CN102426035A - 一种多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法 - Google Patents

Abstract

一种多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法，利用计算机、驻波管、扬声器、三个位置不同的传声器、刚性终端、声频放大器和模/数转换器构成测试装置，由计算机和扬声器产生声源信号，再由设置在驻波管和刚性终端上的传声器接收响应信号并返回同一计算机，由计算机计算，同时得到被测试件的静流阻率σ和曲折度α_∞参数。测量装置结构简单、尺寸较小、设备费用低。本发明适用于多孔吸声材料生产和研究的企事业单位，可为多孔吸声材料的生产和开发提供可靠的依据。

Description

一种多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法

技术领域

本发明涉及物理领域，尤其涉及吸声材料静流阻率和曲折度非声学特性参数的测试技术，特别是一种多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法。

背景技术

交通运输技术中广泛使用聚合物泡沫或纤维材料等多孔吸声材料来吸声降噪，以治理噪声污染，静流阻率σ和曲折度α_∞是多孔吸声材料重要的非声学特性参数，它们可以作为多孔吸声材料产品的质量指标，也可以用于预测多孔吸声材料的声学响应，分析多孔吸声材料的吸声效果，对多孔吸声材料非声学特性的测试有益于多孔吸声材料的研发，现有技术中对多孔吸声材料的静流阻率σ是根据GB/T 25077-2010《声学多孔吸声材料流阻测量》提供的测量装置测量得到，而多孔吸声材料的曲折度α_∞是根据超声检测法制作的测量装置测量得到，现有技术需要利用两套由不同原理制作的测量装置来分别测取多孔吸声材料的静流阻率σ和曲折度α_∞这两个非声学特性参数，操作过程复杂、测试时间长、设备费用较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法，所述的这种多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法要解决现有技术中需要采用两套测量装置才能测取多孔吸声材料的静流阻率σ和曲折度α_∞、操作过程复杂、测试时间长、设备费用高的技术问题。

本发明的这种多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法，包括以下步骤：

第一步骤，将被测多孔吸声材料加工成一个圆柱形的被测试件，使所述的被测试件外径与一个驻波管的内径相等，再将被测试件的前端面与所述的驻波管的右端面相邻设置，并将被测试件的后端面紧靠在一个刚性终端的前端面上，然后通过螺纹连接方式将所述的刚性终端与驻波管的右端面固定连接，所述的第一传声器设置在驻波管管壁的圆周面上，刚性终端的前端面与第一传声器之间的距离记为L，被测试件的厚度记为d，

第二步骤，利用一个计算机产生宽带白噪声声频信号，通过所述的计算机的声频输出接口将所述的宽带白噪声声频信号送至一个扬声器，所述的扬声器通过螺纹连接安装在所述的驻波管的左端面，所述的计算机又与一个模/数转换器连接，所述的模/数转换器与一个声频放大器连接，所述的声频放大器与所述的第一传声器连接，声频放大器上还连接有一个第二传声器和一个第三传声器，所述的第二传声器设置在驻波管管壁的圆周面上，所述的第三传声器设置在所述的刚性终端上并与被测试件的后端面相邻，利用计算机对第一传声器、第二传声器和第三传声器传回的响应信号进行同步采样，并得到第一传声器的时间序列p₁(t)、第二传声器的时间序列p₂(t)和第三传声器的时间序列p₃(t)，

第三步骤，利用所述的计算机对第一传声器的时间序列p₁(t)、第二传声器的时间序列p₂(t)和第三传声器的时间序列p₃(t)进行数据处理，得到第二传声器和第一传声器之间的声压传递函数测量值H₂₁(f)、第二传声器和第三传声器之间的声压传递函数测量值H₂₃(f)，然后通过计算机利用式[1]计算传递函数H₁₃(f)，

$H_{13}\left(f\right)=\frac{H_{23}\left(f\right)}{H_{21}\left(f\right)}---\left[1\right]$

式中，f为工作频率，工作频率的单位为Hz，

第四步骤，利用温度计测量室温T，然后通过计算机利用式[2]计算空气中的声速c₀，

$c_0=20.047\sqrt{273.15+T},$ 声速c₀的单位为m/s，                       [2]

