脉冲法声学材料性质测量装置、测量系统及测量方法与流程

本发明涉及材料测试技术领域，特别是涉及一种脉冲法声学材料性质测量装置、测量系统及测量方法。

背景技术：

传统声学材料性质测量一般采用阻抗管测量，利用“三传声器法”，由样品表面反射，入射波与反射波形成驻波，用两只传声器把入射波和反射波分离，末端放置理论上没有反射的劈尖消声端，利用第三支传声器进行采集透射波，测量精度与末端吸收直接相关；而改良的“四传声器法”通过更换不同消声端，在一定程度上可以减弱消声端影响。

然而传统阻抗管测量方法只考虑了样品的单次反射，一般针对吸声材料测量，在样品无吸收或者吸收很小的情况下不适用，且样品的尺寸受限于阻抗管的尺寸，无法对声子晶体等尺寸无法任意更改的样品进行测量。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种脉冲法声学材料性质测量装置、测量系统及测量方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种脉冲法声学材料性质测量装置、测量系统及测量方法。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种脉冲法声学材料性质测量装置，所述测量装置包括二维波导结构、安装于二维波导结构中的声源、安装于二维波导结构上的第一传声器及第二传声器、以及二维波导结构与空气接触的边缘部分所填充的吸声材料，所述二维波导结构包括相对设置的板材，板材之间形成有中空的空腔，所述声源安装于板材之间的空腔内，第一传声器及第二传声器安装于板材上，待测样品安装于二维波导结构中且位于第一传声器与第二传声器之间，并通过夹持装置进行固定。

作为本发明的进一步改进，所述二维波导结构由上下排列的第一有机玻璃板与第二有机玻璃板形成，所述第一有机玻璃板与第二有机玻璃板的厚度大于或等于5mm。

作为本发明的进一步改进，所述声源为等间距排列形成的扬声器阵列。

作为本发明的进一步改进，所述第一有机玻璃板上沿纵长方向的中心轴线形成有第一通孔和第二通孔，所述第一传声器与第二传声器分别安装于第一通孔与第二通孔内。

作为本发明的进一步改进，所述第一通孔中心距离声源和待测样品大于或等于30cm，以保证入射脉冲和反射脉冲分离。

作为本发明的进一步改进，所述待测样品的宽度与夹持装置的宽度相等，待测样品的高度与吸声材料的高度相等，夹持装置的宽度及吸声材料的高度分别根据待测样品的宽度和高度进行设置。

作为本发明的进一步改进，所述第二通孔位于待测样品后方，第二通孔中心距离末端吸声吸声材料大于或等于30cm，以分离透射波及末端的反射波。

相应地，一种脉冲法声学材料性质测量系统，所述测量系统包括信号发生器及功率放大器、示波器、计算机和上述的测量装置，所述计算机控制信号发生器提供脉冲信号并通过功率放大器给声源，由声源发出近平面波，信号发生器提供同步脉冲信号给示波器，触发采集二维波导结构中的脉冲信号，并由计算机采集并处理。

相应地，一种脉冲法声学材料性质测量方法，所述测量方法包括：

S1、样品测试区域无待测样品，采用声源发出脉冲声波，将第一传声器测得的声波信号傅里叶变换为入射脉冲信号pia，将第二传声器测得的声波信号傅里叶变换为透射脉冲信号pta，互谱分析得到空气透射的传递函数为其中*表示共轭；

S2、将参考硬墙放置在样品测试区域，采用声源发出脉冲声波，将第一传声器测得的入射声波信号和经过硬墙反射的反射脉冲声波信号分离并傅里叶变换为入射脉冲信号pih和反射脉冲信号prh，互谱分析得到硬墙反射的传递函数为其中*表示共轭；

S3、将待测样品放置在样品测试区域，采用声源发出脉冲声波，将第一传声器测得的入射声波信号和经过待测样品反射的反射脉冲声波信号分离并傅里叶变换为入射脉冲信号pis和反射脉冲信号prs，将第二传声器测得的经过样品的透射声波信号傅里叶变换为透射脉冲信号pts，互谱分析得到样品反射的传递函数为和样品的透射的传递函数为其中*表示共轭；

S4、计算待测样品透射系数为反射系数为

计算待测样品隔声量TL为计算待测样品吸声系数A为A＝1-|r|²-|t|²；

计算待测样品声阻抗为其中，ρ0υ0为空气阻抗。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中的参考硬墙为有机玻璃板或金属板。

