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声学材料特性测试  

 概述

       声学材料测试是确定材料的吸收、反射、阻抗、导纳和传输损失等声学特性的过程。人们对噪声控制问题的日益关注以及产品设计中声品质的出现，使声学材料试验与各行业工程师、设计师和制造商的关联不断增强。例如，在重量和体积有限的情况下，通过提供最佳声学材料性能改善客舱声学舒适度是地面运输和航空航天工业面临的挑战之一。同样，住宅和工作场所的噪音防护经常需要正确选择合适的降噪处理措施。主要测试下列参数

       ● 吸声系数 Absorption Coefficient, 0 ≤α≤ 1 [-]

       ● 反射系数 Complex Reflection Coefficient, 0 ≤ R ≤ 1 [-]

       ● 声阻抗 Complex Acoustic Impedance, Z = R+jX [Pa*s/m3]

       ● 声导纳 Complex Acoustic Admittance, G = g -jb [m3/(Pa*s)]

       ● 声传递损失 Transmission Loss, TL [dB]

 一、吸声系数、反射系数、声阻抗及导纳测试

1. 各个物理量定义

       当声波从一种媒质入射到声学特性不同的另一种媒质时，在两种媒质的分界面处将发生反射，使入射声波的一部分能量返回第一种媒质。在斜入射时，反射角θr 与入射角θi 相等。 在反射点处，反射波声压 pr 与入射波声压 pi 之比称为反射系数 r ，即 r=pr /pi 。

       材料吸收和透过的声能与入射到材料上的总声能之比，称为吸声系数α。

                                                            α=Ea /Ei =(Ei -Er )/Ei =1-Er /Ei

       式中： Ei -入射声能； Ea -被材料或结构吸收的声能； Er 被材料或结构反射的声能。

       当入射声能被完全反射时，a=0 表示无吸声作用；当入射声波完全没有被反射时，a=1表示完全被吸收。事实上，所有材料的吸声系数 a 基于 0 到 1 之间，也就是不可能全部反射，也不可能全部吸收。 a 值越大，表示吸声能越好，它是目前表征吸声性能最常用的参数。

       不同频率上会有不同的吸声系数。人们使用吸声系数频率特性曲线描述材料在不同频率上的吸声性能。按照 ISO标准和国家标准，吸声测试报告中吸声系数的频率范围 100-5000Hz。 将 100-5000Hz 的吸声系数取平均得到的数值是平均吸声系数，平均吸声系数反映了材料总体的吸声性能。在工程中常使用降噪系数 NRC粗略地评价在语言频率范围内的吸声性能，这一数值是材料在 250、500、1000、2000 四个频率的吸声系数的算术平均值，四舍五入取整到 0.05。 一般认为 NRC小于 0.2 的材料是反射材料，NRC大于等 0.2的材料才被认为是吸声材料。当需要吸收大量声能降低室内混响及噪声时，常常需要使用高吸声系数的材料。如离心玻璃棉、 岩棉等属于高 NRC 吸声材料，5cm 厚的 24kg/m³的离心玻璃棉的 NRC可达到 0.95。

       声阻抗是指媒质在波阵面某个面积上的声压与通过这个面积的体积速度的复数比值，声阻抗的实部常称为声阻，虚部称为声抗。物理学意义反映介质中某位置对因声扰动而引起的质点振动的阻尼特性，国际计量单位是Pa•s/m^3。声阻抗的倒数即为声导纳。

2. 测试原理

       以下给出传递函数法测吸声系数的公式，阻抗管示意图 1 所示：

        图 1：1为传声器 MicA(参考传声器)，2为传声器 MicB，3为待测样品入射声压 pI 反射声压 pR 分别可写为：

       式中： pI -基准面 (x=0) 上 pI 的幅值； pR -基准面 (x=0) 上 pR 的幅值； k0 =2π/λ-波数。 两个传声器位置上的声压 p1 和 p2 分别为：

