声波斜入射材料吸声系数与隔声量测量装置及其测量方法与流程
本发明涉及声学测量领域，特别涉及一种声波斜入射材料吸声系数与隔声量测量装置及其测量方法。
背景技术：
随着现代工业、交通运输业和城市建设的发展，环境噪声污染已成为影响最大的公害之一。使用吸声材料和隔声材料是被动控制技术控制噪声所采取的主要措施，在声学方面，评价材料声学性能的主要参数为：吸声系数和隔声量。实验室中测量吸声系数与隔声量的方法主要有：混响室法和阻抗管法。
混响室法测量材料吸声系数原理是将10～12m2的试件置于200～250m3的混响室内，测量混响时间并利用赛滨公式计算材料吸声系数；混响室法测量材料隔声量原理是使用两间紧邻不小于50m3的混响室，一间作为声源室，另一间作接受室，试件置于公共墙面安装孔中，利用传声器对室内声压进行测量，最后根据混响室隔声量测量公式计算出材料隔声量。
阻抗管测量材料吸声系数方法根据测量原理不同可分为：驻波比法和传递函数法。驻波比法是传统的阻抗管测量材料吸声系数方法，利用驻波比计算材料的正入射吸声系数，只能进行单频测量，效率较低。传递函数法是在频谱分析理论及fft算法逐步成熟之后，利用了现代频谱分析方法，利用阻抗管双传声器传递函数测量材料吸声系数，一次测量可以得到阻抗管工作频段内各频率的吸声系数，效率高。
阻抗管测量材料隔声量方法根据测量原理不同可分为：四传声器法和双负载法。四传声器法是在以前的三传声器测量方法的基础上加以改进运用阻抗管测量材料隔声量，采用驻波分离办法，利用透射系数求得材料的正入射隔声量的方法。双负载法是在两种不同的边界条件下，进行两种测量来补偿四传声器法非理想条件吸声末端的方法。
目前，吸声与隔声材料吸声系数与隔声量测量设备均基于以上方法设计，混响室法所需试件的面积大，构建成本高，不宜作为实验研究的参考测量方法。阻抗管法只能测量声波垂直入射时材料吸声系数与隔声量。但有些材料，如玻璃棉、岩棉等，声波斜入射时材料的吸声系数与声波垂直入射时的吸声系数有很大的差别，所以材料斜入射吸声系数在工程上也是判断材料性能的重要依据，因此声波斜入射材料吸声系数的测量具有重要意义，但目前并没有专门测量声波斜入射材料吸声性能的合适方法和测量装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种声波斜入射材料吸声系数与隔声量测量装置及其测量方法，解决了现有技术存在的阻抗管仅能测量声波垂直入射时材料的吸声系数和隔声量等问题。本发明利用声波折反射原理与管内平面波理论，结合混响室与阻抗管的优点。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
声波斜入射材料吸声系数与隔声量测量装置，其特征在于：扬声器1与传声管3的一端相连，所述传声管3的另一端与三通管件4的第一开口相连；反射管7的一端设置有吸声末端管a8，另一端与三通管件4的第二开口相连；所述吸声末端管a8内填充吸声材料使反射管7末端无声波反射；所述传声管3上设置三个安装孔6，其中两个安装孔6内安装传声器，且传声器前端与阻抗管——传声管3内壁相平，另一个安装孔6通过金属制作的顶杆临时密封以防止漏声；所述反射管7上设置三个安装孔6，其中两个安装孔6内安装传声器，且传声器前端与阻抗管——反射管7内壁相平，另一个安装孔6通过金属制作的顶杆临时密封以防止漏声。
所述的传声管3与反射管7之间的夹角为30°～75°。
