專利名稱：聲學材料性能綜合測試儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明特別涉及一種聲學材料性能綜合測試儀。
背景技術：
隨著社會的發(fā)展、噪聲的污染問題表現(xiàn)得越來越突出，為保護環(huán)境，加強對噪聲污染控制，聲學材料得到了極為廣泛的應用。這些聲學材料按照其特性大致可分為吸音材料、隔音材料和隔振材料，隔振材料是通過減小振動來實現(xiàn)隔音的，最常見的聲學材料有玻璃棉、泡沫、毛氈、玻璃、橡膠等等。顯然，大力推廣和使用高性能的聲學材料對改善噪聲環(huán)境和提高人類的生活質量意義重大，而高性能的聲學材料的開發(fā)和生產首先是建立在對材料聲學性能的準確測試的基礎之上的。為此，從上個世紀中期開始，聲學材料測試理論得到了較快的發(fā)展，也陸續(xù)出現(xiàn)了一些相關聲學的測試設備與生產和開發(fā)聲學儀器的公司，如法國的NVI、日本的RION和丹麥的B&K等等。在聲學材料性能測試理論方面，國際上的一些學者先后提出了諸如直接法、雙麥克風法、傳遞矩陣法、駐波分離法、雙阻法、雙載法等等一系列方法，這些測試方法雖各有所長，但其精度均依賴于某些特定的假設前提，很難直接應用到測試儀器上，因此在此類測試儀器研制時，還需要考慮測試對象、儀器設計結構等因素來對各種方法的可行性進行深入考證。到目前為止，國際上只有幾種此類測試儀器，但這些大都采用了類似B&K公司的駐波聲阻管的三麥克風駐波分離動態(tài)測試結構(分體管件相對運動，且其中一支麥克風專門用于系統(tǒng)標定)，其存在著結構復雜，體積龐大，測試范圍窄，價格昂貴等缺點，很難得到大范圍推廣等缺點。長期以來，由于缺乏直接的測試手段和統(tǒng)一的測試標準，材料聲阻特性的測試大都利用一些替代設備間接完成的，致使測試效率低，誤差大，數(shù)據(jù)處理過程復雜，優(yōu)選比較困難。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，提供一種采用自動數(shù)據(jù)采集處理及人機對話界面，可實現(xiàn)聲學材料的全頻段的實時性能測試，結構簡單、功能齊全、測試速度快，精度高，成本低，簡便易學、操作方便的聲學材料性能綜合測試儀。
本發(fā)明的技術解決方案為它由對采集數(shù)據(jù)進行處理的計算機3、雙麥克風駐波管1、四麥克風駐波管2和四麥克風組5組成，其特殊之處是所述的雙麥克風駐波管1是由相互連接的前駐波管106和后駐波管104、安裝在前駐波管106的前端蓋109、設在前駐波管106前部的揚聲器107、放置在前端蓋109與揚聲器107之間的護墊、安裝在前駐波管106后部的二個麥克風夾具105、安裝在后駐波管106后端的活塞桿支撐蓋102、從活塞桿支撐蓋102穿過并位于后駐管104內的活塞桿116、活塞114和鎖緊套115、設置在活塞桿116后端的手柄螺母101、設置在前駐波管106外表面的支架112構成；所述的四麥克風駐波管2是由相互連接的前駐波管207和后駐波管202、分別安裝在前駐波管207和后駐波管202上的前端蓋210和后端蓋201、設在前駐波管207前部的揚聲器208、分別設在前駐波管207后部和后駐波管202前部的二個麥克風夾具206、設置在前駐波管207外表面的支架213構成，計算機3的音頻輸出端通過聲音均衡器4和聲音信號線分別與揚聲器107和揚聲器208連接，四麥克風組5分別通過音頻放大器6和模/數(shù)轉換電路7與計算機3的信號輸入端相連接，用于對麥克風組5獲取的聲音信號進行放大、技術降噪和模數(shù)轉換并送至計算機3進行處理。
