von zwei, an in Ausbreitungsrichtung unterschiedlichen Stellen in der Wandung des Schallimpedanz-Messrohrs angebrachten Mikrophonen ausgemessen und für die Bestimmung der komplexen akustischen Transferfunktion H verwendet:
EMI2.1
wobei
G11: Eigenspektrum der Schalldrucksignale am Ort (1) des einen Mikrophons
G12: Produktspektrum der Schalldrucksignale an den Orten (1, 2) der beiden Mikrophone.
Die Daten dieser Transferfunktion werden, zusammen mit Daten über den Mikrophonabstand, Daten über den Abstand zwischen dem Materialprüfling und dem näher liegenden Mikrophon und Daten über die Lufttemperatur, benötigt, um die akustischen Eigenschaften des Materialprüflings bei Normalbeschallung für einen bestimmten Frequenzbereich zu bestimmen.
Insbesondere kann der komplexe Reflexionskoeffizient R aus folgender Beziehung berechnet werden:
EMI2.2
wobei
l : Abstand zwischen Prüfling und näher liegendem Mikrophon
s: Mikrophonabstand
k: Wellenzahl
Aus dem derart berechneten Reflexionskoeffizient R ergeben sich in einfacher Weise
der Schallabsorptionskoeffizient alpha bei Normalbeschallung aus:
alpha = 1-<SEP>R<SEP><2 )<4)
oder die Normalimpedanz @ aus:
EMI3.1
oder andere, die akustischen Eigenschaften eines Materials beschreibende Grössen.
Es ist aus der Formel (1) für die Bestimmung der komplexen Transferfunktion klar ersichtlich, dass diese Funktion nur sehr ungenügend bestimmt werden kann, wenn die beiden Mikrophone in Amplitude und/oder Phase unterschiedlich kalibriert sind.
Dieses bekannte Messverfahren weist deshalb zusätzliche Verfahrensschritte auf, um die durch die unterschiedliche Kalibrierung der Mikrophone hervorgerufenen Messfehler auszumitteln. Insbesondere sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:
Schritt 1: Einsetzen eines Kalibrierprüflings mit hoher Absorption und Messung der komplexen Transferfunktion unter Verwendung der Grundanordnung für die beiden Mikrophone.
Schritt 2: Wechselseitiger Austausch der beiden Mikrophone und nochmalige Messung der komplexen Transferfunktion.
Dabei muss auf die genaue Positionierung der Mikrophone besonders geachtet werden.
Schritt 3: Berechnung eines Kalibrierungsfaktors für die Amplituden- und Phasenungleichheit der Mikrophone.
Schritt 4: Platzierung der beiden Mikrophone in ihre ursprünglichen Stellungen, Einsetzen eines Materialprüflings und Messung der Transferfunktion, die nun mit der vorherbestimmten Kalibrierungsfunktion korrigiert werden kann.
Ein wesentlicher verfahrenstechnischer Nachteil ist aus der vorhergehenden Formel (3) für die Berechnung des komplexen Reflexionsfaktors R ersichtlich. Ist nämlich die Wellenzahl k oder der Mikrophonabstand s derart, dass das Produkt ks ein Vielfaches von ist, lässt sich die Transferfunktion gar nicht nach R auflösen, da dann
e<jks> = e<-jks> = +/- 1 (6)
ist. In der Nähe der durch die Formel
ks = n, n = 0, 1, 2, ... (7)
definierten Wellenzahlen (bzw. Frequenzen) kann der Reflexionsfaktor nur ungenau bestimmt werden ungeachtet aller Sorgfalt beim Kalibrieren des Mikrophons.
Weitere Nachteile ergeben sich insbesondere dadurch, dass das messtechnisch notwendige, wechselseitige Positionieren der Mikrophone vom Anwender grosse Sorgfalt im Umgang mit der Messanordnung erfordert und auch das ganze Messverfahren umständlich und langwierig macht.
Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die wesentlichen mess- und verfahrenstechnischen Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen vermieden werden. Insbesondere soll die Erfindung die oben genannten Nachteile nicht aufweisen.
Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung dieses Messverfahren so auszubilden, dass der Reflexionsfaktor R in jedem Fall, insbesondere auch in den durch die Formel (7) charakterisierten Lücken, mit genügender Genauigkeit aus der Transferfunktion H bestimmt werden kann, unabhängig vom apparativen Aufbau des Schallimpedanz-Messrohrs und unabhängig vom experimentellen Geschick des Anwenders dieser Messanordnung.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung dieses Messverfahren und diese Vorrichtung so zu gestalten, dass die Anzahl der möglichen Fehlerquellen reduziert werden kann und somit die Messgenauigkeit erhöht werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Rechenaufwand für die Auswertung der gemessenen Parameter zu verringern und die Messdauer zu verkürzen.
