一種吸聲係數現場測量裝置及方法
2023-06-22 14:21:46
專利名稱：一種吸聲係數現場測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種吸聲係數測量裝置及方法，特別是關於一種可用於對吸聲材料 的吸聲係數進行現場測量的吸聲係數現場測量裝置及方法。
背景技術：
目前，吸聲材料在工業和建築等領域的應用越來越多，其吸聲係數直接影響著 吸聲材料的效果，而快速準確的測量吸聲材料的吸聲係數對於合理選擇材料、控制 噪聲有著重要的作用。現在常用的吸聲係數的測量方法是混響室法和駐波管法，駐 波管法又分為駐波比法和傳遞函數法。混響室法測量的是無規則入射的吸聲係數， 但混響室的建造費用相當昂貴，不利於大規模使用。駐波管法測量的是垂直入射的 吸聲係數和吸聲材料的表面法向聲阻抗，但駐波管只能對小型試件進行測量，得到 的吸聲細數往往不能和應用情況相吻合，因此如何對吸聲材料的吸聲係數進行現場 測量是提高噪聲控制水平的一個重要問題。法國學者J.F.Allard和日本學者 Y.Takahashi等都對吸聲係數的現場測量方法進行了一定的研究(Journal of Noise Control Engineering, 32(1)， 1989; Applied Acoustics Vol. 66)，但未設計出 專門的測試裝置。同時由於實驗環境、實驗裝置及頻率限制等因素的影響，其測試 方法很難在實際的工作狀態下對吸聲材料進行測試。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種可用於對吸聲材料的吸聲係數進行現 場測量的吸聲係數現場測量裝置及方法。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案 一種吸聲係數現場測量裝置，其 特徵在於它包括一測量探頭和一中空的固定手柄；所述測量探頭包括一探頭基體、 兩傳聲器測量探頭和一材料間距測量探頭；所述探頭基體為一金屬板，所述探頭基
體的一端和中間位置各開有一滑槽，在兩所述滑槽之間的所述探頭基體上橫向設置 有一位置測量尺；所述探頭基體的另一端與所述固定手柄樞接；所述傳聲器測量探 頭包括一圓柱形傳聲器固定管；所述傳聲器固定管的下部連接一導向塊，所述導向 塊滑設在所述探頭基體上部的滑槽內；所述傳聲器固定管的前端設置有一用來固定 連接傳聲器的BNC接頭；所述傳聲器固定管的後端設置有一傳聲器位置標尺，所述 傳聲器位置標尺的尖端與傳聲器的軸線重合，所述傳聲器位置標尺指在所述位置測 量尺上；所述材料間距測量探頭橫向設置在所述探頭基體中間位置的滑槽上，其一端伸出所述探頭基體；所述材料間距測量探頭下部亦連接一導向塊，所述導向塊滑 設在所述探頭基體中間位置的滑槽內；所述材料間距測量探頭的中心位置設置有一 材料間距位置標尺，所述材料間距位置標尺亦指在所述位置測量尺上。
所述探頭基體的一端為矩形，另一端為半圓形，所述探頭基體的圓形端通過螺 栓和固定螺母與所述固定手柄樞接。
一種採用上述裝置的吸聲係數現場測量方法，其包括以下步驟1)在被測材
料附近布置三至四個聲源激勵，頻率範圍約為20Hz至20KHz; 2)將傳聲器A、 B 安裝在兩傳聲器固定管前端的BNC接頭上，並通過位置測量尺調整傳聲器A、 fi的間 距至所需間隔， 一般在10mm左右；3)移動材料間距測量探頭，通過材料間距位置 標尺確定材料間距測量探頭的伸出長度以調整傳聲器A或6到材料表面的距離， 一般 控制在20ram以內，並連接傳聲器/l、 B的信號線與採集系統，準備進行記錄；4)將 探頭基體前端靠近被測材料，並將材料間距測量探頭的伸出端靠住被測材料表面， 