本发明的有益效果是：

不同尺寸的测试样品可通过夹持装置的宽度及吸声材料的厚度进行调节；

在测量常见材料时脉冲方法可以快速测量；

由于在时域中进行测量，可以有效避免传统方法中扬声器端和末端多重反射对传递函数的误差影响；

使用扬声器器阵列作为声源产生较大的近平面波前，可以测量更大尺寸的样品；

采用参考硬墙和空气对比测量，可以克服现有技术多传声器方法中相位匹配和声中心、传声器距离不准确引起二次误差问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施方式中脉冲法声学材料性质测量装置的俯视结构示意图；

图2为本发明第一实施方式中脉冲法声学材料性质测量装置的侧视结构示意图；

图3为本发明第二实施方式中脉冲法声学材料性质测量系统的结构示意图；

图4为本发明一具体实施例中30*20*1(cm*cm*cm)尺寸吸声海绵的声学性质测量曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1、图2所示，本发明第一实施方式中的一种脉冲法声学材料性质测量装置，该测量装置包括二维波导结构1、安装于二维波导结构中的声源2、安装于二维波导结构1上的第一传声器3及第二传声器5、以及二维波导结构与空气的边缘接触部分所填充的吸声材料6，待测样品4安装于二维波导结构1中，且位于第一传声器3与第二传声器5之间，并通过夹持装置7进行固定。所述二维波导结构包括相对设置的板材，板材之间形成有中空的空腔，所述声源安装于板材之间的空腔内，第一传声器及第二传声器安装于板材上。

其中，本实施方式中的二维波导结构1由上下排列的第一有机玻璃板11与第二有机玻璃板12形成，且第一有机玻璃板11与第二有机玻璃板12的厚度大于或等于5mm。

另外，第一有机玻璃板11上沿纵长方向的中心轴线(及长边中心轴线)形成有第一通孔和第二通孔(未标号)，通孔直径等于传声器直径，第一传声器3与第二传声器5分别安装于第一通孔与第二通孔内。进一步地，第一通孔(或第一传声器3)中心距离声源2和待测样品4大于或等于30cm，以保证入射脉冲和反射脉冲分离；第二通孔位于待测样品4后方，第二通孔(或第二传声器5)中心距离末端吸声吸声材料大于或等于30cm，以分离透射波及末端的反射波。

应当理解的是，本发明中的二维波导结构1并不限于由上下两块有机玻璃板组成的结构，也可以为其他形式的二位波导结构，此处不再进行详细说明。

优选地，声源2为等间距排列形成的扬声器阵列，如本实施方式中声源由7个扬声器等间距排列形成扬声器阵列，且扬声器阵列固定于第二有机玻璃板12上，其阵列方向与纵长方向的中心轴线垂直，声源2设置为扬声器阵列在测量区域产生较大的近平面波测量大尺寸的样品。

进一步地，本实施方式中的吸声材料6采用吸声海绵为例进行说明，夹持装置7采用夹持用有机玻璃板进行说明，当然在其他实施方式中，吸声材料也可以为其他材料，夹持装置也可以采用其他装置替代，此处不再一一举例进行说明。

本实施方式中待测样品4由两块等厚度和长度的有机玻璃板夹持(其高度和宽度与后面的吸声海绵相同)，夹持用有机玻璃板与样品间无缝隙，此处作为样品放置区域，其放置区域大小可以通过调整夹持用有机玻璃大小改变；第一有机玻璃板与第二有机玻璃板间四周与周围空气接触部分由吸声海绵填充，吸声海绵与第一有机玻璃板与第二有机玻璃板间没有缝隙，其高度与待测样品相同，宽度不低于5cm。

待测样品4的宽度与夹持装置7的宽度(即图1中两个夹持用有机玻璃板之间的距离)相等，待测样品4的高度与吸声材料6的高度相等，当测量不同尺寸的待测样品时，通过对夹持装置的宽度及吸声材料的高度分别根据待测样品的宽度和高度进行设置即可实现。

参图3所示，本发明第二实施方式中的一种脉冲法声学材料性质测量系统，该测量系统包括信号发生器及功率放大器8、示波器9、计算机10和第一实施方式中的测量装置，其中，计算机控制信号发生器提供脉冲信号并通过功率放大器给声源，由声源发出近平面波，信号发生器提供同步脉冲信号给示波器，触发采集二维波导结构中的脉冲信号，并由计算机采集并处理。

本发明第三实施方式中的一种脉冲法声学材料性质测量方法，其首先需将待测样品加工为矩形，安置于夹持用有机玻璃板间，且位于第一传声器和第二传声器之间；再加工一块与待测样品同尺寸的有机玻璃板或金属板作为参考硬墙。具体测量方法包括以下步骤：

