專利名稱：聲學(xué)材料性能綜合測(cè)試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及一種聲學(xué)材料性能綜合測(cè)試儀。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)的發(fā)展、噪聲的污染問題表現(xiàn)得越來越突出，為保護(hù)環(huán)境，加強(qiáng)對(duì)噪聲污染控制，聲學(xué)材料得到了極為廣泛的應(yīng)用。這些聲學(xué)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(dòng)來實(shí)現(xiàn)隔音的，最常見的聲學(xué)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(xué)材料對(duì)改善噪聲環(huán)境和提高人類的生活質(zhì)量意義重大，而高性能的聲學(xué)材料的開發(fā)和生產(chǎn)首先是建立在對(duì)材料聲學(xué)性能的準(zhǔn)確測(cè)試的基礎(chǔ)之上的。為此，從上個(gè)世紀(jì)中期開始，聲學(xué)材料測(cè)試?yán)碚摰玫搅溯^快的發(fā)展，也陸續(xù)出現(xiàn)了一些相關(guān)聲學(xué)的測(cè)試設(shè)備與生產(chǎn)和開發(fā)聲學(xué)儀器的公司，如法國(guó)的NVI、日本的RION和丹麥的B&K等等。在聲學(xué)材料性能測(cè)試?yán)碚摲矫?，?guó)際上的一些學(xué)者先后提出了諸如直接法、雙麥克風(fēng)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(cè)試方法雖各有所長(zhǎng)，但其精度均依賴于某些特定的假設(shè)前提，很難直接應(yīng)用到測(cè)試儀器上，因此在此類測(cè)試儀器研制時(shí)，還需要考慮測(cè)試對(duì)象、儀器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等因素來對(duì)各種方法的可行性進(jìn)行深入考證。到目前為止，國(guó)際上只有幾種此類測(cè)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(fēng)駐波分離動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)構(gòu)(分體管件相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且其中一支麥克風(fēng)專門用于系統(tǒng)標(biāo)定)，其存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，測(cè)試范圍窄，價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)，很難得到大范圍推廣等缺點(diǎn)。長(zhǎng)期以來，由于缺乏直接的測(cè)試手段和統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，材料聲阻特性的測(cè)試大都利用一些替代設(shè)備間接完成的，致使測(cè)試效率低，誤差大，數(shù)據(jù)處理過程復(fù)雜，優(yōu)選比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，提供一種采用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理及人機(jī)對(duì)話界面，可實(shí)現(xiàn)聲學(xué)材料的全頻段的實(shí)時(shí)性能測(cè)試，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能齊全、測(cè)試速度快，精度高，成本低，簡(jiǎn)便易學(xué)、操作方便的聲學(xué)材料性能綜合測(cè)試儀。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為它由對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)3、雙麥克風(fēng)駐波管1、四麥克風(fēng)駐波管2和四麥克風(fēng)組5組成，其特殊之處是所述的雙麥克風(fēng)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(shè)在前駐波管106前部的揚(yáng)聲器107、放置在前端蓋109與揚(yáng)聲器107之間的護(hù)墊、安裝在前駐波管106后部的二個(gè)麥克風(fēng)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(nèi)的活塞桿116、活塞114和鎖緊套115、設(shè)置在活塞桿116后端的手柄螺母101、設(shè)置在前駐波管106外表面的支架112構(gòu)成；所述的四麥克風(fēng)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(shè)在前駐波管207前部的揚(yáng)聲器208、分別設(shè)在前駐波管207后部和后駐波管202前部的二個(gè)麥克風(fēng)夾具206、設(shè)置在前駐波管207外表面的支架213構(gòu)成，計(jì)算機(jī)3的音頻輸出端通過聲音均衡器4和聲音信號(hào)線分別與揚(yáng)聲器107和揚(yáng)聲器208連接，四麥克風(fēng)組5分別通過音頻放大器6和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路7與計(jì)算機(jī)3的信號(hào)輸入端相連接，用于對(duì)麥克風(fēng)組5獲取的聲音信號(hào)進(jìn)行放大、技術(shù)降噪和模數(shù)轉(zhuǎn)換并送至計(jì)算機(jī)3進(jìn)行處理。