確保探頭基體與被測材料表面平行，手持固定手柄保持穩定，記錄傳聲器A和傳聲 器fi的間距A傳聲器A或B到被測材料表面的距離/; 5)將聲源激勵的頻率調至5KHz 以上，待被測位置的聲場穩定後，同時採集傳聲器A、 B的聲壓信號，採樣時間一般 在20s以上；6)鬆開探頭基體與固定手柄的固定螺母，將測量探頭翻轉180度， 調整材料間距測量探頭的位置，與第一次測量的距離/相同；調整傳聲器A、 fi的位 置，與第一次測量的間距d相同；重複步驟4)和步驟5)，再次記錄傳聲器A、 B的 聲壓信號。
根據步驟4) 步驟6)測量得到傳聲器A、 fi的位置信息和聲壓信號後，採用 如下方法計算被測材料的吸聲係數①以測試時距離被測材料較遠的傳聲器J位置 設為"點，距離較近的傳聲器^位置為6點，則第一次測試得到的聲壓信號分別為 rf^)和rf)W ，第二次測量得到聲壓信號為rf)(O和W ，對兩次測量得到的聲 壓信號做傅利葉變換，得到聲壓信號的頻域值rf、W、 rf、")、)和^)("; ②利用步驟①變換得到的聲壓信號的頻域值計算fl點到&點的頻率響應函數為
其中，G。。(司為"點聲壓信號自譜，G""為fe點聲壓信號自譜，為"點到6點 的互譜，C^(w)為b點到fl點的互譜，其計算公式為
其中，A(w)為"點或6點的聲壓信號的頻域值，《(w)為a點或fc點的聲壓信號頻域值
的共軛;利用兩次測量結果計算得到fl點到6點的頻率響應函數/^)(W)和i/i"(W),計算時通 過適當的加窗和平均處理可以得到"點到6點的估計頻率響應函數為
③利用步驟4)測量得到的傳聲器A和傳聲器S的垂直間距A以及6點的傳聲器到被 測材料表面的垂直距離/，計算得到被測材料表面的聲阻抗為
formula see original document page 7其中，p和c分別為空氣的密度和空氣中的聲速，//。Jw)為"點到6點的頻率響應函 數；④利用步驟③計算得到的被測材料表面的聲阻抗，計算被測材料的現場反射系 數r(w)和現場吸聲係數a(6;)為
ZwO) + pc 。 a(0) = l_| (w)|
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明的測量裝置由於 設置了傳聲器測量探頭和材料間距測量探頭，因此能夠實現傳聲器的間距測量，以 及材料表面到傳聲器的間距測量。2、本發明測量裝置的測量探頭與一固定手柄樞 接，能夠實現傳聲器的翻轉，因此在測量過程中可以方便的調整傳聲器的順序，從
而消除傳聲器本身的相位差。3、本發明測量裝置可在實際的工作環境狀態下，利
用普通的採集系統對實際使用中的吸聲材料進行測量，並根據其測量結果計算被測 吸聲材料的吸聲係數，克服了傳統測試方法對設備和測量環境的嚴格要求，並直接
得到最有實際應用價值的吸聲材料聲學性能參數。4、本發明結構簡單緊湊，使用
方便，成本低，可以廣泛應用於各種吸聲材料的吸聲係數測量。
圖1是本發明測量裝置的結構示意圖 圖2是本發明測量探頭的結構示意圖 圖3是本發明的第一次測量示意圖 圖4是本發明的第二次測量示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
如圖i所示，本發明的測量裝置包括一測量探頭i和一中空的固定手柄n。測
量探頭I包括一探頭基體1、兩傳聲器測量探頭2和一材料間距測量探頭3。
如圖2所示，探頭基體l為一端為矩形，另一端為半圓形的金屬板，用來固定傳聲器測量探頭2和材料間距測量探頭3。探頭基體1上靠近矩形端位置和中間位 置各開有一滑槽4、 4'，在兩滑槽4、 4'之間的探頭基體1上橫向設置有一位置 測量尺5。探頭基體1的圓形端通過螺栓和固定螺母與固定手柄II樞接，固定手柄 II可以手持進行測量。
