CN103217309A - 非对称管道消声器传递损失测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供非对称管道消声器传递损失测量方法，包括以下步骤：将传声器布置在进出口管道内的其中一个扇形区域内，测得该区域的入射声压和透射声压；根据隔板的数量，重复上述步骤，分别测得进出口管道内每个扇形区域内的入射声压和透射声压，根据下式计算传递损失：

本发明既能满足传统测量方法在进出口平面波截止频率范围内具有的精度，又能精确地测量高于进出口平面波截止频率后消声器的消声性能，解决了无法准确预测大管径非对称消声器在高频的声学性能的难题。

Description

非对称管道消声器传递损失测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种测量方法，具体地说是声损失测量方法。

背景技术

传递损失是消声器入口处入射声功率级与出口处透射声功率级之差。传递损失是消声器单独具有的属性，与管道系统和噪声源无关，在消声器设计阶段多采用传递损失作为衡量消声器消声性能的指标。

消声器传递损失实验测量现有的方法有声波分解法、两负载法、两声源法及脉冲法。声波分解法是根据声波分解原理，通过安装在消声器上下游管道的传声器将入射声波和透射波分解出来，求出入射波能量和透射波能量，进而计算出传递损失。该方法测量原理简单，过程实施方便，是最为常用的一种方法。两负载法和两声源法都是基于传递矩阵方法通过改变出口阻抗边界条件和调整声源的安装位置求出传递损失。这两种方法的实验操作过程较声波分解法繁琐。脉冲法属于瞬态测试方法，原理简单，需要的传声器数量少，但是需要较长的上下游管道，以满足所需脉冲不被反射波污染的要求。

消声器传递损失测量的有效频率范围由消声器进出口的平面波截止频率决定，根据非对称消声器平面波截止频率的计算公式f_m＝1.841c/(πD)，（其中f_m为平面波截止频率，c为常温下空气中的声速，π为圆周率，D为消声器进出口管中粗管的直径）可以得知消声器的传递损失测量范围与消声器进出口的直径相关。若消声器为大管径消声器，则现有的测量方法能够测量的频率范围比较窄。

有关消声器传递损失实验测量的方法最早由J.Y.Chung和D.A.Blaser提出，他们应用两负载法测量了小管径消声器的传递损失。其后国内外所有测量消声器传递损失的论文均是参考该文献，测量的频率范围均局限在进出口直径所限制的频率范围内。有关消声器实验测量的公开专利较少。中国专利公开号1713183A的专利文件中公开的汽车消声器的设计和测试方法中提到的利用消声器一维测试软件对汽车消声器进行一维插入损失和一维传递损失进行测量，测量的频率范围则更窄，其有效的测量范围由消声器的所有腔和进出口管中最大的直径决定。

上文所提到的消声器传递损失测量方法都是在由进出口管直径确定的平面波截止频率范围内测量消声器的传递损失。当消声器的尺寸增大或是需要测量的频率较高时，以上所有方法均有局限性，有效的测量频率范围较窄。

发明内容

本发明的目的在于提供能够提高消声器进出口的平面波截止频率，在实验器材不变的条件下可以拓宽消声器的传递损失测量的频率范围的非对称管道消声器传递损失测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明非对称管道消声器传递损失测量方法，其特征是：非对称被测消声器进出口管道内依次激发的三阶高阶模态分别为（1,0）、（2，0）、（0,1）阶模态，管道的圆形截面具有对称性，则（1,0）和（2，0）阶模态均有两个，在被测消声器进出口横截面5个模态节线上布置至少一个刚性隔板，将进出口管道平均分成两个以上的扇形区域，多通道数据采集分析仪产生声源信号，经放大后进入扬声器，扬声器产生的声场进入被测消声器的进口管道内，被安装在进口管各个区域管壁上的传声器拾取声信号，经数据采集仪分析后存储起来，从而得到入射声压，声波沿消声器传播，经过消声器的消声后进入到下游出口管道内，然后被布置在出口管各个区域管壁上的传声器拾取，经数据采集仪分析后存储起来，从而得到透射声压，重复上述步骤，分别测得进出口管道内每个扇形区域内的入射声压和透射声压，测得的各个扇形区域内的入射声压和透射声压分别为p_1i和p_2i，其中p₁和p₂分别代表入射声压和透射声压，下脚标i代表进出口管道内的第i个扇形区域，则被测消声器的传递损失为：

