CN1873406A - 声学材料性能综合测试仪 - Google Patents

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Abstract

一种可实现声学材料的全频段的实时性能测试，功能齐全、测试速度快，精度高，成本低，简便易学、操作方便的声学材料性能综合测试仪，它由计算机、双麦克风驻波管、四麦克风驻波管和四麦克风组组成，其特殊之处是：双麦克风驻波管是由前驻波管和后驻波管、设在前驻波管前部的扬声器、安装在前驻波管后部的二个麦克风夹具、安装在后驻波管后端的活塞杆支撑盖、活塞杆、活塞和手柄螺母构成；四麦克风驻波管是由前驻波管和后驻波管、前端盖和后端盖、设在前驻波管前部的扬声器和设在前驻波管和后驻波管上的麦克风夹具构成，计算机的音频输出端通过声音均衡器和声音信号线与扬声器连接，四麦克风组分别通过音频放大器和模/数转换电路与计算机的信号输入端相连接。

Description

声学材料性能综合测试仪
技术领域
本发明特别涉及一种声学材料性能综合测试仪。
背景技术
随着社会的发展、噪声的污染问题表现得越来越突出，为保护环境，加强对噪声污染控制，声学材料得到了极为广泛的应用。这些声学材料按照其特性大致可分为：吸音材料、隔音材料和隔振材料，隔振材料是通过减小振动来实现隔音的，最常见的声学材料有玻璃棉、泡沫、毛毡、玻璃、橡胶等等。显然，大力推广和使用高性能的声学材料对改善噪声环境和提高人类的生活质量意义重大，而高性能的声学材料的开发和生产首先是建立在对材料声学性能的准确测试的基础之上的。为此，从上个世纪中期开始，声学材料测试理论得到了较快的发展，也陆续出现了一些相关声学的测试设备与生产和开发声学仪器的公司，如法国的NVI、日本的RION和丹麦的B&K等等。在声学材料性能测试理论方面，国际上的一些学者先后提出了诸如直接法、双麦克风法、传递矩阵法、驻波分离法、双阻法、双载法等等一系列方法，这些测试方法虽各有所长，但其精度均依赖于某些特定的假设前提，很难直接应用到测试仪器上，因此在此类测试仪器研制时，还需要考虑测试对象、仪器设计结构等因素来对各种方法的可行性进行深入考证。到目前为止，国际上只有几种此类测试仪器，但这些大都采用了类似B&K公司的驻波声阻管的三麦克风驻波分离动态测试结构(分体管件相对运动，且其中一支麦克风专门用于系统标定)，其存在着结构复杂，体积庞大，测试范围窄，价格昂贵等缺点，很难得到大范围推广等缺点。长期以来，由于缺乏直接的测试手段和统一的测试标准，材料声阻特性的测试大都利用一些替代设备间接完成的，致使测试效率低，误差大，数据处理过程复杂，优选比较困难。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术存在的上述问题，提供一种采用自动数据采集处理及人机对话界面，可实现声学材料的全频段的实时性能测试，结构简单、功能齐全、测试速度快，精度高，成本低，简便易学、操作方便的声学材料性能综合测试仪。
本发明的技术解决方案为：它由对采集数据进行处理的计算机3、双麦克风驻波管1、四麦克风驻波管2和四麦克风组5组成，其特殊之处是：所述的双麦克风驻波管1是由相互连接的前驻波管106和后驻波管104、安装在前驻波管106的前端盖109、设在前驻波管106前部的扬声器107、放置在前端盖109与扬声器107之间的护垫、安装在前驻波管106后部的二个麦克风夹具105、安装在后驻波管106后端的活塞杆支撑盖102、从活塞杆支撑盖102穿过并位于后驻管104内的活塞杆116、活塞114和锁紧套115、设置在活塞杆116后端的手柄螺母101、设置在前驻波管106外表面的支架112构成；所述的四麦克风驻波管2是由相互连接的前驻波管207和后驻波管202、分别安装在前驻波管207和后驻波管202上的前端盖210和后端盖201、设在前驻波管207前部的扬声器208、分别设在前驻波管207后部和后驻波管202前部的二个麦克风夹具206、设置在前驻波管207外表面的支架213构成，计算机3的音频输出端通过声音均衡器4和声音信号线分别与扬声器107和扬声器208连接，四麦克风组5分别通过音频放大器6和模/数转换电路7与计算机3的信号输入端相连接，用于对麦克风组5获取的声音信号进行放大、技术降噪和模数转换并送至计算机3进行处理。
