专利名称：一种吸声系数现场测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种吸声系数测量装置及方法，特别是关于一种可用于对吸声材料 的吸声系数进行现场测量的吸声系数现场测量装置及方法。
背景技术：
目前，吸声材料在工业和建筑等领域的应用越来越多，其吸声系数直接影响着 吸声材料的效果，而快速准确的测量吸声材料的吸声系数对于合理选择材料、控制 噪声有着重要的作用。现在常用的吸声系数的测量方法是混响室法和驻波管法，驻 波管法又分为驻波比法和传递函数法。混响室法测量的是无规则入射的吸声系数， 但混响室的建造费用相当昂贵，不利于大规模使用。驻波管法测量的是垂直入射的 吸声系数和吸声材料的表面法向声阻抗，但驻波管只能对小型试件进行测量，得到 的吸声细数往往不能和应用情况相吻合，因此如何对吸声材料的吸声系数进行现场 测量是提高噪声控制水平的一个重要问题。法国学者J.F.Allard和日本学者 Y.Takahashi等都对吸声系数的现场测量方法进行了一定的研究(Journal of Noise Control Engineering, 32(1)， 1989; Applied Acoustics Vol. 66)，但未设计出 专门的测试装置。同时由于实验环境、实验装置及频率限制等因素的影响，其测试 方法很难在实际的工作状态下对吸声材料进行测试。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种可用于对吸声材料的吸声系数进行现 场测量的吸声系数现场测量装置及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种吸声系数现场测量装置，其 特征在于它包括一测量探头和一中空的固定手柄；所述测量探头包括一探头基体、 两传声器测量探头和一材料间距测量探头；所述探头基体为一金属板，所述探头基
体的一端和中间位置各开有一滑槽，在两所述滑槽之间的所述探头基体上横向设置 有一位置测量尺；所述探头基体的另一端与所述固定手柄枢接；所述传声器测量探 头包括一圆柱形传声器固定管；所述传声器固定管的下部连接一导向块，所述导向 块滑设在所述探头基体上部的滑槽内；所述传声器固定管的前端设置有一用来固定 连接传声器的BNC接头；所述传声器固定管的后端设置有一传声器位置标尺，所述 传声器位置标尺的尖端与传声器的轴线重合，所述传声器位置标尺指在所述位置测 量尺上；所述材料间距测量探头横向设置在所述探头基体中间位置的滑槽上，其一端伸出所述探头基体；所述材料间距测量探头下部亦连接一导向块，所述导向块滑 设在所述探头基体中间位置的滑槽内；所述材料间距测量探头的中心位置设置有一 材料间距位置标尺，所述材料间距位置标尺亦指在所述位置测量尺上。
所述探头基体的一端为矩形，另一端为半圆形，所述探头基体的圆形端通过螺 栓和固定螺母与所述固定手柄枢接。
一种采用上述装置的吸声系数现场测量方法，其包括以下步骤1)在被测材
料附近布置三至四个声源激励，频率范围约为20Hz至20KHz; 2)将传声器A、 B 安装在两传声器固定管前端的BNC接头上，并通过位置测量尺调整传声器A、 fi的间 距至所需间隔， 一般在10mm左右；3)移动材料间距测量探头，通过材料间距位置 标尺确定材料间距测量探头的伸出长度以调整传声器A或6到材料表面的距离， 一般 控制在20ram以内，并连接传声器/l、 B的信号线与采集系统，准备进行记录；4)将 探头基体前端靠近被测材料，并将材料间距测量探头的伸出端靠住被测材料表面， 确保探头基体与被测材料表面平行，手持固定手柄保持稳定，记录传声器A和传声 器fi的间距A传声器A或B到被测材料表面的距离/; 5)将声源激励的频率调至5KHz 以上，待被测位置的声场稳定后，同时采集传声器A、 B的声压信号，采样时间一般 在20s以上；6)松开探头基体与固定手柄的固定螺母，将测量探头翻转180度， 调整材料间距测量探头的位置，与第一次测量的距离/相同；调整传声器A、 fi的位 置，与第一次测量的间距d相同；重复步骤4)和步骤5)，再次记录传声器A、 B的 声压信号。
根据步骤4) 步骤6)测量得到传声器A、 fi的位置信息和声压信号后，采用 如下方法计算被测材料的吸声系数①以测试时距离被测材料较远的传声器J位置 设为"点，距离较近的传声器^位置为6点，则第一次测试得到的声压信号分别为 rf^)和rf)W ，第二次测量得到声压信号为rf)(O和W ，对两次测量得到的声 压信号做傅利叶变换，得到声压信号的频域值rf、W、 rf、")、)和^)("; ②利用步骤①变换得到的声压信号的频域值计算fl点到&点的频率响应函数为
