CN107621495A - 一种柔性薄膜固有频率的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测试领域，提供了一种柔性薄膜固有频率的测试装置及方法，该装置包括扬声器安装腔、扬声器、声学管道、信号发生器和数据计算单元，所述声学管道包括依次连接的上游方形管道、方形试验管道、下游方形管道以及可拆卸地设置在下游方形管道末端的吸声末端，所述上游管道和下游管道上均分别设置有2个传声器；扬声器安装在扬声器安装腔，其发声口与上游方形管道连接；信号发生器用于向扬声器提供不同频率的驱动信号，传声器与数据计算单元电连接，数据计算单元用于根据四个传声器发送的电压信号，计算不同频率下的声音传递损失，得到柔性薄膜的固有频率。本发明结构简单、安装简便、测量精确，可广泛应用于柔性薄膜固有频率测量领域。

Description

一种柔性薄膜固有频率的测试装置及方法

技术领域

本发明属于测试领域，具体涉及一种柔性薄膜固有频率的测试装置与测量方法，采用声学方法测量柔性薄膜的固有频率。

背景技术

当受到外界激励干扰时，结构体系会在特定的频率条件下产生自然振动，这被称为结构的固有频率。固有频率与外部激励无关，是结构的固有特性。不管外界有没有对结构进行激励，结构的固有频率都是存在的，只是当外界有激励时，结构是按固有频率产生振动响应的。柔性薄膜在工业、医学、生活中具有广泛的应用。但是由于柔性薄膜质量轻，体积小，无法准确测量出固有频率。采用传统方法测量物体固有频率时，需要利用激振器激励被测件，通过安装在被测件上的加速度传感器测量各个测点的振动相应，从而计算出物体的固有频率。而柔性薄膜无法固定在激振器上，同时传感器的质量大于柔性薄膜自身的质量，无法实现测量。

邱东在专利“获取振膜固有频率的方法及系统”中公布了一种通过声学激励，测量振膜位移获取固有频率的装置与方法。该专利中采用激光测位仪测量振膜的位移，当位移最大时对应的频率即为振膜固有频率。但是该发明需要激光测位仪具有安装基准，测量装置复杂；此外，如果振膜为透明态时，激光测位仪无法实现测量。

为了克服传统方法带来的过程繁琐、结构复杂、透明薄膜固有频率无法测量的问题，需要提出一种结构简单，测试准确的柔性薄膜固有频率的测试装置及方法。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种结构简单、安装简便、能够测量透明薄膜固有频率测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种柔性薄膜固有频率的测试装置，包括扬声器安装腔、扬声器、声学管道、传声器、信号发生器和数据计算单元，所述声学管道包括依次连接的上游方形管道、方形试验管道、下游方形管道以及可拆卸地设置在下游方形管道末端的吸声末端，待测柔性薄膜设置在所述方形试验管道上，所述上游方形管道和下游方形管道上均分别设置有个传声器；所述信号发生器与所述扬声器电连接，所述信号发生器用于产生不同频率的电信号发送给所述扬声器，所述扬声器安装在所述扬声器安装腔内，所述扬声器的发声口与所述声学管道连接，所述扬声器用于将所述信号发生器产生的电信号转换成声信号后，向所述声学管道发送，使待测柔性薄膜振动；所述传声器与所述数据计算单元电连接，所述传声器分别用于获取上游方形管道上个不同位置和下游方形管道上个不同位置处的声压，并转化为电压信号后发送给所述数据计算单元，所述数据计算单元用于根据传声器发送的电压信号，计算不同频率下的声学管道传递损失，并比较不同频率下的声音传递损失的大小，得到柔性薄膜的固有频率。

所述的一种柔性薄膜固有频率的测试装置，还包括数据采集单元和功率放大器，所述传声器通过数据采集单元与数据计算单元连接，所述数据采集单元用于将传声器采传输的电压信号转化为数字信号后发送给所述数据计算单元；信号发送器通过功率放大器与所述扬声器连接，所述功率放大器用于将信号发生器输出的电信号进行放大后发送给所述扬声器。

所述方形试验管道侧壁上设有开口，所述开口两侧安装有下法兰，薄膜安装盘设置于下法兰上方，待测柔性薄膜设置于薄膜安装盘上方，压紧盘设置在待测柔性薄膜上方，封闭空腔设置在所述压紧盘上方，封闭空腔上设置有上法兰，所述封闭空腔、压紧盘、待测柔性薄膜、薄膜安装盘通过法兰与方形试验管道固定连接，所述压紧盘和薄膜安装盘中心设置有与所述待测柔性薄膜的位置对应的通孔。