       至此，基准面 (x=0) 上声反射因数 r ，可从测得传递函数，距离 x1 和波数 k0 而确定。

       注：重要的一点是，采用双传声器法时，传递函数要对传声器之间的相位失配和幅度适配作补偿。

       计算法向入射吸声系数按下式进行

       入射波的传递函数 HI 为：

       式中： s=x1-x2 ，是两个传声器之间的间距。

       类似地，反射波的传递函数 HR 为：

       总声场的传递函数 H12 ，结合以上各式及 pR =rpI ，得到

       由上式求得 r：

       声阻抗率 Zs =[(1+r)/(1-r)]ρc0 ，其中ρc0 空气的特性阻抗 声导纳率 Gs =1/Zs

 测试硬件介绍

       测试硬件如下图所示，由阻抗管、麦克风，喇叭，接头法兰，被测对象和数据采集仪器等组成。

测试软件介绍

       测试软件采用西门子Simcenter Test.Lab Acoustic模块，基于阻抗管的吸声系数测试，软件内部提供了高效便捷的流程话的测试步骤，包括通道设置、通道校准、示波及自动量程、采集函数设置、相位幅值校准、声学参数测试。

测试硬件设备

声学参数测试界面

       软件可直接输出材料声学性能的吸声系数、反射系数，声阻抗及声导纳，测试结果也可以在 Navigator界面显示，如下图。

声学参数结果曲线输出

二、传递损失测试

1. 传递损失定义

       众所周知，隔声是噪声控制的主要方法之一。例如：降低室内噪声的根本方法是使用构件将噪声源和建筑物隔开，使噪声源辐射的噪声不能传入室内，因此，该构件隔声能力的大小就是一个关键问题。通常用传递损失（Transmission Loss， TL ）来表征声学材料的隔声能力。

       传递损失TL定义为入射到结构上的声能和透过结构声能之比的分贝数。数学表达式如下

       τ称为结构传递系数，有

       式中，Wi 为入射声功率，Wt 为透射声功率。

2. 测试原理和装置

       下图为一任意声学元件，入口端1处声压为p1 ，质点速度为u1 ，出口端2处的声压为p2，质点速度为u2 ；

       设出入口端的传递矩阵为[T]，则出入口端的声压及质点速度关系可以用下式表示：

       垂直入射声传递损失TL可以用下式表达：

       只要求得传递矩阵[T]，由上式，就可以得到传递损失 TL ，以下说明如何得到传递矩阵[T]

       为了计算传递矩阵[T] ，需要测试试样两侧的声压及质点速度。

       如下图所示，管内声源发出宽频声波，声波以平面波B的形式沿管道传播，传播到测试 样品上时，声波部分被反射，形成反射波A，部分被样品吸收，部分通过样品进入受声管，形成透射波D。进入受声管的平面波D，同样也会在受声管底产生反射波C。通过测量四个固定点的声压级（两个在发声管，两个在受声管），并通过软件对复传递函数进行计算可得到材料的声传递损失。

       基于波分解方法，可以得到，

       上式中 Hn,ref 是位置 n 处和参考传声器之间的传递函数； 材料两侧的声压和质点速度可以由下式计算得出：

       传递矩阵中有四个未知量，需要两次具有不同末端的测试，得到四个线性方程，用于求 解四个未知数。

       p0a 是试样前面的声压在 a 情况负载下（末端下）； p0b 是试样前面的声压在 b 情况负载下（末端下）；

       可以得：

       对于对称均衡材料，有以下等式成立：

       在这种情况下，可以使用一种末端状态测试，并且使用上面的参数计算传导矩阵。

       测试介绍

       测试装置如下图所示：

消音器传递损失测试

       测试软件介绍

       测试采用Test.Lab Acoustic模块，软件内部提供了高效便捷的流程话的测试步骤，包括通道设置、通道校准、示波及自动量程、采集函数设置、相位幅值校准、声学参数测试。

软件启动界面

传递损失测试界面

       测试结果可以在Navigator界面显示，如下图。

测试结果曲线输出

       采用西门提供的硬件及软件测试系统，反映材料声学性能的传递损失、无反射透射系数、无反射表面阻抗、无反射反射系数、无反射耗散系数及无反射吸声系数即可全部得到。

三、测试案例：涡轮增压器用消声器传递损失测试

       本案研究对象为涡轮增压器消声器，通过实测与有限元仿真两种手段，或许研究对象的传递损失曲线并进行对比。 基于Testlab测试系统，搭建传递损失测试平台，如下。

被测消声器样品

测试平台

消声器安装方式

       对涡轮增压器内部声腔进行提取并进行有限元建模，基于西门子Simcenter 3D仿真原件计算其传递损失，并与实测曲线进行对比，如下。

       实测和仿真仅可获得较为理想的传递损失曲线并且仿真也可保证较高的精度。

有限元建模