CN115266942A - 一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量装置及方法 - Google Patents

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赵振星
尚大晶
唐锐
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Abstract

本发明提供了的是一种在混响水池中测量无规入射情况下大尺寸隔声结构插入损失的测量装置及测量方法。首先，将要测量的大尺寸隔声结构做成水箱，水箱与混响水池均具有五个壁面，一个自由界面；然后，将水箱吊放进入混响水池，水箱上表面略高于混响水池水面。声源在水箱内部发声，在保持声源辐射声功率不变的情况下，测量有无水箱情况下混响水池的空间平均声压级<SPL>′和<SPL〉，最后通过无水箱时的空间平均声压级与有水箱时的空间平均声压级之差，获得声波无规入射情况下隔声结构的插入损失。本发明方法可以方便、快捷、准确的获取声波无规入射情况下水下大尺寸隔声结构的插入损失，也可以对声波无规入射情况下不同隔声材料的插入损失进行比较。

Description

一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量装置及方法
技术领域
本发明属于水声测量领域，具体涉及一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量装置及方法。
背景技术
目前，空气中的隔声性能测试已形成较成熟的技术体系。常见的方法有混响室法、自由场脉冲法及阻抗管法。在水下，通常采用充水阻抗管测量声波垂直入射时小尺寸隔声构件的隔声性能；对于水下大尺寸隔声结构，通常采用自由场脉冲法(GB/T 14369-2011)对其隔声性能进行测量，但由于测试样品是单块板，存在边缘衍射效应，因而其测试条件非常严苛，对样品尺寸、测试频率和布放方式有着严格的要求。在评估声学材料的声学性能时，声波无规入射时获得的隔声性能比较符合实际需求。在空气中已有成熟的混响室法(GB/T19889.3-2005)测量声学材料无规入射时的隔声性能，但是由于空气和水介质特性阻抗的差异，混响水池不满足ISO140中规定的壁面刚性条件；所以空气中的混响室法(声源室和接收室)测量无规入射时的隔声性能在水下是不可能实现的；因此，非常有必要建立测量声波无规入射情况下水下声学材料隔声性能的测量装置。
目前，在水声测量领域与此相近的测试中，“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”采用三混响箱测量隔声结构隔声量，“混响隔声水池测量板状构件隔声量测量装置及测量方法”采用两个混响隔声水箱测量板状构件隔声量，两种方法中待测样品尺寸都不能大于混响箱尺寸。与对比文件不同的是，本发明对待测样品尺寸无严格要求，适用于水下大尺寸隔声结构，本发明可以直接对声波无规入射情况下大尺寸隔声结构插入损失进行宽带测量，且插入损失这个隔声评价参数考虑了现场测量系统的影响，这是目前文献中都没有体现的一个重要方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量装置及方法。
一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量装置，包括混响水池、水箱、声源以及水听器阵列；所述混响水池为混凝土壁面；所述水箱具有五个壁面和一个自由界面，五个壁面由待测隔声结构构成；所述声源在水箱中固定放置或做空间扫描移动；所述水听器阵列是由至少两个水听器阵元组成的垂直阵列。
进一步地，所述声源在水箱内中固定放置为：任意两个水听器之间的间距、水听器距离池壁或水面的距离均不小于测试最低频率对应波长的1/4；声源在水箱内中做空间扫描移动是指：空间扫描式为单水听器在混响水池以均匀的速度作S形轨迹移动，移动轨迹与水池或水面的最短距离不小于测试最低频率对应波长的1/4。
一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量方法，具体步骤为：
