CN103105433A - 一种采用脉冲法测量声学材料吸声系数的装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种采用脉冲法测量声学材料吸声系数的装置和测量方法，装置包括声管、脉冲声源、传声器、功率放大器、信号调理器、适配器和数据采集装置，声管由一段大直径圆柱管、圆锥管和小直径圆柱管依次同轴固定连接而成，在小直径圆柱管侧壁上开有两个垂直于小直径圆柱管中心轴线的用于安装传声器的通孔，在大直径圆柱管内安装有脉冲声源；在小直径圆柱管外端螺纹连接有后盖。测量方法先得到整个测量系统的频率响应函数，然后得到所需的脉冲声源的激励信号频谱，最后以需的脉冲声源的激励信号激励脉冲声源测量得到待测样本的吸声系数。本发明避免了以往传统方法中在频域内对声场进行分解时引入的二次误差，也克服了以往多传声器方法中相位匹配的问题。

Description

一种采用脉冲法测量声学材料吸声系数的装置和测量方法

技术领域

本发明涉及声学材料测试技术领域，具体为一种采用脉冲法测量声学材料吸声系数的装置和测量方法。

背景技术

在声管声学测试领域，目前的声学材料吸声系数测量技术均基于传递函数法在阻抗管内进行测量，如通过测量声管内不同位置处的传递函数来得到相应值，但传递函数法遇到的主要问题是多个传声器之间的相位匹配问题。可以利用两个传声器交换测量传递函数进而消除两传声器之间的不匹配，还可用单传声器法顺序测量，则不会存在相位和幅值失配的问题，但会增加测试时间，使得测试工作变得繁琐。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术中采用传递函数方法出现的问题，本发明提出了一种采用脉冲法测量声学材料吸声系数的装置和测量方法，通过在管道中产生宽带脉冲信号，在时域内对声管内的声场进行分解，基于物理定义可解算得到声学材料的吸声系数。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种采用脉冲法测量声学材料吸声系数的装置，其特征在于：包括声管、脉冲声源、传声器、功率放大器、信号调理器、适配器和数据采集装置；声管由一段大直径圆柱管、圆锥管和小直径圆柱管依次同轴固定连接而成，大直径圆柱管内径与脉冲声源直径相同，小直径圆柱管内径小于30mm，且小直径圆柱管管壁厚度大于3mm；在小直径圆柱管侧壁上开有两个垂直于小直径圆柱管中心轴线的用于安装传声器的通孔，通孔直径等于传声器直径；对于靠近圆锥管的通孔，其中心距圆锥管小口端的轴向距离不大于10cm；对于远离圆锥管的通孔，其中心距小直径圆柱管外端的轴向距离大于17cm；在大直径圆柱管内安装有脉冲声源；在小直径圆柱管外端螺纹连接有后盖，后盖材质与小直径圆柱管材质相同，后盖直径与小直径圆柱管相同；适配器通过功率放大器给脉冲声源提供激励信号；传声器接收声管内的信号并通过信号调理器传递给适配器，并由适配器传递给数据采集装置。

所述一种采用脉冲法测量声学材料吸声系数的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将待测样本加工为圆柱型，且待测样本直径与小直径圆柱管直径相同；将待测样本放置在小直径圆柱管末端，并且待测样本与后盖紧贴；

步骤2：采用大直径圆柱管内的脉冲声源发出脉冲声波，在小直径圆柱管中靠近圆锥管的通孔内安装传声器，其中脉冲声源的激励信号的傅立叶变换为H_e(ω)、传声器测得的响应信号的傅立叶变换为H_r(ω)，得到整个测量系统的频率响应函数为

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{H_r\left(\mathrm{\ω}\right)}{H_e\left(\mathrm{\ω}\right)};$

步骤3：根据步骤2得到的整个测量系统的频率响应函数H(ω)以及所需的脉冲声，得到所需的脉冲声源的激励信号频谱H_x(ω)：

$H_x\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{H_y\left(\mathrm{\ω}\right)\tilde{H}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2+p^2};$

