聲管寬帶脈沖二次透射法隔聲測試技術(shù)

劉 哲，侯 宏，衛(wèi)政宇，張萌飛，柒志光

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072）

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，人們對于聲環(huán)境質(zhì)量越來越重視，這對產(chǎn)品的聲學(xué)性能提出了很高的要求，因此噪聲與振動控制對于產(chǎn)品設(shè)計、工程應(yīng)用有著重要意義。噪聲與振動控制的重要手段之一是使用聲學(xué)材料，其聲學(xué)參數(shù)的寬帶測試受到了廣泛的關(guān)注。

聲學(xué)材料的隔聲性能主要以隔聲量或透射系數(shù)衡量，其測試由相關(guān)測試標準進行了規(guī)定。常用的聲學(xué)材料隔聲性能聲管測量方法包括空氣聲管中的傳遞矩陣法等[1]，及水聲管中的脈沖管法等[2]。文獻中圍繞著隔聲性能測試也開展了許多研究，如改進的駐波分解法[3]、基于上端管末端聲阻抗的測試方法[4]，孫亮等提出了時域分離寬帶脈沖法[5]，其原理是在聲管中生成持續(xù)時間短、頻帶范圍寬的脈沖信號，用此脈沖信號進行測試，分別在樣品前后用一個傳聲器采集到時域中分離的入射波、反射波、透射波，進而進行一系列計算得到樣品的隔聲性能參數(shù)。本文在此方法的基礎(chǔ)上研究了利用二次透射波的寬帶脈沖法，提出了基于寬帶脈沖二次透射波計算隔聲參數(shù)的方法（以下簡稱為二次透射法），可以有效地在較短的聲管中進行測試，為脈沖聲管的設(shè)計和聲管中的隔聲測試提出了一種新的思路。

1 寬帶脈沖二次透射法

時域分離寬帶脈沖法基本原理如下：基于維納濾波原理，可以在聲管內(nèi)部產(chǎn)生時域波形規(guī)整、頻帶寬、重復(fù)性好的脈沖聲[6]，應(yīng)用此脈沖聲信號進行隔聲測量。樣品置于脈沖聲管中央，在樣品前用一個傳聲器采集時域上分離的入射波與反射波，樣品后用一個傳聲器采集透射波，進而計算復(fù)反射系數(shù)、透射系數(shù)、隔聲量。

二次透射法是在寬帶脈沖法基礎(chǔ)上的改進方法，其原理是將樣品材料置于脈沖聲管中，將標準反射體置于聲管末端，根據(jù)管長和脈沖聲長度設(shè)計樣品安裝位置及傳聲器位置，在樣品前用一個傳聲器采集時域上分離的入射波、反射波、二次透射波，從而計算待測樣品的隔聲性能參數(shù)。

圖1 測試系統(tǒng)

傳聲器位置滿足一定條件：一次入射波、一次反射波、二次透射波、二次入射波時域上波形不疊加。聲管各項參數(shù)如圖1，傳聲器至聲源的距離為l，樣品前表面至聲源距離為D，脈沖聲管管長為L。設(shè)在脈沖管中生成的寬帶脈沖時長為t，空氣中聲速為c，則在傳聲器處采集到的信號中，一次入射波的時間區(qū)間為(l/c,l/c+t)，一次反射波的時間區(qū)間為((2D-l)/c,(2D-l)/c+t)，二次透射波的時間區(qū)間為((2L-l)/c,(2L-l)/c+t)，由一次反射波在聲源處反射引起的二次入射波的時間區(qū)間為((2D+l)/c,(2D+l)/c+t)，故應(yīng)有

化簡可得

可見只要設(shè)計樣品安裝位置D以及傳聲器位置l滿足式（2），便可用一次測試采集到在時域上分離的入射波A、反射波B、二次透射波C，進而計算樣品材料的隔聲性能參數(shù)。聲壓透射系數(shù)

隔聲量

2 寬帶脈沖聲的生成

基于維納濾波原理可以在聲管中生成波形可控、穩(wěn)定性高的脈沖聲，其過程為：首先用某一寬帶信號激勵揚聲器，測量傳聲器處聲壓作為響應(yīng)信號，設(shè)激勵和響應(yīng)信號的傅立葉變換分別為He(ω)和Hr(ω)，則可由下式解算聲源系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)

之后根據(jù)需要設(shè)計的脈沖聲（設(shè)其幅度譜為Hy(ω)）和解算出的頻率響應(yīng)函數(shù)H(ω)，由下式計算驅(qū)動信號的頻譜

