CN105973979B - 一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于声学测量领域，具体涉及一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置。本发明包括第一混响箱、第二混响箱和第三混响箱，所述第一混响箱和所述第二混响箱的构造是相同的，均为长方体结构，无顶盖，由钢板焊接制成，在第一混响箱和第二混响箱的侧部中心焊接法兰，法兰的一侧安装第一有机玻璃板和第二有机玻璃板，法兰的另一侧接第三混响箱，在第一混响箱和第二混响箱的底部有滚柱。本发明能够保证第一混响箱和第二混响箱的声学状态不发生改变，减小了测量过程中的实验误差影响；减弱了第一混响箱内的声波经第三混响箱的箱壁传播至第二混响箱的能力，减少了测量过程中边界条件的影响。

Description

一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置

技术领域

本发明属于声学测量领域，具体涉及一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置。

背景技术

声学材料的性能特性(吸声系数、隔声系数、反射系数、透射系数)，是实现水下航行器声隐身时，必须要考虑的重要参数。目前，采用声管法(驻波管法、脉冲管法)、近场声全息法等测量的声学材料性能参数，获取的是声波法向入射或斜入射时的吸声系数和隔声系数，在实际中由于很难确知水下声波的入射方向，因此上述方法获得的声学参数难以满足实际使用；大多数的声学材料一般为多孔复杂结构，而且密度和声速也不均匀，当声波入射后很容易在内部发生模式转换(纵波、横波)，而上述测量方法中的吸声系数和隔声系数是按照斯涅尔定律进行计算的，然而斯涅尔定律只适合无限大均匀(声速和密度)结构，不适合有限尺寸的声学材料进行吸声系数和隔声系数计算；因此，在评估声学材料的声学性能时，比较符合实际需求的是声学材料的平均吸声系数和隔声系数，也就是声波无规入射时获得的吸声系数和隔声系数。目前，在空气中已有成熟的混响室和隔声室测量声学材料的吸声系数和隔声系数，但是由于空气的特性阻抗比水的特性阻抗小近3500倍，不能照搬空气中的混响室和隔声室测量方法，而且由于水下制作混响室和隔声室的材料一般为钢，水和钢的特性阻抗仅相差30倍，不满足ISO140中规定的壁面刚性条件；应该特别指出的是，空气中的采用隔离缝隔离两个混响室(声源室和接收室)的振动传递(见GB/T 19889.3-2005)，这在水下是不可能实现的；因此，非常有必要建立水下声学材料的吸声系数和隔声系数测量装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种以解决目前声学测试中的水下声学材料声学性能的检测问题的基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置。

一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，包括第一混响箱、第二混响箱和第三混响箱，所述第一混响箱和所述第二混响箱的构造是相同的，均为长方体结构，无顶盖，由钢板焊接制成，在第一混响箱和第二混响箱的侧部中心焊接法兰，法兰的一侧安装第一有机玻璃板和第二有机玻璃板，法兰的另一侧接第三混响箱，在第一混响箱和第二混响箱的底部有滚柱，所述第三混响箱为两端开口的长方体结构，两端焊接法兰，安装在第一混响箱和第二混响箱之间，内部焊接左凹槽和右凹槽，上部焊接材料置放法兰和障板法兰，材料置放法兰上安装第三有机玻璃板，在障板法兰和和材料置放法兰之间焊接注水管、放气阀，下部焊接放水阀；

所述第一混响箱和所述第二混响箱侧部的法兰为矩形，法兰的内侧尺寸(长和宽)为第一混响箱或第二混响箱侧部尺寸的一半，法兰的厚度为箱壁厚度的五倍，法兰位于第一混响箱或第二混响箱侧部钢板的中心，法兰在厚度方向的中心纵剖面与箱壁在厚度方向的中心纵剖面是重合的；

进一步，所述法兰的两侧均开有密封槽，密封槽为矩形，密封槽设计符合液体静密封标准；

进一步，所述法兰的两侧开有螺纹孔(未通透)，安装螺柱，螺柱为等间隔排列；

所述第一有机玻璃板和第二有机玻璃板尺寸相同，均为矩形，尺寸与第一混响箱或第二混响箱侧部法兰的外侧尺寸是一样的，第一有机玻璃板和第二有机玻璃板的边缘开有通孔，通孔的中心位置与所述第一混响箱和所述第二混响箱的侧部法兰上的螺柱中心位置是对齐的；

