声学覆盖层的吸声隔声声管测试技术以及背衬问题的影响

吸声性能的声管测试技术
• 自由边界（空气终端，z=0，此时反射系数的模为1，相 位为180°）时的传递函数曲线，传递函数的模在0和无 限大之间变化。
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①在频率很低时，θ=0,随着频率增加，H12变小。
②当第2个水听器位于驻波场的波节位置时 （kd12=0.41π时，H12→0,θ 发生180度跃变； 随 频 率 增 加 ， H12迅速变大，而θ始终保持在180 度 。
• (2）等反射系数曲线和等相位角曲线。 • 研究传递函数与复反射系数之间的关系，等反射系数曲 线。
等反射系数曲线
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等反射系数曲线和等相位角曲线
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• ①等反射系数曲线（简称等IRI曲线）是一组封闭曲线， 其中心点在H12=1,θ=kd 12处，正好对应全吸收试件 |R|=0;试件反射系数越大，其曲线范围越大，在θ=0和 θ=180，两根线上正好对应全反射试件|R|=1。 • ②等相位角曲线（简称等ψ曲线）是一组通过公共点 H12=1,θ=kd12的发散的曲线。 • ③对于不同的频率，这两组曲线的中心点位置不同，频 率越高，中心位置越往上移。
• d为试件厚度，m; • kw为管内水介质中声波的波数，rad/s; • 2kwd 是在测量刚性标准反射体全反射器时考虑到管内水 柱高度不同（相差试样厚度d）而引入的相位角校正因子。 • 声学柔性标准反射体的声压反射系数R近似为-1。 • 常压下是管端的水与空气界面， • 高静水压下一般使用氮气。
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• 在满足以上条件的空气驻波管中刚性终端条件下的传递 函数和相干函数测量结果。 • 相干值均接近于1,只是在对应于传递函数相位跃变处， 相干值一般非常低，会引起传递函数测量误差增大。 • 如在传声器1处于管中驻波场的波节位置时原来为无限大 的H12一下子跌落下来。 • 一般来说，对反射系数小的终端，H12值不会太大，且θ 值无跃变，即使传声器位于波谷位置，相干仍比较高， 传递函数的测量精度相对要高些。
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• ④反射系数模的大小还与两水听器的间距d12有关； • 反射系数相位的大小还与两水听器的位置d1，d2有关。 • ⑤相位只能在0-180范围内变化； • 测试时若出现180°<θ<360°的情况 • （指整个测试过程，排除对应全反射时的个别测点）， 应检查测试系统两通道的接线。
假定管中没有流动，忽略水中声波的衰减。进行独立的声压测量， 把声场分解为一列向正 z 方向行进的入射波和一列向负 z方向行 进的反射波，推得被测材料的复反射系数IRIejϕ为
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• 设ϕ1与ϕ2分别为两水听器测得的声压和的相位，则
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• 为进一步解释所引入的传递函数在声管测试中的作用， • 研究传递函数曲线、等反射系数曲线和等相位角曲线， • 揭示出传递函数与复反射系数之间的关系。 • 传递函数是水听器2处的声压与水听器1处的声压之比， 是复数量。 • 管内是驻波场，传递函数不仅是频率的函数，还是测点 位置，即水听器到终端负载距离d1和d2的函数。
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• （1）传递函数测量误差引起的IRI的计算误差。 • 测量误差引起的复反射系数模IRI与相位的计算误差。 • 在0.2π＜kd12<0.8π范围内，由测量误差引起的IRI的计 算误差小于±5%，引起的 计算误差小于±2。
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由H12ejθ测量误差引起的|R|的计算误差
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• 2）测试时的静水压力最高应达4.5MPa，压力能任意调节， 加压系统稳定，在测试期间压力变动不能大于±0.02MPa。 • 在达到一个新的压力时，必须使整个系统稳压 5min 以上，
• 使试样和声场在新压力下达到新的平衡，以保证测试结 果的可靠。
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• 3）测试温度能在4-35℃范围内变化。