其中，G。。(司为"点声压信号自谱，G""为fe点声压信号自谱，为"点到6点 的互谱，C^(w)为b点到fl点的互谱，其计算公式为
其中，A(w)为"点或6点的声压信号的频域值，《(w)为a点或fc点的声压信号频域值
的共轭;利用两次测量结果计算得到fl点到6点的频率响应函数/^)(W)和i/i"(W),计算时通 过适当的加窗和平均处理可以得到"点到6点的估计频率响应函数为
③利用步骤4)测量得到的传声器A和传声器S的垂直间距A以及6点的传声器到被 测材料表面的垂直距离/，计算得到被测材料表面的声阻抗为
<formula>formula see original document page 7</formula>其中，p和c分别为空气的密度和空气中的声速，//。Jw)为"点到6点的频率响应函 数；④利用步骤③计算得到的被测材料表面的声阻抗，计算被测材料的现场反射系 数r(w)和现场吸声系数a(6;)为
ZwO) + pc 。 a(0) = l_| (w)|
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明的测量装置由于 设置了传声器测量探头和材料间距测量探头，因此能够实现传声器的间距测量，以 及材料表面到传声器的间距测量。2、本发明测量装置的测量探头与一固定手柄枢 接，能够实现传声器的翻转，因此在测量过程中可以方便的调整传声器的顺序，从
而消除传声器本身的相位差。3、本发明测量装置可在实际的工作环境状态下，利
用普通的采集系统对实际使用中的吸声材料进行测量，并根据其测量结果计算被测 吸声材料的吸声系数，克服了传统测试方法对设备和测量环境的严格要求，并直接
得到最有实际应用价值的吸声材料声学性能参数。4、本发明结构简单紧凑，使用
方便，成本低，可以广泛应用于各种吸声材料的吸声系数测量。
图1是本发明测量装置的结构示意图 图2是本发明测量探头的结构示意图 图3是本发明的第一次测量示意图 图4是本发明的第二次测量示意图
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图i所示，本发明的测量装置包括一测量探头i和一中空的固定手柄n。测
量探头I包括一探头基体1、两传声器测量探头2和一材料间距测量探头3。
如图2所示，探头基体l为一端为矩形，另一端为半圆形的金属板，用来固定传声器测量探头2和材料间距测量探头3。探头基体1上靠近矩形端位置和中间位 置各开有一滑槽4、 4'，在两滑槽4、 4'之间的探头基体1上横向设置有一位置 测量尺5。探头基体1的圆形端通过螺栓和固定螺母与固定手柄II枢接，固定手柄 II可以手持进行测量。
传声器测量探头2包括一圆柱形传声器固定管21。传声器固定管21的下部通 过螺栓和固定螺母连接一导向块22，导向块22滑设在探头基体1上部的滑槽4内， 利用导向块22上的螺栓和固定螺母可以将传声器测量探头2固定。传声器固定管 21的前端设置有一用来固定连接传声器6的BNC接头7 (Bayonet Nut Connector 刺刀螺母连接器)。传声器固定管21的后端设置有一传声器位置标尺8，传声器位 置标尺8的尖端与传声器6的轴线重合，传声器位置标尺8指在位置测量尺5上， 通过读取两个传声器位置标尺8所指示位置的刻度差即可得到两个传声器6轴线间 的距离。
材料间距测量探头3横向设置在探头基体1中间位置的滑槽4'上，其一端伸 出探头基体1。材料间距测量探头3的下部也通过螺栓和固定螺母连接一导向块31， 导向块31滑设在探头基体1中间位置的滑槽4'内，利用导向块31上的螺栓和固 定螺母可以将材料间距测量探头3固定。材料间距测量探头3的中心位置设置有一 材料间距位置标尺9，材料间距位置标尺9也指在位置测量尺5上，用来测定材料 间距测量探头3到传声器固定管21中心的距离。
上述实施例中，探头基体1长100mm，宽50mm，两传声器测量探头2最大间距 40mm，材料间距测量探头3全长60mm，最大伸出量25mm，固定手柄II长1000ram。
如图1所示，本发明的测量装置使用时，将传声器6安装在传声器固定管21 前端的BNC接头7上，传声器6的信号线10则从传声器固定管21中引出，并沿固 定手柄II内部伸出连接到采集系统(图中未示出)。由于采集系统非本发明的保护 范围，故不再赘述。
下面以汽车车身内饰材料(即被测材料ll)测量为例，详细说明利用本发明的 测量装置进行吸声系数现场测量的方法，其包括以下步骤
1) 将汽车置于空档定置状态，利用发动机作为声源激励。
