一种基于短声管脉冲法测量材料吸声系数的便携装置和测量方法与流程

本发明涉及材料垂直入射吸声系数测量领域，具体为一种基于短声管和叠加脉冲提取的测量材料吸声系数的便携装置和测量方法。

背景技术：

在材料声学参数测量领域，目前材料垂直入射吸声系数常用的测量技术主要有驻波比法、传递函数法以及时域脉冲分离法。

其中，驻波比法利用阻抗管中平面波形成的驻波波幅极大值和极小值的比值以及极小值所出现的位置，确定样本的反射系数、表面声阻抗率或声导纳率以及垂直入射吸声系数。该方法的优点是测量精度高。但它要求以纯音为测量信号，而一般工程应用中，声学材料宽频范围内的吸声系数都是需要得到的，故宽频测试时，此方法的测量步骤较为费时。

传递函数法采用具有平稳性和各态遍历性的宽带随机信号作为激励，通过测量驻波管壁上双传声器之间的传递函数，计算材料表面的复反射系数及吸声系数等参数。两传声器之间的匹配问题是传递函数法遇到的主要问题，可以利用两个传声器交换测量传递函数进而消除两传声器之间的不匹配，还可用单传声器法顺序测量，则不会存在相位和幅值失配的问题。

虽然校准传递函数可消除两传声器的不匹配问题，但此方法仍有所限制：双传声器之间的间距会影响测试频率的上下限，对于不同频率范围内的参数，需要用到不同的传声器间距组合。

对于时域脉冲分离法，申请人在先曾申请过申请号为201310013381.2的发明专利，一种采用脉冲法测量声学材料吸声系数的装置和测量方法，其主要通过逆滤波技术生成理想的宽带短脉冲，并在合适长度的声管中选取合适的传声器位置，从而可在所采集到的声压时域信号中直接分离出入射波和材料表面的反射波，继而计算得到复反射系数和吸声系数。这种方法仅利用一个传声器，不存在传递函数的校准问题，同时由于直接得到入射波和反射波，传声器间距并不影响测试频率范围。但此方法为了直接在时域分离入射波和反射波，其所用声管长度较长，为1360mm以上，由于声管内部存在损耗，管长越长，损耗越大，继而对测试所得的声压引入误差，从而影响最终吸声系数的测试结果；且较长的声管在实际操作中也存在一定的局限性，如一些需要现场测试的场合，过长的声管并不方便携带。

技术实现要素：

由于现有测量技术中，驻波比法宽频测试效率低，传递函数法传声器间距限制了其测试频率上下限，而时域脉冲分离法虽然测试效率高，且传声器间距并不影响测试频率范围，但其所用声管长度往往较长，从而对实验产生诸多不便，而缩短声管长度的情况下，由于一次反射波和入射波叠加，脉冲法便不再适用。为解决现有技术存在的问题。本发明提出了基于短声管和叠加脉冲提取的的吸声系数连续宽频范围内的测量方法，根据平面波在声管中的传播特性，通过适当的移位相加等操作，将短声管中叠加的直达波和入射波提取出来，从而计算得到材料垂直入射吸声系数，物理意义明确且操作简便。此方法所用管长较短，在避免了传递函数法频率限制问题和脉冲分离法的声衰减问题的同时，提高了实验操作的便捷性，为便携式脉冲法提供了条件。

本发明的技术方案为：

所述一种基于短声管脉冲法测量材料吸声系数的便携装置，其特征在于：包括扬声器、传声器、便携式空气声管、功率放大器、信号发生装置、数据采集装置；

所述便携式空气声管由一段大直径圆柱管和一端小直径圆柱管组成；所述扬声器安装在大直径圆柱管内部；所述大直径圆柱管与小直径圆柱管嵌套配合，小直径圆柱管内端朝向所述扬声器；所述小直径圆柱管内径小于30mm，且小直径圆柱管管壁厚度大于3mm；在小直径圆柱管侧壁上开有两个垂直于小圆柱管中心轴线的用于安装传声器的通孔，通孔直径等于传声器直径，通孔内放置环形硅胶片用以实现传声器的固定以及传声器和小直径圆柱管之间缝隙的密封；对于小直径圆柱管侧壁上靠近扬声器的通孔，其中心距扬声器表面的轴向距离不小于90mm，且距离小直径圆柱管外端的轴向距离不小于170mm，不大于250mm；在小直径圆柱管外端套有环形硅胶片，且该环形硅胶片外端表面与小直径圆柱管外端表面齐平；

信号发生器通过功率放大器为扬声器提供激励信号；由传声器分别在小直径圆柱管壁面两个通孔位置处对管内声压信号进行测量并传递给数据采集装置。

进一步的优选方案，所述一种基于短声管脉冲法测量材料吸声系数的便携装置，其特征在于：所述扬声器同轴安装在大直径圆柱管内部，大直径圆柱管的内径与扬声器直径相同。

进一步的优选方案，所述一种基于短声管脉冲法测量材料吸声系数的便携装置，其特征在于：小直径圆柱管侧壁通孔内的环形硅胶片厚度不小于1mm，且环形硅胶片直径等于传声器直径；小直径圆柱管外端套的环形硅胶片厚度不小于2mm，且该环形硅胶片内径等于小直径圆柱管的外径。