式中，T为室温，单位为℃，

第五步骤，利用气压计测量实验室的气压P，然后通过计算机利用式[3]计算实验室空气的密度ρ₀，

${\mathrm{\ρ}}_0=1.29\left(\frac{P}{101.325}\right)\left(\frac{273.15}{273.15+T}\right)$ 空气的密度单位为kg/m³，                              [3]

式中，P为大气压力，单位为kPa，

第六步骤，通过计算机利用式[4]计算反射系数R_x，

$R_x=\frac{e^{2\mathrm{j\πfs}/c_0}-H_{21}\left(f\right)}{H_{21}\left(f\right)-e^{2\mathrm{j\πfs}/c_0}}{e}^{2\mathrm{j\πfL}/c_0}---\left[4\right]$

式中，j为虚数单位，s为第一传声器和第二传声器之间的距离，

第七步骤，通过计算机利用式[5]计算被测试件的左端面和右端面的声压比P_0d(f)，

$P_{0d}\left(f\right)=\frac{1+R_x}{e^{2\mathrm{j\πfL}/c_0}+R_x{e}^{-2\mathrm{j\πfL}/c_0}}{H}_{13}\left(f\right)---\left[5\right]$

第八步骤，通过计算机利用式[6]计算被测试件的波数k，

$k=\frac{1}{d}{\cos }^{-1}\left(\frac{1}{P_{0d}\left(f\right)}\right)---\left[6\right]$

第九步骤，通过计算机利用式[7]计算被测试件的特性阻抗Z_c，

Z_c＝jρ₀c₀ tan(kd)特性阻抗Zc_的单位为Pa·s/m，    [7]

第十步骤，通过计算机利用式[8]计算被测试件的有效密度ρ_c，

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{\mathrm{\φ}{Z}_{c}k}{2\mathrm{\πf}}$ 密度ρ_c的单位为kg/m³，                               [8]

式中，φ为被测试件的孔隙率，

第十一步骤，通过计算机利用式[9]计算被测试件的静流阻率σ，

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{\mathrm{\φ}}\underset{f\→0}{\lim }\left[\mathrm{Im}\left(2\mathrm{\πf}{\mathrm{\ρ}}_c\right)\right]$ 静流阻率σ的单位为N·s/m^-4，                         [9]

式中，Im(2πfρ_c)为2πfρ_c的虚部，

第十二步骤，通过计算机利用式[10]计算被测试件的曲折度α_∞，

${\mathrm{\α}}_{\∞}=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_0}(\mathrm{Re}\left({\mathrm{\ρ}}_c\right)-\sqrt{\mathrm{Im}\left({\mathrm{\ρ}}_c\right)-{\left(\frac{\mathrm{\σ\φ}}{2\mathrm{\πf}}\right)}^2}---\left[10\right]$

式中，Re(ρ_c)为ρ_c的实部，Im(ρ_c)为ρ_c的虚部。

进一步的，在所述的刚性终端的轴心上设置一个通孔，将所述的第三传声器置入所述的通孔。

具体的，第三步骤中测量第二传声器和第一传声器之间的声压传递函数测量值H₂₁(f)、第二传声器和第三传声器之间的声压传递函数测量值H₂₃(f)的方法采用国际标准ISO 10534-2《声学  阻抗管中吸声系数和阻抗的测定  第2部分：传递函数法》的规定。

本发明和现有技术相比较，其效果是积极和明显的。本发明利用计算机、驻波管、扬声器、三个位置不同的传声器、刚性终端、声频放大器和模/数转换器对多孔吸声材料进行静流阻率σ和曲折度α_∞非声学特性参数的测量，测量装置结构简单、尺寸较小、设备费用低，一套测量装置可方便快捷地同时得到上述两种参数，本发明适用于多孔吸声材料生产和研究的企事业单位，可为多孔吸声材料的生产和开发提供可靠的依据。

附图说明：

图1是本发明一种多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法的示意图，

图1中，1-驻波管，2-扬声器，3-第二传声器，4-第一传声器，5-第三传声器，6-刚性终端，7-声频放大器，8-模/数转换器，9-计算机，10-被测试件。

具体实施方式：

实施例1：

如图1所示，本发明一种多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法，包括以下步骤：

第一步骤，将被测多孔吸声材料加工成一个圆柱形的被测试件10，使所述的被测试件10外径与一个驻波管1的内径相等，再将被测试件10的前端面与所述的驻波管1的右端面相邻设置，并将被测试件10的后端面紧靠在一个刚性终端6的前端面上，然后通过螺纹连接方式将所述的刚性终端6与驻波管1的右端面固定连接，所述的第一传声器4设置在驻波管1管壁的圆周面上，刚性终端6的前端面与第一传声器4之间的距离记为L，被测试件10的厚度记为d，

