CN101696955B - 一种变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置，本实验装置借助传递函数法原理，以专门设计的结构装置和温控系统为核心，用于测试处于变参数温度场下的材料吸声系数。通过调节电热温控系统并辅之以水冷系统的合理配置可以实现试件所需环境温度参数改变，使被测材料试件的环境温度场可从室温到600℃范围内调节，试件内部轴向温度梯度可在0℃到300℃范围内调节。须保证阻抗管内截面上各点温度均匀，使扬声器产生的平面波在传播中不发生畸变，由高温传声器测出阻抗管内的声压信号变化，通过数据采集器和微型计算机对测试数据进行采集和处理，得到被测材料的吸声系数。本装置的测试频率范围与阻抗管的参数有关。

Description

一种变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置

技术领域：

本发明属于机械工程领域，涉及一种材料吸声性能的测试装置，尤其是一种在变参数温度场下的多孔金属材料吸声性能的测试装置。

背景技术：

超轻多孔金属是近年来随着材料制备和成形加工技术的发展而出现的一类新的多功能材料，多孔金属具有超轻(孔隙率＞90％)、高比强、高比刚度、高强韧、高能量吸收等优良机械性能，以及减震、散热、吸声、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性质。因此在高耗能装备中获得广泛的应用。比如将多孔金属材料应用于新型航空发动机的声衬上，其所处的工作环境就是高声压，强气流，高温且有急剧温度梯度的状态，但是目前对于多孔金属材料在此类多物理场耦合恶劣环境下的吸声性能参数缺少有效的测试平台。

工程领域中常用吸声系数，表面声阻抗和反射系数等参数来衡量多孔材料的吸声性能。目前对多孔材料的吸声性能的测试主要是在常温常压下进行，其主要原因有两点：一是由于传统的吸声材料不能在高温高压环境下使用，所以无须测试高温吸声特性；二是缺少相应的高温测试的仪器设备，特别是对于高温环境中试件内呈现温度梯度条件下的吸声性能的测试目前尚未见到相应的技术方法及装置。

在常温状态下，材料吸声系数的测量方法主要有：混响室法和阻抗管2法。混响室法的测量结果为随机入射吸声系数，阻抗管2法则是测量材料的正入射吸声系数。混响室法测量吸声系数是通过测量安装了吸声材料的混响室内的混响时间，利用Sabine公式得到吸声系数。混响室法可以测量声波无规入射时的吸声系数和单个物体吸声量。该方法所需要的试件面积大，测试成本高，不适合作为常规的实验测试方法。

阻抗管2法又分为驻波比法和传递函数法。驻波比法：在阻抗管2中，当一个入射声波正入射到吸声材料样品表面时，会产生一个方向相反的反射波。入射波和反射波相互叠加形成驻波场，测量驻波的声压极大值和极小值，可得驻波比，由驻波比可得反射系数幅值，最后计算正入射吸声系数和表面声阻抗。传递函数法：传递函数法是通过测量两测点复声压的相对比值获得材料的吸声系数。测试中采用单传声器、双传声器或三传声器对材料的吸声性能进行测试。与驻波比法相比，优点在于它的测点固定，不需要借助滑动装置来寻找声压极值的位置。可以通过FFT等分析技术可以快速地求出试件在宽频率范围内的复反射系数，从而求出法向吸声系数及声阻抗率。

传递函数法测量材料的吸声性能是在频谱分析理及FFT算法成熟以后慢慢发展起来的。1977年，A.F.Seybert与D.F.Ross首次提出了双传声器白噪声激励技术。1980年，J.Y.Chung与D.A.Blase发展了双传声器理论，共同提出了利用阻抗管2双传声器传递函数测量材料吸声系数的方法。传递函数法使吸声系数从单频测量跨越为宽频测量，并且利用了现代频谱分析方法，提高了吸声系数测量的速度和精度。

随着金属多孔材料的推广，吸声材料在变参数温度场领域的应用将越来越频繁，因此测试材料在变参数温度场下的吸声参数显得十分重要。由于上述的测量方法本身并未涉及环境温度对实验材料吸声性能参数的影响问题，因此，从理论上讲仍可适用于高温环境下的测量。本发明主要涉及高温声学测试中实验装置的技术问题。