进一步的优选方案，所述一种基于短声管脉冲法测量材料吸声系数的便携装置，其特征在于：所述大直径圆柱管外端安装有把手，小直径圆柱管外壁上套有把手。

利用上述装置实现基于短声管脉冲法测量材料吸声系数的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在小直径圆柱管侧壁上靠近扬声器的通孔中安装传声器，在另一通孔内安装与传声器直径相同的塑料圆柱；保持大直径圆柱管与小直径圆管嵌套状态，将小直径圆管外端开口垂直抵在待测样品表面上；

步骤2：信号发生器发送宽带脉冲信号至扬声器，此宽带脉冲信号的傅里叶变换为h1(ω)，利用靠近扬声器处的传声器对管内声压信号进行测量，得到测量信号的傅里叶变换为h2(ω)；继而得到整个测量系统的脉冲响应函数为：h(ω)＝h2(ω)/h1(ω)；

步骤3：将传声器移至小直径圆柱管侧壁上远离扬声器表面的通孔处，在另一通孔内安装与传声器直径相同的塑料圆柱；信号发生器发射时域信号s(t)至扬声器，利用远离扬声器处的传声器对管内声压信号进行测量，得到测量信号的傅里叶变换为hy(ω)；其中时域信号s(t)由h0(ω)进行反傅里叶变换得到，而h0(ω)＝h1(ω)/h(ω)；

步骤4：将hy(ω)代入公式

hy′(ω)＝[hy(ω)-h0(ω)e^-jks]·(1+e^-jk2s)

得到h’y(ω)，其中s表示小直径圆柱管侧壁上两个通孔中心的间距，k表示复波数，由公式k＝2πf/c得到，f表示频率，c表示空气中的波速；

步骤5：将h’y(ω)进行反傅里叶变换，并在得到的时域信号中截取一次反射波信号，对提取出的一次反射波信号进行傅里叶变换，记为hf(ω)，带入下式计算得到垂直入射吸声系数α(ω)：

进一步的优选方案，基于短声管脉冲法测量材料吸声系数的测量方法，其特征在于：步骤4中hy(ω)代入公式

进行迭代计算，直至h’yn(ω)进行反傅里叶变换得到的时域信号中能够直接分离出一次反射波信号，其中n＝1,2,3,…代表迭代次数。

有益效果

(1)本发明能够在管长缩短，入射波和反射波叠加的情况下，提取出叠加声场中的一次反射波。

(2)本发明大幅缩短了所用的声管长度，实验测量装置中的声管长度控制在400mm以内，减少了损耗对测试结果的影响。

(3)由于管长控制在400mm以内，本发明实现了利用便携式短声管进行脉冲法的测试，从而可将装置应用于现场测试。

(4)相比于传递函数法，本发明消除了传声器间距对测试频率范围的限制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明所用实验测量装置示意图；

其中，1代表安装在大直径圆柱管上的把手；2代表大直径圆柱管；3代表小直径圆柱管；4代表靠近扬声器表面通孔；5代表远离扬声器表面通孔；6代表安装在小直径圆柱管外壁上的把手；7代表套在小直径圆柱管末端上的硅胶片。

图2：聚合物材料垂直入射吸声系数的测量结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中对聚合物材料进行了垂直入射吸声系数的测量：

如图1所示，本实施例中提出的基于短声管脉冲法测量材料吸声系数的便携装置包括扬声器、传声器、便携式空气声管、功率放大器、信号发生装置、数据采集装置；

所述扬声器型号为惠威m3n，直径为90mm，在300-7000hz频率范围内响应平坦。所述便携式空气声管由一段大直径圆柱管和一端小直径圆柱管组成，声管采用刚性材料，大直径圆柱管内径为90mm，壁厚6mm，小直径圆柱管内径为29.5mm，壁厚为6mm。

扬声器同轴安装在大直径圆柱管内部，大直径圆柱管外端安装有把手。所述大直径圆柱管与小直径圆柱管嵌套配合，小直径圆柱管内端朝向所述扬声器。在小直径圆柱管侧壁上开有两个垂直于小圆柱管中心轴线的用于安装传声器的通孔，通孔直径为1/4英寸，通孔内放置厚度2mm的环形硅胶片用以1/4英寸传声器的固定以及传声器和声管之间缝隙的密封。

对于小直径圆柱管侧壁上靠近扬声器的通孔，其中心距扬声器表面的轴向距离为90mm，用以高次波的衰减，且距离小直径圆柱管外端的轴向距离为180mm，对于远离扬声器表面的通孔，距离小直径圆柱管外端的轴向距离为160mm。