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben durch ein Verfahren gelöst, welches durch die Kombination der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale definiert wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zur Lösung der oben genannten Aufgaben und zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird durch die Kombination der im Anspruch 7 genannten Merkmale dargestellt.
Die gestellten Aufgaben werden insbesondere dadurch gelöst, dass ein Verfahren geschaffen wurde, bei welchem die Schallgeschwindigkeit eines Schallwellenimpulses im Schallimpedanz-Messrohr und dessen Amplituden- und Phasenänderung nach der Reflexion ausgemessen wird.
Insbesondere werden diese Aufgaben auch dadurch gelöst, dass die Messung der für die Bestimmung der Transferfunktion notwendigen Parameter mit nur einer Detektoranordnung vorgenommen wird, und dass Korrekturparameter mit einer Eichmessung an einem schallharten Abschlusselement bestimmt werden.
Die Verwendung von Schallwellenimpulsen, welche eine vorbestimmte und vorkorrigierte Form haben, vereinfacht die Auswertung.
Die durch die vorliegende Erfindung erzielten Vorteile liegen im wesentlichen darin, dass der Reflexionsfaktor für alle Frequenzen und unabhängig von der Wellenzahl und dem Abstand des Mikrophons vom Prüfling mit der gleichen Genauigkeit bestimmt werden kann, dass der apparative Aufbau der Messvorrichtung und deren Benutzung für den Anwender vereinfacht ist und damit auch die Anzahl der Fehlerquellen reduziert ist, und dass der Rechenaufwand für die Auswertung der gemessenen Parameter verringert ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der dynamischen Messung und der kurzen Messdauer.
Im folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Halterung für das Abschlusselement in der Vorrichtung gemäss Fig. 2
Fig. 4a-c eine Auswahl von wellenpaketförmigen Signalen wie sie in der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendet werden.
Fig. 5 in zeitlicher Folge einen einfallenden, einen reflektierten und weitere im Messrohr reflektierte Schallwellenimpulse wie sie von der Detektoranordnung aufgenommen werden.
Fig. 6 die Frequenzabhängigkeit in Amplitude und Phase des ausgewerteten Reflexionsfaktors.
Es ist vorliegend ein Verfahren geschaffen worden, bei welchem ein kurzer Schallwellenimpuls mit geeignetem Frequenzgehalt im Schallimpedanzrohr an der Messprobe reflektiert wird. Das gesamte Schallereignis, bestehend aus direktem und reflektiertem Impuls wird durch ein Mikrophon, das ungefähr auf halber Rohrhälfte in die Wand des Schallrohres eingelassen ist, aufgenommen, verstärkt und durch einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert. Der direkte und der reflektierte Puls werden nun durch Zeitfenster isoliert, ihre Fourier-transformierten berechnet und daraus die Transferfunktion T zwischen dem reflektierten und dem direkten Impuls berechnet.
Diese Transferfunktion T ist ein Produkt aus dem gesuchten Reflexionsfaktor R und einem Term, der durch die Schalleitungseigenschaften des Schallrohres bestimmt wird:
T = R . e<-2jk l > (8)
( l : Abstand zwischen Prüfling und Mikrophon). Der zweite Term wird mit einer Eichmessung an einem schallharten Abschlusselement (Reflexionsfaktor R = 1) bestimmt.
Die Schallwellenimpulse, die ins Schallrohr geschickt werden, müssen so kurz sein, dass der direkte Impuls vom reflektierten und dieser von weiteren, parasitären Reflexionen (z.B. am pulserzeugenden Lautsprecher) einwandfrei getrennt werden können. Dies bedeutet in der Praxis eine Einschränkung des Frequenzbereichs nach unten: Die tiefsten, noch auswertbaren Frequenzen sind proportional zum Kehrwert der Länge des Schallrohres. Eine obere Grenzfrequenz ist bekanntlich dadurch gegeben, dass keine Quermoden des Schallrohres angeregt werden dürfen. Innerhalb dieser beiden Grenzfrequenzen kann der Reflexionsfaktor durch eine erfindungsgemässe Messanordnung mit gleicher Messgenauigkeit gemessen werden.