上述的聲學(xué)材料性能綜合測(cè)試儀，在前駐波管207和后駐波管202之間設(shè)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(dòng)采集信號(hào)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了聲學(xué)材料的全頻段的實(shí)時(shí)性能測(cè)試，可進(jìn)行實(shí)時(shí)材料的吸音率測(cè)試、材料的反射率測(cè)試、材料聲學(xué)阻尼測(cè)試、材料的聲學(xué)特性阻尼測(cè)試、材料的聲音傳遞常數(shù)測(cè)試、材料樣品的傳遞矩陣測(cè)試和隔音材料的傳遞損失測(cè)試，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能全、調(diào)試速度快，精度高，成本低，采用人機(jī)對(duì)話界面，簡(jiǎn)便易學(xué)、操作方便；適用于所有聲學(xué)材料生產(chǎn)和研究的企事業(yè)單位和部門，可為聲音材料的生產(chǎn)和開發(fā)、聲學(xué)控制裝置設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)，從而大大提高聲學(xué)材料生產(chǎn)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力和企業(yè)效益，有著廣闊的應(yīng)用前景。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)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(fēng)駐波管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明中四麥克風(fēng)駐波管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的計(jì)算機(jī)程序流程圖；圖6是雙麥克風(fēng)駐波管測(cè)試原理圖；圖7是雙麥克風(fēng)駐波雙阻法測(cè)試原理圖；圖8是四麥克風(fēng)法測(cè)試原理圖。
圖中雙麥克風(fēng)駐波管1，手柄螺母101，活塞桿支撐蓋102，被測(cè)材料103，后駐波管104，麥克風(fēng)夾具105，前駐波管106，揚(yáng)聲器107，BNC接口108，前端蓋109，前護(hù)墊110，環(huán)護(hù)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(fēng)駐波管2，后端蓋201，后駐波管202，材料夾筒203，被測(cè)材料204，材料套筒205，麥克風(fēng)夾具206，前駐波管207，揚(yáng)聲器208，BNC接口209，前端蓋210，前護(hù)墊211，環(huán)護(hù)墊212，支架213，緊固螺釘214，管接夾具215，設(shè)計(jì)終端216，計(jì)算機(jī)3，聲音均衡器4，四麥克風(fēng)組5，麥克風(fēng)501，麥克風(fēng)502，麥克風(fēng)503，麥克風(fēng)504，音頻放大器6，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路7。
具體實(shí)施例方式
如圖1～圖4所示，該聲學(xué)材料性能綜合測(cè)試儀由對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)3、雙麥克風(fēng)駐波管1、四麥克風(fēng)駐波管2、四麥克風(fēng)組5組成。所述的雙麥克風(fēng)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(shè)在前駐波管106前部的揚(yáng)聲器107和BNC接口108、放置在前端蓋109和揚(yáng)聲器107之間的前護(hù)墊110和環(huán)護(hù)墊111、安裝在前駐波管106后部的二個(gè)麥克風(fēng)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(nèi)的活塞桿116、活塞114、鎖緊套115和壓蓋117、設(shè)置在活塞桿116后端的手柄螺母101、通過緊固螺栓113設(shè)置在前駐波管106外表面的支架112構(gòu)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(fēng)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(shè)在前駐波管207前部的揚(yáng)聲器208和BNC接口209、放置在前端蓋210和揚(yáng)聲器208之間的前護(hù)墊211和環(huán)護(hù)墊212、設(shè)置在前駐波管207后部和后駐波管204前部的二個(gè)麥克風(fēng)夾具206、分別通過緊固螺釘214設(shè)置在前駐波管207外表面的支架213、設(shè)置在后駐波管202上的管接夾具215構(gòu)成。計(jì)算機(jī)3的音頻輸出端通過聲音均衡器4和聲音信號(hào)線分別與揚(yáng)聲器107和揚(yáng)聲器208連接，四麥克風(fēng)組5分別通過音頻放大器6和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路7與計(jì)算機(jī)3的信號(hào)輸入端相連接，用于對(duì)麥克風(fēng)組5獲取的聲音信號(hào)進(jìn)行放大、技術(shù)降噪和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸入至計(jì)算機(jī)3進(jìn)行處理。