步骤1：将待测隔声结构制作成水箱，水箱具有五个壁面、一个自由界面；
步骤2：混响水池声场校准，标准声源以宽带信号稳定地辐射声能，在混响水池内部使用水听器阵列测量空间平均声压级Lp1，将水箱吊放入水，标准声源在水箱内部以宽带信号稳定地辐射声能，在水箱内部使用水听器阵列测量空间平均声压级Lp2，根据水箱内和水池内的空间平均声功率频谱曲线，对比水箱和水池的混响法测量截止频率，取二者中的最大值确定为插入损失测量的最低频率；
步骤3：确定完测量的最低频率后，将水箱吊放在混响水池中，水箱上表面略高于水面，将声源布放在水箱内部发声；
步骤4：在混响水池中布放水听器阵列，测量有水箱时混响水池内的空间平均声压级<SPL>′；
步骤5：将水箱吊出，声源在相同位置以相同的辐射声功率发声，测量无水箱时混响水池内的空间平均声压级<SPL>；
步骤6：待测隔声结构的插入损失IL表示为：
IL＝<SPL>-<SPL>′。
进一步地，步骤2中水箱尺寸越大，截止频率越低，能测量的最低频率越小。
进一步地，所述步骤2为空间平均声压级的测量方法，具体为：
(1)标准声源持续稳定的辐射声信号，由数据采集设备采集水听器接收声压时域信号；
(2)对每个水听器接收到的电压时域信号做功率谱分析，并对采集时长内的声功率谱取算数平均；
(3)对所有水听器的功率谱时间平均值做算数平均，即得到混响水池混响控制区的空间平均功率谱级。
进一步地，所述步骤3中，水箱上表面略高于水面，使声能不从上表面进入水池，完全通过五个壁面透射进入水池。
进一步地，所述步骤4中水听器数目不少于250个。
本发明的有益效果在于：
1、在水下，传统自由场脉冲法以及充水阻抗管法适用场景有限，无法对声波无规入射情况下的大尺寸隔声结构平均隔声性能进行评价；
2、本发明方法可以方便、快捷、准确的进行水下大尺寸隔声结构插入损失的宽带测量；
3、采用本发明方法获取得到无规入射情况下的平均隔声性能，相比与充水阻抗管法及自由场脉冲法只能获得垂直方向或某一方向上的隔声性能而言，更具有工程应用价值。
附图说明
图1待测样品制作成的水箱示意图；
图2水箱在混响水池中的布放图；
图3本发明测量方法的流程图；
图4本发明测量装置的示意图：(a)侧视图；(b)俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的混响水池-水箱测量隔声结构插入损失测量装置包括：混响水池(15×9×6m)，声源，水听器阵列，泡沫夹层板构成的水箱。
基于本发明的混响水池-水箱测量隔声结构插入损失测量装置的测量方法，包含水箱的组装、混响水池声场校准、水箱的布放、有无水箱混响水池内空间平均声压级的测量四个步骤，步骤特征细分为：
第一步：制作五块0.005-0.02-0.005m规格的PVC-泡沫-PVC夹层板，并将它们制作成水箱1，如图1所示，水箱1尺寸为2.6×1.76×2m。
第二步：混响水池声场校准，标准声源以宽带信号稳定地辐射声能，在混响水池内使用水听器阵列测量空间平均声压级Lp1，将水箱吊放入水，标准声源在水箱内部以宽带信号稳定地辐射声能，在水箱内部使用水听器阵列测量空间平均声压级Lp2，根据水箱内和水池内的空间平均声功率频谱曲线，对比水箱和水池的混响法测量截止频率，取二者中的最大值确定为插入损失测量的最低频率。
第三步：使用吊车将水箱吊放进入混响水池，水箱壁面略高于水面，如图2所示。
第四步：声源布放在水箱中，信号源发射白噪声，在混响水池内使用16元水听器阵列做空间扫描，测量有水箱时的空间平均声压级<SPL>'。
第五步：将水箱吊出，声源在相同位置以相同的辐射声功率发射白噪声，在混响水池内使用16元水听器阵列做空间扫描，测量无水箱时的空间平均声压级<SPL>。
所述第二步中，空间平均声压级的测量方法为：
(1)标准声源持续稳定的辐射声信号，由数据采集设备采集水听器接收声压时域信号；
(2)对每个水听器接收到的电压时域信号做功率谱分析，并对采集时长内的声功率谱取算数平均；
(3)对所有水听器的功率谱时间平均值做算数平均，即得到混响水池混响控制区的空间平均功率谱级。
所述第三步中，水箱壁面必须略高于水面，保证声波不会从上表面进入混响水池，只通过五个壁面透射进入混响水池。
所述第四步中，声源在水箱中固定放置或做空间扫描移动均可。采用空间扫描移动方式将有效提高本发明方法的测量精度。