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传递函数和相干函数的测量曲线
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• 2）复反射系数的计算误差 • 由于测试仪器本身精度的限制，使直接测量值（在此即 为传递函数值、水听器的位置参数值及水的温度）含有 一定范围内的读数误差，这些误差会导致复反射系数的 计算误差。 • 根据所采用的测量仪器的精度，假设传递函数模H12及长 度d1，d2上含有±1%的误差，相位含有的误差。 • 下面研究这些误差对复反射系数计算误差的影响。
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• 声学刚性标准反射体的声压反射系数 R近似为＋ 1，常压 和高静水压下均可采用。要求如下： • （1）通常为不锈钢圆柱，与脉冲管内壁的间隙应不大于 0.2mm。 • （ 2）厚度应为测量中心频率 f0时声波在不锈钢圆柱中波 长的1/4。 • （3）适用的频率范围为f0 ± f0 ／4。 • （4）使用前应对其复反射系数进行核查，其幅值误差应 不超过±5%。
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• 1)装置与测试方法
• 声脉冲法测试装置由声管、收发两用换能器和发送、接 收及测量设备组成。位于管一端的换能器向管中发射脉 冲调制的正弦波，经声管一端试件的反射，再由同一换 能器接收反射波，用相对比较放试件和放全反射器反射 回来的信号幅值和相位的办法，测量试件的复反射系数 的模|R|和相位角ϕ。
• 全反射器是指在同一位置上具有很高或很低阻抗的边界。
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• 典型装置如图所示。 • 图（a）为较早时期 采用的模拟测量装 置， • 图 (b）是当前常用 的数字测量装置。 • 测试过程中的脉冲 波波形见图所示。
声脉冲法测量装置框图
声脉冲法中输入和接收到的脉冲波形
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如ϕ208的低频声管测试范围为低于4kHz的低频段， 发射换能器设计良好的ϕ57（或ϕ37）高频声管的测量范围 为5k-30kHz， ϕ120中频管测试范围为1k-7kHz。
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• 要获的宽带的吸声性能， • 必须加工不同尺寸的试件在不同内径的声管上测量。 • 为了使测得的几段数据能光顺地连接起来， • 除了测试频段部分重叠外， • 还要保证测试条件的一致， • 如测试温度、压力的控制必须一致， • 试件的背衬也必须一致。
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由d1和d12测量误差引起的ϕ的计算误差
吸声性能的声管测试技术 • (3）水中声速变化引起的|R|ejϕ计算误差。 • 水温变化会引起较大的水中声速的改变， • 要仔细测定管中声速， • 每次测试前均要测定水温作水中声速的温度修正。
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③当第1个水听器位于驻波场的波节位置时（kd12=0.69π 时，H12→∞，又一次发生跃变，从180跳到0。 随频率增加，H12迅速变小，而θ始终保持在0
④当第2个水听器又位于驻波场的波节位置时，H12变为 0,θ跳到180度 ⑤在θ发生跃变的频率附近，相位值测试误差大。
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• (2）声管测试频率的下限f1。 • 声脉冲法的测试频率下限与脉冲管的有效长度有关，避 免声管内直达和反射脉冲声信号的相互叠加干扰，脉冲 宽度应满足条件 2L cw • L为脉冲管的有效长度（换能器表面到试件反射面的距 离），m。
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• 测试频率下限还与声管换能器的品质因数Q有关，取决于 在脉冲管内传播稳态正弦波的条件，则脉冲宽度还应满 足条件
Q K fr f
• fr为换能器谐振频率，Hz;K为脉冲声波中稳态正弦波的周 期个数。测量频率下限为
Kcw f r fl 2 Lf r Qcw
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• 为使第一反射波的读数正确，在第一反射波中扣除 声脉冲的前后沿瞬态过程的波后，中间至少要有3-5 个周期的稳态平面波（最好取5个周期的稳态平面 波）。 • 由于声脉冲在管内来回传播一次后前后沿的瞬态过 程加长，低频尤甚， • 每根管子的测试频率下限最好还是通过实际测定后 确定，一般均比理论值高许多。