其中TL代表消声器的传递损失，n为进出口管道内的扇形区域的个数，即为隔板数量的两倍。

本发明还可以包括：

1、声波在下游出口管道被传声器拾取后，在下游出口管道后方设置末端消声器，所述的末端消声器为阻性消声器，从而近似无反射端。

本发明的优势在于：

首先，在已发表的论文和公开的专利中，消声器传递损失测量均是在传统装置上应用传统方法测量，一旦进出口管道的横截面固定，进出口管道的平面波截止频率就固定了，消声器的传递损失只能在该频率下测量。当消声器进出口管径较大或是所需的测量频率较高时，按照原来的方法能够测量的频率范围就会很窄，实验测量受限，关于如何改善这种状况的实验测量方法和装置目前还没有论文发表和专利公开，本专利提出了一种拓宽非对称消声器传递损失测量频率范围的方法和装置。该方法既能满足传统测量方法在进出口平面波截止频率范围内具有的精度，又能精确地测量高于进出口平面波截止频率后消声器的消声性能，解决了无法准确预测大管径非对称消声器在高频的声学性能的难题。

其次，本发明的基于声波分解法提出的拓宽非对称消声器传递损失实验测量范围的方法与其他的测量方法（两负载法，两声源法）相比，实验步骤较简单，容易操作。该方法可以根据实验测量范围的需要自由选择在进出口管内加入刚性隔板的数量，从而决定实验步骤重复的次数，具有较强的灵活性。

综上所述，本发明基于声波分解法提出的拓宽非对称消声器传递损失实验测量范围的方法和装置具有适用范围广，操作简单的优点，为大管径非对称消声器传递损失的测量提供更准确快捷的方法。

附图说明

图1为本发明的测量装置布置图；

图2为改进后的消声器进出口的横截面图；

图3为复杂结构非对称消声器示意图；

图4为消声器进出口管道添加刚性隔板前后传递损失结果比较图；

图5a为圆形截面（1,0）阶模态①节线分布图，图5b为圆形截面（1,0）阶模态②节线分布图，图5c为圆形截面（2,0）阶模态③节线分布图，图5d为圆形截面（2,0）阶模态④节线分布图，图5e为圆形截面（0,1）阶模态⑤节线分布图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，根据消声器进出口横截面模态节线的分布，在模态节线上布置刚性隔板，将进出口管道平均分成多个区域，利用模态节线两侧声压的对称性消除特定的模态效应，从而提高各个区域内的平面波截止频率，拓宽非对称消声器传递损失测量的频率范围。

本发明的拓宽非对称消声器传递损失测量范围的实验装置主要由1扬声器，2音箱，3功率放大器，4多通道数据采集分析仪，5计算机，6所要测试的消声器，7末端消声器和8传声器组成。在该装置工作过程中，声源信号由多通道数据采集分析仪信号发生模块产生，并通过功率放大器得到能够驱动扬声器正常工作的信号，再将信号送入放置在音箱内的扬声器，扬声器产生均匀声场，为下游消声器实验件提供声源。扬声器产生的声场进入消声器的进口管道内，在进口管各个区域所控制的平面波截止频率以下主要以平面波形式传播，被安装在进口管各个区域管壁上的传声器拾取声信号，经数据采集仪分析后存储在计算机系统中。声波沿消声器传播，经过消声器的消声后进入到下游出口管道内，同样在出口管道各个区域内所控制的平面波截止频率范围内，以平面波形式被布置在出口管各个区域管壁上的传声器拾取，经数据采集仪分析后存储在计算机系统中，用来计算消声器的传递损失。

末端消声器要求为完全吸收无反射端，采用一个阻性消声器来近似无反射端。

图2是本发明的改进后的消声器进出口的横截面图。

其中，θ为加入隔板后每个扇形区域的最大角度，r为进出口管的半径，z代表消声器的轴向方向。

图3复杂结构非对称消声器示意图。

其中，d₁和d₅分别代表消声器进出口管道的直径，图中虚线代表穿孔管壁，d₂和d₃分别代表两个穿孔管的直径，d₄代表消声器最大腔的直径，L代表消声器在轴线的长度。

非对称圆形截面消声器进出口管道内能够依次激发的前三阶高阶模态分别为（1,0），（2，0）和（0,1）阶模态，因为圆形截面具有对称性，所以（1,0）和（2，0）阶模态均有两个，分别用不同的标号区分，它们的的节线分布图如图5所示，其中虚线代表模态的节线。节线为相对声压为零的等压线，在声压节线两侧的声压方向相反。

在进出口管道内加入不同的隔板数量，进出口管道内被消除的模态不同，因而得到的平面波截止频率也不同。具体分析如下：若放置一个竖直隔板至于模态①的节线上，消声器进出口管道被隔板分割成两个区域，每个区域内只能激发模态②；同理，若在进出口管道内放置水平和竖直的两个隔板，进出口管道被隔板分割成四个区域，在每个区域内（1,0）模态的影响均被消除，而只有模态④能够被激发；继续增加隔板数量，在进出口管道内放置三块隔板，则（1,0），（2,0）阶模态均不能被激发，消声器的平面波截止频率扩展到（0，1）模态（即模态⑤），与轴对称圆形管道消声器具有相同的平面波截止频率，从而扩宽了非对称消声器传递损失的测量范围。