发明内容：

本发明的目的是为了测试多孔金属材料在高温环境且在试件内部具有温度梯度条件下的吸声性能参数。本试验装置可用于测试环境温度从室温到600℃范围内的材料吸声系数，不仅能测试恒定温度场下的材料吸声系数，而且能够测试材料内部具有0℃到300℃范围温度梯度时的吸声系数。测试的频率范围取决于阻抗管2结构参数。

本发明采用的技术方案如下：

一种变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置，包括扬声器1、阻抗管2、保温加热体5、试件加热体9和传声器探头；所述阻抗管2的低温区(固定法兰16左边)端部设置有扬声器1，扬声器1用于产生白噪声信号；所述阻抗管2的高温区(固定法兰16右边)中部设置有保温加热体5，用于保证阻抗管2内部接近试件的区域温度场均匀；所述阻抗管2的高温区的挡热板8与保温加热体5之间设置有传声器探头孔，用于安装传声器探头来测试阻抗管2内的声压；所述阻抗管2高温区的保温加热体5与试件加热体9之间安放被测的材料试件，试件加热体9用于加热材料试件的一个端面；所述扬声器1产生的白噪声信号通过阻抗管2的低温端传送到高温端，白噪声信号经试件材料14表面部分反射后产生的反射波声压信号，通过传声器探头测出。

所述阻抗管2的高温区设置有保温装置，阻抗管2的高温端和保温加热体5均位于保温装置内；所述保温装置是由固定法兰16、保温炉壳15和挡热板8构成的腔体，腔体内填充有保温材料，固定法兰16位于阻抗管2的中部并与保温炉壳15固定连接，挡热板8位于阻抗管2的高温端与材料试件安装套的连接处，并与保温炉壳15固定连接；所述保温炉壳15上设置有两个传声器孔7；所述挡热板8一侧开设有槽孔，用于安装试件冷却水管13，该冷却水管13围绕分布在试件安装套的外圆柱面上，冷却水管13的进水口4、出水口3与外部循环供水系统相连接。

所述阻抗管2与保温装置通过固定支架固定在地面上。

所述试件加热体9外部设置有试件保温装置，所述试件保温装置由盖板10、试件炉壳和挡热板8构成；所述试件加热体9一端、盖板10和试件炉壳固定连接，试件加热体9另一端与挡热板8固定连接；所述挡热板8中心设置有圆孔，该圆孔套接在试件安装套的圆柱面上；所述试件加热体9与材料试件安装套之间设置有刚性壁。

所述阻抗管2的低温区中部设置有水冷却装置，水冷装置上的进水口4、出水口3与外部循环供水系统相连。所述试件保温装置通过滑动支架与地面的导轨12连接，并能够沿导轨12滑动，用于装卸试件。

变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置由信号发生器、功率放大器、阻抗管2、耐高温扬声器1、冷却和加热及控温模块、传声器和数据采集器组成，外连接微型计算机配置数据分析软件。阻抗管2的低温一端设置扬声器1，在扬声器1前部的阻抗管2外壁上加一个冷却装置，以保持阻抗管2内相对低温状态，保证扬声器1正常工作。在阻抗管2的另一端(高温段)安装被测材料试件，在试件外端面设置电加热装置，为试件材料14的环境温度达到实验所需温度提供热源，在试件圆柱面上靠近阻抗管2一侧布置冷却系统来控制试件材料14内部轴向温度梯度，在阻抗管2高温区中部设置保温加热体5用以保证阻抗管2内探头测量区域温度场均匀。在阻抗管2高温区外壁加保温层6，一方面阻止热量散发，另一方面避免试验过程中外壁温度过高而灼伤操作者。为了便于材料试件的装卸，本装置整体上为两部分组合，从安装试件材料14处分开，前半部分为固定式，后半部分用滑轮安放在导轨12上，可以沿着阻抗管2的轴线方向移动。

