CN103115966B - 一种采用脉冲法测量声学材料隔声量的装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种采用脉冲法测量声学材料隔声量的装置和测量方法，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三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。测量方法首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，最后以所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隔声量。本发明相比于双加载法或双声源法，克服了管末端声阻抗对测试结果带来的影响。

Description

一种采用脉冲法测量声学材料隔声量的装置和测量方法

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隔声量的装置和测量方法。

背景技术

在声管声学测试领域，目前的声学材料隔声量测量技术主要包括驻波场分解法和传递矩阵法两大类方法。其中，驻波场分解法依赖于对声管内部声场的分解，其面临的主要问题有两个：(1)多个传声器之间的相位匹配问题，这个问题可以利用其中一个传声器作为标准，而其他传声器与其进行校准的方法进行解决，若采用单个传声器逐点测量，则不存在这个问题，但测量时间较长；(2)声管末端声阻抗对其声管内声场的影响，这个问题对材料的隔声量测试有较大的影响，因而很多的研究工作围绕如何消除声管末端声阻抗的影响展开，一般采用的方法是将管口的二次反射系数包含在透射系数的计算之中。而对于依赖于传递矩阵求解的双加载法和双声源法则可得到真正意义上的隔声量。所谓的双加载法即是要求声管末端的声阻抗在两次测量中具有不同的阻抗性质，从而能够得到材料的传递矩阵，进而得到隔声量值。它的主要优点是能够得到精确的隔声量值，但其对声管末端的阻抗性质要求较高，在实际测量时，一般选用具有完全不同阻抗性质的刚性界面和消声界面，但即使如此，在低频处，由于二者的阻抗性质有可能相近，因而会带来低频测试误差。双声源法要求扬声器分两次安装，分别安装在声管的两个端口，通过两次测量得到材料的传递矩阵和隔声量，显然，这种方法在实际操作过程中显得比较繁琐，尽管其同样能够精确测量材料的隔声量，但在实际应用中，并未得到普及。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术中采用声场分解和传递矩阵求解时出现的问题，本发明提出了一种采用脉冲法测量声学材料隔声量的装置和测量方法，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隔声量。

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隔声量的装置，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三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；从小直径圆柱管连接圆锥管的一端到小直径圆柱管的外端，小直径圆柱管侧壁上的三个通孔依次分别为第一通孔、第二通孔、第三通孔；第一通孔中心距圆锥管小口端的轴向距离不大于10cm，第二通孔中心距待测材料端面的轴向距离大于17cm，第三通孔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隔声量的测量方法，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上第二通孔与第三通孔之间位置，并拧好后盖；

步骤2：采用大直径圆柱管内的脉冲声源发出脉冲声波，在第一通孔处安装传声器，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：将小直径圆柱管中第一通孔封闭，并在第二通孔处安装传声器；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；第二通孔处的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，并对入射脉冲信号作FFT变换，得到入射脉冲信号FFT变换为pⁱ(ω)；

步骤5：将小直径圆柱管中第二通孔也封闭，并在第三通孔处安装传声器；采用与步骤4中相同的激励信号激励脉冲声源，第三通孔处的传声器接收到脉冲声源发出的透射脉冲信号和经过小直径圆柱管末端反射后的二次反射波信号，并对透射脉冲信号作FFT变换，得到透射脉冲信号FFT变换为p^t(ω)；

步骤6：得到声压透射系数t_p为

$t_p=\frac{p^t\left(\mathrm{\ω}\right)}{p^i\left(\mathrm{\ω}\right)}$

待测样本的隔声量TL为：

$\mathrm{TL}=20\lg \frac{1}{t_p}.$

有益效果

脉冲法隔声测量技术可以快速有效地测量常见多孔声学材料的隔声量，另外，由于在时域内对声场进行分解，能够直接依据定义对隔声量进行计算，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。本发明相比于常规的双加载法或双声源法，克服了管末端声阻抗对测试结果带来的影响，尤其在低频段测量精度明显提高。