傳聲器測量探頭2包括一圓柱形傳聲器固定管21。傳聲器固定管21的下部通 過螺栓和固定螺母連接一導向塊22，導向塊22滑設在探頭基體1上部的滑槽4內， 利用導向塊22上的螺栓和固定螺母可以將傳聲器測量探頭2固定。傳聲器固定管 21的前端設置有一用來固定連接傳聲器6的BNC接頭7 (Bayonet Nut Connector 刺刀螺母連接器)。傳聲器固定管21的後端設置有一傳聲器位置標尺8，傳聲器位 置標尺8的尖端與傳聲器6的軸線重合，傳聲器位置標尺8指在位置測量尺5上， 通過讀取兩個傳聲器位置標尺8所指示位置的刻度差即可得到兩個傳聲器6軸線間 的距離。
材料間距測量探頭3橫向設置在探頭基體1中間位置的滑槽4'上，其一端伸 出探頭基體1。材料間距測量探頭3的下部也通過螺栓和固定螺母連接一導向塊31， 導向塊31滑設在探頭基體1中間位置的滑槽4'內，利用導向塊31上的螺栓和固 定螺母可以將材料間距測量探頭3固定。材料間距測量探頭3的中心位置設置有一 材料間距位置標尺9，材料間距位置標尺9也指在位置測量尺5上，用來測定材料 間距測量探頭3到傳聲器固定管21中心的距離。
上述實施例中，探頭基體1長100mm，寬50mm，兩傳聲器測量探頭2最大間距 40mm，材料間距測量探頭3全長60mm，最大伸出量25mm，固定手柄II長1000ram。
如圖1所示，本發明的測量裝置使用時，將傳聲器6安裝在傳聲器固定管21 前端的BNC接頭7上，傳聲器6的信號線10則從傳聲器固定管21中引出，並沿固 定手柄II內部伸出連接到採集系統(圖中未示出)。由於採集系統非本發明的保護 範圍，故不再贅述。
下面以汽車車身內飾材料(即被測材料ll)測量為例，詳細說明利用本發明的 測量裝置進行吸聲係數現場測量的方法，其包括以下步驟
1) 將汽車置於空檔定置狀態，利用發動機作為聲源激勵。
2) 將傳聲器4、 fi安裝在傳聲器固定管21前端的BNC接頭7上，鬆開傳聲器測 量探頭2的固定螺母，移動傳聲器測量探頭2，並通過位置測量尺5調整傳聲器A、 S的間距至所需間隔(傳聲器4、 S的間隔一般在10mm左右)，擰緊固定螺母將傳聲 器測量探頭2固定。
3) 移動材料間距測量探頭3，通過材料間距位置標尺9確定材料間距測量探頭3的伸出長度以調整傳聲器/i或B到被測材料11表面的距離(傳聲器A或B到被測材 料11表面間距一般控制在20mm以內)，擰緊固定螺母將材料間距測量探頭3固定， 並連接傳聲器A、 B的信號線與採集系統，準備進行記錄。
4) 如附圖3所示，將探頭基體l前端靠近被測材料ll，並將材料間距測量探 頭3的伸出端靠住被測材料11表面，確保探頭基體l與被測材料ll表面平行，即 保證傳聲器A、 S的連線垂直於被測材料ll表面。擰緊探頭基體1與固定手柄II的 固定螺母，手持固定手柄n保持穩定，記錄傳聲器A和傳聲器fi的垂直間距d，傳聲 器fi到被測材料表面的垂直距離/。
5) 啟動汽車發動機並固定油門踏板，將發動機轉速穩定在較高轉速下 (3000r/min左右)，至車內發出的噪聲保持恆定狀態，待被測位置的聲場穩定後，
同時採集傳聲器A、 fi的聲壓信號，採樣時間一般在20s以上。
6) 為消除傳聲器A、 6本身的相位差，需要調整傳聲器A、 6的順序。鬆開探頭 基體1與固定手柄II的固定螺母，將測量探頭I翻轉180度，擰緊固定螺釘，調整 材料間距測量探頭3的位置，與第一次測量的距離/相同；調整傳聲器/U fi的位置， 與第一次測量的間距"相同(如附圖4所示)。重複步驟4)和步驟5)，再次記錄傳 聲器A、 5的聲壓信號。
