2002年12月 噪 声 与 振 动 控 制 第6期
文章编号:1006-1355(2002) 06-0044-03
驻波管中隔声量的四传感器测量法
曲 波, 朱蓓丽
(上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室, 上海200030)
摘 要:本文研究了驻波管中隔声量测试的一种新方法———四传感器测试法。它可以有效地消除透声部分末
端反射波, 尤其能提高低频段隔声量的测试精度。本文推导了四传感器法的隔声量计算公式, 并进行了实验验证和分析。结果表明:采用四传感器法可更加精确地测定小样品垂直入射时的隔声量。
关键词:驻波管; 隔声量; 吸声末端; 四传感器法中图分类号:T U112. 2+1 文献标识码:A
Four -microphone Method of Sound Transmission in the Standing Wave Tube
QU Bo , ZHU Bei -li
(State Key Labo ratory of Vibration , Shock &Noise Shanghai
Jiao Tong University , Shanghai 200030, China )
A bstract :A new method , four -micropho ne method that is used to measure sound transmission loss in the standing w ave tube , has been studied in this paper . The method separated the transmission w ave from the reflected wave in the absorbent ending . We conducted the formula and made an experi -ment on the w ave tube . The results turn out :that the new method can raise the precision of the mea -surement , especially in the low frequency range .
Key words :standing w ave tube ; sound transmission loss ; abso rbent ending ; four -microphone method
前 言
隔声是研究在各种结构或设备中声传递现象的一门理论与技术。评价构件隔声性能的物理量是隔声量TL (单位是dB ) , 又称作传声损失。
最早测量隔声是测量建筑中间隔墙的隔声, 以后发展为测量构件隔声的混响室方法。这需要将面积约为10m 2的样品放在两个相邻混响室隔墙的中间。1962年, ISO 正式将这一方法定为国际标准, 并一直作为测量构件隔声的主要方法。另一种测量小型结构隔声的方法, 由白瑞纳克等人提出, 以后鲁苏将这一方法完善并与混响室方法进行了对比实验
[1]
论研究。
本文介绍一种在驻波管垂直入射隔声量测量中的四传感器法, 它在以前的三传感器测量方法[3]的基础上加以改进, 提高了测试精度, 特别是低频段的精度, 可为理论研究及工程应用提供可靠的测试手段。
1 理论分析
隔声量TL 的定义为
TL =-20log |t p | (dB )
其中t p 为声压透射系数
t p =p t /p i
的透射波声压
。
(2)
式中p i 为样品前方的入射波声压, p t 为样品后方
(1)
。
1978年, 我国研究出一种测量轻型结构隔声的方法, 称为混响———隔声消声箱方法, 这种方法可同时进行声波在垂直与无规入射两种情况下的隔声测量[1]。但目前广为采用的隔声量测试方法还是混响室法。
混响室法测隔声量时, 被测样品的面积一般较大。为了进行小样品的隔声量测试, 近来已有人在驻波管中进行了方法研究[3]。在驻波管中进行隔声量测试不仅方便简捷, 而且利用管内产生的平面波声场可严格按隔声量的定义进行测量, 有利于理
收稿日期:2002-06-18
作者简介:曲波(1977-) , 男, 河南安阳人, 在读硕士生。
图1 三传感器法测试示意图
1. 1 驻波管中隔声量一般测试方法———三传感器法
如图1所示的三传感器法, 被测样品置于驻波管的中央, 其厚度为d 。样品的前方为声波的入射部分, 后方为透射部分。由于样品表面的反射, 入射
驻波管中隔声量的四传感器测量法
部分形成驻波场, 必须采用驻波分离方法, 即用两个传感器把入射波与反射波分开[3]。在透射部分, 理论上要求只存在透射波, 因此装上吸声尖劈末端以保证在测试频段内透射部分为行波场。
我们推得被测样品的声压透射系数t p 为:
2sin (kS 1) ·p 3jk (L +L )
12
t p =e -jkS
p 2e 1-p 1
(3)
的复声压。
45
由式(5) 可看出, 参数L 1和L 2仅与t p 的相位值有关, 但不能太小, 因为在样品表面的声场不均
匀, 并有被激发的高次波存在, 所以L 1和L 2一般应大于管的直径。传感器间距S 1和S 2的大小与测试频段有关, 频率越低, 其值越大[4], 测试时尽量保证两者相等。
由于透射部分采用了双传感器, 将透射部分的反射波从声场中分离了出来, 因此吸声尖劈的吸声性能对隔声量测试的影响不大。利用四传感器测试法, 可同时获得被测样品的复反射系数和复透射系数, 这对研究被测材料的声学特性是非常有利的。
式中:S 1为传感器①和传感器②的距离; L 1为传感器②与被测样品正表面的距离; L 2为传感器③与被测样品背面的距离; p 1, p 2, p 3分别为传感器①,②,③测得的复声压。
1. 2 吸声末端对隔声量测试的影响
假设透射部分由于末端的反射而存在驻波, 当传感器位于波腹或波节处会产生隔声量最大误差|p t |