Die Vorteile des vorliegenden Verfahrens im Vergleich zum Verfahren mit Sinusanregung und beweglicher Mikrophonsonde (z.B. DIN 52 215) sind:
- eine viel raschere und genauere Messung des Frequenzverlaufs des Reflexionsfaktors der Probe,
- die Messung ist den heutigen Mitteln der Daten- und Signalverarbeitung angepasst und lässt sich weitgehend automatisieren,
- das Messverfahren liefert zum Wert des Reflexionsfaktors auch dessen Varianz, also eine Aussage über die statistische Zuverlässigkeit der gemessenen Werte.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens im Vergleich zum E 1050-86 Standard sind:
- eine Kalibrierung der Auswerteanordnungen ist nicht nötig,
- Bestimmung des Reflexionsfaktors mit gleichbleibender Genauigkeit im ganzen Frequenzintervall zwischen der oberen und der unteren Grenzfrequenz,
- der Reflexionsfaktor ist direkt der Quotient zweier gemessener Transferfunktionen - der Transferfunktion mit dem Prüfling und der Transferfunktion mit dem schallharten Abschlusselement. Zur Bestimmung des Reflexionsfaktors müssen also die Schallgeschwindigkeit und die Dämpfung der Schallwelle im Schallrohr sowie der Abstand des Mikrophons von der Probe nicht bekannt sein. Die Schallgeschwindigkeit und die Dämpfung der Schallwelle im Schallrohr können aus der Transferfunktion der Eichmessung bestimmt werden.
Die für das erfindungsgemässe Verfahren verwendeten Verfahrensschritte sind aus Fig. 1 ersichtlich. In einem Pulsgenerator 15 werden wellenpaketförmige Signale 16 erzeugt, deren Frequenzinhalt einstellbar und/oder in einem Rechner 22 gespeichert ist. Es ist für das Verfahren wesentlich, dass die Signale 16 nur innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls auftreten und dass dieses Zeitintervall kürzer ist als die Laufzeit, die ein Schallwellenimpuls benötigt um von der Detektoranordnung 13 zum Abschlusselement 11 und von dort wieder zurück zur Detektoranordnung 13 zu gelangen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Signale mit Hilfe des Rechners 22 mit einer Umhüllenden verknüpft werden, die die gewünschte Eigenschaft aufweist.
Die so geformten Signale 16 werden in einem Verstärker 17 verstärkt und einer Schallquelle 12 zugeführt, die dieses Signal in einen entsprechenden Schallwellenimpuls umwandelt. Über einen Schalltrichter 24, vorzugsweise ein speziell angepasstes Horn, wird dieser Schallwellenimpuls dem Schallimpedanz-Messrohr 10 zugeleitet. Der so im Schallimpedanz-Messrohr erzeugte Schallwellenimpuls wird von einer Detektoranordnung 13, die nur während einem vorbestimmten Zeitfenster aktiviert ist, erfasst und ausgemessen. Der Schallwellenimpuls pflanzt sich im Messrohr weiter fort bis er auf ein Abschlusselement 11 tritt, welches für eine erste Messung (Eichmessung) aus einem möglichst schallharten Material besteht.
Von diesem Material wird der Schallwellenimpuls reflektiert und erreicht die Detektoranordnung 13 ein zweites Mal, welche wiederum für ein entsprechendes Zeitfenster aktiviert ist und den reflektierten Schallwellenimpuls ausmisst. Die von der Detektoranordnung erzeugten Messignale 19 werden einem Verstärker 20 und dann einer Auswerteschaltung 21 zugeführt.
Die Eichmessung ergibt u.a. Angaben über den nicht vernachlässigbaren Teil des Schalls, der von der Luft, die sich im Messrohr befindet, absorbiert wird und Angaben über die vom Schallweg abhängige Phasenbeziehung zwischen den beiden gemessenen Schallwellenimpulsen. Es versteht sich, dass Impulsverformungen, wie sie beispielsweise durch die Verstärker oder die Schallquelle verursacht sein können, ebenfalls detektiert werden. Die daraus bestimmten Korrekturfaktoren Ki werden für die weitere Auswertung der nachfolgenden Signale oder zur Vorabkorrektur der Signale 16 gespeichert.
Nach der obengenannten Eichmessung wird ein auszumessender Prüfling an die Stelle des schallharten Abschlusselementes 11 eingesetzt. Für das Auswechseln des Abschlusselementes 11 ist eine spezielle Halterung 14 vorgesehen, die in Fig. 3 näher erläutert wird.