所述声学管道还包括第一过渡管道、上游圆形管道、第二过渡管道、第三过渡管道，所述第一过渡管道的首端与扬声器连接，所述第一过渡管道的尾端与上游圆形管道连接；所述上游圆形管道经第二过渡管道与上游方形管道的首端连接；所述吸声末端通过第三过渡管道可拆卸地连接在所述下游方形管道末端。

本发明还提供了一种柔性薄膜固有频率的测试装置的测试方法，包括以下步骤：

S101、通过信号发生器得到某个频率的声音，通过扬声器传输到所述声学管道，使待测柔性薄膜振动；通过分别位于上游管道和下游管道上的4个传声器进行测量，分别得到复声压P₁₁、P₂₁、P₃₁、P₄₁，并发送给所述数据计算单元，数据计算单元计算得到有吸声末端时的复声压的幅值A₁、B₁、C₁、D₁；

S102、将设置在下游方形管道末端的吸声末端拆卸下来，重复步骤S101，得到没有吸声末端时的复声压的幅值A₂、B₂、C₂、D₂；

S103、根据公式计算得到该频率下的矩阵系数α，并利用公式TL＝20log|α|计算出该频率下的声音传递损失值TL；

S104、不断改变信号发生器产生的电信号频率，每改变一次电信号频率，重复一次步骤S101～S103，得到不同频率下系统的传递损失值TL，通过比较不同频率下的声音传递损失的大小，得到柔性薄膜的固有频率。

所述有吸声末端时的复声压的幅值A₁、B₁、C₁、D₁的计算公式为：

式中，x₁、x₂、x₃、x₄表示的是各个传声器与所述吸声末端入口端面的距离，k为声波波数，k＝2πf/c₀，c₀为声速，f为声音频率；

所述没有吸声末端时的复声压的幅值A₂、B₂、C₂、D₂的计算公式为：

式中，P₁₂、P₂₂、P₃₂、P₄₂分别表示没有消音末端时，各个传声器测量得到的复声压。

所述步骤S104还包括以下步骤：以频率为横坐标，以传递损失为纵坐标绘制传递损失曲线，传递损失曲线的最大值对应的频率即为待测柔性薄膜的固有频率。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明结构简单、安装方便、测量周期短、测量精度高，此外，本发明不仅可以测量非透明的薄膜，还可以测量透明薄膜，应用范围广。

附图说明

图1为本发明实施例提出的一种柔性薄膜固有频率的测试装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中试验管道的结构示意图；

图3为本实施例中声学管道的安装结构示意图；

图4为本发明实验例1中黄铜薄膜固有频率测试结果；

图5为本发明实验例2中透明硅胶薄膜固有频率测试结果；

图1中：1为扬声器安装腔，2为扬声器，3为声学管道，4为传声器，5为待测柔性薄膜，6为数据采集单元，7为数据计算单元，8为信号发生器，9为功率放大器，10为连接线缆；31为第一过渡管道；32为上游圆形管道；33为第二过渡管道，实现圆形到方形截面的平滑过渡；34为方形试验管道，被测柔性薄膜5放置于该段；35为上游方形管道，侧面安装两只传声器4；36为下游方形管道，侧面安装两只传声器4；37为第三过渡管道，实现方形到圆形截面的平滑过渡；38为吸声末端，减少声学管道3内的声波反射；图2中：341为开口；342为薄膜安装盘；343为压紧盘，344为上法兰；345为封闭空腔；346为通孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种柔性薄膜固有频率的测试装置，包括扬声器安装腔1、扬声器2、声学管道3，传声器4，待测柔性薄膜5，数据采集单元6，数据计算单元7，信号发生器8，功率放大器9，以及各部分之间的连接线缆10。

所述声学管道3包括依次连接的上游方形管道35，方形试验管道34，待测柔性薄膜5；下游方形管道36，以及可拆卸地设置在下游方形管道36末端的吸声末端38，待测柔性薄膜5设置在所述方形试验管道34上，所述上游方形管道35和下游方形管道36上均分别设置有2个传声器4；所述扬声器2安装在所述扬声器安装腔1内，所述扬声器2的发声口与所述上游方形管道35连接。

