基于可控脉冲的材料声学特性宽带测试技术研究

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无论对空气声或水声应用,准确评价材料的吸声/隔声性能,对于声学材料选用或优化设计都具有重要意义。尤其是水声材料的低频吸声与隔声性能的准确测试对于水声材料研究及其工程应用至关重要。本文重点研究了基于维纳滤波原理的脉冲声生成技术,以及基于脉冲法的声学材料性能测试原理和方法,为现有的空气声和水声测量技术提供了一种新的技术途径。  首先,对声管内部的脉冲声生成技术和声管内部声场进行了系统的研究,利用阻抗模型对影响脉冲声产生的各个因素进行了定性分析。在此基础上,分别在管端开口及闭口条件下,测量了纤维材料的表面阻抗、复反射系数及吸声系数。与同一声管内传递函数法测量结果进行了对比,二者吻合良好。同时,为了能够准确地评价材料的低频吸声性能,提出了利用阻尼谐振子模型表示材料的吸声特性、并基于可靠的中频数据建模而延拓至低频的有效方法。通过仿真算例,分析了吸声峰值频率与模型参数的关系,提出了模型阶次的选择原则,同时以微穿孔铝板为例,验证了阻尼谐振子模型的可靠性和准确性。利用研制的硬件和软件设备,对单层和多层复合隔声材料进行了脉冲法隔声量测试,与传统的双加载法进行了对比,二者一致性较好。研究表明:脉冲方法有效避免了管端开口阻抗的影响,准确地测量了材料的隔声量,对基于驻波场分解方法(传统的多传声器法)的隔声测试技术而言,是一种较大程度上的改进。  声学材料的特征参数主要包括特征阻抗和复波数等声学参量,而特征阻抗和复波数可以利用流阻、结构因子及孔隙率等非声学特征参数来表示。双空腔法作为一种评价材料特征阻抗和复波数的传统方法,能够快速测量材料的特征阻抗和复波数等声学特征参数,但测试高流阻材料带来的测试误差较大。本文提出了利用脉冲分离法和传递矩阵相结合的方式,对多孔材料的特征阻抗和复波数进行了测试,通过和理论值对比可以发现,基于脉冲分离法和传递矩阵法相结合的测试技术能够准确测量多孔材料的声学特征参数。引入蒙特卡罗随机方法,对影响测试结果的各个误差因素进行了系统的分析。结果表明:声学材料的特征阻抗和复波数的计算精度主要受到了入射波幅值、透射波幅值以及材料厚度的影响。其中,复波数的虚部受到的影响最为明显。此外,利用已有的等效刚性流体模型拟合公式,对材料的流阻、特征长度和弯曲度等非声学特征参数进行了评价,得到了较为合理的数值。  对目前的现场吸声测量技术进行了详细的回顾,提出了利用脉冲分离法和相减法分别测量材料的吸声系数。通过和垂直入射条件下的阻抗管法测试结果对比,可以发现:脉冲分离法和叠加法在中低频段内与阻抗管法较为接近,而在高频段则大于阻抗管法。脉冲分离法中,仅利用了球面波修正系数对反射系数进行修正,而实际的球面波反射系数是入射角度、入射波频率及声源和材料表面的相对几何位置等多个参量的函数。因而,仅利用球面波修正的方法得到的结果不够准确。为了能够比对空间大样本测试数据和声管小样本测试数据,对球面波入射条件下的点声源反射声场进行了数值研究。研究表明:在掠入射情形下,低流阻材料表现出了较强的非局部响应特性,使得传统的反射声场解析表达式与基于Sommerfleld精确数值积分解差值很大。而随着入射角度的降低,传统的解析表达式和精确解的差值越小。这也说明,利用传统的解析表达式进行平面波声阻抗反演时,在垂直入射角度下的误差最小或者可以忽略。基于上述结论,分别对海绵材料和毛毡材料的的球面波反射系数进行反演,获得了反演后的平面波吸声系数。与声管测量值相比,基于该反演方法的测量结果较之直接利用球面波修正系数进行计算的结果在中低频段内有了很大程度的改善,与声管测量值更为接近。此外,在半自由场空间,利用维纳滤波原理生成了持续时间达ms量级的宽带脉冲。利用脉冲法测试了铝板材料的隔声量,能有效避免边缘衍射的影响,在200至5000Hz的频率范围内和理论值吻合较好。  利用蒙特卡洛随机变量方法,对水声管内声波导方程进行了求解,得到了实际水声管的声传播模态。在实际测量时,应精确校准低阶声传播模态并尽量避免高阶模态对测试结果的影响。在水声管内和消声水池中成功生成了宽带短脉冲声信号。在水声管内,利用脉冲回波法,对水-空气界面及水声橡胶材料进行了吸声系数的测试,与理论值和传统的双水听器法进行了对比。结果表明:脉冲法将低频测试频率拓展至500Hz,且能实现宽带快速准确测量。该方法有望应用于现有的脉冲声管中。在消声水池中,利用脉冲法对钢板的插入损失进行了测量。结果表明:基于维纳滤波原理的脉冲声测量技术,能够拓展其低频测试频率至1000Hz。而且,该方法测试过程简单,是一种新的水声测试技术。
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