多孔金属吸声性能测试系统设计

张伟永，张波，朱建，皮进宝,李娟

(宁夏大学机械工程学院，银川750021)

多孔金属吸声性能测试系统设计

张伟永，张波，朱建，皮进宝,李娟

(宁夏大学机械工程学院，银川750021)

为深入研究多孔金属材料的声学性能，基于双传声器传递函数法设计一套多孔金属材料吸声性能测试系统，并详细介绍了整个测试系统的设计过程，给出具体的设计参数。在此基础上，搭建实际多孔金属材料阻抗管测试系统，并通过对标准多孔金属试样进行对比测试验证测试系统的可行性和稳定性；最后，对测试系统误差来源及误差修正方法也进行进一步分析和讨论。研究结果将为后续极端环境下多孔金属的系列研究奠定基础。

声学；多孔金属材料；阻抗管；声学性能；传递函数法

多孔金属是一种新型功能材料，可广泛应用于减振、降噪、热交换、能量吸收等多种领域，作为一种吸声材料尤其适合在各种恶劣的环境中应用。吸声材料的声学特性包括吸声系数、表面声阻抗率、特性阻抗及复波数等。目前，吸声系数及表面声阻抗测试方法主要有驻波比法和传递函数法；其中，传递函数法效率比较高，应用最广泛。本文拟针对多孔金属材料的声学性能开展研究，应用双传声器传递函数法设计和搭建了测试系统。

1980年，美国通用汽车公司J.Y.Chung和D.A.Blaser采用双传声器传递函数法测试多孔材料的吸声系数和表面声阻抗，从而实现了吸声材料宽频声学性能的快速测量目标[1,2]，此后，相关的理论及实验研究层出不穷[3―5]。

1 理论基础

本文设计搭建的测试系统组成框图如图1所示，测试系统基本原理为双传声器传递函数法。图1中，扬声器产生宽频带随机平稳信号，传声器1和传声器2处获得的随机声压信号P1，P2经过时间延迟、卷积等处理后分解成入射波和反射波两部分，最后应用相关函数和谱密度函数方法，可得到复反射系数的计算公式如下所示[1]

式中φr是复声压反射系数的相角，rr为复声压反射系数的实部，ri为虚部，S为传声器间距，Lx为近端传声器2至参考平面(即材料表面)的距离。

图1 测试系统原理框图

由此，可得吸声系数计算公式为

其中

声阻抗率公式为

式中传递函数H12可由传声器1的自谱和传声器1和2的互谱来求出，其测量公式为

假设交换传声器之前传递函数H12表示为:

其中φ1为传声器2与传声器1之间的相位差。

则交换传声器后传递函数H12为

其中φ2为传声器1与传声器2之间的相位差。

校准后的传递函数计算公式为

2 阻抗管设计

本文中阻抗管的结构形式及尺寸如图2所示。

图2 阻抗管整体设计

图2中阻抗管左端为声源段。右端为试件安装段(即试件筒部分)，阻抗管采用304不锈钢管加工而成，钢管截面为圆形，内径d为100 mm，管壁厚10 mm，隔声性能良好，管壁表面光滑，吸声系数可忽略不计。

2.1 扬声器筒设计

设计原则：防止共振，防止干扰，防止固体声传播。具体尺寸及结构如图3所示。

图3 扬声器筒设计图

2.2 传声管设计

传声管设计过程中确定扬声器位置时要保证：扬声器与最近的传声器之间的距离至少是管径的三倍，距离试件最近的传声器与试件表面的距离至少是管径的一倍。其中传声器安装位置如图4，5所示。

图4 传声管的设计

图5 传声器安装位置

2.3 试件筒设计

试件筒的设计原则为：试件筒的设计必须满足从试件筒的前面和后面都可接近测试样。目的是便于检查试验安装的前后面是否齐平，试件筒的背板必须是刚性且固定紧密(图6)。因为它是一个刚性反射终端，故本文设计厚度为30 mm，满足刚性不可渗透要求。可调试件筒深度为200 mm，可以测试组合试样，试样放入后通过螺纹联接与传声管固定，同时活塞通过O形密封环与管壁过盈配合以保证密封性良好。装配完成后的阻抗管如图7所示。

图6 试件筒结构示意图

图7 阻抗管实体图

2.4 有效频率范围计算

因为阻抗管截面为圆形，属于轴对称图形，在室温为20°C，声速c0=343.2 m/s时,根据管内平面波条件，阻抗管理论上限频率计算为

若取最远传声器之间的距离为S=140 mm，传递函数法产生奇异频率为

测量频率上限宜取以上两者频率较小值。

根据阻抗管测试原理，双传声器间距应满足大于波长λ的5%，即，推知

由此，可知系统理论测试频率范围为

同理，若传声器1，2之间的距离取S=70 mm，则理论测试频率要同时满足下式，即

即245 Hz＜f＜2 011 Hz

最后，设计并搭建完成的多孔金属材料声学性能测试系统如图8所示。

图8 多孔金属声学性能测试系统实物

图8中，信号发生器发出白噪声经过功率放大器PA50放大后激励扬声器发出声音，声压信号再经过传声器和前置放大器转化成电压信号，直接输入DASP大容量数据采集分析系统，再经后处理即可获得测试数据。

