吸声降噪技术:2 法向入射吸声性能的测量

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在上期的技术分享中跟大家介绍了吸声材料及其性能的表征,我们知道吸声系数分为法向(垂直)入射吸声系数以及无规入射吸声系数两种,其中无规入射吸声系数是各个方向斜入射吸声系数的总和。本期将跟大家分享吸声系数的测量方法中的法向入射吸声系数的测量,在下期再跟大家分享无规入射吸声性能的测量。

一、

法向(垂直)入射吸声系数的测量

法向入射吸声系数(又称垂直入射吸声系数)通常用符号1 (18).png表示。这种吸声系数采用阻抗管 (又称驻波管) 法进行测量,Standing Wave Tube、Impedance Tube以及源自德文的Kundt’s Tube是经常在英文文献中看到对驻波管的表述。阻抗管法所需试件的材料面积很小,测试装置简单,测试结果精确。适用于进行吸声理论研究、吸声结构的优化试验、研制开发新产品以及进行材料吸声性能的相对比较时采用。

在阻抗管中测量法向入射吸声系数的方法又分为驻波比法和传递函数法两种,这两种方法的测量过程及其要求的详细描述分别由以下两个国家标准给出:

①.GB/T 18696.l-2004 声学   阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量   第1部分:驻波比法。 (eqv. ISO 10534-1,美国标准ASTM C 384)

②. GB/T 18696.2-2002 声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第2部分:传递函数法。(eqv. ISO 10534-2,美国标准ASTM E 1050)



☞1.1 驻波比法法向入射吸声系数测量

驻波比法的测量装置见图1,其基本原理是由声频信号发生器带动安装在驻波管一端的扬声器,在驻波管内辐射平面波,当平面波在管中传播遇到阻抗管另一端时将产生一反射平面波,入射平面波与反射平面波相互叠加后形成驻波,从而在管内形成了固定的波腹和波节,因此,阻抗管也称为驻波管。波腹处的声压极大值与波节处的声压极小值之比称为驻波比s。测得管中的驻波比后,根据下式计算法向入射吸声系数:

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(图1 驻波比法吸声系数测量装置图)

驻波比法测量必须保证在管内形成平面波,而管道内在与管道截面尺寸有关的一定频率以下才不会产生高次波,即驻波比法测量存在一个上限频率。对于圆形管道,它的上限频率为:


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式中:d ─── 管道截面直径,m;

  c0 ─── 空气中的声速, m/s。

对于方形管道,它的上限频率为:


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式中:d‘ ─── 方形管道的边长,m;

  c0 ─── 空气中的声速, m/s。

阻抗管测试段的长度l决定了阻抗管测量的下限频率。首先,为了保证能在反射波相位最不利的情况下测定到两个声压极小值,阻抗管测试段的长度l必须满足:


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其次,在测试段还要避免扬声器在管中激发的高次波影响。由于扬声器发声时会在近距离处激发出高次模式的声波,因此测量中比较避开这一区域。根据管道中高次波传播衰减原理,频率低于第1个高次波截止频率的非平面波模式,将在大约3倍直径(圆形管)或3倍长边长度(矩形管)的路程内衰减掉。阻抗管中的测量区域必须避开。

综合以上2方面的因素,阻抗管的长度l必须满足:

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因此,阻抗管的长度和直径决定了所能有效测量的频率范围。

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☞1.2传递函数法法向入射吸声系数测量

随着数字测量技术的发展,利用传递函数法直接在阻抗管中测量材料的吸声系数和声阻抗是一种更加方便快速的方法。这种方法能同时测量一定频率范围内所有频率处的材料复反射系数、法向声阻抗率和吸声系数。传递函数法吸收系数测量装置如图2所示。

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(图2 传递函数法吸声系数测量装置图)

传递函数法的测量原理是将白噪声信号输入扬声器,在管道内形成驻波声场。由管壁处的传声器M1和M2同时测得声压瞬时信号p1(t)和 p2(t),这两个信号经过快速傅立叶(FFT)分析进而得到两个测点之间的传递函数。

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根据声波的传播叠加原理可得到被测材料的复反射系数R:


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式中:

s ─── 两测量传声器之间的距离,m;

     

640.webp.jpg ─── 从试样表面到较远一个测点M1的距离, m;

k ─── 波数。


由复反射系数R可求得材料的法向入射吸声系数:


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传递函数法测量的阻抗管也有上限频率和下限频率的限制。首先,测量双传声器之间的间距s必须足够大,以保证准确测到两个位置的声压变化。一般认为这个间距至少为所测量波长的1/20的长度,因此,阻抗管的长度至少要满足:


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另外,当双传声器间距s趋近1个波长时,两点测量结果相同,计算式(1.7)中分母为0。为了保证计算中分母不出现0的情况,测量的上限频率必须满足:

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同时还要考虑管中满足平面波条件,由式(1.2)或式(1.3)和式(1.10)联合确定测量的上限频率。