具体以图2给出的横截面为例，说明在进出口管道内加入不同数量的隔板时，得到的消声器进出口管道内的平面波截止频率不同。进出口的半径取r＝0.05m，声速取c＝340ms。设被隔板分割后的各个子区域横截面的最大角度为θ。例如不加隔板时，θ＝360°，加一个隔板时，θ＝180°。表1列出了加不同隔板时进出口横截面上的各阶模态激发频率。

表1  加不同数量隔板时进出口横截面上的各阶模态激发频率

从表1可以看出，随着进出口隔板数量的增加，被分割成的消声器扇形管道内激发的周向模态越来越少，对应的第一阶模态频率越来越高。当隔板数增加至三个时，即扇形的最大角度为60°时，扇形管道内激发的第一阶模态为圆形管道内的（0,1）阶模态，因为该阶模态的节线与角度无关，所以若再增加隔板，该阶模态则不会被消除，对应的消声器的平面波截止频率为该阶模态的激发频率。

通过以上装置，本发明可以将非对称圆形管道消声器内激发的第一阶模态由原来的（1,0）阶模态拓展到（0,1）阶模态，从而提高了非对称圆形管道消声器的平面截止频率，拓宽了非对称圆形管道消声器传递损失测量的有效范围，解决了大管径非对称消声器的传递损失测量范围窄的问题。

本发明的实验步骤为：

（1）按照图1所示连接实验仪器，将传声器布置在进出口管道内的其中一个扇形区域内，测得该区域的入射声压和透射声压；

（2）根据隔板的数量，重复实验步骤（1），分别测得进出口管道内每个扇形区域内的入射声压和透射声压。

设测得的各个扇形区域内的入射声压和透射声压分别为p_1i和p_2i，其中p₁和p₂分别代表入射声压和透射声压，下脚标i代表进出口管道内的第i个扇形区域。消声器的传递损失计算公式为：其中TL代表消声器的传递损失，n为进出口管道内的扇形区域的个数，即为隔板数量的两倍。

为了验证本专利提出的拓宽非对称消声器传递损失实验测量范围的方法的正确性，分别应用传统方法和本专利提出的方法对图3所示的非对称圆形管道消声器进行传递损失计算，计算结果如图4所示。消声器轴向进口，侧边出口。消声器的具体尺寸为：进出口管的直径为d₁＝d₅＝0.1m，两个穿孔管的直径分别为d₂＝0.148m，d₃＝0.25m，消声器最大腔的直径为d₄＝0.3m，膨胀腔长度为L＝0.25m。该计算中，穿孔管的特征参数分别为：穿孔管孔径为0.004m，壁厚为0.001m，穿孔率为16%。由表1可以得知不加隔板时，计算传递损失的有效频率范围到1993Hz，若在进出口管道内加入三个隔板，则消声器的有效频率范围拓展至4147Hz。从图4中可以看出，在未加隔板时进出口控制的平面波截止频率（1993Hz）以前，两种方法吻合较好，验证了本专利提出的在进出口管道内添加刚性隔板的方法的正确性，高于1993Hz,两种方法计算的结果出现偏差，此时传统方法计算的结果已不再准确，必须通过本专利提出的方法进行计算。

通过对计算结果的分析可以得出，在进出口添加刚性隔板，可以拓宽非对称消声器的传递损失的测量范围，准确预测高频的消声性能，为本发明的进一步应用提供了重要的参考依据。

Claims (2)

1.非对称管道消声器传递损失测量方法，其特征是：非对称被测消声器进出口管道内依次激发的三阶高阶模态分别为（1,0）、（2，0）、（0,1）阶模态，管道的圆形截面具有对称性，则（1,0）和（2，0）阶模态均有两个，在被测消声器进出口横截面5个模态节线上布置至少一个刚性隔板，将进出口管道平均分成两个以上的扇形区域，多通道数据采集分析仪产生声源信号，经放大后进入扬声器，扬声器产生的声场进入被测消声器的进口管道内，被安装在进口管各个区域管壁上的传声器拾取声信号，经数据采集仪分析后存储起来，从而得到入射声压，声波沿消声器传播，经过消声器的消声后进入到下游出口管道内，然后被布置在出口管各个区域管壁上的传声器拾取，经数据采集仪分析后存储起来，从而得到透射声压，重复上述步骤，分别测得进出口管道内每个扇形区域内的入射声压和透射声压，测得的各个扇形区域内的入射声压和透射声压分别为p_1i和p_2i，其中p₁和p₂分别代表入射声压和透射声压，下脚标i代表进出口管道内的第i个扇形区域，则被测消声器的传递损失为：

其中TL代表消声器的传递损失，n为进出口管道内的扇形区域的个数，即为隔板数量的两倍。

2.根据权利要求1所述的非对称管道消声器传递损失测量方法，其特征是：声波在下游出口管道被传声器拾取后，在下游出口管道后方设置末端消声器，所述的末端消声器为阻性消声器，从而近似无反射端。

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