對於其他場合的吸聲材料，可以利用揚聲器播放白噪聲來代替發動機作為聲源 進行測量，基本測量步驟與上述相同，白噪聲的頻率範圍約為20Hz至20KHz，在被 測材料附近(半徑4m範圍內)布置三至四個揚聲器。
根據上述測量方法得到傳聲器A、 fi的位置信息和聲壓信號後，本發明的吸聲系 數計算方法包括以下步驟
① 以測試時距離被測材料11較遠的傳聲器^位置設為fl點，距離較近的傳聲器 萬位置為h點(如附圖3所示)，則第一次測試得到的聲壓信號分別為rf^O和rf、0， 第二次測量得到聲壓信號為"2)^和/^2)(0，對兩次測量得到的聲壓信號做傅利葉 變換，得到聲壓信號的頻域值rf)(^、 rf)—)、 rf)^)和rf)—)。
② 利用步驟①變換得到的聲壓信號的頻域值計算a點到6點的頻率響應函數為
其中，G。。(一為a點聲壓信號自譜，C^(^為6點聲壓信號自譜，G。A—)為"點 到6點的互譜，"。(《)為/7點到"點的互譜，其計算公式為
其中，A(w)為fl點或b點的聲壓信號的頻域值，g(w)為a點或6點的聲壓信號頻利用兩次測量結果計算得到"點到6點的頻率響應函數/^)(^)和/42)( )，計算 時通過適當的加窗和平均處理可以得到a點到6點的估計頻率響應函數為
W 》) (3)
③利用傳聲器A、fi的位置信息和材料間距探頭3的位置信息可以得到傳聲器A、 5的垂直間距d和靠近被測材料11表面的傳聲器A或B (即6點的傳聲器)到被測材料 11表面的垂直距離/，計算得到被測材料11表面的聲阻抗為
H
W剩-
其中，戶和c分別為空氣的密度和空氣中的聲速，K")為"點到6點的頻率響
應函數。
4)利用上面計算得到的被測材料11表面的聲阻抗，計算被測材料11的現場
反射係數KM和現場吸聲係數為
Z + / c (5) a(<y) = 1-| (《)|
本發明僅以上述實施例進行說明，各部件的結構、設置位置、及其連接都是可 以有所變化的，在本發明技術方案的基礎上，凡根據本發明原理對個別部件進行的 改進和等同變換，均不應排除在本發明的保護範圍之外。
權利要求
1、一種吸聲係數現場測量裝置，其特徵在於它包括一測量探頭和一中空的固定手柄；所述測量探頭包括一探頭基體、兩傳聲器測量探頭和一材料間距測量探頭；所述探頭基體為一金屬板，所述探頭基體的一端和中間位置各開有一滑槽，在兩所述滑槽之間的所述探頭基體上橫向設置有一位置測量尺；所述探頭基體的另一端與所述固定手柄樞接；所述傳聲器測量探頭包括一圓柱形傳聲器固定管；所述傳聲器固定管的下部連接一導向塊，所述導向塊滑設在所述探頭基體上部的滑槽內；所述傳聲器固定管的前端設置有一用來固定連接傳聲器的BNC接頭；所述傳聲器固定管的後端設置有一傳聲器位置標尺，所述傳聲器位置標尺的尖端與傳聲器的軸線重合，所述傳聲器位置標尺指在所述位置測量尺上；所述材料間距測量探頭橫向設置在所述探頭基體中間位置的滑槽上，其一端伸出所述探頭基體；所述材料間距測量探頭下部亦連接一導向塊，所述導向塊滑設在所述探頭基體中間位置的滑槽內；所述材料間距測量探頭的中心位置設置有一材料間距位置標尺，所述材料間距位置標尺亦指在所述位置測量尺上。
2、 如權利要求1所述的一種吸聲係數現場測量裝置，其特徵在於所述探頭 基體的一端為矩形，另一端為半圓形，所述探頭基體的圓形端通過螺栓和固定螺母 與所述固定手柄樞接。