該聲學(xué)材料性能測(cè)試儀的測(cè)試系統(tǒng)的工作原理為揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音經(jīng)聲學(xué)阻尼管的邊界約束在管內(nèi)生成平面駐波聲場(chǎng)，采用現(xiàn)代聲學(xué)測(cè)試技術(shù)對(duì)聲場(chǎng)中不同測(cè)點(diǎn)的聲音進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理，從而直接獲得聲學(xué)材料性能指標(biāo)。揚(yáng)聲器的聲音是由計(jì)算機(jī)讀取特定的寬帶白噪聲音頻文件來產(chǎn)生的，該音頻文件經(jīng)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(fēng)組獲取一組聲音信號(hào)，然后通過聲音信號(hào)放大器對(duì)所得信號(hào)進(jìn)行放大、技術(shù)降噪和模數(shù)轉(zhuǎn)換，將聲音信號(hào)放大器輸出的信號(hào)組輸入計(jì)算機(jī)，最后利用這些純凈信號(hào)的幅值和相位信息，分別采用了多麥克風(fēng)法、駐波分離法、傳遞函數(shù)補(bǔ)差法、雙阻法、雙載法、傳遞矩陣等方法及其組合，在計(jì)算機(jī)內(nèi)完成對(duì)信號(hào)組數(shù)據(jù)處理(抗混疊、可視化參數(shù)輸入、性能指標(biāo)運(yùn)算和計(jì)算結(jié)果輸出)，獲得預(yù)期的聲學(xué)材料性能指標(biāo)，計(jì)算機(jī)程序流程圖見附圖5。
圖6為雙麥克風(fēng)法駐波分離法原理圖，圖中所示測(cè)試結(jié)構(gòu)適用于駐波分離和傳遞函數(shù)法的實(shí)施，分別用于實(shí)時(shí)譜分析、頻程分析、材料的吸音率、反射率、聲學(xué)阻尼測(cè)試和測(cè)試系統(tǒng)麥克風(fēng)組的自標(biāo)定。結(jié)合圖3，將被測(cè)材料103放置在后駐波管104的前端口處，駐波分離法用兩個(gè)固定在麥克風(fēng)夾具105上二個(gè)的麥克風(fēng)501和502分別測(cè)試前駐波管106管壁兩個(gè)指定位置的聲音信號(hào)，獲取混合聲波的幅值和相位信息，計(jì)算信號(hào)的線性功率譜，進(jìn)行實(shí)時(shí)頻程分析，利用管內(nèi)聲波的駐波特性分離入射波I和反射波R，通過計(jì)算入射波和反射波的聲強(qiáng)求得材料的吸音率、反射率、聲學(xué)阻尼等特性參數(shù)。傳遞函數(shù)補(bǔ)差法是利用麥克風(fēng)501和麥克風(fēng)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(bǔ)償兩個(gè)麥克風(fēng)501、502之間的幅值和相位差，用于測(cè)試系統(tǒng)中兩個(gè)麥克風(fēng)501、502的自標(biāo)定。
圖7為雙麥克風(fēng)駐波雙阻法的測(cè)試原理圖，該法用于測(cè)試材料的聲學(xué)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(jié)合圖3，駐波雙阻法首先利用兩個(gè)麥克風(fēng)501和502實(shí)施測(cè)試材料103在駐波管腔內(nèi)的駐波分離，即入射波I和反射波R之間的分離，通過調(diào)整活塞114來調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)的終端聲學(xué)阻尼(圖中調(diào)整位置分別為距離被測(cè)材料后表面x4和x’4)，利用測(cè)試過程中兩個(gè)麥克風(fēng)501、502之間的傳遞函數(shù)和夾層空氣的聲學(xué)特性，分別求取活塞114在x4和x’4兩個(gè)位置上的被測(cè)材料前后兩端的聲學(xué)阻尼，進(jìn)而利用駐波管道聲學(xué)特性方程推導(dǎo)出被測(cè)材料的聲學(xué)特性阻尼的表達(dá)式，分別獲取材料的聲學(xué)特性阻尼系數(shù)和材料的聲音傳遞常數(shù)，對(duì)柔性的被測(cè)吸音材料，可進(jìn)一步求取材料的傳遞矩陣。
附圖8為四麥克風(fēng)法的測(cè)試原理圖，該方法在測(cè)試過程中采用了自制的兩種設(shè)計(jì)終端216無反射終端(優(yōu)質(zhì)吸音材料)和全反射終端(優(yōu)質(zhì)鋼材)，綜合運(yùn)用了駐波分離法、傳遞函數(shù)法和雙載法等方法來測(cè)試材料的傳遞損失和傳遞矩陣。四個(gè)麥克風(fēng)501和502、503和504分為兩組(分別進(jìn)行自標(biāo)定)，其測(cè)點(diǎn)分別布置在被測(cè)材料204的前端和后端的兩個(gè)駐波管腔內(nèi)，用于測(cè)試各自的功率譜和獲取每組麥克風(fēng)測(cè)點(diǎn)處的互譜和傳遞函數(shù)，實(shí)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(cè)試需采用高強(qiáng)度入射聲波和無反射終端，測(cè)試過程運(yùn)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(cè)材料的前后兩端入射聲波If和Ib，計(jì)算兩個(gè)入射聲波的聲強(qiáng)和自功率譜，求取材料的傳遞損失。