對Hx(ω)進行反傅立葉變換后便得到系統(tǒng)的驅(qū)動信號。

在脈沖聲管中用以下兩種寬帶脈沖信號（零相位信號與巴特沃斯信號）作為激勵信號，通過上述步驟獲得相應(yīng)的驅(qū)動信號。零相位信號的中心頻率為3.2 kHz，頻帶上限為6.4 kHz，巴特沃斯信號的截止頻率為7 kHz，兩種信號的時域與頻域波形分別如圖2、圖3。

圖2 生成的零相位信號時域與頻域圖

3 測試結(jié)果及分析

為了驗證二次透射法在隔聲測試中的有效性，在脈沖聲管中用上節(jié)生成的兩種寬帶脈沖信號（零相位信號與巴特沃斯信號）的驅(qū)動信號作為激勵信號，對某型海綿樣品進行了測試。測試采用的脈沖聲管長1.52 m，截止頻率為7.1 kHz，傳聲器距聲源0.79 m，樣品位置距聲源1.10 m，滿足式（2）。

圖3 生成的巴特沃斯信號時域與頻域圖

數(shù)據(jù)處理時根據(jù)聲管長度、傳聲器位置、樣品安裝位置確定信號截取的點數(shù)，將入射波、二次透射波截取如圖4。

圖4 測試信號波形截取

從圖4可見，生成的兩種寬帶脈沖信號波形規(guī)整，時長約1 ms，滿足測試需求。

將截取信號做傅立葉變換，根據(jù)式（3）進行聲壓透射系數(shù)計算。為了驗證二次透射法的有效性，還進行了時域分離寬帶脈沖法測試，其結(jié)果對比如圖5。

雖然本次測試的樣品是勻質(zhì)海綿，但由于樣品是手工加工而成，其邊緣加工精度會引起一定程度的兩個方向透射性能的差異，考慮到這一影響，對樣品進行了兩個安裝方向下的測試。

圖5顯示二次透射法和寬帶脈沖法結(jié)果吻合良好，待測海綿樣品的兩種安裝方式（正反向）對測試結(jié)果幾乎沒有影響。二次透射法是1種簡單有效的隔聲測試方法。

由于零相位信號的頻譜能量集中在中心頻率3.2 kHz附近，因而用零相位信號作激勵信號時1 kHz以下和4.5 kHz以上頻段的信號信噪比較低，測試結(jié)果誤差較大；而巴特沃斯信號在截止頻率以下的頻段能量分布均勻，可以較精確地得到整個測試頻段的結(jié)果。本次測試的主要誤差來源是聲管末端的硬界面，因為其不能達到“絕對硬”的邊界條件，故而二次透射波會受到一定影響，在測試結(jié)果中就會產(chǎn)生一定的誤差。

4 結(jié)語

本文提出了基于寬帶脈沖二次透射波的隔聲測試方法，這種測試方法只需要1個傳聲器進行一次測試，相較于需要1個傳聲器進行兩次測試的時域分離寬帶脈沖法大幅提升了測試效率。驗證實驗結(jié)果和寬帶脈沖法結(jié)果吻合良好，是1種簡單有效的測試方法。值得一提的是在待測樣品隔聲量很大時，二次透射波的振幅可能會變得很小，從而引起較大的測試誤差，因此在使用二次透射法時要注意測試對象的隔聲量不宜過大。

圖5 測試結(jié)果對比

[1]BRYAN H.SONG AND J.STUART BOLTON.A transfermatrix approach for estimating the characteristic impedance and wave numbers of limp and rigid porous materials[J].J.Acoust.Soc.Am.,2000(107):1131-1154．

[2]GB/T 5226-2006，聲學(xué) 水聲材料縱波聲速和衰減系數(shù)的測量脈沖管法[S].

[3]PAOLO BONFIGLIO,FRANCESCO POMPOLI.A single measurement approach for the determination of the normal incidence transmission loss[J].J.Acoust.Soc.Am.,2008(124):1577-1583.

[4]RAYMOND PANNETON.Normalincidencesound transmission loss evaluation by upstream surface impedance measurements[J].J.Acoust.Soc.Am.,2009(125):1490-1497.

[5]LIANG SUN,HONG HOU.Transmission loss measurement of acoustic material using time-domain pulse-separation method[J].J.Acoust.Soc.Am.,2011,129(4),1681-684.

[6]侯宏，孫亮.聲管脈沖回波管法吸聲測量技術(shù)[J].計量學(xué)報，2010，31(2)：101-105.