信号发生器8的输出端与功率放大器9的输入端通过连接线缆10连接，功率放大器9的输出端通过连接线缆10与扬声器2连接，信号发生器8用于产生不同频率的声音电信号，功率放大器9用于将信号发生器8输出的声音电信号进行放大，并发送到所述扬声器2转化成声音发出，扬声器安装腔1保证扬声器2产生的声音仅沿声学管道3传递而不产生泄露，沿声学管道3传递的声音使待测柔性薄膜5振动；安装在上游方形管道35和下游方形管道36上的4个传声器4的输出端通过连接线缆10与数据采集单元6的输入端连接，数据采集单元6的输出端通过连接线缆10与数据计算单元7的输入端电连接，这四个传声器4分别用于测量上游方形管道32上两个不同位置和下游方形管道36上两个不同位置处的声压，并转化为电压信号，该电压信号通过数据采集单元6转换成数字信号后发送给数据计算单元7，所述数据计算单元7用于根据所述传声器4发送的电压信号，计算不同频率下的声音传递损失，并比较不同频率下的声音传递损失的大小，得到待测柔性薄膜5的固有频率。吸声末端38可以减少声音反射，提高测量精度。

进一步地，如图2所示，所述方形试验管道34侧壁上设有开口341，所述开口341两侧安装有下法兰，薄膜安装盘342设置于下法兰上方，待测柔性薄膜5设置于薄膜安装盘342上方，压紧盘343设置在待测柔性薄膜5上方，封闭空腔345设置在所述压紧盘343上方，封闭空腔345上设置有上法兰344，所述封闭空腔345、压紧盘343、待测柔性薄膜5、薄膜安装盘342通过法兰与方形试验管道34固定连接，所述压紧盘343和薄膜安装盘342中心设置有与所述待测柔性薄膜的位置对应的通孔346。

进一步地，如图1所示，本发明实施例提供的一种柔性薄膜固有频率的测试装置中，声学管道3还包括第一过渡管道31、上游圆形管道32、第二过渡管道33、第三过渡管道37，所述第一过渡管道31的首端与扬声器2连接，所述第一过渡管道31的尾端与上游圆形管道32连接；所述上游圆形管道32经第二过渡管道33与上游方形管道35的首端连接；所述吸声末端38通过第三过渡管道37可拆卸地连接在所述下游方形管道36末端。其中，上游圆形管道32用于传递声音，第一过渡管道31用于实现扬声器2与上游圆形管道32之间的不同半径的圆形截面的平滑过渡；第二过渡管道33用于实现上游圆形管道32的圆形截面到上游方形管道35的方形截面的平滑过渡；第三过渡管道37用于实现下游方形管道36的方形截面到吸声末端38的圆形截面的平滑过渡。通过设置过渡管道，可以实现不同截面管道之间的平滑过渡，减少声音反射，提高测量精度。

本发明的一种柔性薄膜固有频率的测试装置的测量原理如下：

4个传声器分别将扬声器传来的声音转换为电信号，经数据采集单元输入计算机，得到的复声压记为P₁，P₂，P₃，P₄，可以用公式表示为：

式中，P_i表示的是第i支传声器测得的复声压(i＝1，2，3，4)，x_i表示的是第i支传声器与消声器入口端面的距离(i＝1，2，3，4)，指数函数中的负号表示沿x正方向传播的行波，正号表示沿x负方向传播的行波；k为声波波数，k＝2πf/c₀，c₀为声速，f为激励声源频率。A、B、C、D为复数，表示复声压的幅值。对(1)式求解方程可以得到复声压的幅值，分别为：

声音传播的矩阵方程为：

由于无法实现终端无反射边界条件，即D≠0。该矩阵方程中，可以通过C、D求解A、B，在此以四个未知数α，β，γ，δ代表A、B与C、D之间的换算关系。该矩阵方程3包括两个方程和四个未知数α，β，γ，δ，通过一次测试无法求解。因此，本发明通过在声学管道末端安装一个可拆卸的吸声末端，可以改变末端边界条件，通过安装末端和拆卸末端情况下的两次测试，即可以得到两组A、B、C、D值，两种不同的边界条件不同的末端分别用下标1和2来表示，分别记为A₁、B₁、C₁、D₁和A₂、B₂、C₂、D₂；

则有下式：

其中，

P₁₁、P₂₁、P₃₁、P₄₁分别表示安装吸声末端时4个传声器获取的复声压；

P₁₂、P₂₂、P₃₂、P₄₂分别表示拆卸吸声末端时4个传声器获取的复声压；

联立式(4)和式(5)，求得α的表达式为：

根据系统的传声损失定义为：在没有终端反射的情况下，即D＝0，声源侧入射到被测试件表面的平面声波幅值|A|与透射波幅值之比|C|。矩阵方程中的α即为传递损失(TL)，以分贝的形式表示为：