上述的声学材料性能综合测试仪，在前驻波管207和后驻波管202之间设有材料夹筒203和材料套筒205，材料夹筒203和材料套筒205之间通过螺纹连接，且材料夹筒203和材料套筒205分别与后驻波管202和前驻波管207之间通过螺纹连接。
本发明的有效效果是：通过驻波管自动采集信号，并由计算机进行处理和计算，实现了声学材料的全频段的实时性能测试，可进行实时材料的吸音率测试、材料的反射率测试、材料声学阻尼测试、材料的声学特性阻尼测试、材料的声音传递常数测试、材料样品的传递矩阵测试和隔音材料的传递损失测试，且结构简单、功能全、调试速度快，精度高，成本低，采用人机对话界面，简便易学、操作方便；适用于所有声学材料生产和研究的企事业单位和部门，可为声音材料的生产和开发、声学控制装置设计提供可靠的依据，从而大大提高声学材料生产企业的市场竞争能力和企业效益，有着广阔的应用前景。
附图说明：
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的总体方案框图；
图3是本发明中双麦克风驻波管的结构示意图；
图4是本发明中四麦克风驻波管的结构示意图；
图5是本发明的计算机程序流程图；
图6是双麦克风驻波管测试原理图；
图7是双麦克风驻波双阻法测试原理图；
图8是四麦克风法测试原理图。
图中：双麦克风驻波管1，手柄螺母101，活塞杆支撑盖102，被测材料103，后驻波管104，麦克风夹具105，前驻波管106，扬声器107，BNC接口108，前端盖109，前护垫110，环护垫111，支架112，紧固螺栓113，活塞114，锁紧套115，活塞杆116，压盖117，四麦克风驻波管2，后端盖201，后驻波管202，材料夹筒203，被测材料204，材料套筒205，麦克风夹具206，前驻波管207，扬声器208，BNC接口209，前端盖210，前护垫211，环护垫212，支架213，紧固螺钉214，管接夹具215，设计终端216，计算机3，声音均衡器4，四麦克风组5，麦克风501，麦克风502，麦克风503，麦克风504，音频放大器6，模/数转换电路7。
具体实施方式
如图1～图4所示，该声学材料性能综合测试仪由对采集数据进行处理的计算机3、双麦克风驻波管1、四麦克风驻波管2、四麦克风组5组成。所述的双麦克风驻波管1是由通过螺纹连接的前驻波管106和后驻波管104、安装在前驻波管106上的前端盖109、设在前驻波管106前部的扬声器107和BNC接口108、放置在前端盖109和扬声器107之间的前护垫110和环护垫111、安装在前驻波管106后部的二个麦克风夹具105、安装在后驻波管106后端的活塞杆支撑盖102、穿过活塞杆支撑盖102并位于后驻管104内的活塞杆116、活塞114、锁紧套115和压盖117、设置在活塞杆116后端的手柄螺母101、通过紧固螺栓113设置在前驻波管106外表面的支架112构成，所述的锁紧套115通过压盖117胀紧并紧固在后驻波管106上。所述的四麦克风驻波管2是由前驻波管207和后驻波管202、与后驻波管202通过螺纹连接的材料夹筒203、连接在材料夹筒203和前驻波管207之间的材料套筒205、分别安装在前驻波管207和后驻波管202上的前端盖210和后端盖201、设在前驻波管207前部的扬声器208和BNC接口209、放置在前端盖210和扬声器208之间的前护垫211和环护垫212、设置在前驻波管207后部和后驻波管204前部的二个麦克风夹具206、分别通过紧固螺钉214设置在前驻波管207外表面的支架213、设置在后驻波管202上的管接夹具215构成。计算机3的音频输出端通过声音均衡器4和声音信号线分别与扬声器107和扬声器208连接，四麦克风组5分别通过音频放大器6和模/数转换电路7与计算机3的信号输入端相连接，用于对麦克风组5获取的声音信号进行放大、技术降噪和模数转换，并输入至计算机3进行处理。