其中H_y(ω)为所需的脉冲声的幅度谱，

表示H(ω)的共轭，p表示整个测量系统中噪声与所需脉冲声信号的频谱密度之比；

步骤4：将小直径圆柱管中靠近圆锥管的通孔封闭，并在小直径圆柱管中远离圆锥管的通孔内安装传声器；对步骤3得到的激励信号频谱H_x(ω)进行反傅立叶变换，得到所需的脉冲声源的激励信号，并以该激励信号激励脉冲声源；传声器接收到脉冲声源发出的入射脉冲信号和经过待测样本反射后的回波信号，并对入射脉冲信号和回波信号分别作FFT变换，得到入射脉冲信号FFT变换为p⁺(ω)，回波信号FFT变换为p^-(ω)；

步骤5：得到声压反射系数R(ω)为

$R\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{p^{-}\left(\mathrm{\ω}\right)}{p^{+}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

待测样本的吸声系数α(ω)为α(ω)＝1-|R(ω)|²。

有益效果

脉冲法吸声系数测量技术可以快速有效地测量常见多孔声学材料的吸声系数，另外，由于在时域内对声场进行分解，能够直接依据定义对声学参数进行计算，从而避免了以往传统方法中在频域内对声场进行分解时引入的二次误差。由于脉冲信号的宽频带激励(100-10000Hz)，从而能够实现宽频测量，而整个测量过程中采用单传声器法，能够克服以往多传声器方法中相位匹配的问题。

附图说明

图1：本发明实验测量装置示意图；

图2：25mm纤维材料吸声系数脉冲法测量结果。

其中：1、大直径圆柱管；2、圆锥管；3、小直径圆柱管；4、试样；5、第一传声器；6、第二传声器。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本实施例中对25mm厚度的纤维材料进行了吸声系数的测量实验。

本实施例中采用测量装置包括声管、脉冲声源、传声器、功率放大器、信号调理器、适配器和数据采集装置。

声管由一段大直径圆柱管、圆锥管和小直径圆柱管依次同轴固定连接而成，声管材料采用钢性材料，其中大直径圆柱管长度为150mm，圆锥管长度为200mm，小直径圆柱管长度为1360mm。大直径圆柱管内径与脉冲声源直径相同，脉冲声源安装在大直径圆柱管内，脉冲声源采用“惠威”S5R中低频扬声器单元。小直径圆柱管内径和外径分别为27mm和34mm，能够传播宽带平面脉冲波(频率范围为100-10000Hz)。在小直径圆柱管侧壁上开有两个垂直于小直径圆柱管中心轴线的用于安装传声器的通孔，通孔直径大小为1/4英寸，以保证1/4英寸传声器的安装。对于靠近圆锥管的通孔，其中心距圆锥管小口端的轴向距离为10cm，用来测试实验中产生平面脉冲波；对于远离圆锥管的通孔，其中心距小直径圆柱管外端的轴向距离为22cm，以保证脉冲波在时域内可以进行分离。

在小直径圆柱管外端螺纹连接有后盖，后盖材质与小直径圆柱管材质相同，后盖直径与小直径圆柱管相同。适配器通过功率放大器给脉冲声源提供激励信号；传声器接收声管内的信号并通过信号调理器传递给适配器，并由适配器传递给数据采集装置。

采用上述装置，测量声学材料吸声系数的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：将待测样本加工为圆柱型，且待测样本直径与小直径圆柱管直径相同；将待测样本放置在小直径圆柱管末端，并且待测样本与后盖紧贴；

步骤2：采用大直径圆柱管内的脉冲声源发出脉冲声波，在小直径圆柱管中靠近圆锥管的通孔内安装传声器，其中脉冲声源的激励信号的傅立叶变换为H_e(ω)、传声器测得的响应信号的傅立叶变换为H_r(ω)，得到整个测量系统的频率响应函数为

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{H_r\left(\mathrm{\ω}\right)}{H_e\left(\mathrm{\ω}\right)};$

步骤3：根据步骤2得到的整个测量系统的频率响应函数H(ω)以及所需的脉冲声，得到所需的脉冲声源的激励信号频谱H_x(ω)：

$H_x\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{H_y\left(\mathrm{\ω}\right)\tilde{H}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2+p^2};$

其中H_y(ω)为所需的脉冲声的幅度谱，

表示H(ω)的共轭，p表示整个测量系统中噪声与所需脉冲声信号的频谱密度之比，p的取值一般不会超过传递函数H(ω)峰值的5%；用对H_x(ω)进行反傅立叶变换后得到的激励信号激励脉冲声源，就能够在小直径圆柱管中靠近圆锥管的通孔处会得到单一的平面脉冲波；