第10讲声学覆盖层的吸声、隔声声管 测试技术，以及背衬问题的影响
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在水声声管中测试吸声材料或结构的吸声性能，具体要求 如下:
（1）测试频率范围要宽，低频最好低于500Hz，高频要高 于30kHz。 对于这么宽的频率范围，仅靠一根管子是办不到的，需要 若干根内径不同的管子共同完成。
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由H12ejθ测量误差引起的ϕ的计算误差
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• (2）水听器位置d1,d2的长度误差引起的IRIejθ的计算误差。 • 长度误差对复反射系数的模IRI几乎无影响，即使出现5% 的偏差，IRI的计算误差仍小于0.5%。 • 但长度误差对反射系数相位ϕ的影响较大，随着kd12的增 加而增加
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• (1）声管测试频率的上限。 • 声脉冲法的测试频率上限取决于在声管中仅传播平面波的 条件。一般情况下此频率上限为f2=1.84cw/2πa • a为声管的内半径，m; • cw为管中水的声速，m/s。 • 若换能器表面的振速分布是中心对称的，则可提高到 f2=cw3.83/2πa • 国内声管在一般情况下的测试频率上限分别为： • ϕ208管为4kHz, ϕ120管为7kHz， ϕ37管为23kHz。
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• 为保持高相干性，即r122=1，应满足下面三个条件中的任 一个：
• 条件（1）要求背景噪声很小，并且是稳态的随机过程； • 条件（2）说明声源与噪声源的性质必须一致； • 条件（3）指出水听器间距必须很小，以保证两水听器对 源及对噪声的线性系统一致。
吸声性能的声管测试技术 • 1.2双水听器传递函数法
低频声管内径大，适合于测试声学覆盖层的低频吸 声性能。如果仍采用声脉冲法的话，则要求管子很 长，这是难以做到的。
双水听器传递函数法解决了声管的低频测试问题， 它不仅精确快速，也能进行加压测试。
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1)测量原理
z 在圆柱形声管内安装两只间距为的水听器，到声管终端被测材 料表面的距离分别为d1和d2。
• 某一水声吸声材料（设具有恒定 的相对阻抗z=1+j)时的传递函数 曲线。 • 驻波场的驻波比小，传递函数的 模在1附近波动，最大不超过2.6， 最小不低于0.4,其相位在0-180之 间连续变化。 • 对于全吸声材料，其传递函数的 模应为1，其相位为kd12，即图中 为一条斜线。
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• 对于安装了温控装置的声管是不难实现的。
• 要注意在达到新温度时要有一段保温时间。 • 国内水声声管吸声性能测试方法： • 声脉冲法和双水听器传递函数法。
1.1声脉冲法
• 声脉冲法是在水声声管内采用脉冲声在稳态平面波条件 下测量水声材料试样的复反射系数，是高频声管所采用 的测试方法，有人把高频声管称为脉冲管。 • 国家标准《声学水声材料纵波声速和衰减系数的测量脉 冲管法》（GB/T5266-2006）中规定了在刚性厚壁管内， 用脉冲声技术在稳态平面波条件下测量水声材料试件复 反射系数，计算试件材料纵波声速和衰减系数的方法。
1.2.2
误差分析
• 在传递函数法中，两水听器的位置、间距对复反射系数测试的 影响很大，在确定的频率范围内，两个水听器应如何布置才能 保证在此频段内测试误差最小，需要进行误差分析研究。
• 为提高信噪比，测试时信号采用单频波，在误差分析中暂不考 虑由于谱分析中的分析带宽和平均数引入的系统误差。 • 重点讨论两种误差：传递函数的测量误差和复反射系数的计算 误差，并从中推导出传递函数法的测试频率范围。
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• 1)传递函数的测量误差 • 传递函数的测量精度直接影响复反射系数的计算值。 • 影响传递函数测量精度的因素有两个： • 管内声场受外界噪声干扰改变了测点处的真实声压值； • 两通道之间的增益和相位失配，以及测试用仪器的精度。
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• 两水听器和管子是双变量的线性过程， • 图中声源S和可能存在的噪声源N是不相关的零平均的白 噪声源。 • 这些源通过线性系统h1s、 h2s、h1N、h2N 相联系。 • 根据相干函数的定义， • 求出p1(t），p2(t）的自谱函数和及它们之间的互谱函数， 得与p2(t)的相干函数为