所述的三通管件4为异径三通管件，试件5放置在所述异径三通管件内，所述异径三通管件的第三开口与试件筒10相连，所述试件筒10的中心设置有活塞杆11并深入异径三通管件内，所述活塞杆11伸入至异径三通管件内的一端设有背板9，背板9与试件5之间形成一个空腔，该空腔的大小通过活塞杆11调节；上述结构由底座2支撑，构成声波斜入射材料吸声系数测量装置；当传声管3与反射管7之间的夹角为30°、45°、60°、75°时，异径三通管件的第一开口、第二开口的横截面均为等直径圆，第三开口的横截面为短轴相同，长轴不同的椭圆。
所述的三通管件4为等径三通管件，试件5放置在所述等径三通管件内，所述等径三通管件的第三开口与折射管12的一端相连，所述折射管12的另一端设置有吸声末端管b13，吸声末端管b13内填充吸声材料使折射管12末端无声波反射；所述折射管12上设置两个安装孔6，两个安装孔6内分别安装传声器，且传声器前端与阻抗管——折射管12内壁相平；上述结构由底座2支撑，构成声波斜入射材料隔声量测量装置；当传声管3与反射管7之间的夹角为30°、45°、60°、75°时，等径三通管件的第一开口、第二开口、第三开口的横截面均为等直径圆。
本发明的声波斜入射材料吸声系数测量装置的测量方法包括以下步骤：
1)信号发生器通过功率放大器使扬声器向声波斜入射材料吸声系数测量装置内发出高斯白噪声；
2)四通道数据采集卡通过信号调理器与传声器相连，分别采集传声器位置处的声压信号，并将其传递至计算机中；
3)计算机利用吸声系数计算公式分别计算出四种异径三通管件放入试件后的声波入射各角度下材料的反射系数及吸声系数随频率的变化曲线。
所述的反射系数及吸声系数的计算过程如下：
1)传声管上近端传声器，即传声管上距离试件最近的传声器，采集到的声压为p2，传声管上远端传声器，即传声管上距离试件最远的传声器，采集到的声压为p1，将p2与p1作商，求得入射波传递函数为h1；
2)将反射管上近端传声器，即反射管上离试件最近的传声器，采集到的声压为p3，与反射管上远端传声器，即反射管上离试件最远的传声器，采集到的声压为p4，将p3与p4作商，求得反射波传递函数为h2；
3)传声管与反射管各自的远端传声器采集到的入射波与反射波声压求和为p1，传声管与反射管各自的近端传声器采集到的入射波与反射波声压求和为p2，将p2与p1作商，求得吸声系数测量装置中总声场的传递函数为h12；
4)利用吸声系数测量装置中总声场的传递函数与入射波传递函数及反射波传递函数关系，可以推导出反射系数r按下列公式计算：
吸声系数α按下列公式计算：α＝1-|r|2。
本发明的声波斜入射材料隔声量测量装置的测量方法包括以下步骤：
1)信号发生器通过功率放大器使扬声器向声波斜入射材料隔声量测量装置内发出高斯白噪声；
2)六通道数据采集卡通过信号调理器与传声器相连，分别采集传声器位置处的声压信号，并将其传递至计算机中；
3)计算机利用隔声量计算公式分别计算出四种等径三通管件放入试件后的声波入射各角度下材料的透射系数及隔声量随频率的变化曲线。
所述的透射系数及隔声量的计算过程如下：透射系数tp按下列公式计算：
隔声量tl按下列公式计算：tl＝-20lgtp|
其中x1为传声管与反射管上试件与远端传声器，即传声管与反射管上离试件最远的传声器的距离，x2为传声管与反射管上试件与近端传声器，即传声管与反射管上离试件最近的传声器的距离，x3为折射管上试件与近端传声器的距离，x4为折射管上试件与远端传声器的距离，p1为距试件x1位置处两个传声器采集的声压和，p2为距试件x2位置处两个传声器采集的声压和，p3为距试件x3位置处传声器采集的声压，p4为距试件x4位置处传声器采集的声压，