TL＝20log|α| (9)；

通过计算即可求得当前频率时系统的传递损失值，调节信号发生器输出不同频率的声音，即可得到不同频率时系统的传递损失值，以频率为横坐标，以传递损失值为纵坐标绘制系统的传递损失曲线，传递损失曲线的最大值对应的频率即为被测柔性薄膜的固有频率。

因此，本发明还提供了一种利用上述测试装置对柔性薄膜固有频率进行测试的方法，包括以下步骤：

S101、通过信号发生器8得到某个频率的声音，通过扬声器2传输到所述声学管道3，使待测柔性薄膜5振动；通过分别位于上游管道和下游管道上的4个传声器4获取复声压P₁₁、P₂₁、P₃₁、P₄₁，并转化为电压信号发送给所述数据计算单元7，数据计算单元7计算得到有消音末端时的复声压的幅值A₁、B₁、C₁、D₁；

S102、将设置在下游管道末端的吸声末端拆卸下来，重复步骤S101，得到没有消音末端时的复声压的幅值A₂、B₂、C₂、D₂；

S103、根据公式计算得到该频率下的矩阵系数α，并利用公式TL＝20log|α|计算出该频率下的声音传递损失值TL；

S104、不断改变信号发生器8产生的声音频率，每改变一次声音频率，重复一次步骤S101～S103，得到不同频率下系统的传递损失值TL，通过比较传递损失不同频率下的声音传递损失的大小，得到柔性薄膜的固有频率。

其中，所述有消音末端时的复声压的幅值A₁、B₁、C₁、D₁的计算公式为上述式(6)；所述没有消音末端时的复声压的幅值A₂、B₂、C₂、D₂的计算公式为上述式(7)。

进一步地，所述步骤S104还可以包括以下步骤：以频率为横坐标，以传递损失值为纵坐标绘制传递损失曲线，传递损失曲线的最大值对应的频率即为被测柔性薄膜的固有频率。

实验例1：厚0.1mm，直径60mm圆形黄铜薄膜固有频率测试

将被测圆形黄铜薄膜放入试验管道34中的柔性薄膜安装盘342，使用压紧盘343压紧被测圆形黄铜薄膜，依次将开口341处的下法兰、薄膜安装盘342、压紧盘343、封闭空腔345上的上法兰上的螺纹孔对齐，使用螺栓紧固。

声音频率范围选取为40Hz-1310Hz，频率间隔为1Hz，按照步骤S101-S103，对被测圆形黄铜薄膜的固有频率进行测试，测试完成后，以频率为横坐标，以传递损失值为纵坐标绘制传递损失曲线，得到的曲线图如图4所示。由图4可知，传递损失最大值出现在290Hz处，说明该厚0.1mm，直径60mm圆形黄铜薄膜的固有频率为290Hz。

实验例2：厚0.1mm，直径80mm透明硅胶薄膜固有频率测试

实验例2：将被测透明硅胶薄膜放入试验管道34中的柔性薄膜安装盘342，使用压紧盘343压紧被测透明硅胶薄膜，依次将开口341处的下法兰、薄膜安装盘342、压紧盘343、封闭空腔345上的上法兰上的螺纹孔对齐，使用螺栓紧固。声音频率范围选取为40Hz-1310Hz，频率间隔为1Hz，按照步骤S101-S103，对被测透明硅胶薄膜的固有频率进行测试，测试完成后，以频率为横坐标，以传递损失值为纵坐标绘制传递损失曲线，得到的曲线图如图5所示。由图5可知，传递损失最大值出现在305Hz处，说明该厚0.1mm，直径80mm圆形透明硅胶薄膜的固有频率为305Hz。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种柔性薄膜固有频率的测试装置，其特征在于，包括扬声器安装腔(1)、扬声器(2)、声学管道(3)、传声器(4)、信号发生器(8)和数据计算单元(7)，所述声学管道包括依次连接的上游方形管道(35)、方形试验管道(34)、下游方形管道(36)以及可拆卸地设置在下游方形管道(36)末端的吸声末端(38)，待测柔性薄膜(5)设置在所述方形试验管道(34)上，所述上游方形管道(35)和下游方形管道(36)上均分别设置有2个传声器(4)；