所述第三混响箱开口端焊接法兰，法兰为矩形，尺寸与所述第一混响箱或第二混响箱侧部的法兰尺寸一致，厚度为箱壁厚度的两倍；

进一步，所述第三混响箱的内部焊接左凹槽和右凹槽，左凹槽和右凹槽的凹槽中心位于第三混响箱的中心；

进一步，所述材料置放法兰的中心位于第三混响箱的上部距离开口端的1/2处，材料置放法兰为矩形，材料置放法兰的厚度为箱壁的两倍，材料置放法兰的外侧尺寸(长)和第三混响箱的宽度相同；在材料置放法兰上开有密封槽，密封槽为矩形，密封槽符合液体静密封标准，在材料置放法兰长度方向上，开有螺纹孔(未通透)，安装螺柱，螺柱等间距排列；

进一步，所述障板法兰的中心位于第三混响箱的外部距离开口端3/4处，所述障板法兰为矩形，内侧尺寸(长和宽)与第三混响箱的宽高尺寸一致，外侧尺寸如下：外侧尺寸减去内侧尺寸等于第三混响箱的箱壁厚度的二十倍，障板法兰的厚度为第三混响箱的箱壁厚度的五倍；

进一步，所述第三混响箱的材料置放法兰和障板法兰之间，焊接注水管，注水管的顶部焊接喇叭口结构；

进一步，所述第三混响箱的材料置放法兰和障板法兰之间，焊接钢管，钢管攻外螺纹，敷设高密度聚四氟乙烯垫片，组成放气阀；

进一步，所述第三混响箱的下部离开障板法兰的位置，焊接钢管，钢管攻外螺纹，敷设高密度聚四氟乙烯垫片，接不锈钢球阀，组成放水阀；

进一步，所述第三有机玻璃板安装在第三混响箱的材料置放法兰上，第三有机玻璃板为矩形，边缘开设通孔，通孔的中心位置与材料置放法兰上的螺柱中心位置是对齐的；

所述滚柱为圆柱形，均匀铺放在第一混响箱和第二混响箱下面，用以支撑第一混响箱和第二混响箱，可使第一混响箱和第二混响箱移动，以安装第三混响箱，同时对第一混响箱和第二混响箱进行可靠减振。

本发明的有益效果在于：利用两个大型混响箱中间连接一个小型的混响箱组成测试系统，通过在两个混响箱的开口处安装侧部法兰，侧部法兰比箱壁要厚得多，使得箱壁和法兰之间的声阻抗不再连续，而是发生剧烈变化，能够很好地衰减第一混响箱或第二混响箱中经箱壁传播至第三混响箱中的声波；在第一混响箱和第二混响箱采用有机玻璃作为透声障板，有机玻璃的声阻抗跟水接近，从而使得声波易于从第一混响箱传播至第三混响箱中，继续传播至第二混响箱中；同时，利用有机玻璃封闭了第一混响箱和第二混响箱的侧部法兰开口，使得在更换声学材料时，能够保证第一混响箱和第二混响箱的声学状态不发生改变，减小了测量过程中的实验误差影响；第三混响箱利用箱壁和障板法兰声阻抗之间的剧烈变化，减弱了第一混响箱内的声波经第三混响箱的箱壁传播至第二混响箱的能力，减少了测量过程中边界条件的影响；采用滚柱作为第一混响箱和第二混响箱的支撑结构，由于滚柱跟第一混响箱和第二混响箱只是线接触，减少了地面振动对试验测试的影响，而且更易实施。

附图说明

图1为一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置整体框图；

图2为第一混响箱或第二混响箱侧部法兰示意图；

图3为第一混响箱或第二混响箱侧部法兰剖面图；

图4为第一有机玻璃板或第二有机玻璃板示意图；

图5为第三混响箱左视图；

图6为第三混响箱正视图；

图7为第三混响箱俯视图；

图8为第三有机玻璃板示意图；

图9为声学材料置放夹具示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置所采用的技术方案做进一步说明。

一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，包括第一混响箱、第二混响箱和第三混响箱，所述第一混响箱与所述第二混响箱均为相同的长方体，无顶盖，在第一混响箱和第二混响箱的侧部中心焊接法兰，法兰的一侧安装有机玻璃板，法兰的另一侧接第三混响箱，在第一混响箱和第二混响箱的底部有滚柱，所述第三混响箱为长方体，两端开口并焊接法兰，安装在第一混响箱和第二混响箱之间，内部有左凹槽和右凹槽，上部焊接材料置放法兰和安装有机玻璃板，外部焊接障板法兰，上部有注水管、放气阀，下部有放水阀；该装置减少了第一混响箱和第二混响箱之间通过第三混响箱的箱壁声耦合，能够测量水下声学材料的平均吸声和隔声系数。

