多孔金屬吸聲性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張偉永，張波，朱建，皮進(jìn)寶,李娟

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，銀川750021)

多孔金屬吸聲性能測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張偉永，張波，朱建，皮進(jìn)寶,李娟

(寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，銀川750021)

為深入研究多孔金屬材料的聲學(xué)性能，基于雙傳聲器傳遞函數(shù)法設(shè)計(jì)一套多孔金屬材料吸聲性能測試系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了整個(gè)測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，給出具體的設(shè)計(jì)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，搭建實(shí)際多孔金屬材料阻抗管測試系統(tǒng)，并通過對標(biāo)準(zhǔn)多孔金屬試樣進(jìn)行對比測試驗(yàn)證測試系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性；最后，對測試系統(tǒng)誤差來源及誤差修正方法也進(jìn)行進(jìn)一步分析和討論。研究結(jié)果將為后續(xù)極端環(huán)境下多孔金屬的系列研究奠定基礎(chǔ)。

聲學(xué)；多孔金屬材料；阻抗管；聲學(xué)性能；傳遞函數(shù)法

多孔金屬是一種新型功能材料，可廣泛應(yīng)用于減振、降噪、熱交換、能量吸收等多種領(lǐng)域，作為一種吸聲材料尤其適合在各種惡劣的環(huán)境中應(yīng)用。吸聲材料的聲學(xué)特性包括吸聲系數(shù)、表面聲阻抗率、特性阻抗及復(fù)波數(shù)等。目前，吸聲系數(shù)及表面聲阻抗測試方法主要有駐波比法和傳遞函數(shù)法；其中，傳遞函數(shù)法效率比較高，應(yīng)用最廣泛。本文擬針對多孔金屬材料的聲學(xué)性能開展研究，應(yīng)用雙傳聲器傳遞函數(shù)法設(shè)計(jì)和搭建了測試系統(tǒng)。

1980年，美國通用汽車公司J.Y.Chung和D.A.Blaser采用雙傳聲器傳遞函數(shù)法測試多孔材料的吸聲系數(shù)和表面聲阻抗，從而實(shí)現(xiàn)了吸聲材料寬頻聲學(xué)性能的快速測量目標(biāo)[1,2]，此后，相關(guān)的理論及實(shí)驗(yàn)研究層出不窮[3―5]。

1 理論基礎(chǔ)

本文設(shè)計(jì)搭建的測試系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，測試系統(tǒng)基本原理為雙傳聲器傳遞函數(shù)法。圖1中，揚(yáng)聲器產(chǎn)生寬頻帶隨機(jī)平穩(wěn)信號(hào)，傳聲器1和傳聲器2處獲得的隨機(jī)聲壓信號(hào)P1，P2經(jīng)過時(shí)間延遲、卷積等處理后分解成入射波和反射波兩部分，最后應(yīng)用相關(guān)函數(shù)和譜密度函數(shù)方法，可得到復(fù)反射系數(shù)的計(jì)算公式如下所示[1]

式中φr是復(fù)聲壓反射系數(shù)的相角，rr為復(fù)聲壓反射系數(shù)的實(shí)部，ri為虛部，S為傳聲器間距，Lx為近端傳聲器2至參考平面(即材料表面)的距離。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖

由此，可得吸聲系數(shù)計(jì)算公式為

其中

聲阻抗率公式為

式中傳遞函數(shù)H12可由傳聲器1的自譜和傳聲器1和2的互譜來求出，其測量公式為

假設(shè)交換傳聲器之前傳遞函數(shù)H12表示為:

其中φ1為傳聲器2與傳聲器1之間的相位差。

則交換傳聲器后傳遞函數(shù)H12為

其中φ2為傳聲器1與傳聲器2之間的相位差。

校準(zhǔn)后的傳遞函數(shù)計(jì)算公式為

2 阻抗管設(shè)計(jì)

本文中阻抗管的結(jié)構(gòu)形式及尺寸如圖2所示。

圖2 阻抗管整體設(shè)計(jì)

圖2中阻抗管左端為聲源段。右端為試件安裝段(即試件筒部分)，阻抗管采用304不銹鋼管加工而成，鋼管截面為圓形，內(nèi)徑d為100 mm，管壁厚10 mm，隔聲性能良好，管壁表面光滑，吸聲系數(shù)可忽略不計(jì)。