上述的聲學材料性能綜合測試儀，在前駐波管207和后駐波管202之間設有材料夾筒203和材料套筒205，材料夾筒203和材料套筒205之間通過螺紋連接，且材料夾筒203和材料套筒205分別與后駐波管202和前駐波管207之間通過螺紋連接。
本發(fā)明的有效效果是通過駐波管自動采集信號，并由計算機進行處理和計算，實現(xiàn)了聲學材料的全頻段的實時性能測試，可進行實時材料的吸音率測試、材料的反射率測試、材料聲學阻尼測試、材料的聲學特性阻尼測試、材料的聲音傳遞常數(shù)測試、材料樣品的傳遞矩陣測試和隔音材料的傳遞損失測試，且結構簡單、功能全、調試速度快，精度高，成本低，采用人機對話界面，簡便易學、操作方便；適用于所有聲學材料生產和研究的企事業(yè)單位和部門，可為聲音材料的生產和開發(fā)、聲學控制裝置設計提供可靠的依據(jù)，從而大大提高聲學材料生產企業(yè)的市場競爭能力和企業(yè)效益，有著廣闊的應用前景。


圖1是本發(fā)明的總體結構示意圖；圖2是本發(fā)明的總體方案框圖；圖3是本發(fā)明中雙麥克風駐波管的結構示意圖；圖4是本發(fā)明中四麥克風駐波管的結構示意圖；圖5是本發(fā)明的計算機程序流程圖；圖6是雙麥克風駐波管測試原理圖；圖7是雙麥克風駐波雙阻法測試原理圖；圖8是四麥克風法測試原理圖。
圖中雙麥克風駐波管1，手柄螺母101，活塞桿支撐蓋102，被測材料103，后駐波管104，麥克風夾具105，前駐波管106，揚聲器107，BNC接口108，前端蓋109，前護墊110，環(huán)護墊111，支架112，緊固螺栓113，活塞114，鎖緊套115，活塞桿116，壓蓋117，四麥克風駐波管2，后端蓋201，后駐波管202，材料夾筒203，被測材料204，材料套筒205，麥克風夾具206，前駐波管207，揚聲器208，BNC接口209，前端蓋210，前護墊211，環(huán)護墊212，支架213，緊固螺釘214，管接夾具215，設計終端216，計算機3，聲音均衡器4，四麥克風組5，麥克風501，麥克風502，麥克風503，麥克風504，音頻放大器6，模/數(shù)轉換電路7。
具體實施例方式
如圖1～圖4所示，該聲學材料性能綜合測試儀由對采集數(shù)據(jù)進行處理的計算機3、雙麥克風駐波管1、四麥克風駐波管2、四麥克風組5組成。所述的雙麥克風駐波管1是由通過螺紋連接的前駐波管106和后駐波管104、安裝在前駐波管106上的前端蓋109、設在前駐波管106前部的揚聲器107和BNC接口108、放置在前端蓋109和揚聲器107之間的前護墊110和環(huán)護墊111、安裝在前駐波管106后部的二個麥克風夾具105、安裝在后駐波管106后端的活塞桿支撐蓋102、穿過活塞桿支撐蓋102并位于后駐管104內的活塞桿116、活塞114、鎖緊套115和壓蓋117、設置在活塞桿116后端的手柄螺母101、通過緊固螺栓113設置在前駐波管106外表面的支架112構成，所述的鎖緊套115通過壓蓋117脹緊并緊固在后駐波管106上。所述的四麥克風駐波管2是由前駐波管207和后駐波管202、與后駐波管202通過螺紋連接的材料夾筒203、連接在材料夾筒203和前駐波管207之間的材料套筒205、分別安裝在前駐波管207和后駐波管202上的前端蓋210和后端蓋201、設在前駐波管207前部的揚聲器208和BNC接口209、放置在前端蓋210和揚聲器208之間的前護墊211和環(huán)護墊212、設置在前駐波管207后部和后駐波管204前部的二個麥克風夾具206、分別通過緊固螺釘214設置在前駐波管207外表面的支架213、設置在后駐波管202上的管接夾具215構成。計算機3的音頻輸出端通過聲音均衡器4和聲音信號線分別與揚聲器107和揚聲器208連接，四麥克風組5分別通過音頻放大器6和模/數(shù)轉換電路7與計算機3的信號輸入端相連接，用于對麥克風組5獲取的聲音信號進行放大、技術降噪和模數(shù)轉換，并輸入至計算機3進行處理。