本发明的有益效果在于：声波斜入射材料吸声系数与隔声量测量装置实际上通过更换异径三通与等径三通管件来改变声波入射材料时的角度，该测量装置可测得声波入射角为30°、45°、60°、75°材料的吸声系数与隔声量随频率的变化曲线。测试时利用两支传声器间距不同来调节测试的频率范围，可以实现频率从100hz到1600hz的材料吸声系数与隔声量测量。且该装置所需样品小，设备简单，在普通实验室就可操作。因而声波斜入射材料吸声系数与隔声量测量装置便具有轻便、易操作测量方法简单、经济便利，可测量较大频带内声波斜入射时材料吸声系数与隔声量的变化等优秀性能。这些优秀性能可在很大程度上改善现今科技技术。在声波斜入射材料时吸声系数、反射系数以及阻抗和导纳测量等方面显现出新的优势。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的声波斜入射材料吸声系数测量装置的结构示意图；
图2为本发明的声波斜入射材料隔声量测量装置的结构示意图；
图3为本发明的异径三通管件(传声管与反射管的夹角为30°、60°、75°)与试件筒的结构示意图；
图4为本发明的等径三通管件(传声管与反射管的夹角为30°、60°、75°)的结构示意图；
图5为本发明的声波斜入射材料吸声系数测量装置的电路模块框图；
图6为本发明的声波斜入射材料隔声量测量装置的电路模块框图。
图中：1、扬声器；2、底座；3、传声管；4、三通管件；5、试件；6、安装孔；7、反射管；8、吸声末端管a；9、背板；10、试件筒；11、活塞杆；12、折射管；13、吸声末端管b。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的声波斜入射材料吸声系数与隔声量测量装置，扬声器1与传声管3的一端相连，所述传声管3的另一端与三通管件4的第一开口相连；反射管7的一端设置有吸声末端管a8，另一端与三通管件4的第二开口相连；所述吸声末端管a8内填充吸声材料使反射管7末端无声波反射；所述传声管3上设置三个安装孔6，其中两个安装孔6内安装传声器，且传声器前端与阻抗管——传声管3内壁相平，另一个安装孔6通过金属制作的顶杆临时密封以防止漏声；所述反射管7上设置三个安装孔6，其中两个安装孔6内安装传声器，且传声器前端与阻抗管——反射管7内壁相平，另一个安装孔6通过金属制作的顶杆临时密封以防止漏声。
所述的传声管3与反射管7之间的夹角为30°～75°。
所述的三通管件4为异径三通管件，试件5放置在所述异径三通管件内，所述异径三通管件的第三开口与试件筒10相连，试件筒的横截面与异径三通管件相同，所述试件筒10的中心设置有活塞杆11并深入异径三通管件内，所述活塞杆11伸入至异径三通管件内的一端设有背板9，背板9与试件5之间形成一个空腔，该空腔的大小通过活塞杆11调节，活塞杆另一端刻有刻度记录样品到背板表面的距离；上述结构由底座2支撑，构成声波斜入射材料吸声系数测量装置。测试时利用两支传声器间距不同来调节测试的频率范围，实现频率从100hz到1600hz的材料吸声系数测量。
当传声管3与反射管7之间的夹角为30°、45°、60°、75°时，异径三通管件的第一开口、第二开口的横截面均为等直径圆，第三开口的横截面为短轴相同，长轴不同的椭圆。
所述的三通管件4为等径三通管件，试件5放置在所述等径三通管件内，所述等径三通管件的第三开口与折射管12的一端相连，所述折射管12的另一端设置有吸声末端管b13，吸声末端管b13内填充吸声材料使折射管12末端无声波反射；所述折射管12上设置两个安装孔6，两个安装孔6内分别安装传声器，且传声器前端与阻抗管——折射管12内壁相平；上述结构由底座2支撑，构成声波斜入射材料隔声量测量装置。测试时利用两支传声器间距不同来调节测试的频率范围，实现频率从100hz到1600hz的材料隔声量测量。