2.1 揚(yáng)聲器筒設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原則：防止共振，防止干擾，防止固體聲傳播。具體尺寸及結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 揚(yáng)聲器筒設(shè)計(jì)圖

2.2 傳聲管設(shè)計(jì)

傳聲管設(shè)計(jì)過程中確定揚(yáng)聲器位置時(shí)要保證：揚(yáng)聲器與最近的傳聲器之間的距離至少是管徑的三倍，距離試件最近的傳聲器與試件表面的距離至少是管徑的一倍。其中傳聲器安裝位置如圖4，5所示。

圖4 傳聲管的設(shè)計(jì)

圖5 傳聲器安裝位置

2.3 試件筒設(shè)計(jì)

試件筒的設(shè)計(jì)原則為：試件筒的設(shè)計(jì)必須滿足從試件筒的前面和后面都可接近測試樣。目的是便于檢查試驗(yàn)安裝的前后面是否齊平，試件筒的背板必須是剛性且固定緊密(圖6)。因?yàn)樗且粋€(gè)剛性反射終端，故本文設(shè)計(jì)厚度為30 mm，滿足剛性不可滲透要求?？烧{(diào)試件筒深度為200 mm，可以測試組合試樣，試樣放入后通過螺紋聯(lián)接與傳聲管固定，同時(shí)活塞通過O形密封環(huán)與管壁過盈配合以保證密封性良好。裝配完成后的阻抗管如圖7所示。

圖6 試件筒結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 阻抗管實(shí)體圖

2.4 有效頻率范圍計(jì)算

因?yàn)樽杩构芙孛鏋閳A形，屬于軸對稱圖形，在室溫為20°C，聲速c0=343.2 m/s時(shí),根據(jù)管內(nèi)平面波條件，阻抗管理論上限頻率計(jì)算為

若取最遠(yuǎn)傳聲器之間的距離為S=140 mm，傳遞函數(shù)法產(chǎn)生奇異頻率為

測量頻率上限宜取以上兩者頻率較小值。

根據(jù)阻抗管測試原理，雙傳聲器間距應(yīng)滿足大于波長λ的5%，即，推知

由此，可知系統(tǒng)理論測試頻率范圍為

同理，若傳聲器1，2之間的距離取S=70 mm，則理論測試頻率要同時(shí)滿足下式，即

即245 Hz＜f＜2 011 Hz

最后，設(shè)計(jì)并搭建完成的多孔金屬材料聲學(xué)性能測試系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 多孔金屬聲學(xué)性能測試系統(tǒng)實(shí)物

圖8中，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出白噪聲經(jīng)過功率放大器PA50放大后激勵(lì)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，聲壓信號(hào)再經(jīng)過傳聲器和前置放大器轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，直接輸入DASP大容量數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，再經(jīng)后處理即可獲得測試數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)有效性驗(yàn)證與誤差分析

3.1 系統(tǒng)有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)搭建的阻抗管多孔金屬材料聲學(xué)性能測試系統(tǒng)的有效性，本文選擇已經(jīng)丹麥B&K公司聲學(xué)材料系統(tǒng)測試過的樣品進(jìn)行對比測試，所用測試樣及校準(zhǔn)聲源如圖9所示。圖10為交換傳聲器后測得的傳遞函數(shù)H12的幅值及其相位校正過程。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)試樣和傳聲器校準(zhǔn)聲源

從圖10中可以看出，用交換傳聲器的方法，可以明顯的校正傳遞函數(shù)幅值和相角，進(jìn)而可有效地改善系統(tǒng)的增益和相位影響。圖11為本文與丹麥B&K公司測試系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)對比。從圖11可以看出整體相對誤差隨著頻率的增大最終變小，接近截止頻率處約200 Hz時(shí)，相對誤差最大(為22.85%)，具體對比數(shù)據(jù)如表1所示。

圖10 傳遞函數(shù)幅值(a)和相角校準(zhǔn)(b)

表1 吸聲系數(shù)對比

圖11 剛性背襯條件下，本系統(tǒng)和B&K測試系統(tǒng)測得的吸聲系數(shù)及相對誤差對比(傳聲器間距為70 mm)

通常，工程中吸聲材料的吸聲性能可用材料的降噪系數(shù)(Noise reduction coefficient，NRC)來衡量，即取頻率250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz四個(gè)頻率處吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值。采用本文所設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)測得的多孔金屬試樣的降噪系數(shù)為