第二步骤，利用一个计算机9产生宽带白噪声声频信号，通过所述的计算机9的声频输出接口将所述的宽带白噪声声频信号送至一个扬声器2，所述的扬声器2通过螺纹连接安装在所述的驻波管1的左端面，所述的计算机9又与一个模/数转换器8连接，所述的模/数转换器8与一个声频放大器7连接，所述的声频放大器7与所述的第一传声器4连接，声频放大器7上还连接有一个第二传声器3和一个第三传声器5，所述的第二传声器3设置在驻波管1管壁的圆周面上，所述的第三传声器5设置在所述的刚性终端6上并与被测试件10的后端面相邻，利用计算机9对第一传声器4、第二传声器3和第三传声器5传回的响应信号进行同步采样，并得到第一传声器4的时间序列p₁(t)、第二传声器3的时间序列p₂(t)和第三传声器5的时间序列p₃(t)，

第三步骤，利用所述的计算机9对第一传声器4的时间序列p₁(t)、第二传声器3的时间序列p₂(t)和第三传声器5的时间序列p₃(t)进行数据处理，得到第二传声器3和第一传声器4之间的声压传递函数测量值H₂₁(f)、第二传声器3和第三传声器5之间的声压传递函数测量值H₂₃(f)，然后通过计算机9利用式[1]计算传递函数H₁₃(f)，

$H_{13}\left(f\right)=\frac{H_{23}\left(f\right)}{H_{21}\left(f\right)}---\left[1\right]$

式中，f为工作频率，工作频率的单位为Hz，

第四步骤，利用温度计测量室温T，然后通过计算机9利用式[2]计算空气中的声速c₀，

$c_0=20.047\sqrt{273.15+T},$ 声速c₀的单位为m/s，                     [2]

式中，T为室温，单位为℃，

第五步骤，利用气压计测量实验室的气压P，然后通过计算机9利用式[3]计算实验室空气的密度ρ₀，

${\mathrm{\ρ}}_0=1.29\left(\frac{P}{101.325}\right)\left(\frac{273.15}{273.15+T}\right)$ 空气的密度单位为kg/m³，                 [3]

式中，P为大气压力，单位为kPa，

第六步骤，通过计算机9利用式[4]计算反射系数R_x，

$R_x=\frac{e^{2\mathrm{j\πfs}/c_0}-H_{21}\left(f\right)}{H_{21}\left(f\right)-e^{2\mathrm{j\πfs}/c_0}}{e}^{2\mathrm{j\πfL}/c_0}---\left[4\right]$

式中，j为虚数单位，s为第一传声器4和第二传声器3之间的距离，

第七步骤，通过计算机9利用式[5]计算被测试件10的左端面和右端面的声压比P_0d(f)，

$P_{0d}\left(f\right)=\frac{1+R_x}{e^{2\mathrm{j\πfL}/c_0}+R_x{e}^{-2\mathrm{j\πfL}/c_0}}{H}_{13}\left(f\right)---\left[5\right]$

第八步骤，通过计算机9利用式[6]计算被测试件10的波数k，

$k=\frac{1}{d}{\cos }^{-1}\left(\frac{1}{P_{0d}\left(f\right)}\right)---\left[6\right]$

第九步骤，通过计算机9利用式[7]计算被测试件10的特性阻抗Z_c，

Z_c＝jρ₀c₀ tan(kd)特性阻抗Z_c的单位为Pa·s/m，    [7]

第十步骤，通过计算机9利用式[8]计算被测试件10的有效密度ρ_c，

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{\mathrm{\φ}{Z}_{c}k}{2\mathrm{\πf}}$ 密度ρ_c的单位为kg/m³，                               [8]

式中，φ为被测试件10的孔隙率，

第十一步骤，通过计算机9利用式[9]计算被测试件10的静流阻率σ，

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{\mathrm{\φ}}\underset{f\→0}{\lim }\left[\mathrm{Im}\left(2\mathrm{\πf}{\mathrm{\ρ}}_c\right)\right]$ 静流阻率σ的单位为N·s/m^-4，                         [9]