3、 一種採用如權利要求1 2所述裝置的吸聲係數現場測量方法，其包括以下步驟1) 在被測材料附近布置三至四個聲源激勵，頻率範圍約為20Hz至20KHz;2) 將傳聲器A、 S安裝在兩傳聲器固定管前端的BNC接頭上，並通過位置測量 尺調整傳聲器/U S的間距至所需間隔， 一般在10mm左右；3) 移動材料間距測量探頭，通過材料間距位置標尺確定材料間距測量探頭的 伸出長度以調整傳聲器A或fi到材料表面的距離， 一般控制在20ran以內，並連接傳 、聲器A、 B的信號線與採集系統，準備進行記錄；4) 將探頭基體前端靠近被測材料，並將材料間距測量探頭的伸出端靠住被測 材料表面，確保探頭基體與被測材料表面平行，手持固定手柄保持穩定，記錄傳聲 器A和傳聲器S的間距A傳聲器A或B到被測材料表面的距離/;5) 將聲源激勵的頻率調至5KHz以上，待被測位置的聲場lr定後，同時採集傳聲器A、 5的聲壓信號，採樣時間一般在20s以上；6)鬆開探頭基體與固定手柄的固定螺母，將測量探頭翻轉180度，調整材料 間距測量探頭的位置，與第一次測量的距離/相同；調整傳聲器A、 B的位置，與第 一次測量的間距d相同；重複步驟4)和步驟5)，再次記錄傳聲器A、 fi的聲壓信號。
4、如權利要求3所述的一種吸聲係數現場測量方法，其特徵在於根據步驟4) 步驟6)測量得到傳聲器A、 B的位置信息和聲壓信號後，採用如下方法計算被測材 料的吸聲係數.-① 以測試時距離被測材料較遠的傳聲器J位置設為a點，距離較近的傳聲器S位置為^點，貝i條一次測試得到的聲壓信號分別為rfw和rf^;)，第二次測量得到聲壓信號為pPW和pi2)(0，對兩次測量得到的聲壓信號做傅利葉變換，得到聲壓 信號的頻域值rf)(w)、 rf)(w)、 W)H和rf)(");② 利用步驟①變換得到的聲壓信號的頻域值計算fl點到^點的頻率響應函數為formula see original document page 3其中，G。。(一為a點聲壓信號自譜，G^(w)為&點聲壓信號自譜，G。Jw)為"點 到6點的互譜，C^(一為辦點到fl點的互譜，其計算公式為其中，A("為"點或&點的聲壓信號的頻域值，s(^)為"點或^點的聲壓信號頻域值的共軛；禾u用兩次測量結果計算得到"點到6點的頻率響應函數//! ("和/42)(")，計算時通過適當的加窗和平均處理可以得到"點到6點的估計頻率響應函數為③ 利用步驟4)測量得到的傳聲器A和傳聲器S的垂直間距d，以及b點的傳聲器 到被測材料表面的垂直距離/，計算得到被測材料表面的聲阻抗為formula see original document page 3,其中，p和c分別為空氣的密度和空氣中的聲速，/^(w)為"點到6點的頻率響 應函數。④利用步驟③計算得到的被測材料表面的聲阻抗，計算被測材料的現場反射係數K )和現場吸聲係數為formula see original document page 4
全文摘要
本發明涉及一種吸聲係數現場測量裝置，其特徵在於它包括測量探頭和固定手柄；測量探頭包括探頭基體、傳聲器測量探頭和材料間距測量探頭；探頭基體的一端和中間位置各開有滑槽，在兩滑槽之間的探頭基體上設置有位置測量尺；探頭基體的另一端與固定手柄樞接；傳聲器測量探頭包括傳聲器固定管，其通過導向塊滑設在探頭基體上部的滑槽內；傳聲器固定管的前端設置有BNC接頭，後端設置有傳聲器位置標尺，傳聲器位置標尺的尖端與傳聲器的軸線重合且指在位置測量尺上；材料間距測量探頭通過導向塊橫向滑設在探頭基體中間位置的滑槽上，其中心位置設置有材料間距位置標尺，材料間距位置標尺也指在位置測量尺上。本發明結構簡單緊湊，使用方便，成本低，可以廣泛應用於各種吸聲材料的吸聲係數測量。
文檔編號G01N29/11GK101458231SQ20091007612
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月7日 優先權日2009年1月7日
發明者李克強, 楊殿閣, 王建強, 羅禹貢, 連小珉, 鄭四發, 鵬 郝 申請人:清華大學