采用丹麥B&K公司系統(tǒng)測得降噪系數(shù)為

對比結(jié)果表明：兩個(gè)測試系統(tǒng)在評價(jià)材料的吸聲性能方面的效果是一致的。此外，有空氣層時(shí)，多孔金屬吸聲系數(shù)曲線見圖12。由圖可知，增加材料背面空氣層可以有效的改善材料的低頻吸收性能。

圖12 材料背面有空氣層時(shí)本系統(tǒng)的測量結(jié)果

3.2 誤差分析

(1)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中激勵(lì)信號(hào)采用白噪聲，為避免時(shí)間混疊，選取信號(hào)長度遠(yuǎn)大于阻抗管中的聲傳播時(shí)間，即

(2)相位和幅度失配通過交換傳聲器重復(fù)測量的方法補(bǔ)償(如圖10所示)。此外，測試之前，均采用標(biāo)準(zhǔn)聲源(見圖9 b)對傳聲器進(jìn)行校正，力圖將傳聲器信號(hào)幅度讀數(shù)之差限制在0.3 dB以內(nèi)；

(3)考慮到傳聲器間距會(huì)影響測試精度：間距增大高頻測試精度降低，而低頻測試精度升高。因此，實(shí)際中根據(jù)需要的測試頻段合理變換傳聲器間距，以保證系統(tǒng)具有足夠的測試精度；

(4)本測試系統(tǒng)中測試樣品到近端傳聲器的距離確定為一倍管徑，故阻抗管衰減影響可忽略不計(jì)。

4 結(jié)語

本文在分析雙傳聲器傳遞函數(shù)法原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建了一套多孔金屬材料聲學(xué)性能阻抗管實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，進(jìn)一步以多孔金屬材料作為標(biāo)準(zhǔn)試樣，分別采用本系統(tǒng)和B&K公司聲材料測試系統(tǒng)對多孔金屬吸聲性能進(jìn)行了對比測試，對比結(jié)果說明本文所設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)具有令人滿意的測試精度，從而為后續(xù)相關(guān)研究工作的開展奠定了基礎(chǔ)。

[1]Chung J Y,Blaser D A.Transfer function method of measuring in-duct acoustic properties.I.Theory[J].J.Acoust.Soc.Am.,1980,68(3):907-913.

[2]Chung J Y,Blaser D A.Transfer function method of measuring in-duct acoustic properties.II.Experiment[J].J.Acoust.Soc.Am.,1980,68(3):914-921.

[3]胡恒，鄭四發(fā)，郝鵬，等.材料吸聲系數(shù)雙傳聲器測量的參數(shù)識(shí)別方法[J].應(yīng)用聲學(xué)，2008，27(4)：305-310.

[4]馮濤，劉斌，王晶，等.基于Lab VIEW的材料法向吸聲系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制[J].測控技術(shù)，2010，29 (10)：32-37.

[5]袁建，林勝，賀才春.阻抗管中吸聲系數(shù)的傳遞函數(shù)測量法[J].噪聲與振動(dòng)控制，2006，3（1）：68-70.

Design of Testing System for Measurement of Sound Absorbing Properties of Porous Metallic Materials

ZHANG Wei-yong,ZHANG Bo,ZHU Jian,PI Jin-bao,LI Juan

(School of Mechanical Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

To study the acoustic properties of porous metallic materials,an impedance tube test system is developed for measurement of sound absorbing properties of porous metals based on the double-microphone transfer function method.The design process of the system is described in detail and the design parameters are provided.On this basis,a real measurement system is established and its feasibility and stability are validated by comparative testing of typical porous metallic specimens.Finally,the source of testing errors and the corresponding correction methods are analyzed and discussed.

acoustics;porous metallic material;impedance tube;acoustic properties;transfer function method

TB5

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.044

1006-1355(2014)01-0196-05

2013-04-22

寧夏自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(基金編號(hào)：NZ1007)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(基金編號(hào)：51065025）

張偉永（1987-），男，山東臨沂人，碩士生，目前從事噪聲與振動(dòng)控制研究。

E-mail:12712580@qq.com

張波(1973-),男，寧夏青銅峽人，副教授，碩士生導(dǎo)師，目前從事噪聲與振動(dòng)控制研究。

E-mail:zhangbonxu@gmail.com