温控系统由热电偶11、冷却装置、加热装置、温控仪等组成。多点分布的热电偶11用于测量材料两个端面的温度，和阻抗管2内的温度场；冷却装置均采用循环式水冷方法，采用水泵和阀控制进水流量和流速，出水口3与水管连接自流排放到水池；加热体由加热炉盘和电阻丝组成。实验材料的两个端面放置热电偶11进行测温，用温控仪对实验材料的两个端面附近的区域进行控温。控温仪根据热电偶11的实测数据通过加热体的电流以及冷却装置的进水流量流速来控制实验中的温度场参数及试件材料14轴向温度梯度参数。

本发明可实现试件材料14处于变温度场(高温且有温度梯度)环境下测试材料的吸声性能的目的。温度场参数范围为从室温到600℃，温度梯度差为0℃到300℃。

附图说明：

图1为本发明的测试装置结构示意图；

图2为本发明的测试装置结构左视图；

其中：1、扬声器；2、阻抗管；3、出水口；4、进水口；5、保温加热体；6、保温层；7、传声器孔；8、挡热板；9、试件加热体；10、盖板；11、热电偶；12、导轨；13、冷却水管；14、试件材料；15、保温炉壳；16、固定法兰；17、把手。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1、2，一种变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置，包括扬声器1、阻抗管2、保温加热体5、试件加热体9和传声器探头；所述阻抗管2的低温区(固定法兰16左边)端部设置有扬声器1，扬声器1用于产生白噪声信号；所述阻抗管2的高温区(固定法兰16右边)中部设置有保温加热体5，用于保证阻抗管2内部接近试件的区域温度场均匀；所述阻抗管2的高温区的挡热板8与保温加热体5之间设置有传声器探头孔，用于安装传声器探头来测试阻抗管2内的声压；所述阻抗管2高温区的保温加热体5与试件加热体9之间安放被测的材料试件，试件加热体9用于加热材料试件的一个端面；所述扬声器1产生的白噪声信号通过阻抗管2的低温端传送到高温端，白噪声信号经试件材料14表面部分反射后产生的反射波声压信号，通过传声器探头测出。

所述阻抗管2的高温区设置有保温装置，阻抗管2的高温端和保温加热体5均位于保温装置内；所述保温装置是由固定法兰16、保温炉壳15和挡热板8构成的腔体，腔体内填充有保温材料，固定法兰16位于阻抗管2的中部并与保温炉壳15固定连接，挡热板8位于阻抗管2的高温端与材料试件安装套的连接处，并与保温炉壳15固定连接；所述保温炉壳15上设置有两个传声器孔7；所述挡热板8一侧开设有槽孔，用于安装试件冷却水管13，该冷却水管13围绕分布在试件安装套的外圆柱面上，冷却水管13的进水口4、出水口3与外部循环供水系统相连接。

所述阻抗管2与保温装置通过固定支架固定在地面上。

所述试件加热体9外部设置有试件保温装置，所述试件保温装置由盖板10、试件炉壳和挡热板8构成；所述试件加热体9一端、盖板10和试件炉壳固定连接，试件加热体9另一端与挡热板8固定连接；所述挡热板8中心设置有圆孔，该圆孔套接在试件安装套的圆柱面上；所述试件加热体9与材料试件安装套之间设置有刚性壁。

所述阻抗管2的低温区中部设置有水冷却装置，水冷装置上的进水口4、出水口3与外部循环供水系统相连。所述试件保温装置通过滑动支架与地面的导轨12连接，并能够沿导轨12滑动，用于装卸试件。

变参数温度场下多孔金属材料性能测试装置由阻抗管2测试模块、加热模块、冷却模块和控温模块组成。阻抗管2测试模块包含扬声器1，阻抗管2，传声器插孔7和试件材料1414。扬声器1通过功率放大器连接信号发生器产生白噪声信号，向阻抗管2内发送平面声波，通过安装在传声器插孔的传声器测试声压。传声器探头前端面与阻抗管2的内壁面相持平，其所测试的信号通过数据采集器采集，再导入微型计算机进行分析计算。本装置的加热模块分为两部分：保温区加热和试件加热。试件加热是通过对试件材料14的一个端面升温并轴向传热的方式进行，保温区加热是通过对阻抗管2外壁的均匀加热，以保证阻抗管2内声学测试区域温度场的恒定(《中华人民共和国国家标准：声学阻抗管2中吸声系数和声阻抗的测量第2部分：传递函数法》要求离实验材料三倍管径范围内要恒温)。冷却模块包含两部分：阻抗管2低温区的冷却装置(以下简称低温区冷却)和试件材料14的冷却装置(以下简称试件冷却)。前者是为了保证扬声器1的正常工作(一般扬声器1耐高温极限是150℃，而试件的最高环境温度是600℃)；后者是为了实现试件材料14内部的轴向温度梯度，通过调节冷却水的流量、流速，以及与试件材料14接触的冷却水管13数来调节材料温度梯度的大小。控温模块分为保温区温控和试件温控两部分，因该方面内容不属于本发明范围，在此不作详述。