式中，Im(2πfρ_c)为2πfρ_c的虚部，

第十二步骤，通过计算机9利用式[10]计算被测试件10的曲折度α_∞，

${\mathrm{\α}}_{\∞}=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_0}(\mathrm{Re}\left({\mathrm{\ρ}}_c\right)-\sqrt{\mathrm{Im}\left({\mathrm{\ρ}}_c\right)-{\left(\frac{\mathrm{\σ\φ}}{2\mathrm{\πf}}\right)}^2}---\left[10\right]$

式中，Re(ρ_c)为ρ_c的实部，Im(ρ_c)为ρ_c的虚部。

进一步的，在所述的刚性终端6的轴心上设置一个通孔，将所述的第三传声器5置入所述的通孔。

具体的，第三步骤中测量第一传声器4和第二传声器3之间的声压传递函数测量值H₁₂(f)、第二传声器3和第三传声器5之间的声压传递函数测量值H₁₃(f)的方法采用国际标准ISO 10534-2《声学阻抗管中吸声系数和阻抗的测定第2部分：传递函数法》的规定。

在本发明的一个实施例中，驻波管1为内径等于100mm、壁厚等于12.5mm的铝合金圆柱形管，扬声器2通过螺纹连接安装在驻波管1的左端面，刚性终端6为厚度等于20mm的铝合金圆盘且通过螺纹连接安装在驻波管1的右端面，刚性终端6的前端面与第一传声器4之间的距离等于270mm，第二传声器3和第一传声器4通过分别夹具沿垂直方向安装在驻波管1管壁的安装孔上，第二传声器3和第一传声器4之间的距离s等于50mm，第三传声器5通过夹具沿水平方向安装在刚性终端6的中心安装孔上，所述的扬声器2通过声音信号线与计算机9的声频输出接口连接，第一传声器4、第二传声器3和第三传声器5通过声频放大器7、模/数转换器6和计算机9的信号输入端相连接。

在本实施例中，扬声器2产生的宽带白噪声声频信号的工作频率范围为1Hz～5000Hz，第一传声器4、第二传声器3和第三传声器5采用北京声望声电技术有限公司生产的BSWA type MPA416型传声器。

以聚合物泡沫A和纤维材料B作为测试用的多孔吸声材料为例进一步说明本发明，但本例仅用于说明，并不能限制本发明的范围。

根据标准ANSI/ASTM D2856-1994测得聚合物泡沫A和纤维材料B的孔隙率φ分别为0.98和0.99，再根据第一步骤将聚合物泡沫A和纤维材料B加工成厚度d分别为51.44mm和20.5mm的被测试件10。

分别利用现有技术中的由GB/T 25077-2010提供的方法和检测装置对多孔吸声材料的静流阻率σ进行测试，利用现有技术中的由超声检测法制作的测量装置对多孔吸声材料的曲折度α_∞进行测试，再利用本发明根据第二步骤～第十二步骤对多孔吸声材料的静流阻率σ和曲折度α_∞同时测试。现有技术和本发明的测试结果对比见下表1。

由表1可见，本发明的测试结果和现有技术的测试结果具有很好的一致性。

表1

Claims (2)

1.一种多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法，其特征在于：所述的测试方法包括以下步骤：

第一步骤，将被测多孔吸声材料加工成一个圆柱形的被测试件，使所述的被测试件外径与一个驻波管的内径相等，再将被测试件的前端面与所述的驻波管的右端面相邻设置，并将被测试件的后端面紧靠在一个刚性终端的前端面上，然后通过螺纹连接方式将所述的刚性终端与驻波管的右端面固定连接，所述的第一传声器设置在驻波管管壁的圆周面上，刚性终端的前端面与第一传声器之间的距离记为L，被测试件的厚度记为d，

第二步骤，利用一个计算机产生宽带白噪声声频信号，通过所述的计算机的声频输出接口将所述的宽带白噪声声频信号送至一个扬声器，所述的扬声器通过螺纹连接安装在所述的驻波管的左端面，所述的计算机又与一个模/数转换器连接，所述的模/数转换器与一个声频放大器连接，所述的声频放大器与所述的第一传声器连接，声频放大器上还连接有一个第二传声器和一个第三传声器，所述的第二传声器设置在驻波管管壁的圆周面上，所述的第三传声器设置在所述的刚性终端上并与被测试件的后端面相邻，利用计算机对第一传声器、第二传声器和第三传声器传回的响应信号进行同步采样，并得到第一传声器的时间序列p₁(t)、第二传声器的时间序列p₂(t)和第三传声器的时间序列p₃(t)，