该声学材料性能测试仪的测试系统的工作原理为扬声器发出的声音经声学阻尼管的边界约束在管内生成平面驻波声场，采用现代声学测试技术对声场中不同测点的声音进行信号采集和数据处理，从而直接获得声学材料性能指标。扬声器的声音是由计算机读取特定的宽带白噪声音频文件来产生的，该音频文件经过声音均衡器的处理，具有良好的白噪声特征。首先利用麦克风组获取一组声音信号，然后通过声音信号放大器对所得信号进行放大、技术降噪和模数转换，将声音信号放大器输出的信号组输入计算机，最后利用这些纯净信号的幅值和相位信息，分别采用了多麦克风法、驻波分离法、传递函数补差法、双阻法、双载法、传递矩阵等方法及其组合，在计算机内完成对信号组数据处理(抗混叠、可视化参数输入、性能指标运算和计算结果输出)，获得预期的声学材料性能指标，计算机程序流程图见附图5。
图6为双麦克风法驻波分离法原理图，图中所示测试结构适用于驻波分离和传递函数法的实施，分别用于实时谱分析、频程分析、材料的吸音率、反射率、声学阻尼测试和测试系统麦克风组的自标定。结合图3，将被测材料103放置在后驻波管104的前端口处，驻波分离法用两个固定在麦克风夹具105上二个的麦克风501和502分别测试前驻波管106管壁两个指定位置的声音信号，获取混合声波的幅值和相位信息，计算信号的线性功率谱，进行实时频程分析，利用管内声波的驻波特性分离入射波I和反射波R，通过计算入射波和反射波的声强求得材料的吸音率、反射率、声学阻尼等特性参数。传递函数补差法是利用麦克风501和麦克风502的有声互功率谱(传递函数)和静音互功率谱(传递函数)的比值来补偿两个麦克风501、502之间的幅值和相位差，用于测试系统中两个麦克风501、502的自标定。
图7为双麦克风驻波双阻法的测试原理图，该法用于测试材料的声学特性阻尼、声音传递常数以及柔性吸音材料的传递矩阵。结合图3，驻波双阻法首先利用两个麦克风501和502实施测试材料103在驻波管腔内的驻波分离，即入射波I和反射波R之间的分离，通过调整活塞114来调整测试系统的终端声学阻尼(图中调整位置分别为距离被测材料后表面x4和x’4)，利用测试过程中两个麦克风501、502之间的传递函数和夹层空气的声学特性，分别求取活塞114在x4和x’4两个位置上的被测材料前后两端的声学阻尼，进而利用驻波管道声学特性方程推导出被测材料的声学特性阻尼的表达式，分别获取材料的声学特性阻尼系数和材料的声音传递常数，对柔性的被测吸音材料，可进一步求取材料的传递矩阵。
附图8为四麦克风法的测试原理图，该方法在测试过程中采用了自制的两种设计终端216：无反射终端(优质吸音材料)和全反射终端(优质钢材)，综合运用了驻波分离法、传递函数法和双载法等方法来测试材料的传递损失和传递矩阵。四个麦克风501和502、503和504分为两组(分别进行自标定)，其测点分别布置在被测材料204的前端和后端的两个驻波管腔内，用于测试各自的功率谱和获取每组麦克风测点处的互谱和传递函数，实现入射声波If、Ib和反射声波Rf、Rb之间的分离，两组驻波的分离过程同附图6。
材料传递损失的测试需采用高强度入射声波和无反射终端，测试过程运用驻波分离和传递函数两种方法。通过驻波分离，分别获取被测材料的前后两端入射声波If和Ib，计算两个入射声波的声强和自功率谱，求取材料的传递损失。
材料传递矩阵的测试运用了驻波分离法和双载法的测试原理，分别采用无反射和全反射两个终端进行两次测试完成的。每次测试分别获取入射波声阻、反射波声阻、入射波传递损失、反射波传递损失和测试系统终端反射率五个参数频率序列，并存入计算机硬盘上。利用两次测试过程的驻波管内的一维声波方程，我们推导出了材料试样的声音传递矩阵的计算公式。在第二次测试结束时，声学材料性能测试仪的软件系统将从硬盘中调用所测得的十个参数的频率序列代入上述推导出的材料试样声音传递矩阵的计算公式中，分别求得传递矩阵中的四个元素，从而获得材料试样的传递矩阵。
利用该声学材料性能测试仪还可进行多层材料声学性能预测。根据总传递矩阵元素与声学特性参数的关系表达式，可预测无法直接测试的多层材料结构体的声学特性，如：吸音率、反射率和传递损失等等。