S1、样品测试区域无待测样品，采用声源发出脉冲声波，将第一传声器测得的声波信号傅里叶变换为入射脉冲信号pia，将第二传声器测得的声波信号傅里叶变换为透射脉冲信号pta，互谱分析得到空气透射的传递函数为其中*表示共轭；

S2、将参考硬墙放置在样品测试区域，采用声源发出脉冲声波，将第一传声器测得的入射声波信号和经过硬墙反射的反射脉冲声波信号分离并傅里叶变换为入射脉冲信号pih和反射脉冲信号prh，互谱分析得到硬墙反射的传递函数为其中*表示共轭；

S3、将待测样品放置在样品测试区域，采用声源发出脉冲声波，将第一传声器测得的入射声波信号和经过待测样品反射的反射脉冲声波信号分离并傅里叶变换为入射脉冲信号pis和反射脉冲信号prs，将第二传声器测得的经过样品的透射声波信号傅里叶变换为透射脉冲信号pts，互谱分析得到样品反射的传递函数为和样品的透射的传递函数为其中*表示共轭；

S4、计算待测样品透射系数为反射系数为

计算待测样品隔声量TL为

计算待测样品吸声系数A为A＝1-|r|²-|t|²；

计算待测样品声阻抗为其中，ρ0υ0为空气阻抗。

结合图1至图3所示，在本发明的一具体实施例中，声源2由7个直径10mm小型扬声器等间距20mm排列形成的阵列；二维波导结构由第一有机玻璃板11和第二有机玻璃板12构成，厚度均为7mm，在第一有机玻璃板11沿着中心轴线开有两个直径10mm的通孔用于安装传声器，通孔直径等于传声器直径，通孔包括第一通孔和第二通孔，第一通孔中心距离声源和待测样品30cm，第二通孔位于待测样品后方，第二通孔中心距离末端吸声海绵30cm，以分离透射波及末端的反射波；声源2固定于第二有机玻璃板12上，其阵列方向中心轴线方向垂直；待测样品4由两块等厚度和长度的有机玻璃板夹持(其高度和宽度与后面的吸声海绵相同)，夹持用有机玻璃板与样品间无缝隙，此处作为样品放置区域；两块有机玻璃板间四周与周围空气接触部分由吸声海绵填充，吸声海绵与有机玻璃板间没有缝隙，其高度与待测样品相同，宽度5cm。

测量系统中，信号发生器及功率放大器采用AFG3022C，示波器9采用DSO-X 3024A，计算机10控制信号发生器提供脉冲信号，并通过功率放大器给声源2；由声源2发出近平面波。具体地，本实施例中使用8个周期的单频正弦脉冲，频率范围7000～8000Hz，间隔1Hz；信号发生器提供同步脉冲信号给示波器，触发采集二维波导结构中的脉冲信号，并由计算机采集并处理，整个过程由Labview编程控制发声，采集，后处理。

本实施例中的待测样品4采用30*20*1(cm*cm*cm)尺寸的吸声海绵，首先需将待测样品加工为30*20*1(cm*cm*cm)尺寸，再加工一块与待测样品同尺寸的有机玻璃板作为参考硬墙。

根据第三实施方式中的测量方法，可以得到如图4所示的30*20*1(cm*cm*cm)尺寸吸声海绵的声学性质，其中，图4中a为隔声量TL，b为透射系数t、反射系数r及吸声系数A，c为透反射相位，d为声阻抗Z。

应当理解的是，本发明中的待测样品并不限于方形，也可以为圆形等其他形状，只需对应在测量装置上设置相对应的样品测量区域即可。

本发明可适用多种样品尺寸的声学材料性质测量装置和测量方法，由声源发出近平面波脉冲信号，在时域内对声场进行分解，基于物理量定义可解得待测材料的声学性质。

本发明相对于常规声管测量方法，样品的尺寸大小更自由，根据样品大小改变夹持有机玻璃板大小和吸声海绵厚度即可测量，不局限于常规声管测量固定尺寸的圆柱形和方形样品，可以用于如二维声子晶体等无法放置在阻抗管中测量的样品。

由以上技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

不同尺寸的测试样品可通过夹持装置的宽度及吸声材料的厚度进行调节；

在测量常见材料时脉冲方法可以快速测量；

由于在时域中进行测量，可以有效避免传统方法中扬声器端和末端多重反射对传递函数的误差影响；

使用扬声器器阵列作为声源产生较大的近平面波前，可以测量更大尺寸的样品；

采用参考硬墙和空气对比测量，可以克服现有技术多传声器方法中相位匹配和声中心、传声器距离不准确引起二次误差问题。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。