Nachdem der Prüfling, insbesondere ein geschlossenporiger Schaum oder ein Faservlies eingesetzt ist, werden vom Generator 15 wiederum Pulssignale 16 mit vorbestimmter Form erzeugt und via Verstärker 17 der Schallquelle 12 zugeführt. Die von der Schallquelle 12 erzeugten Schallwellenimpulse werden ein erstes Mal vor der Reflexion und ein zweites Mal nach der Reflexion von der Detektoranordnung 13 erfasst und ausgemessen. Die entsprechenden Messsignale der Detektoran ordnung 13 werden über den Verstärker 20 der Auswerteschaltung 21 zugeführt und auch nach Fourier transformiert.
Die von der Messanordnung gemessenen Transferfunktionen werden in einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens durch die Eichtransferfunktionen dividiert und abgespeichert, so dass sowohl der Amplitudenverlust durch die Luft im Messrohr als auch die Phasendifferenz der beiden Schallwellenimpulse vor und nach der Reflexion am Prüfling korrekt berücksichtigt werden. Um der Auswerteschaltung die direkte Berechnung der relevanten akustischen Eigenschaften des Prüflings zu ermöglichen, ist eine Dateneingabevorrichtung 25 vorgesehen, mit welcher weitere Daten, wie beispielsweise Masse des Prüflings, Lufttemperatur oder Luftfeuchtigkeit im Schallimpedanz-Messrohr, der Auswerteschaltung 21 zugeführt werden können. Vorzugsweise werden die berechneten Daten mit einer Anzeigeschaltung 23 angezeigt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens, werden die gespeicherten Korrekturparameter Ki dem Rechner 22 zugeführt, welcher die für die Erzeugung der Pulssignale 16 benötigten Daten so korrigiert und abspeichert, dass die Messsignale 19 nicht mehr mit vorrichtungseigenen Signalverfälschungen behaftet sind und direkt für die Auswertung verwendet werden können.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zeigt ein Schallimpedanz-Messrohr 10, welches in einer bevorzugten Ausführungsform eine Länge von 2,7 m und entweder einen kreisförmigen von ca. 3 cm oder einen rechteckförmigen von ca. 4 x 5 cm Querschnitt aufweist. Das am Messrohr angebrachte Mikrophon wurde in dieser Ausführungsform ca. 1 m von dem Abschlusselement 11 beabstandet. Für die Messung der physikalischen Eigenschaften eines folienförmigen Prüflings weist das Messrohr eine speziell ausgebildete Halterung 14 auf. Der in dieser Halterung vorgesehene Hohlraum, hinter dem Prüfling, weist in der oben genannten Ausführungsform eine variable Tiefe, vorzugsweise von 3 cm, auf.
Die elektronischen Schaltungseinheiten 20, 21, 22, 15 und 17 sind in schematischer Weise dargestellt und bestehen aus modernen elektronischen Bauelementen, wie beispielsweise abstimmbare Frequenzgeneratoren, schnelle Elektronikrechner oder 1-Kanal Fourier Analysierer, welche heute jedem Fachmann bekannt sind und weshalb im Folgenden auf deren detaillierte Beschreibung ausdrücklich verzichtet wird.
Die vom Pulsgenerator 15 erzeugten Signalpakete wurden in einer speziellen Ausführungsform aus 6 verschiedenen Frequenzteilbereichen generiert. Insbesondere wurde der Frequenzinhalt der Pulse so gewählt, dass ein vollständiger Frequenzbereich von etwa 100 Hz bis 3340 Hz mit einem jeweiligen Frequenzabstand von 10 Hz ausgewertet werden konnte. Die erzeugten Pulssignale lagen dabei in einem Zeitintervall von 2-3 mu sec.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Halterung für das Abschlusselement 11. Das Schallimpedanz-Messrohr weist in dieser Ausführung an seinem einen Ende einen Kragen 27 auf, an welchem ein Abschlussstück 28 mit geeigneten Haltemitteln 29 befestigt werden kann. Das Abschlusselement 11, beispielsweise ein Faservlies, kann dabei entweder lose in nicht dargestellte Aussparungen im Kragen 27 oder im Abschlussstück 28 eingelegt werden und dieses vollständig ausfüllen, oder es kann zwischen Kragen 27 und Abschlussstück 28 eingespannt werden. Um den theoretischen Randbedingungen für die Auswertung möglichst nahezukommen, sind in der Halterung 14 Platzhalter 31 vorgesehen. Damit kann die Klemmspannung auf den Prüfling eingestellt resp. vorgegeben werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Tiefe des hinter dem Prüfling liegenden Raumes mittels eines Kolbens verstellbar ausgebildet, um beispielsweise die elastischen Eigenschaften eines Schaumes vor einem bestimmten Luftpolster bestimmen zu können.