(4)
|p t |±|p tr |
式中p tr 为透射部分的反射波声压。这样, 若吸声尖ΔTL max : ΔTL max =20log
劈的声压反射系数为0. 1, 传感器位于波节时导致的隔声量误差最大值为0. 92dB 。同样, 若吸声尖劈的吸声系数为0. 96时, 声压透射系数为0. 2, 隔声量最大误差为1. 94dB ; 若吸声系数为0. 9, 引起的隔声量最大误差可达3. 3dB 。要保证隔声量测试误差在±1dB 之内, 就要求吸声末端的吸声系数大于0. 99, 这对吸声末端的吸声性能提出了很高的要求。
在驻波管中一般采用吸声尖劈作吸声末端。由于吸声尖劈在低于截止频率时吸声系数急剧下降, 不能保证透射部分的行波场条件。为了能在较低频率准确测量, 吸声尖劈必须做得很长。1. 3 四传感器法
若在透射部分也采用双传感器法把正向透射波与末端的反射波分开, 便组成了四传感器测试方法。原理如图2所示
。
2 实验研究
隔声量测试是在自行设计制造的驻波管上进行的。该装置的透射管末端安装了一根总长度为900mm 的圆锥尖劈, 作隔声测试时驻波管的总长度为3200mm 。
2. 1 吸声尖劈的声学性能
表1为实际测得的吸声尖劈的吸声系数, 可看出其截止频率为160Hz 。
表1 吸声尖劈的吸声系数
频率
100
(Hz )
125
160
200
250
315
400
800吸声
0. 810. 970. 9920. 9990. 9990. 99990. 9999～1～1系数
2. 2 隔声量测试结果
被测样品直径10cm , 厚约2mm , 阻尼很大, 安装在驻波管内且为夹紧状态。每个样品均经过三次测量, 每次测量均分别用式(3) 和(5) 计算其隔声量, 再取平均。从测试的近十个样品结果来看, 两种方法计算的结果吻合得相当好, 仅在低于160Hz 时有些差异。表2列出其中一个样品的测试结果。图3为该样品的隔声量曲线。
表2 样品的隔声量
图2 四传感器法测试示意图
sin (kS 1) p 3e 2-p 4jk (L 1+L 2)
式为: t p =sin (kS 2) ·p 1-p 2e 1e 式中:S 1为传感器①和传感器②的距离; S 2器③和传感器④的距离; L 1为传感器②正表面的距离; L 2为传感器③离, jkS
2002年12月 噪 声 与 振 动 控 制 第6期
2. 3 结果分析
对比图3中的两条曲线可明显可看出, 在160Hz 以上频段两曲线吻合较好, 在200～1600H z
范围内近似为一条直线, 斜率约为5dB 。160Hz 以下频段, 两种方法计算结果有较大差别。用四传感器法测量的曲线在100Hz 时隔声量反而增加, 比三传感器法测得的值高约3dB 。下面我们对造成差别的原因进行分析, 同时说明采用四传感器法测得的隔声量更精确, 尤其是在低频段。
首先我们对记录的实验数据进行了分析。表3中记录了从测量放大器中读出的测点③的数值, 同时还列出了利用传递函数法[4]分离出的正向透射
图3 实验测得的隔声量曲线
波的数值。
表3 三传感器法声压误差分析
频率(Hz ) ③点的测量值＊分离的正向波＊相对误差(%)
[1**********]. 42
125520557-6. 64
1609609085. 73
2003703563. 93
3152702603. 85
5004241. 231. 87
8001918. 721. 5
10004341. 234. 29
12001211. 752. 13
16002625. 760. 93
(＊此行内的数值为测量放大器的读数)
可以看出, 在频率低于160Hz 时, 由于反射波的存在, 用三传感器法测量的是叠加波的值, 例如100Hz , 测点③的数值为245, 而实际的正向波只有177, 所以计算出的隔声量就小了。在高于160Hz 时, 传感器③测得的值与分离出的正向波之间的相对误差小于5%,所以用这两种方法计算得的隔声量曲线比较吻合。这说明末端吸声系数逼近1, 透射部分基本上为行波场。所以四传感器法考虑了透射部分的反射波, 并分离了反射波, 它的测试结果是比较准确的。
其次可从单层板的隔声特性分析。根据被测材料的尺寸, 边界条件, 模量和密度, 大致估算出它的第一阶固有频率为60Hz 左右, 该圆片样品的共振区约在50～150H z 范围内。用四传感器法可显示出该共振区域, 而用三传感器法则观测不到这一现象。由于现在采用1/3倍频程单频测量, 虽然能提高信噪比, 但测点较稀, 若改用宽带激励结合信号处理, 就可清晰地观察到共振段的隔声量振荡现象。
响。
②样品的制作和安装是保证测试精度的另一个重要因素, 特别要注意样品与管壁之间不能留有缝
隙, 以防漏声而影响测试结果。
③本方法原则上可适用于任意阻抗的吸声末端。但根据双传感器法的误差分析[4], 吸声末端的吸声性能越好, 测试精度越高。
④在测试隔声量的同时也测量了样品的复反射系数, 这对研究样品的声学特性十分有用。为此, 可根据文献分析结果, 采用不同间距的传感器组合来测试不同的频段以达到宽带测试。当然, 在同一频段入射与透声部分的传感器组合间距应该相同。 ⑤由于边缘夹紧的圆形板的共振频率与板的厚度、杨氏模量、密度、泊松比有关, 不同样品的共振频率各不相同, 阻尼也不一致, 因此比较隔声量时最好在质量控制区内。参考文献:
[1]冯王禹正. 轻结构隔声原理与应用技术[M ]. 北京:科学出
版社, 1987. [2]杜功焕. 声学基础[M ]. 上海:上海科学技术出版社,
1981.
[3]朱蓓丽, 罗晓辉. 驻波管中的隔声量测试方法[J ]. 噪声
与振动控制, 2002(6) :41-43. [4]朱蓓丽, 肖今新. 双水听器传递函数法低频测试及误差
[], 5) .
[4]
3 结论与思考
①要提高四传感器法隔声量的测试精度, 关键一点是保证四个测试通道频响的一致性。本文测试