該聲學材料性能測試儀的測試系統(tǒng)的工作原理為揚聲器發(fā)出的聲音經聲學阻尼管的邊界約束在管內生成平面駐波聲場，采用現(xiàn)代聲學測試技術對聲場中不同測點的聲音進行信號采集和數(shù)據(jù)處理，從而直接獲得聲學材料性能指標。揚聲器的聲音是由計算機讀取特定的寬帶白噪聲音頻文件來產生的，該音頻文件經過聲音均衡器的處理，具有良好的白噪聲特征。首先利用麥克風組獲取一組聲音信號，然后通過聲音信號放大器對所得信號進行放大、技術降噪和模數(shù)轉換，將聲音信號放大器輸出的信號組輸入計算機，最后利用這些純凈信號的幅值和相位信息，分別采用了多麥克風法、駐波分離法、傳遞函數(shù)補差法、雙阻法、雙載法、傳遞矩陣等方法及其組合，在計算機內完成對信號組數(shù)據(jù)處理(抗混疊、可視化參數(shù)輸入、性能指標運算和計算結果輸出)，獲得預期的聲學材料性能指標，計算機程序流程圖見附圖5。
圖6為雙麥克風法駐波分離法原理圖，圖中所示測試結構適用于駐波分離和傳遞函數(shù)法的實施，分別用于實時譜分析、頻程分析、材料的吸音率、反射率、聲學阻尼測試和測試系統(tǒng)麥克風組的自標定。結合圖3，將被測材料103放置在后駐波管104的前端口處，駐波分離法用兩個固定在麥克風夾具105上二個的麥克風501和502分別測試前駐波管106管壁兩個指定位置的聲音信號，獲取混合聲波的幅值和相位信息，計算信號的線性功率譜，進行實時頻程分析，利用管內聲波的駐波特性分離入射波I和反射波R，通過計算入射波和反射波的聲強求得材料的吸音率、反射率、聲學阻尼等特性參數(shù)。傳遞函數(shù)補差法是利用麥克風501和麥克風502的有聲互功率譜(傳遞函數(shù))和靜音互功率譜(傳遞函數(shù))的比值來補償兩個麥克風501、502之間的幅值和相位差，用于測試系統(tǒng)中兩個麥克風501、502的自標定。
圖7為雙麥克風駐波雙阻法的測試原理圖，該法用于測試材料的聲學特性阻尼、聲音傳遞常數(shù)以及柔性吸音材料的傳遞矩陣。結合圖3，駐波雙阻法首先利用兩個麥克風501和502實施測試材料103在駐波管腔內的駐波分離，即入射波I和反射波R之間的分離，通過調整活塞114來調整測試系統(tǒng)的終端聲學阻尼(圖中調整位置分別為距離被測材料后表面x4和x’4)，利用測試過程中兩個麥克風501、502之間的傳遞函數(shù)和夾層空氣的聲學特性，分別求取活塞114在x4和x’4兩個位置上的被測材料前后兩端的聲學阻尼，進而利用駐波管道聲學特性方程推導出被測材料的聲學特性阻尼的表達式，分別獲取材料的聲學特性阻尼系數(shù)和材料的聲音傳遞常數(shù)，對柔性的被測吸音材料，可進一步求取材料的傳遞矩陣。
附圖8為四麥克風法的測試原理圖，該方法在測試過程中采用了自制的兩種設計終端216無反射終端(優(yōu)質吸音材料)和全反射終端(優(yōu)質鋼材)，綜合運用了駐波分離法、傳遞函數(shù)法和雙載法等方法來測試材料的傳遞損失和傳遞矩陣。四個麥克風501和502、503和504分為兩組(分別進行自標定)，其測點分別布置在被測材料204的前端和后端的兩個駐波管腔內，用于測試各自的功率譜和獲取每組麥克風測點處的互譜和傳遞函數(shù)，實現(xiàn)入射聲波If、Ib和反射聲波Rf、Rb之間的分離，兩組駐波的分離過程同附圖6。
材料傳遞損失的測試需采用高強度入射聲波和無反射終端，測試過程運用駐波分離和傳遞函數(shù)兩種方法。通過駐波分離，分別獲取被測材料的前后兩端入射聲波If和Ib，計算兩個入射聲波的聲強和自功率譜，求取材料的傳遞損失。