在小直径圆柱管外端套有厚度3mm的环形硅胶片，环形硅胶片内径等于小直径圆柱管的外径，且该环形硅胶片外端表面与小直径圆柱管外端表面齐平；小直径圆柱管外壁上套有把手。

信号发生器通过功率放大器为扬声器提供激励信号；由传声器分别在小直径圆柱管壁面两个通孔位置处对管内声压信号进行测量并传递给数据采集装置。

利用上述装置实现基于短声管脉冲法测量材料吸声系数的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在小直径圆柱管侧壁上靠近扬声器的通孔中安装传声器，在另一通孔内安装与传声器直径相同的塑料圆柱；测试人员两手分别握住大直径圆柱管外端把手以及小直径圆管外壁把手保持大直径圆柱管与小直径圆管嵌套状态，将小直径圆管外端开口垂直抵在待测样品表面上。

步骤2：信号发生器发送宽带脉冲信号至扬声器，此宽带脉冲信号的傅里叶变换为h1(ω)，利用靠近扬声器处的传声器对管内声压信号进行测量，得到测量信号的傅里叶变换为h2(ω)；继而得到整个测量系统的脉冲响应函数为：h(ω)＝h2(ω)/h1(ω)。

步骤3：将传声器移至小直径圆柱管侧壁上远离扬声器表面的通孔处，在另一通孔内安装与传声器直径相同的塑料圆柱；信号发生器发射时域信号s(t)至扬声器，利用远离扬声器处的传声器对管内声压信号进行测量，得到测量信号的傅里叶变换为hy(ω)；其中时域信号s(t)由h0(ω)进行反傅里叶变换得到，而h0(ω)＝h1(ω)/h(ω)。

对此，我们进一步解释原理：

若需在靠近扬声器表面通孔位置处采集到的信号的傅里叶变换为h1(ω)，则信号发生器需要输出的信号的傅里叶变换h0(ω)可表示为：h0(ω)＝h1(ω)/h(ω)；对h0(ω)进行反傅里叶变换得到时域信号s(t)，将所得到的时域信号s(t)由信号发生器发送到扬声器，即可在在靠近扬声器表面通孔位置处生成波形理想的宽带脉冲信号用于后续测量。

步骤4：将hy(ω)代入公式

hy′(ω)＝[hy(ω)-h0(ω)e^-jks]·(1+e^-jk2s)

得到h’y(ω)，其中s表示小直径圆柱管侧壁上两个通孔中心的间距，k表示复波数，由公式k＝2πf/c得到，f表示频率，c表示空气中的波速；

对此，我们进一步解释原理：

步骤3中得到的hy(ω)的理论公式为hy(ω)＝h0(ω)·[e^-jks+rme^-jk(2l″-s)-rme^-jk(2l″+s)-rm²e^-jk(4l″-s)+…]

其中l”表示靠近扬声器表面通孔距离小直径声管外端开口表面(即样品表面)的距离，，rm表示待测材料在硬背衬支撑条件下的复反射系数。那么在得到hy(ω)后，若将在靠近扬声器表面通孔处得到的h0(ω)移位exp(-jks)后，再利用远离扬声器表面通孔处得到的hy(ω)将其减去；之后，再将相减结果移位exp(-jk2s)后加上最初的相减结果。继而得到h’y(ω)，即可在叠加的信号中提取出一次反射波。即将hy(ω)代入公式

h′y(ω)＝[hy(ω)-h0(ω)e^-jks]·(1+e^-jk2s)

得到h’y(ω)。

h′y(ω)＝[hy(ω)-h0(ω)e^-jks]·(1+e^-jk2s)＝h0(ω)·[rme^-jk(2l″-s)-rme^{-jk(2l″+3s)}-rm²e^-jk(4l″-s)+…]…]

考虑到经过一次上述操作后，一次反射波仍有可能被后续信号叠加，所以这里优选将hy(ω)代入公式

进行迭代计算，直至h’yn(ω)进行反傅里叶变换得到的时域信号中能够直接分离出一次反射波信号，其中n＝1,2,3,…代表迭代次数。

步骤5：将h’yn(ω)进行反傅里叶变换，并在得到的时域信号中截取一次反射波信号，对提取出的一次反射波信号进行傅里叶变换，记为hf(ω)，带入下式计算得到垂直入射吸声系数α(ω)：

本实例中，在靠近扬声器表面通孔处生成了butterworth宽带短脉冲信号，然后依据测量原理进行了测量，并与传递函数法测试结果以及传统脉冲分离法测试结果进行了对比，测量结果如图2所示，为实例中测量的聚合物材料的垂直入射吸声系数，可以看到，本方法测量所得结果与传递函数法以及传统脉冲分离法测量结果在500-6400hz吻合较好，验证了本方法的有效性；相比于传统的传递函数法，本方法测试频率上下限不受传声器间距影响，低频测量更为准确，相比于传统脉冲分离法，此方法在大幅缩短声管长度的前提下得到几乎相同的结果。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。