图中，1为第一混响箱，2为第二混响箱，3为第三混响箱，4为滚柱，11为法兰，12为密封槽，13为螺柱，14为第一有机玻璃板，15为通孔，21为侧部法兰，22为密封槽，23为螺柱，24为第二有机玻璃板，25为通孔，31为法兰，32为通孔，33为左凹槽，34为右凹槽，35为障板法兰，36为注水管，37为放气管，38为放水管，39为材料置放法兰、310为密封槽，311为螺柱，312为第三有机玻璃板，313为通孔，314为声学材料夹具，315为障板法兰，316为法兰，317为通孔。

一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，包括混响箱1、混响箱2、混响箱3和滚柱4，混响箱1和混响箱2的构造是相同的，均为长方体，无顶盖，由钢板焊接制成，混响箱3也为长方体构造，两端开口，混响箱1长3.3m，宽3m，高2m，厚度为10mm，混响箱1的外部局部加梁，以增加强度，混响箱2长3.3m，宽3m，高2m，厚度为10mm，混响箱2的外部局部加梁，以增加强度，混响箱3长1.5m，宽1.0m，高0.3m，厚度为10mm，滚柱4为圆柱形钢棒，长3m，直径80mm；

法兰11为矩形，内侧尺寸为长1.5m，宽1.0m，外侧尺寸为长1.6m，宽1.1m，法兰厚度为50mm，法兰11位于混响箱1侧部钢板的中心，法兰11在厚度方向的中心纵剖面与箱壁在厚度方向的中心纵剖面是重合的；法兰11的两侧均开有密封槽12，密封槽12为矩形，槽宽6.0mm，槽深4.65mm，密封槽12的中心线距离法兰11的内边缘均为10mm；法兰11的两侧开有螺纹孔(未通透)，安装螺柱13，螺柱13的规格为M12，螺柱13为等间隔排列，螺柱13的间距为100mm，两端的螺柱13距离法兰11的两端均为50mm，螺柱23距离法兰21的外边缘为10mm；

法兰21为矩形，内侧尺寸长1.5m，宽1.0m，外侧尺寸为长1.6m，宽1.1m，法兰厚度为50mm，法兰21位于混响箱2侧部钢板的中心，法兰21在厚度方向的中心纵剖面与箱壁在厚度方向的中心纵剖面是重合的；法兰21的两侧均开有密封槽22，密封槽22为矩形，槽宽6.0mm，槽深4.65mm，密封槽22的中心线距离法兰21的内边缘均为10mm；法兰21的两侧开有螺纹孔(未通透)，安装螺柱23，螺柱23的规格为M12，螺柱23为等间隔排列，螺柱23的间距为100mm，两端的螺柱23距离法兰21的两端均为50mm，螺柱23距离法兰21的外边缘为10mm；

有机玻璃板14长1.6m，宽1.1m，厚度为10mm，在有机玻璃板14的边缘开有通孔15，通孔15的直径为13mm，通孔15的中心位置与螺柱13中心位置是对齐的；

有机玻璃板24长1.6m，宽1.1m，厚度为10mm，在有机玻璃板24的边缘开有通孔25，通孔25的直径为13mm，通孔25的中心位置与螺柱23中心位置是对齐的；

在法兰11位于混响箱1内部的密封槽12内放置o型圈，o型圈的线径为5.0mm，放入有机玻璃板14，利用螺母(规格M12)，将有机玻璃板14固定在法兰11上，使混响箱1的侧部封闭；

在法兰21位于混响箱2内部的密封槽22内放置o型圈，o型圈的线径为5.0mm，放入有机玻璃板24，利用螺母(规格M12)，将有机玻璃板24固定在法兰21上，使混响箱2的侧部封闭；

在地面上铺放十根滚柱4，滚柱4等间隔排列，两两滚柱4之间的间隔为300mm，将混响箱1放置在滚柱4上，在法兰11正对方向的地面上，再铺放十根滚柱4，滚柱4等间隔排列，两两滚柱4之间的间隔为300mm，将混响箱2放置在滚柱4上，调整滚柱4及混响箱1和混响箱2，使法兰21与法兰11相互对齐，两者之间的间隔为400mm；