Es versteht sich, dass auch Kombinationen von verschiedenartigen und hintereinanderliegenden Prüflingen in eine solche Halterung eingesetzt werden können, und dass der obengenannte Raum vom Kolben vollständig ausgefüllt wird.
In einer anderen Ausführungsform ist das schallharte Abschlusselement fest mit dem Abschlussstück 28 verbunden.
Fig. 4a-4b zeigen unkorrigierte Signale 16, wie sie vom Pulsgenerator 15 der bevorzugten Ausführungsform erzeugt werden.
Fig. 5 zeigt in zeitlicher Folge die von der Detektoranordnung gemessenen Druckamplituden des einfallenden Schallwellenimpulses A, des am Prüfling reflektierten Schallwellenimpulses B und weiter nachfolgende Reflexionen C, D. Die Dämpfungseigenschaften des Prüflings sind unmittelbar aus der Druckamplitudenverminderung zwischen dem ersten und zweiten resp. dem dritten und vierten Signal ersichtlich.
Fig. 6 zeigt in der oberen Hälfte eine graphische Darstellung des berechneten Absorptionskoeffizienten (A = 1 - <SEP>R<SEP><2>) in Abhängigkeit der Frequenz, wie sie von einer bevorzugten Anzeigevorrichtung 23 angezeigt wurde, während in der unteren Hälfte die Frequenzabhängigkeit der Phase des komplexen Reflexionsfaktors dargestellt ist.
Die guten Absorptionseigenschaften des Materials im Frequenzbereich von ca. 1000 Hz bis ca. 2000 Hz sind aus der oberen Darstellung unmittelbar ersichtlich. Das erfindungsgemässe Verfahren und dessen Vorrichtung ermöglicht erstmals eine schnelle, genaue und übersichtliche Bestimmung der akustischen Eigenschaften eines Materials.
Das vorliegende Verfahren und die zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung finden ihre Anwendung erfindungsgemäss in der Bestimmung des Reflexionsfaktors, des Absorptionsfaktors und der Normalimpedanz, vorzugsweise aber in der Bestimmung der Biegesteifigkeit und des Verlustfaktors bei geschlossenporigen Schäumen resp. in der Bestimmung des Luftströmungswiderstands und des Kompressionsmoduls der Luft im Skelett von Faservlies.
Es versteht sich von selbst, dass die zur Durchführung des Verfahrens beschriebene Vorrichtung mit weiteren Zusatzeinrichtungen versehen werden kann und die Anmeldung nicht auf diese beschränkt ist. Insbesondere sind auch andere Konfigurationen des Messrohrs vorstellbar, wie beispielsweise Schleifen, Schnecken oder Schrauben.
The present invention relates to a method for determining acoustic properties of a test specimen used as a terminating element in a sound impedance measuring tube, the sound impedance measuring tube having a sound source at one end and the terminating element at the other end and comprising a detector arrangement located between the two ends, and a device to carry out this procedure.
Methods of the type mentioned above and devices suitable for carrying them out are known and are described, for example, in the following publications:
German standards, December 1963, DIN 52 215; American Society for Testing and Materials, E1050-86, Standard Test Methods for Impedance and Absorptions of Accustical Materials Using a Tube, two Microphones, and a Digital Frequency Analysis System.
In the method mentioned in this publication, a sound impedance measuring tube is used, the sound source of which is controlled by a random generator. The sound source thus generates a pattern of plane waves corresponding to white noise. The standing waves that form in the sound impedance measuring tube, in particular their sound pressure, are measured by two microphones attached to the wall of the sound impedance measuring tube at different locations in the direction of propagation and used to determine the complex acoustic transfer function H:
EMI2.1
in which
G11: Self-spectrum of the sound pressure signals at the location (1) of one microphone
G12: Product range of sound pressure signals at the locations (1, 2) of the two microphones.
The data of this transfer function, together with data on the microphone distance, data on the distance between the material under test and the closer microphone and data on the air temperature, are required to determine the acoustic properties of the material test object under normal sound for a specific frequency range.