第三步骤，利用所述的计算机对第一传声器的时间序列p₁(t)、第二传声器的时间序列p₂(t)和第三传声器的时间序列p₃(t)进行数据处理，得到第二传声器和第一传声器之间的声压传递函数测量值H₂₁(f)、第二传声器和第三传声器之间的声压传递函数测量值H₂₃(f)，然后通过计算机利用式[1]计算传递函数H₁₃(f)，

$H_{13}\left(f\right)=\frac{H_{23}\left(f\right)}{H_{21}\left(f\right)}---\left[1\right]$

式中，f为工作频率，工作频率的单位为Hz，

第四步骤，利用温度计测量室温T，然后通过计算机利用式[2]计算空气中的声速c₀，

$c_0=20.047\sqrt{273.15+T},$ 声速c₀的单位为m/s，                [2]

式中，T为室温，单位为℃，

第五步骤，利用气压计测量实验室的气压P，然后通过计算机利用式[3]计算实验室空气的密度ρ₀，

${\mathrm{\ρ}}_0=1.29\left(\frac{P}{101.325}\right)\left(\frac{273.15}{273.15+T}\right)$ 空气的密度单位为kg/m³，            [3]

式中，P为大气压力，单位为kPa，

第六步骤，通过计算机利用式[4]计算反射系数R_x，

$R_x=\frac{e^{2\mathrm{j\πfs}/c_0}-H_{21}\left(f\right)}{H_{21}\left(f\right)-e^{2\mathrm{j\πfs}/c_0}}{e}^{2\mathrm{j\πfL}/c_0}---\left[4\right]$

式中，j为虚数单位，s为第一传声器和第二传声器之间的距离，

第七步骤，通过计算机利用式[5]计算被测试件的左端面和右端面的声压比P_0d(f)，

$P_{0d}\left(f\right)=\frac{1+R_x}{e^{2\mathrm{j\πfL}/c_0}+R_x{e}^{-2\mathrm{j\πfL}/c_0}}{H}_{13}\left(f\right)---\left[5\right]$

第八步骤，通过计算机利用式[6]计算被测试件的波数k，

$k=\frac{1}{d}{\cos }^{-1}\left(\frac{1}{P_{0d}\left(f\right)}\right)---\left[6\right]$

第九步骤，通过计算机利用式[7]计算被测试件的特性阻抗Z_c，

Z_c＝jρ₀c₀ tan(kd)特性阻抗Z_c的单位为Pa·s/m，    [7]

第十步骤，通过计算机利用式[8]计算被测试件的有效密度ρ_c，

${\mathrm{\ρ}}_c=\frac{\mathrm{\φ}{Z}_{c}k}{2\mathrm{\πf}}$ 密度ρ_c的单位为kg/m³，                               [8]

式中，φ为被测试件的孔隙率，

第十一步骤，通过计算机利用式[9]计算被测试件的静流阻率σ，

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{\mathrm{\φ}}\underset{f\→0}{\lim }\left[\mathrm{Im}\left(2\mathrm{\πf}{\mathrm{\ρ}}_c\right)\right]$ 静流阻率σ的单位为N·s/m^-4，    [9]

式中，Im(2πfρ_c)为2πfρ_c的虚部，

第十二步骤，通过计算机利用式[10]计算被测试件的曲折度α_∞，

${\mathrm{\α}}_{\∞}=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_0}(\mathrm{Re}\left({\mathrm{\ρ}}_c\right)-\sqrt{\mathrm{Im}\left({\mathrm{\ρ}}_c\right)-{\left(\frac{\mathrm{\σ\φ}}{2\mathrm{\πf}}\right)}^2}---\left[10\right]$

式中，Re(ρ_c)为ρ_c的实部，Im(ρ_c)为ρ_c的虚部。

2.如权利要求1所述的多孔吸声材料静流阻率和曲折度的测试方法，其特征在于：在所述的刚性终端的轴心上设置一个通孔，将所述的第三传声器置入所述的通孔。

Images