2) 将传声器4、 fi安装在传声器固定管21前端的BNC接头7上，松开传声器测 量探头2的固定螺母，移动传声器测量探头2，并通过位置测量尺5调整传声器A、 S的间距至所需间隔(传声器4、 S的间隔一般在10mm左右)，拧紧固定螺母将传声 器测量探头2固定。
3) 移动材料间距测量探头3，通过材料间距位置标尺9确定材料间距测量探头3的伸出长度以调整传声器/i或B到被测材料11表面的距离(传声器A或B到被测材 料11表面间距一般控制在20mm以内)，拧紧固定螺母将材料间距测量探头3固定， 并连接传声器A、 B的信号线与采集系统，准备进行记录。
4) 如附图3所示，将探头基体l前端靠近被测材料ll，并将材料间距测量探 头3的伸出端靠住被测材料11表面，确保探头基体l与被测材料ll表面平行，即 保证传声器A、 S的连线垂直于被测材料ll表面。拧紧探头基体1与固定手柄II的 固定螺母，手持固定手柄n保持稳定，记录传声器A和传声器fi的垂直间距d，传声 器fi到被测材料表面的垂直距离/。
5) 启动汽车发动机并固定油门踏板，将发动机转速稳定在较高转速下 (3000r/min左右)，至车内发出的噪声保持恒定状态，待被测位置的声场稳定后，
同时采集传声器A、 fi的声压信号，采样时间一般在20s以上。
6) 为消除传声器A、 6本身的相位差，需要调整传声器A、 6的顺序。松开探头 基体1与固定手柄II的固定螺母，将测量探头I翻转180度，拧紧固定螺钉，调整 材料间距测量探头3的位置，与第一次测量的距离/相同；调整传声器/U fi的位置， 与第一次测量的间距"相同(如附图4所示)。重复步骤4)和步骤5)，再次记录传 声器A、 5的声压信号。
对于其他场合的吸声材料，可以利用扬声器播放白噪声来代替发动机作为声源 进行测量，基本测量步骤与上述相同，白噪声的频率范围约为20Hz至20KHz，在被 测材料附近(半径4m范围内)布置三至四个扬声器。
根据上述测量方法得到传声器A、 fi的位置信息和声压信号后，本发明的吸声系 数计算方法包括以下步骤
① 以测试时距离被测材料11较远的传声器^位置设为fl点，距离较近的传声器 万位置为h点(如附图3所示)，则第一次测试得到的声压信号分别为rf^O和rf、0， 第二次测量得到声压信号为"2)^和/^2)(0，对两次测量得到的声压信号做傅利叶 变换，得到声压信号的频域值rf)(^、 rf)—)、 rf)^)和rf)—)。
② 利用步骤①变换得到的声压信号的频域值计算a点到6点的频率响应函数为
其中，G。。(一为a点声压信号自谱，C^(^为6点声压信号自谱，G。A—)为"点 到6点的互谱，"。(《)为/7点到"点的互谱，其计算公式为
其中，A(w)为fl点或b点的声压信号的频域值，g(w)为a点或6点的声压信号频利用两次测量结果计算得到"点到6点的频率响应函数/^)(^)和/42)( )，计算 时通过适当的加窗和平均处理可以得到a点到6点的估计频率响应函数为
W 》) (3)
③利用传声器A、fi的位置信息和材料间距探头3的位置信息可以得到传声器A、 5的垂直间距d和靠近被测材料11表面的传声器A或B (即6点的传声器)到被测材料 11表面的垂直距离/，计算得到被测材料11表面的声阻抗为
H
W剩-
其中，户和c分别为空气的密度和空气中的声速，K")为"点到6点的频率响
应函数。
4)利用上面计算得到的被测材料11表面的声阻抗，计算被测材料11的现场
反射系数KM和现场吸声系数为
Z + / c (5) a(<y) = 1-| (《)|
本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可 以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的 改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1、一种吸声系数现场测量装置，其特征在于它包括一测量探头和一中空的固定手柄；所述测量探头包括一探头基体、两传声器测量探头和一材料间距测量探头；所述探头基体为一金属板，所述探头基体的一端和中间位置各开有一滑槽，在两所述滑槽之间的所述探头基体上横向设置有一位置测量尺；所述探头基体的另一端与所述固定手柄枢接；所述传声器测量探头包括一圆柱形传声器固定管；所述传声器固定管的下部连接一导向块，所述导向块滑设在所述探头基体上部的滑槽内；所述传声器固定管的前端设置有一用来固定连接传声器的BNC接头；所述传声器固定管的后端设置有一传声器位置标尺，所述传声器位置标尺的尖端与传声器的轴线重合，所述传声器位置标尺指在所述位置测量尺上；所述材料间距测量探头横向设置在所述探头基体中间位置的滑槽上，其一端伸出所述探头基体；所述材料间距测量探头下部亦连接一导向块，所述导向块滑设在所述探头基体中间位置的滑槽内；所述材料间距测量探头的中心位置设置有一材料间距位置标尺，所述材料间距位置标尺亦指在所述位置测量尺上。