In particular, the complex reflection coefficient R can be calculated from the following relationship:
EMI2.2
in which
l: Distance between the test object and the closer microphone
s: microphone distance
k: wavenumber
The reflection coefficient R calculated in this way results in a simple manner
the sound absorption coefficient alpha with normal sound from:
alpha = 1- <SEP> R <SEP> <2) <4)
or the normal impedance @ off:
EMI3.1
or other quantities that describe the acoustic properties of a material.
It can be clearly seen from formula (1) for the determination of the complex transfer function that this function can only be determined very inadequately if the two microphones are calibrated differently in amplitude and / or phase.
This known measurement method therefore has additional method steps in order to average out the measurement errors caused by the different calibration of the microphones. In particular, the following procedural steps are provided:
Step 1: Insert a calibration specimen with high absorption and measure the complex transfer function using the basic arrangement for the two microphones.
Step 2: mutual exchange of the two microphones and repeated measurement of the complex transfer function.
Particular attention must be paid to the exact positioning of the microphones.
Step 3: Calculate a calibration factor for the amplitude and phase inequality of the microphones.
Step 4: Place the two microphones in their original positions, insert a material test piece and measure the transfer function, which can now be corrected with the predetermined calibration function.
A major procedural disadvantage can be seen from the preceding formula (3) for the calculation of the complex reflection factor R. If the wave number k or the microphone spacing s is such that the product ks is a multiple of, the transfer function cannot be resolved to R at all, because then
e <jks> = e <-jks> = +/- 1 (6)
is. Near the through the formula
ks = n, n = 0, 1, 2, ... (7)
defined wave numbers (or frequencies), the reflection factor can only be determined imprecisely regardless of the care taken when calibrating the microphone.
Further disadvantages result in particular from the fact that the mutually positioning of the microphones, which is necessary in terms of measurement technology, requires great care from the user when dealing with the measurement arrangement and also makes the entire measurement method laborious and lengthy.
It is therefore the object of the present invention to design a method and a device of the type mentioned at the outset in such a way that the essential measurement and process engineering disadvantages of the known methods and devices are avoided. In particular, the invention should not have the disadvantages mentioned above.
In particular, it is the object of the present invention to design this measurement method in such a way that the reflection factor R can in any case, in particular also in the gaps characterized by the formula (7), be determined with sufficient accuracy from the transfer function H, regardless of the apparatus design Sound impedance measuring tube and regardless of the experimental skill of the user of this measuring arrangement.
It is a further object of the present invention to design this measurement method and this device in such a way that the number of possible sources of error can be reduced and the measurement accuracy can thus be increased.
Another object of the present invention is to reduce the computing effort for evaluating the measured parameters and to shorten the measurement period.
According to the invention, these objects are achieved by a method which is defined by the combination of the features mentioned in the characterizing part of claim 1.
A preferred embodiment of a device for solving the above-mentioned tasks and for carrying out the method according to the invention is represented by the combination of the features mentioned in claim 7.
The tasks are solved in particular by the fact that a method has been created in which the speed of sound of a sound wave pulse in the sound impedance measuring tube and its amplitude and phase change after reflection is measured.
In particular, these tasks are also solved in that the measurement of the parameters necessary for determining the transfer function is carried out with only one detector arrangement, and that correction parameters are determined with a calibration measurement on a reverberant terminating element.
The use of sound wave pulses, which have a predetermined and precorrected form, simplifies the evaluation.
The advantages achieved by the present invention are essentially that the reflection factor for all frequencies and regardless of the wave number and the distance of the microphone from the test object can be determined with the same accuracy, that the equipment of the measuring device and its use for the user is simplified and thus the number of sources of error is reduced, and that the computing effort for evaluating the measured parameters is reduced.
Further advantages result from the dynamic measurement and the short measurement time.
In the following an embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings.
The drawings show:
Fig. 1 is a schematic representation of the inventive method
Fig. 2 is a schematic representation of an apparatus for performing the method according to the invention
3 shows a schematic illustration of a holder for the end element in the device according to FIG. 2
Fig. 4a-c a selection of wave packet-shaped signals as they are used in the device for performing the inventive method.
5 shows, in chronological order, an incident, a reflected and further sound wave impulses reflected in the measuring tube as received by the detector arrangement.
Fig. 6 shows the frequency dependency in amplitude and phase of the evaluated reflection factor.