Claims (2)

1、一种声学材料性能综合测试仪，由对采集数据进行处理的计算机(3)、双麦克风驻波管(1)、四麦克风驻波管(2)和四麦克风组(5)组成，其特征是：所述的双麦克风驻波管(1)是由相互连接的前驻波管(106)和后驻波管(104)、安装在前驻波管(106)的前端盖(109)、设在前驻波管(106)前部的扬声器(107)、放置在前端盖(109)与扬声器(107)之间的护垫、安装在前驻波管(106)后部的二个麦克风夹具(105)、安装在后驻波管(106)后端的活塞杆支撑盖(102)、通过螺纹安装在活塞杆支撑盖(102)上并位于后驻管(104)内的活塞杆(116)、活塞(114)和锁紧套(115)、设置在活塞杆(116)后端的手柄螺母(101)、设置在前驻波管(106)外表面的支架(112)构成；所述的四麦克风驻波管(2)是由相互连接的前驻波管(207)和后驻波管(202)、分别安装在前驻波管(207)和后驻波管(202)上的前端盖(210)和后端盖(201)、设在前驻波管(207)前部的扬声器(208)、分别设在前驻波管(207)后部和后驻波管(202)前部的二个麦克风夹具(206)、设置在前驻波管(207)外表面的支架(213)构成，计算机(3)的音频输出端通过声音均衡器(4)和声音信号线分别与扬声器(107)和扬声器(208)连接，四麦克风组(5)分别通过音频放大器6和模/数转换电路(7)与计算机(3)的信号输入端相连接，用于对麦克风组(5)获取的声音信号进行放大、技术降噪和模数转换并送至计算机(3)进行处理。
2、根据权利要求1所述的声学材料性能综合测试仪，其特征是：在前驻波管(207)和后驻波管(202)之间设有材料夹筒(203)和材料套筒(205)，材料夹筒(203)和材料套筒(205)之间通过螺纹连接，且材料夹筒(203)和材料套筒(205)分别与后驻波管(202)和前驻波管(207)之间通过螺纹连接。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: Shanghai Ruiying Electronic Technology Co., Ltd.

Assignor: Wang Yansong

Contract record no.: 2010990000947

Denomination of invention: Comprehensive test instrument for performance of accoustic material

License type: Exclusive License

Open date: 20061206

Record date: 20101206

C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C56 Change in the name or address of the patentee
CP02 Change in the address of a patent holder

Address after: 201620 room 333, School of automotive engineering, Shanghai University of Engineering Science, 1007 Longteng Road, Shanghai, Songjiang District

Patentee after: Wang Yansong

Address before: 121000 School of automobile and traffic engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou, Guta, Liaoning 169

Patentee before: Wang Yansong