所述信号发生器(8)与所述扬声器(2)电连接，所述信号发生器(8)用于产生不同频率的电信号发送给所述扬声器(2)，所述扬声器(2)安装在所述扬声器安装腔(1)内，所述扬声器(2)的发声口与所述声学管道(3)连接，所述扬声器(2)用于将所述信号发生器(8)产生的电信号转换成声信号后，向所述声学管道(3)发送，使待测柔性薄膜(5)振动；

所述传声器(4)与所述数据计算单元(7)电连接，所述传声器(4)分别用于获取上游方形管道(35)上2个不同位置和下游方形管道(36)上2个不同位置处的声压，并转化为电压信号后发送给所述数据计算单元(7)，所述数据计算单元(7)用于根据传声器(4)发送的电压信号，计算不同频率下的声学管道传递损失，并比较不同频率下的声音传递损失的大小，得到柔性薄膜的固有频率。

2.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜固有频率的测试装置，其特征在于，还包括数据采集单元(6)和功率放大器(9)，所述传声器(4)通过数据采集单元(6)与数据计算单元(7)连接，所述数据采集单元(6)用于将传声器采传输的电压信号转化为数字信号后发送给所述数据计算单元(7)；信号发送器(8)通过功率放大器(9)与所述扬声器(2)连接，所述功率放大器(9)用于将信号发生器(8)输出的电信号进行放大后发送给所述扬声器(2)。

3.根据权利要求2所述的一种柔性薄膜固有频率的测试装置，其特征在于，所述方形试验管道(34)侧壁上设有开口(341)，所述开口(341)两侧安装有下法兰，薄膜安装盘(342)设置于下法兰上方，待测柔性薄膜(5)设置于薄膜安装盘(342)上方，压紧盘(343)设置在待测柔性薄膜(5)上方，封闭空腔(345)设置在所述压紧盘(343)上方，封闭空腔(345)上设置有上法兰(344)，所述封闭空腔(345)、压紧盘(343)、待测柔性薄膜(5)、薄膜安装盘(342)通过法兰与方形试验管道(34)固定连接，所述压紧盘(343)和薄膜安装盘(342)中心设置有与所述待测柔性薄膜的位置对应的通孔(346)。

4.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜固有频率的测试装置，其特征在于，所述声学管道还包括第一过渡管道(31)、上游圆形管道(32)、第二过渡管道(33)、第三过渡管道(37)，所述第一过渡管道(31)的首端与扬声器(2)连接，所述第一过渡管道(31)的尾端与上游圆形管道(32)连接；所述上游圆形管道(32)经第二过渡管道(33)与上游方形管道(35)的首端连接；所述吸声末端(38)通过第三过渡管道(37)可拆卸地连接在所述下游方形管道(36)末端。

5.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜固有频率的测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101、通过信号发生器得到某个频率的声音，通过扬声器传输到所述声学管道，使待测柔性薄膜振动；通过分别位于上游管道和下游管道上的4个传声器进行测量，分别得到复声压P₁₁、P₂₁、P₃₁、P₄₁，并发送给所述数据计算单元，数据计算单元计算得到有吸声末端时的复声压的幅值A₁、B₁、C₁、D₁；

S102、将设置在下游方形管道末端的吸声末端拆卸下来，重复步骤S101，得到没有吸声末端时的复声压的幅值A₂、B₂、C₂、D₂；

S103、根据公式计算得到该频率下的矩阵系数α，并利用公式TL＝20log|α|计算出该频率下的声音传递损失值TL；

S104、不断改变信号发生器产生的电信号频率，每改变一次电信号频率，重复一次步骤S101～S103，得到不同频率下系统的传递损失值TL，通过比较不同频率下的声音传递损失的大小，得到柔性薄膜的固有频率。

6.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜固有频率的测试装置的测试方法，其特征在于，所述有吸声末端时的复声压的幅值A₁、B₁、C₁、D₁的计算公式为：

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式中，x₁、x₂、x₃、x₄表示的是各个传声器与所述吸声末端入口端面的距离，k为声波波数，k＝2πf/c₀，c₀为声速，f为声音频率；

所述没有吸声末端时的复声压的幅值A₂、B₂、C₂、D₂的计算公式为：

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式中，P₁₂、P₂₂、P₃₂、P₄₂分别表示没有消音末端时，各个传声器测量得到的复声压。

7.根据权利要求1所述的一种柔性薄膜固有频率的测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤S104还包括以下步骤：以频率为横坐标，以传递损失为纵坐标绘制传递损失曲线，传递损失曲线的最大值对应的频率即为待测柔性薄膜的固有频率。