材料傳遞矩陣的測試運用了駐波分離法和雙載法的測試原理，分別采用無反射和全反射兩個終端進行兩次測試完成的。每次測試分別獲取入射波聲阻、反射波聲阻、入射波傳遞損失、反射波傳遞損失和測試系統(tǒng)終端反射率五個參數(shù)頻率序列，并存入計算機硬盤上。利用兩次測試過程的駐波管內的一維聲波方程，我們推導出了材料試樣的聲音傳遞矩陣的計算公式。在第二次測試結束時，聲學材料性能測試儀的軟件系統(tǒng)將從硬盤中調用所測得的十個參數(shù)的頻率序列代入上述推導出的材料試樣聲音傳遞矩陣的計算公式中，分別求得傳遞矩陣中的四個元素，從而獲得材料試樣的傳遞矩陣。
利用該聲學材料性能測試儀還可進行多層材料聲學性能預測。根據(jù)總傳遞矩陣元素與聲學特性參數(shù)的關系表達式，可預測無法直接測試的多層材料結構體的聲學特性，如吸音率、反射率和傳遞損失等等。
權利要求
1.一種聲學材料性能綜合測試儀，由對采集數(shù)據(jù)進行處理的計算機(3)、雙麥克風駐波管(1)、四麥克風駐波管(2)和四麥克風組(5)組成，其特征是所述的雙麥克風駐波管(1)是由相互連接的前駐波管(106)和后駐波管(104)、安裝在前駐波管(106)的前端蓋(109)、設在前駐波管(106)前部的揚聲器(107)、放置在前端蓋(109)與揚聲器(107)之間的護墊、安裝在前駐波管(106)后部的二個麥克風夾具(105)、安裝在后駐波管(106)后端的活塞桿支撐蓋(102)、通過螺紋安裝在活塞桿支撐蓋(102)上并位于后駐管(104)內的活塞桿(116)、活塞(114)和鎖緊套(115)、設置在活塞桿(116)后端的手柄螺母(101)、設置在前駐波管(106)外表面的支架(112)構成；所述的四麥克風駐波管(2)是由相互連接的前駐波管(207)和后駐波管(202)、分別安裝在前駐波管(207)和后駐波管(202)上的前端蓋(210)和后端蓋(201)、設在前駐波管(207)前部的揚聲器(208)、分別設在前駐波管(207)后部和后駐波管(202)前部的二個麥克風夾具(206)、設置在前駐波管(207)外表面的支架(213)構成，計算機(3)的音頻輸出端通過聲音均衡器(4)和聲音信號線分別與揚聲器(107)和揚聲器(208)連接，四麥克風組(5)分別通過音頻放大器6和模/數(shù)轉換電路(7)與計算機(3)的信號輸入端相連接，用于對麥克風組(5)獲取的聲音信號進行放大、技術降噪和模數(shù)轉換并送至計算機(3)進行處理。
2.根據(jù)權利要求1所述的聲學材料性能綜合測試儀，其特征是在前駐波管(207)和后駐波管(202)之間設有材料夾筒(203)和材料套筒(205)，材料夾筒(203)和材料套筒(205)之間通過螺紋連接，且材料夾筒(203)和材料套筒(205)分別與后駐波管(202)和前駐波管(207)之間通過螺紋連接。
全文摘要
一種可實現(xiàn)聲學材料的全頻段的實時性能測試，功能齊全、測試速度快，精度高，成本低，簡便易學、操作方便的聲學材料性能綜合測試儀，它由計算機、雙麥克風駐波管、四麥克風駐波管和四麥克風組組成，其特殊之處是雙麥克風駐波管是由前駐波管和后駐波管、設在前駐波管前部的揚聲器、安裝在前駐波管后部的二個麥克風夾具、安裝在后駐波管后端的活塞桿支撐蓋、活塞桿、活塞和手柄螺母構成；四麥克風駐波管是由前駐波管和后駐波管、前端蓋和后端蓋、設在前駐波管前部的揚聲器和設在前駐波管和后駐波管上的麥克風夾具構成，計算機的音頻輸出端通過聲音均衡器和聲音信號線與揚聲器連接，四麥克風組分別通過音頻放大器和模/數(shù)轉換電路與計算機的信號輸入端相連接。
文檔編號G01N29/00GK1873406SQ20061004708
公開日2006年12月6日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權日2006年6月30日
發(fā)明者王巖松 申請人:王巖松