混响箱3开口端焊接法兰31和法兰316，法兰31和法兰316均为矩形，内侧尺寸为长1.5m，宽1.0m，外侧尺寸为长1.6m，宽1.1m，法兰厚度为20mm；

混响箱3的内部焊接左凹槽33和右凹槽34，左凹槽33和右凹槽34为两个长0.90m，横截面为5×5(mm)的钢条，焊接在混响箱3的内部，左凹槽33和右凹槽34的凹槽宽度均为5mm，凹槽宽度方向的中心线距离混响箱3开口端平面为150mm；

材料置放法兰39的中心位于混响箱3上部距离开口端50mm处，材料置放法兰39为矩形，内侧尺寸为长1.46m，宽0.08，外侧尺寸为长1.5m，宽0.12m，厚度为20mm，在材料置放法兰39上开有密封槽310，密封槽310为矩形，槽深2.30mm，槽宽4.00mm，密封槽310中心线距离材料置放法兰39内边缘为5mm，在材料置放法兰39长度方向上，开有螺纹孔(未通透)，安装螺柱311，螺柱311的规格为M5，螺柱311的间隔为100mm，等间距排列，两端的螺柱311距离材料置放法兰39的两端为50mm，螺柱311中心距离材料置放法兰39外边缘为5mm；

障板法兰35焊接在混响箱3的外部，障板法兰35的中心距离开口端225mm处，障板法兰35为矩形，内侧尺寸为长1.5m，宽1.0m，外侧尺寸为长1.9m，宽1.4m，法兰厚度50mm；

混响箱3的材料置放法兰39和障板法兰35之间，焊接注水管36，注水管36的外径为21.3mm，壁厚2.8mm，长450mm，在注水管36的顶部焊接喇叭口结构，喇叭口的外径为100mm,壁厚2mm；

混响箱3的材料置放法兰39和障板法兰35之间，焊接放气管37，放气管37为钢管，内径为6mm，外径为9.7mm，放气管37外攻外螺纹；放气管37外敷设高密度聚四氟乙烯垫片，垫片为圆环形，内径为6mm，外径为9.7mm，外接不锈钢球阀，球阀的规格为DN6，组成放气阀；

混响箱3底部，焊接放水管38，放水管38为钢管，内径为6mm，外径为9.7mm，放气管38外攻外螺纹；放气管38外敷设高密度聚四氟乙烯垫片，垫片为圆环形，内径为6mm，外径为9.7mm，外接不锈钢球阀，球阀的规格为DN6，组成放水阀；

有机玻璃板312为矩形，长1.5m，宽1.0m，厚度为10mm，在边缘开设通孔313，通孔313的直径为6mm，通孔313的中心位置与材料置放法兰39上的螺柱311中心位置是对齐的；

声学材料夹具314由钢板焊接制成，钢板的厚度为3mm，长度为0.95m，宽度为48mm(本实施例中，声学材料的宽度为47mm)，在两端各开一个通孔，通孔的直径为6mm，凸槽高度为3mm，将声学材料置于声学材料夹具314后，对应的通孔位置开孔，利用双头螺柱(规格M5)穿过通孔，利用螺母将声学材料紧固在声学材料夹具314上，从材料置放法兰39处，沿着左凹槽33和右凹槽34的中间槽插入，至此将声学材料放入混响箱3中；

在密封槽310内放入o型圈，o型圈的线径为3.0mm，将有机玻璃板312上的通孔313，对齐螺柱311，利用螺母(规格M5)将有机玻璃板312固定在材料置放法兰39上；

在混响箱1法兰11的外侧放置o型圈，o型圈的线径为5.0mm，将混响箱3的一端对齐法兰11，使螺柱13对齐通孔32，利用螺母(规格M12)，将混响箱3的一端固定在混响箱1的一侧；移动混响箱箱2，使螺柱23对齐通孔317，利用螺母(规格M12)，将混响箱3的另一端固定在混响箱2的一侧，使混响箱1、混响箱2和混响箱3成为一体结构；

先将混响箱1内充水，记住水位的高度，将混响箱2内充水，保持水位高度跟混响箱1内的水位高度一致，关闭混响箱3上的放水阀，打开放气阀，由注水管36进行注水，当放气阀有水溢出时，关闭放气阀，继续注水，直至注水管36中的水位跟混响箱1内的水位高度一致。

本实施例中，水下声学材料吸声系数和隔声系数的最低可测频率为500Hz，若需要测量更低频率水下声学材料的吸声系数和隔声系数，则需按照本实施例中第一混响箱、第二混响箱和第三混响箱的尺寸比例进行增大设计即可，箱壁的厚度、滚柱的直径须按照相应的钢材应力变形参数进行设计，有机玻璃的厚度需按照有机玻璃的应力变形参数进行设计。