2、 如权利要求1所述的一种吸声系数现场测量装置，其特征在于所述探头 基体的一端为矩形，另一端为半圆形，所述探头基体的圆形端通过螺栓和固定螺母 与所述固定手柄枢接。
3、 一种采用如权利要求1 2所述装置的吸声系数现场测量方法，其包括以下步骤1) 在被测材料附近布置三至四个声源激励，频率范围约为20Hz至20KHz;2) 将传声器A、 S安装在两传声器固定管前端的BNC接头上，并通过位置测量 尺调整传声器/U S的间距至所需间隔， 一般在10mm左右；3) 移动材料间距测量探头，通过材料间距位置标尺确定材料间距测量探头的 伸出长度以调整传声器A或fi到材料表面的距离， 一般控制在20ran以内，并连接传 、声器A、 B的信号线与采集系统，准备进行记录；4) 将探头基体前端靠近被测材料，并将材料间距测量探头的伸出端靠住被测 材料表面，确保探头基体与被测材料表面平行，手持固定手柄保持稳定，记录传声 器A和传声器S的间距A传声器A或B到被测材料表面的距离/;5) 将声源激励的频率调至5KHz以上，待被测位置的声场lr定后，同时采集传声器A、 5的声压信号，采样时间一般在20s以上；6)松开探头基体与固定手柄的固定螺母，将测量探头翻转180度，调整材料 间距测量探头的位置，与第一次测量的距离/相同；调整传声器A、 B的位置，与第 一次测量的间距d相同；重复步骤4)和步骤5)，再次记录传声器A、 fi的声压信号。
4、如权利要求3所述的一种吸声系数现场测量方法，其特征在于根据步骤4) 步骤6)测量得到传声器A、 B的位置信息和声压信号后，采用如下方法计算被测材 料的吸声系数.-① 以测试时距离被测材料较远的传声器J位置设为a点，距离较近的传声器S位置为^点，贝i條一次测试得到的声压信号分别为rfw和rf^;)，第二次测量得到声压信号为pPW和pi2)(0，对两次测量得到的声压信号做傅利叶变换，得到声压 信号的频域值rf)(w)、 rf)(w)、 W)H和rf)(");② 利用步骤①变换得到的声压信号的频域值计算fl点到^点的频率响应函数为<formula>formula see original document page 3</formula>其中，G。。(一为a点声压信号自谱，G^(w)为&点声压信号自谱，G。Jw)为"点 到6点的互谱，C^(一为办点到fl点的互谱，其计算公式为其中，A("为"点或&点的声压信号的频域值，s(^)为"点或^点的声压信号频域值的共轭；禾u用两次测量结果计算得到"点到6点的频率响应函数//! ("和/42)(")，计算时通过适当的加窗和平均处理可以得到"点到6点的估计频率响应函数为③ 利用步骤4)测量得到的传声器A和传声器S的垂直间距d，以及b点的传声器 到被测材料表面的垂直距离/，计算得到被测材料表面的声阻抗为<formula>formula see original document page 3</formula>,其中，p和c分别为空气的密度和空气中的声速，/^(w)为"点到6点的频率响 应函数。④利用步骤③计算得到的被测材料表面的声阻抗，计算被测材料的现场反射系数K )和现场吸声系数为<formula>formula see original document page 4</formula>
全文摘要
本发明涉及一种吸声系数现场测量装置，其特征在于它包括测量探头和固定手柄；测量探头包括探头基体、传声器测量探头和材料间距测量探头；探头基体的一端和中间位置各开有滑槽，在两滑槽之间的探头基体上设置有位置测量尺；探头基体的另一端与固定手柄枢接；传声器测量探头包括传声器固定管，其通过导向块滑设在探头基体上部的滑槽内；传声器固定管的前端设置有BNC接头，后端设置有传声器位置标尺，传声器位置标尺的尖端与传声器的轴线重合且指在位置测量尺上；材料间距测量探头通过导向块横向滑设在探头基体中间位置的滑槽上，其中心位置设置有材料间距位置标尺，材料间距位置标尺也指在位置测量尺上。本发明结构简单紧凑，使用方便，成本低，可以广泛应用于各种吸声材料的吸声系数测量。
文档编号G01N29/11GK101458231SQ20091007612
公开日2009年6月17日 申请日期2009年1月7日 优先权日2009年1月7日
发明者李克强, 杨殿阁, 王建强, 罗禹贡, 连小珉, 郑四发, 鹏 郝 申请人:清华大学