附图说明

图1：本发明实验测量装置示意图；

图2：3cm橡胶材料隔声量脉冲法测量结果；

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、第三传声器；7、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3cm橡胶材料进行了隔声量的测量实验。

本实施例中采用的测量装置包括声管、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，脉冲声源产生的声波经过圆锥管聚焦后进入小直径圆柱管。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三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。从小直径圆柱管连接圆锥管的一端到小直径圆柱管的外端，小直径圆柱管侧壁上的三个通孔依次分别为第一通孔、第二通孔、第三通孔。第一通孔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；第二通孔中心距待测材料端面的轴向距离为25cm，以分离入射脉冲和反射脉冲信号；第三通孔中心距小直径圆柱管外端的轴向距离为22cm，以分离透射脉冲和小直径圆柱管末端的二次反射波。

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，测量声学材料隔声量的测量方法，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上第二通孔与第三通孔之间位置，并拧好后盖；

步骤2：采用大直径圆柱管内的脉冲声源发出脉冲声波，在第一通孔处安装传声器，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：将小直径圆柱管中第一通孔封闭，并在第二通孔处安装传声器；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；第二通孔处的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，并对入射脉冲信号作65536点FFT变换，得到入射脉冲信号FFT变换为pⁱ(ω)；

步骤5：将小直径圆柱管中第二通孔也封闭，并在第三通孔处安装传声器；采用与步骤4中相同的激励信号激励脉冲声源，第三通孔处的传声器接收到脉冲声源发出的透射脉冲信号和经过小直径圆柱管末端反射后的二次反射波信号，并对透射脉冲信号作65536点FFT变换，得到透射脉冲信号FFT变换为p^t(ω)；

步骤6：得到声压透射系数t_p为

$t_p=\frac{p^t\left(\mathrm{\ω}\right)}{p^i\left(\mathrm{\ω}\right)}$

待测样本的隔声量TL为：

$\mathrm{TL}=20\lg \frac{1}{t_p}.$

本实施例中，在声管内生成了Butterworth脉冲，然后依据测量原理进行了测量，并与双加载法进行了对比，可以发现在500-5000Hz的频率范围内二者吻合良好，验证了本实验设备和方法的有效性。同时，双加载法不可避免地受到了末端声阻抗的影响，在低频段测量结果不准确，而本方法能够有效克服传统双加载法的不足，在低频段测量结果较为精确。

Claims (2)

1.一种采用脉冲法测量声学材料隔声量的装置，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三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；从小直径圆柱管连接圆锥管的一端到小直径圆柱管的外端，小直径圆柱管侧壁上的三个通孔依次分别为第一通孔、第二通孔、第三通孔；第一通孔中心距圆锥管小口端的轴向距离不大于10cm，第二通孔中心距待测材料端面的轴向距离大于17cm，第三通孔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.采用权利要求1所述装置的声学材料隔声量的测量方法，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上第二通孔与第三通孔之间位置，并拧好后盖；

步骤2：采用大直径圆柱管内的脉冲声源发出脉冲声波，在第一通孔处安装传声器，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)以及所需的脉冲声信号，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)为所需的脉冲声信号的幅度谱，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：将小直径圆柱管中第一通孔封闭，并在第二通孔处安装传声器；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；第二通孔处的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，并对入射脉冲信号作FFT变换，得到入射脉冲信号FFT变换为pⁱ(ω)；

步骤5：将小直径圆柱管中第二通孔也封闭，并在第三通孔处安装传声器；采用与步骤4中相同的激励信号激励脉冲声源，第三通孔处的传声器接收到脉冲声源发出的透射脉冲信号和经过小直径圆柱管末端反射后的二次反射波信号，并对透射脉冲信号作FFT变换，得到透射脉冲信号FFT变换为p^t(ω)；

步骤6：得到声压透射系数t_p为

$t_p=\frac{p^t\left(\mathrm{\ω}\right)}{p^i\left(\mathrm{\ω}\right)}$

待测样本的隔声量TL为：

$\mathrm{TL}=20\lg \frac{1}{t_p}.$