突破上限频率的方法是采用3传声器法,通过3传声器组合成两种双传声器间距,可以错开分母为0点的频率。

由于传递函数法测量的便利性,而且其测量结果与驻波比法的结果完全等同,因此传递函数法被越来越广泛采用,在许多新修订的标准中对吸声性能参数的要求所提出的测量方法大多推荐传递函数法。

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☞1.3测量规范及标准

材料法向吸声系数测量主要有下列标准:

GB/T 18696.l-2004 声学   阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量     

第1部分:驻波比法。

ISO 10534-1:1996 Acoustics--Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes -- Part 1: Method using standing wave ratio. (BS-EN-ISO-10534-2-2001)

ASTM C384-04(2016) Standard Test Method for Impedance and Absorption of Acoustical Materials by Impedance Tube Method.

GB/T 18696.2-2002 声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量       

第2部分:传递函数法

ISO 10534-2:1998 Acoustics-Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes -- Part 2: Transfer-function method

ASTM E1050-12 Standard Test Method for Impedance and Absorption of Acoustical Materials Using a Tube, Two Microphones and a Digital Frequency Analysis System

☞1.4测量设备和设施-特殊阻抗管

由于材料低频吸声性能的重要性,往往希望得到更低频率下的吸声性能,又因为低频吸声性能很好的材料都有相对大的尺度。设备供应商提供的阻抗管一般不能满足这样的测量要求。

同济大学的低频阻抗管

同济大学声学研究所在1974年建立了直立式的低频阻抗管,管道截面为600mm×600mm,可用于大型吸声材料或结构的低频吸声性能的测量,如消声室用吸声结构的测量。下图为该阻抗管道实物照片。

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(图3 同济大学直立式低频阻抗管)

南京大学的低频阻抗管

南京大学建立了400mm×400mm的方形低频阻抗管,该阻抗管为横卧式,采用双传声器法进行测量。

英国Salford大学的低频阻抗管

英国Salford大学建设了一圆管式低频驻波管,用于测量低频段的材料的吸声性能。该阻抗管采用22mm厚的低碳钢制作,具体的管径以及有效测量频率范围没有公布。下图分别为该低频驻波管的示意图、实景照片以及原理图。

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(图4 英国Salford大学的低频阻抗管)

德国IBP的低频阻抗管

德国弗劳恩霍夫建筑物理研究所为了进行吸声结构低频吸声性能的研究,设计了截面积为1.6m×1.2m的低频阻抗管。

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(图5 德国IBP的低频阻抗管)


☞1.5 阻抗管吸声测量的特殊应用

低噪声路面材料的吸声性能的测量可以取样到阻抗管中进行,但由于采样后的吸声性能与实际现场的会有差异,因此有些阻抗管设备开发了进行现场吸声性能测量的阻抗管。用于测量路面的吸声性能时,测量如下图所示。测试主要按照以下2个标准执行。该测试需要在阻抗管的基础上,附加相关配件(地面耦合接管,路面采样器具)才能进行。



ISO 13472-1:2002 Acoustics -- Measurement of sound absorption properties of road surfaces in situ -- Part 1: Extended surface method

ISO 13472-2:2011 Acoustics -- Measurement of sound absorption properties of road surfaces in situ -- Part 2: Spot method for reflective surfaces

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(图6   AcoustiTube®阻抗管用于路面吸声测量)

附:SINUS AED1000阻抗管的主要特征

德国AED 1000 – AcoustiTube®阻抗管

德国The Gesellschaft für Akustikforschung Dresden mbH公司的AED 1000– AcoustiTube®阻抗管具有更加多的尺寸,同时测量频率范围也相应扩大。尤其是10.2kHz的高频范围是目前供应商能提供的最高测量频段,另外其150Hz~6.6kHz范围的测量只要用直径φ30mm的样品就能实现。

① Type 1:直径φ40mm,测量频率范围为100Hz~4.4kHz;

② Type 2:直径φ100mm,测量频率范围为50Hz~2kHz;

③ Type 3:直径φ30mm,测量频率范围为150Hz~6.6kHz;

④ Type 4:直径φ15mm,测量频率范围为150Hz~10.2kHz

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(图7   AcoustiTube®阻抗管)


本期文章-吸声系数的测量方法中的法向入射吸声系数的测量到此结束,感谢您的关注和阅读!

我们应该用什么来测量材料的吸声系数呢?副文我们将会详细介绍德国AED 1000 – AcoustiTube®阻抗管,欢迎大家点击阅读......

参考文献:

1. 毛东兴,洪宗辉 主编. 环境噪声控制工程(第二版),普通高等教育“十一五”国家级规划教材,北京:高等教育出版社,2010年1月

2. 钟祥璋. 建筑吸声材料与隔声材料(第2版), 北京:化学工业出版社, 2012年5月


文章分类: 声学
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