所述第四、五步中，水听器阵列是由多个水听器阵元组成的垂直阵列。水听器总数目不少于250个的情况下，测量精度可达±1dB。水听器总数目越多，提升精度越高。
第五步：待测隔声结构的插入损失IL表示为：
IL＝<SPL>-<SPL>′
所述第二步、第四步和第五步中，声源稳定辐射声能，混响水池中水听器接收到的信噪比不小于30dB。混响水池中水听器测量空间平均声压的方法可采用固定式或空间扫描式，固定式为水听器均匀的分布在混响水池中，任意两水听器之间的间距、水听器距离池壁或水面的距离均不小于测试最低频率对应波长的1/4；空间扫描式为单水听器在混响水池中以均匀的速度“S”形轨迹移动，移动轨迹与水池或水面的最短距离不得小于测试最低频率对应波长的1/4。以上两种方式的水听器的测试时长不小于30s。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量装置，其特征在于：包括混响水池、水箱、声源以及水听器阵列；所述混响水池为混凝土壁面；所述水箱具有五个壁面和一个自由界面，五个壁面由待测隔声结构构成；所述声源在水箱中固定放置或做空间扫描移动；所述水听器阵列是由至少两个水听器阵元组成的垂直阵列。
2.根据权利要求1所述的一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量装置，其特征在于：所述声源在水箱内中固定放置为：任意两个水听器之间的间距、水听器距离池壁或水面的距离均不小于测试最低频率对应波长的1/4；声源在水箱内中做空间扫描移动是指：空间扫描式为单水听器在混响水池以均匀的速度作S形轨迹移动，移动轨迹与水池或水面的最短距离不小于测试最低频率对应波长的1/4。
3.一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量方法，其特征在于：具体步骤为：
步骤1：将待测隔声结构制作成水箱，水箱具有五个壁面、一个自由界面；
步骤2：混响水池声场校准，标准声源以宽带信号稳定地辐射声能，在混响水池内部使用水听器阵列测量空间平均声压级Lp1，将水箱吊放入水，标准声源在水箱内部以宽带信号稳定地辐射声能，在水箱内部使用水听器阵列测量空间平均声压级Lp2，根据水箱内和水池内的空间平均声功率频谱曲线，对比水箱和水池的混响法测量截止频率，取二者中的最大值确定为插入损失测量的最低频率；
步骤3：确定完测量的最低频率后，将水箱吊放在混响水池中，水箱上表面略高于水面，将声源布放在水箱内部发声；
步骤4：在混响水池中布放水听器阵列，测量有水箱时混响水池内的空间平均声压级<SPL>′；
步骤5：将水箱吊出，声源在相同位置以相同的辐射声功率发声，测量无水箱时混响水池内的空间平均声压级<SPL>；
步骤6：待测隔声结构的插入损失IL表示为：
IL＝<SPL>-<SPL>′。
4.根据权利要求3所述的一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量方法，其特征在于：步骤2中水箱尺寸越大，截止频率越低，能测量的最低频率越小。
5.根据权利要求3所述的一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量方法，其特征在于：所述步骤2为空间平均声压级的测量方法，具体为：
(1)标准声源持续稳定的辐射声信号，由数据采集设备采集水听器接收声压时域信号；
(2)对每个水听器接收到的电压时域信号做功率谱分析，并对采集时长内的声功率谱取算数平均；
(3)对所有水听器的功率谱时间平均值做算数平均，即得到混响水池混响控制区的空间平均功率谱级。
6.根据权利要求3所述的一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量方法，其特征在于：所述步骤3中，水箱上表面略高于水面，使声能不从上表面进入水池，完全通过五个壁面透射进入水池。
7.根据权利要求3所述的一种基于混响法的大尺寸隔声结构插入损失测量方法，其特征在于：所述步骤4中水听器数目不少于250个。
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