本发明装置具体的实施方式为：安装好试件后，先开启试件加热装置，对材料进行加热，当材料的温度上升到200℃时，开启低温区冷却装置，保证扬声器1处于正常工作温度；然后通过调节试件控温仪和试件冷却装置的阀门流量来实现材料的轴向温度梯度达到预定值，并开启保温区的加热源，使声学测试区的温度恒定。当各项温度参数达到所需指标后，开启扬声器1声源，进行材料声学性能测试。当关闭试件冷却装置时，仅用于测试材料处于恒温状态时的声学参数。

以上内容是结合某一优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置，其特征在于：包括扬声器(1)、阻抗管(2)、保温加热体(5)、试件加热体(9)和传声器探头；所述阻抗管(2)的低温区端部设置有扬声器(1)，扬声器(1)用于产生白噪声信号；所述阻抗管(2)的高温区中部设置有保温加热体(5)，用于保证阻抗管(2)内部接近试件的区域温度场均匀；所述阻抗管(2)的高温区的挡热板(8)与保温加热体(5)之间设置有传声器探头孔，用于安装传声器探头来测试阻抗管(2)内的声压；所述阻抗管(2)高温区的保温加热体(5)与试件加热体(9)之间安放被测的材料试件，试件加热体(9)用于加热材料试件的一个端面；所述扬声器(1)产生的白噪声信号通过阻抗管(2)的低温端传送到高温端，白噪声信号经试件材料(14)表面部分反射后产生的反射波声压信号，通过传声器探头测出；

所述阻抗管(2)的高温区设置有保温装置，阻抗管(2)的高温端和保温加热体(5)均位于保温装置内；所述保温装置是由固定法兰(16)、保温炉壳(15)和挡热板(8)构成的腔体，腔体内填充有保温材料，固定法兰(16)位于阻抗管(2)的中部并与保温炉壳(15)固定连接，挡热板(8)位于阻抗管(2)的高温端与材料试件安装套的连接处，并与保温炉壳(15)固定连接；所述保温炉壳(15)上设置有两个传声器孔(7)；所述挡热板(8)一侧开设有槽孔，用于安装试件冷却水管(13)，该冷却水管(13)围绕分布在试件安装套的外圆柱面上，冷却水管(13)的进水口(4)、冷却水管(13)的出水口(3)与外部循环供水系统相连接。

2.如权利要求1所述一种变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置，其特征在于：所述阻抗管(2)与保温装置通过固定支架固定在地面上。

3.如权利要求1所述一种变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置，其特征在于：所述试件加热体(9)外部设置有试件保温装置，所述试件保温装置由盖板(10)、试件炉壳和挡热板(8)构成；所述试件加热体(9)一端、盖板(10)和试件炉壳固定连接，试件加热体(9)另一端与挡热板(8)固定连接；所述挡热板(8)中心设置有圆孔，该圆孔套接在试件安装套的圆柱面上；所述试件加热体(9)与材料试件安装套之间设置有刚性壁。

4.如权利要求2所述一种变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置，其特征在于：所述阻抗管(2)的低温区中部设置有水冷却装置，水冷装置上的进水口(4)、出水口(3)与外部循环供水系统相连。

5.如权利要求3所述一种变参数温度场下多孔金属材料吸声性能测试装置，其特征在于：所述试件保温装置通过滑动支架与地面的导轨(12)连接，并能够沿导轨(12)滑动，用于装卸试件。

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