3 系统有效性验证与误差分析

3.1 系统有效性验证

为了验证本文设计搭建的阻抗管多孔金属材料声学性能测试系统的有效性，本文选择已经丹麦B&K公司声学材料系统测试过的样品进行对比测试，所用测试样及校准声源如图9所示。图10为交换传声器后测得的传递函数H12的幅值及其相位校正过程。

图9 标准试样和传声器校准声源

从图10中可以看出，用交换传声器的方法，可以明显的校正传递函数幅值和相角，进而可有效地改善系统的增益和相位影响。图11为本文与丹麦B&K公司测试系统的测试数据对比。从图11可以看出整体相对误差随着频率的增大最终变小，接近截止频率处约200 Hz时，相对误差最大(为22.85%)，具体对比数据如表1所示。

图10 传递函数幅值(a)和相角校准(b)

表1 吸声系数对比

图11 刚性背衬条件下，本系统和B&K测试系统测得的吸声系数及相对误差对比(传声器间距为70 mm)

通常，工程中吸声材料的吸声性能可用材料的降噪系数(Noise reduction coefficient，NRC)来衡量，即取频率250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz四个频率处吸声系数的算术平均值。采用本文所设计的测试系统测得的多孔金属试样的降噪系数为

采用丹麦B&K公司系统测得降噪系数为

对比结果表明：两个测试系统在评价材料的吸声性能方面的效果是一致的。此外，有空气层时，多孔金属吸声系数曲线见图12。由图可知，增加材料背面空气层可以有效的改善材料的低频吸收性能。

图12 材料背面有空气层时本系统的测量结果

3.2 误差分析

(1)本实验系统中激励信号采用白噪声，为避免时间混叠，选取信号长度远大于阻抗管中的声传播时间，即

(2)相位和幅度失配通过交换传声器重复测量的方法补偿(如图10所示)。此外，测试之前，均采用标准声源(见图9 b)对传声器进行校正，力图将传声器信号幅度读数之差限制在0.3 dB以内；

(3)考虑到传声器间距会影响测试精度：间距增大高频测试精度降低，而低频测试精度升高。因此，实际中根据需要的测试频段合理变换传声器间距，以保证系统具有足够的测试精度；

(4)本测试系统中测试样品到近端传声器的距离确定为一倍管径，故阻抗管衰减影响可忽略不计。

4 结语

本文在分析双传声器传递函数法原理的基础上，设计并搭建了一套多孔金属材料声学性能阻抗管实验测试系统，进一步以多孔金属材料作为标准试样，分别采用本系统和B&K公司声材料测试系统对多孔金属吸声性能进行了对比测试，对比结果说明本文所设计的测试系统具有令人满意的测试精度，从而为后续相关研究工作的开展奠定了基础。

[1]Chung J Y,Blaser D A.Transfer function method of measuring in-duct acoustic properties.I.Theory[J].J.Acoust.Soc.Am.,1980,68(3):907-913.

[2]Chung J Y,Blaser D A.Transfer function method of measuring in-duct acoustic properties.II.Experiment[J].J.Acoust.Soc.Am.,1980,68(3):914-921.

[3]胡恒，郑四发，郝鹏，等.材料吸声系数双传声器测量的参数识别方法[J].应用声学，2008，27(4)：305-310.

[4]冯涛，刘斌，王晶，等.基于Lab VIEW的材料法向吸声系数测量实验系统的研制[J].测控技术，2010，29 (10)：32-37.

[5]袁建，林胜，贺才春.阻抗管中吸声系数的传递函数测量法[J].噪声与振动控制，2006，3（1）：68-70.

Design of Testing System for Measurement of Sound Absorbing Properties of Porous Metallic Materials

ZHANG Wei-yong,ZHANG Bo,ZHU Jian,PI Jin-bao,LI Juan

(School of Mechanical Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

To study the acoustic properties of porous metallic materials,an impedance tube test system is developed for measurement of sound absorbing properties of porous metals based on the double-microphone transfer function method.The design process of the system is described in detail and the design parameters are provided.On this basis,a real measurement system is established and its feasibility and stability are validated by comparative testing of typical porous metallic specimens.Finally,the source of testing errors and the corresponding correction methods are analyzed and discussed.

acoustics;porous metallic material;impedance tube;acoustic properties;transfer function method

TB5

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.01.044

1006-1355(2014)01-0196-05

2013-04-22

宁夏自然科学基金资助项目(基金编号：NZ1007)；国家自然科学基金资助项目(基金编号：51065025）

张伟永（1987-），男，山东临沂人，硕士生，目前从事噪声与振动控制研究。

E-mail:12712580@qq.com

张波(1973-),男，宁夏青铜峡人，副教授，硕士生导师，目前从事噪声与振动控制研究。

E-mail:zhangbonxu@gmail.com