步骤4：将小直径圆柱管中靠近圆锥管的通孔封闭，并在小直径圆柱管中远离圆锥管的通孔内安装传声器；对步骤3得到的激励信号频谱H_x(ω)进行反傅立叶变换，得到所需的脉冲声源的激励信号，并以该激励信号激励脉冲声源；传声器接收到脉冲声源发出的入射脉冲信号和经过待测样本反射后的回波信号，并对入射脉冲信号和回波信号分别作65536点FFT变换，得到入射脉冲信号FFT变换为p⁺(ω)，回波信号FFT变换为p^-(ω)；

步骤5：得到声压反射系数R(ω)为

$R\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{p^{-}\left(\mathrm{\ω}\right)}{p^{+}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

待测样本的吸声系数α(ω)为α(ω)＝1-|R(ω)|²。

本实施例中，在声管内生成了Butterworth脉冲和衰减正弦脉冲，然后依据测量原理进行了测量，并与传递函数法进行了对比，可以发现在100-5000Hz的频率范围内三者吻合良好，验证了本实验设备和方法的有效性。

Claims (2)

1.一种采用脉冲法测量声学材料吸声系数的装置，其特征在于：包括声管、脉冲声源、传声器、功率放大器、信号调理器、适配器和数据采集装置；声管由一段大直径圆柱管、圆锥管和小直径圆柱管依次同轴固定连接而成，大直径圆柱管内径与脉冲声源直径相同，小直径圆柱管内径小于30mm，且小直径圆柱管管壁厚度大于3mm；在小直径圆柱管侧壁上开有两个垂直于小直径圆柱管中心轴线的用于安装传声器的通孔，通孔直径等于传声器直径；对于靠近圆锥管的通孔，其中心距圆锥管小口端的轴向距离不大于10cm；对于远离圆锥管的通孔，其中心距小直径圆柱管外端的轴向距离大于17cm；在大直径圆柱管内安装有脉冲声源；在小直径圆柱管外端螺纹连接有后盖，后盖材质与小直径圆柱管材质相同，后盖直径与小直径圆柱管相同；适配器通过功率放大器给脉冲声源提供激励信号；传声器接收声管内的信号并通过信号调理器传递给适配器，并由适配器传递给数据采集装置。

2.根据权利要求1中所述装置采用脉冲法测量声学材料吸声系数的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将待测样本加工为圆柱型，且待测样本直径与小直径圆柱管直径相同；将待测样本放置在小直径圆柱管末端，并且待测样本与后盖紧贴；

步骤2：采用大直径圆柱管内的脉冲声源发出脉冲声波，在小直径圆柱管中靠近圆锥管的通孔内安装传声器，其中脉冲声源的激励信号的傅立叶变换为H_e(ω)、传声器测得的响应信号的傅立叶变换为H_r(ω)，得到整个测量系统的频率响应函数为

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{H_r\left(\mathrm{\ω}\right)}{H_e\left(\mathrm{\ω}\right)};$

步骤3：根据步骤2得到的整个测量系统的频率响应函数H(ω)以及所需的脉冲声，得到所需的脉冲声源的激励信号频谱H_x(ω)：

$H_x\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{H_y\left(\mathrm{\ω}\right)\tilde{H}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|}^2+p^2};$

其中H_y(ω)为所需的脉冲声的幅度谱，

表示H(ω)的共轭，p表示整个测量系统中噪声与所需脉冲声信号的频谱密度之比；

步骤4：将小直径圆柱管中靠近圆锥管的通孔封闭，并在小直径圆柱管中远离圆锥管的通孔内安装传声器；对步骤3得到的激励信号频谱H_x(ω)进行反傅立叶变换，得到所需的脉冲声源的激励信号，并以该激励信号激励脉冲声源；传声器接收到脉冲声源发出的入射脉冲信号和经过待测样本反射后的回波信号，并对入射脉冲信号和回波信号分别作FFT变换，得到入射脉冲信号FFT变换为p⁺(ω)，回波信号FFT变换为p^-(ω)；

步骤5：得到声压反射系数R(ω)为

$R\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{p^{-}\left(\mathrm{\ω}\right)}{p^{+}\left(\mathrm{\ω}\right)}$

待测样本的吸声系数α(ω)为α(ω)＝1-|R(ω)|²。

Images