In the present case, a method has been created in which a short sound wave pulse with a suitable frequency content is reflected in the sound impedance tube on the measurement sample. The entire sound event, consisting of a direct and reflected impulse, is recorded, amplified by a microphone, which is embedded in the wall of the sound tube approximately halfway through the tube, and digitized by an analog-digital converter. The direct and the reflected pulse are now isolated by time windows, their Fourier-transformed are calculated and from this the transfer function T between the reflected and the direct pulse is calculated.
This transfer function T is a product of the sought reflection factor R and a term that is determined by the sound conduction properties of the sound tube:
T = R. e <-2jk l> (8)
(l: distance between test object and microphone). The second term is determined with a calibration measurement on a reverberant terminating element (reflection factor R = 1).
The sound wave impulses that are sent into the sound tube must be so short that the direct impulse from the reflected and this from other parasitic reflections (e.g. on the pulse-generating loudspeaker) can be separated perfectly. In practice, this means that the frequency range is limited downwards: the lowest frequencies that can still be evaluated are proportional to the reciprocal of the length of the sound tube. As is known, an upper limit frequency is given by the fact that no transverse modes of the sound tube may be excited. Within these two limit frequencies, the reflection factor can be measured with the same measuring accuracy using a measuring arrangement according to the invention.
The advantages of the present method compared to the method with sine excitation and a movable microphone probe (e.g. DIN 52 215) are:
a much faster and more accurate measurement of the frequency response curve of the sample,
- The measurement is adapted to today's means of data and signal processing and can be largely automated,
- The measurement method also supplies the variance of the value of the reflection factor, ie a statement about the statistical reliability of the measured values.
The advantages of the method according to the invention compared to the E 1050-86 standard are:
a calibration of the evaluation arrangements is not necessary,
- Determination of the reflection factor with constant accuracy in the entire frequency interval between the upper and the lower limit frequency,
- The reflection factor is directly the quotient of two measured transfer functions - the transfer function with the test object and the transfer function with the reverberant end element. To determine the reflection factor, the speed of sound and the attenuation of the sound wave in the sound tube, as well as the distance of the microphone from the sample, need not be known. The speed of sound and the damping of the sound wave in the sound tube can be determined from the transfer function of the calibration measurement.
The method steps used for the method according to the invention can be seen from FIG. 1. Signals 16 in the form of wave packets are generated in a pulse generator 15, the frequency content of which can be set and / or stored in a computer 22. It is essential for the method that the signals 16 occur only within a certain time interval and that this time interval is shorter than the transit time that a sound wave pulse requires to get from the detector arrangement 13 to the terminating element 11 and from there back to the detector arrangement 13. This is achieved in particular in that the signals are linked with the aid of the computer 22 to an envelope which has the desired property.
The signals 16 shaped in this way are amplified in an amplifier 17 and fed to a sound source 12, which converts this signal into a corresponding sound wave pulse. This sound wave pulse is fed to the sound impedance measuring tube 10 via a sound funnel 24, preferably a specially adapted horn. The sound wave pulse thus generated in the sound impedance measuring tube is detected and measured by a detector arrangement 13, which is only activated during a predetermined time window. The sound wave pulse continues to propagate in the measuring tube until it enters a terminating element 11, which for a first measurement (calibration measurement) consists of the most reverberant material possible.
The sound wave pulse is reflected by this material and reaches the detector arrangement 13 a second time, which in turn is activated for a corresponding time window and measures the reflected sound wave pulse. The measurement signals 19 generated by the detector arrangement are fed to an amplifier 20 and then to an evaluation circuit 21.
The calibration measurement results in Information about the non-negligible part of the sound that is absorbed by the air in the measuring tube and information about the phase relationship between the two measured sound wave pulses, which is dependent on the sound path. It goes without saying that pulse deformations, as may be caused, for example, by the amplifiers or the sound source, are also detected. The correction factors Ki determined therefrom are stored for the further evaluation of the subsequent signals or for the pre-correction of the signals 16.
After the above-mentioned calibration measurement, a test piece to be measured is used in place of the reverberant end element 11. A special holder 14, which is explained in more detail in FIG. 3, is provided for replacing the end element 11.
After the test specimen, in particular a closed-pore foam or a fiber fleece, is used, the generator 15 again generates pulse signals 16 with a predetermined shape and supplies them to the sound source 12 via amplifier 17. The sound wave pulses generated by the sound source 12 are detected and measured by the detector arrangement 13 a first time before the reflection and a second time after the reflection. The corresponding measurement signals of the detector arrangement 13 are supplied to the evaluation circuit 21 via the amplifier 20 and are also transformed to Fourier.