本发明的一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，改变了以往将水声材料铺设在混响箱壁面的方式，采用两个独立的混响箱结合中间只有一个小混响箱进行测试，在声学材料表面不存在声学条件改变问题，而且更换水声材料很方便，大大提高了试验测试的效率，节省了试验时间。

以上结合实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，包括第一混响箱、第二混响箱和第三混响箱，其特征在于：所述第一混响箱和所述第二混响箱的构造是相同的，均为长方体结构，无顶盖，由钢板焊接制成，第一混响箱和第二混响箱焊接的法兰一侧分别由第一玻璃板和第二玻璃板，而另一侧连接有第三混响箱；法兰的另一侧接第三混响箱，在第一混响箱和第二混响箱的底部有滚柱，所述第三混响箱为两端开口的长方体结构，两端焊接法兰，安装在第一混响箱和第二混响箱之间，内部焊接左凹槽和右凹槽，上部焊接材料置放法兰和障板法兰，材料置放法兰上安装第三有机玻璃板，在障板法兰和和材料置放法兰之间焊接注水管、放气阀，下部焊接放水阀。

2.根据权利要求1所述的一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，其特征在于：所述第一混响箱和所述第二混响箱侧部的法兰为矩形，法兰的内尺寸为第一混响箱或第二混响箱侧部尺寸的一半，法兰的厚度为箱壁厚度的五倍，法兰位于第一混响箱或第二混响箱侧部钢板的中心，法兰在厚度方向的中心纵剖面与箱壁在厚度方向的中心纵剖面是重合的。

3.根据权利要求1所述的一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，其特征在于：所述法兰的两侧均开有密封槽，密封槽为矩形，密封槽设计符合液体静密封标准。

4.根据权利要求1所述的一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，其特征在于：所述法兰的两侧开有螺纹孔，安装螺柱，螺柱为等间隔排列。

5.根据权利要求1所述的一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，其特征在于：所述第三混响箱开口端焊接法兰，法兰为矩形，尺寸与所述第一混响箱或第二混响箱侧部的法兰尺寸一致，厚度为箱壁厚度的两倍。

6.根据权利要求1所述的一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，其特征在于：所述第三混响箱的内部焊接左凹槽和右凹槽，左凹槽和右凹槽的凹槽中心位于第三混响箱长度方向的中心。

7.根据权利要求1所述的一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，其特征在于，所述材料置放法兰的中心位于第三混响箱的上部距离开口端的1/2处，材料置放法兰为矩形，材料置放法兰的厚度为箱壁的两倍，材料置放法兰的外尺寸与第三混响箱的宽度一致；在材料置放法兰上开有密封槽，密封槽为矩形，密封槽符合液体静密封标准，在法兰长边上开有螺纹孔，安装螺柱，螺柱等间隔排列。

8.根据权利要求1所述的一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，其特征在于，所述障板法兰的中心位于第三混响箱的外部距离开口端3/4处，障板法兰为矩形，内尺寸与第三混响箱的宽高尺寸一致，外尺寸如下设计：外尺寸减去内尺寸等于第三混响箱的箱壁厚度的二十倍，障板法兰的厚度为第三混响箱的箱壁厚度的五倍。

9.根据权利要求1所述的一种基于混响法的水下声学材料吸声和隔声系数测量装置，其特征在于：所述注水管焊接在第三混响箱的材料置放法兰和障板法兰之间，注水管的顶部焊接喇叭口结构；

所述放气阀安装在第三混响箱的材料置放法兰和障板法兰之间，在箱壁上焊接钢管，钢管攻外螺纹，敷设橡胶垫片，接不锈钢球阀，组成放气阀；

所述放水阀安装在第三混响箱的下部，在箱壁上焊接钢管，钢管攻外螺纹，敷设橡胶垫片，接不锈钢球阀，组成放水阀；

所述第三有机玻璃板为矩形，在第三有机玻璃板的边缘开设通孔，通孔的中心位置与材料置放法兰上的螺柱中心位置是对齐的；

所述滚柱为圆柱形，均匀铺放在第一混响箱和第二混响箱下面，支撑第一混响箱和第二混响箱，可使第一混响箱和第二混响箱移动，以安装第三混响箱，同时对第一混响箱和第二混响箱进行可靠地隔振。