材料傳遞矩陣的測(cè)試運(yùn)用了駐波分離法和雙載法的測(cè)試原理，分別采用無反射和全反射兩個(gè)終端進(jìn)行兩次測(cè)試完成的。每次測(cè)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(cè)試系統(tǒng)終端反射率五個(gè)參數(shù)頻率序列，并存入計(jì)算機(jī)硬盤上。利用兩次測(cè)試過程的駐波管內(nèi)的一維聲波方程，我們推導(dǎo)出了材料試樣的聲音傳遞矩陣的計(jì)算公式。在第二次測(cè)試結(jié)束時(shí)，聲學(xué)材料性能測(cè)試儀的軟件系統(tǒng)將從硬盤中調(diào)用所測(cè)得的十個(gè)參數(shù)的頻率序列代入上述推導(dǎo)出的材料試樣聲音傳遞矩陣的計(jì)算公式中，分別求得傳遞矩陣中的四個(gè)元素，從而獲得材料試樣的傳遞矩陣。
利用該聲學(xué)材料性能測(cè)試儀還可進(jìn)行多層材料聲學(xué)性能預(yù)測(cè)。根據(jù)總傳遞矩陣元素與聲學(xué)特性參數(shù)的關(guān)系表達(dá)式，可預(yù)測(cè)無法直接測(cè)試的多層材料結(jié)構(gòu)體的聲學(xué)特性，如吸音率、反射率和傳遞損失等等。
權(quán)利要求
1.一種聲學(xué)材料性能綜合測(cè)試儀，由對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的計(jì)算機(jī)(3)、雙麥克風(fēng)駐波管(1)、四麥克風(fēng)駐波管(2)和四麥克風(fēng)組(5)組成，其特征是所述的雙麥克風(fēng)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(shè)在前駐波管(106)前部的揚(yáng)聲器(107)、放置在前端蓋(109)與揚(yáng)聲器(107)之間的護(hù)墊、安裝在前駐波管(106)后部的二個(gè)麥克風(fēng)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(nèi)的活塞桿(116)、活塞(114)和鎖緊套(115)、設(shè)置在活塞桿(116)后端的手柄螺母(101)、設(shè)置在前駐波管(106)外表面的支架(112)構(gòu)成；所述的四麥克風(fēng)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(shè)在前駐波管(207)前部的揚(yáng)聲器(208)、分別設(shè)在前駐波管(207)后部和后駐波管(202)前部的二個(gè)麥克風(fēng)夾具(206)、設(shè)置在前駐波管(207)外表面的支架(213)構(gòu)成，計(jì)算機(jī)(3)的音頻輸出端通過聲音均衡器(4)和聲音信號(hào)線分別與揚(yáng)聲器(107)和揚(yáng)聲器(208)連接，四麥克風(fēng)組(5)分別通過音頻放大器6和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(7)與計(jì)算機(jī)(3)的信號(hào)輸入端相連接，用于對(duì)麥克風(fēng)組(5)獲取的聲音信號(hào)進(jìn)行放大、技術(shù)降噪和模數(shù)轉(zhuǎn)換并送至計(jì)算機(jī)(3)進(jìn)行處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲學(xué)材料性能綜合測(cè)試儀，其特征是在前駐波管(207)和后駐波管(202)之間設(shè)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(shí)現(xiàn)聲學(xué)材料的全頻段的實(shí)時(shí)性能測(cè)試，功能齊全、測(cè)試速度快，精度高，成本低，簡(jiǎn)便易學(xué)、操作方便的聲學(xué)材料性能綜合測(cè)試儀，它由計(jì)算機(jī)、雙麥克風(fēng)駐波管、四麥克風(fēng)駐波管和四麥克風(fēng)組組成，其特殊之處是雙麥克風(fēng)駐波管是由前駐波管和后駐波管、設(shè)在前駐波管前部的揚(yáng)聲器、安裝在前駐波管后部的二個(gè)麥克風(fēng)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(gòu)成；四麥克風(fēng)駐波管是由前駐波管和后駐波管、前端蓋和后端蓋、設(shè)在前駐波管前部的揚(yáng)聲器和設(shè)在前駐波管和后駐波管上的麥克風(fēng)夾具構(gòu)成，計(jì)算機(jī)的音頻輸出端通過聲音均衡器和聲音信號(hào)線與揚(yáng)聲器連接，四麥克風(fēng)組分別通過音頻放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路與計(jì)算機(jī)的信號(hào)輸入端相連接。
文檔編號(hào)G01N29/00GK1873406SQ20061004708
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者王巖松 申請(qǐng)人:王巖松