In a preferred embodiment of the method, the transfer functions measured by the measuring arrangement are divided and stored by the calibration transfer functions, so that both the loss of amplitude through the air in the measuring tube and the phase difference between the two sound wave pulses before and after reflection on the test object are correctly taken into account. In order to enable the evaluation circuit to directly calculate the relevant acoustic properties of the test specimen, a data input device 25 is provided, with which further data, such as the mass of the test specimen, air temperature or air humidity in the sound impedance measuring tube, can be fed to the evaluation circuit 21. The calculated data are preferably displayed with a display circuit 23.
In a preferred embodiment of the method, the stored correction parameters Ki are fed to the computer 22, which corrects and stores the data required for the generation of the pulse signals 16 such that the measurement signals 19 are no longer affected by the device's own signal falsifications and are used directly for the evaluation can.
The device for carrying out the method according to the invention, shown schematically in FIG. 2, shows a sound impedance measuring tube 10, which in a preferred embodiment has a length of 2.7 m and either a circular of approx. 3 cm or a rectangular of approx. 4 x 5 cm cross section. In this embodiment, the microphone attached to the measuring tube was spaced about 1 m from the terminating element 11. The measuring tube has a specially designed holder 14 for measuring the physical properties of a film-shaped test specimen. The cavity provided in this holder, behind the test specimen, has a variable depth, preferably of 3 cm, in the embodiment mentioned above.
The electronic circuit units 20, 21, 22, 15 and 17 are shown in a schematic manner and consist of modern electronic components, such as tunable frequency generators, fast electronic computers or 1-channel Fourier analyzers, which are known to any person skilled in the art today and which is why in the following detailed description is expressly waived.
In a special embodiment, the signal packets generated by the pulse generator 15 were generated from 6 different frequency subregions. In particular, the frequency content of the pulses was selected so that a complete frequency range from approximately 100 Hz to 3340 Hz with a respective frequency spacing of 10 Hz could be evaluated. The pulse signals generated were in a time interval of 2-3 mu sec.
3 shows a preferred embodiment of the holder for the terminating element 11. In this embodiment, the sound impedance measuring tube has a collar 27 at one end, to which a terminating piece 28 can be fastened using suitable holding means 29. The end element 11, for example a non-woven fabric, can either be loosely inserted into recesses (not shown) in the collar 27 or in the end piece 28 and fill it completely, or it can be clamped between the collar 27 and end piece 28. In order to come as close as possible to the theoretical boundary conditions for the evaluation, 14 placeholders 31 are provided in the holder. So that the clamping voltage can be set or. be specified.
In a further embodiment, the depth of the space behind the test object is designed to be adjustable by means of a piston, for example in order to be able to determine the elastic properties of a foam in front of a specific air cushion.
It goes without saying that combinations of different types of test specimens lying behind one another can also be used in such a holder, and that the above-mentioned space is completely filled by the piston.
In another embodiment, the reverberant end element is firmly connected to the end piece 28.
4a-4b show uncorrected signals 16 as generated by the pulse generator 15 of the preferred embodiment.
Fig. 5 shows in chronological order the pressure amplitudes of the incident sound wave pulse A measured by the detector arrangement, the sound wave pulse B reflected on the test specimen and further reflections C, D. The damping properties of the test specimen are directly derived from the pressure amplitude reduction between the first and second resp. the third and fourth signals.
6 shows in the upper half a graphical representation of the calculated absorption coefficient (A = 1 - <SEP>R<SEP> <2>) as a function of the frequency as displayed by a preferred display device 23, while in the lower half the frequency dependence of the phase of the complex reflection factor is shown.
The good absorption properties of the material in the frequency range from approx. 1000 Hz to approx. 2000 Hz are immediately apparent from the illustration above. The method according to the invention and its device enable for the first time a quick, accurate and clear determination of the acoustic properties of a material.
The present method and the device suitable for carrying it out are used according to the invention in the determination of the reflection factor, the absorption factor and the normal impedance, but preferably in the determination of the bending stiffness and the loss factor in the case of closed-cell foams, respectively. in the determination of the air flow resistance and the compression modulus of the air in the skeleton of nonwoven.
It goes without saying that the device described for carrying out the method can be provided with additional devices and the application is not limited to these. In particular, other configurations of the measuring tube are also conceivable, such as grinding, screws or screws.