当传声管3与反射管7之间的夹角为30°、45°、60°、75°时，等径三通管件的第一开口、第二开口、第三开口的横截面均为等直径圆。
所述的声波斜入射材料吸声系数测量装置的测量方法包括以下步骤：
1)信号发生器通过功率放大器使扬声器向声波斜入射材料吸声系数测量装置内发出高斯白噪声；
2)四通道数据采集卡通过信号调理器与传声器相连，分别采集安装四种异径三通管件的阻抗管中传声器位置处的声压信号，并将其传递至计算机中；
3)计算机利用吸声系数计算公式分别计算出四种异径三通管件放入试件后的声波入射各角度下材料的反射系数及吸声系数随频率的变化曲线。
所述的反射系数及吸声系数的计算过程如下：
1)传声管上近端传声器，即传声管上距离试件最近的传声器，采集到的声压为p2，传声管上远端传声器，即传声管上距离试件最远的传声器，采集到的声压为p1，将p2与p1作商，求得入射波传递函数为h1；
2)将反射管上近端传声器，即反射管上离试件最近的传声器，采集到的声压为p3，与反射管上远端传声器，即反射管上离试件最远的传声器，采集到的声压为p4，将p3与p4作商，求得反射波传递函数为h2；
3)传声管与反射管各自的远端传声器采集到的入射波与反射波声压求和为p1，传声管与反射管各自的近端传声器采集到的入射波与反射波声压求和为p2，将p2与p1作商，求得吸声系数测量装置中总声场的传递函数为h12；
4)利用吸声系数测量装置中总声场的传递函数与入射波传递函数及反射波传递函数关系，可以推导出反射系数r按下列公式计算：
吸声系数α按下列公式计算：α＝1-|r|2。
所述的声波斜入射材料隔声量测量装置的测量方法包括以下步骤：
1)信号发生器通过功率放大器使扬声器向声波斜入射材料隔声量测量装置内发出高斯白噪声；
2)六通道数据采集卡通过信号调理器与传声器相连，分别采集安装四种等径三通管件的阻抗管中传声器位置处的声压信号，并将其传递至计算机中；
3)计算机利用隔声量计算公式分别计算出四种等径三通管件放入试件后的声波入射各角度下材料的透射系数及隔声量随频率的变化曲线。
所述的透射系数及隔声量的计算过程如下：透射系数tp按下列公式计算：
隔声量tl按下列公式计算：tl＝-20lg|tp|
其中x1为传声管与反射管上试件与远端传声器，即传声管与反射管上离试件最远的传声器的距离，x2为传声管与反射管上试件与近端传声器，即传声管与反射管上离试件最近的传声器的距离，x3为折射管上试件与近端传声器的距离，x4为折射管上试件与远端传声器的距离，p1为距试件x1位置处两个传声器采集的声压和，p2为距试件x2位置处两个传声器采集的声压和，p3为距试件x3位置处传声器采集的声压，p4为距试件x4位置处传声器采集的声压，
实施例：
本发明所述的声波斜入射材料吸声系数测量装置的测量方法包括以下步骤：
1)、进行测量前的准备工作：
将试件放入异径三通管件中央，根据声波反射原理，试件到传声管上近端传声器(传声管上离试件最近的传声器)的距离与试件到反射管上近端传声器(反射管上离试件最近的传声器)传声器的距离相同，传声管与反射管各自的三个传声器间距也相同，为避免试件表面声场扭曲产生误差，试件距离近端传声器(传声管与反射管上离试件最近的传声器)的距离应大于两倍管径，按照图1所示，将声波斜入射材料吸声系数测量装置的阻抗管安装好，由于受到湿度、温度或传声器内部结构的影响，传声器在使用前利用校准器对传声器进行标定；按照图5所示，将扬声器通过放大器、信号发生器与计算机相连，将四个传声器分别与信号调理器相连，所述信号调理器分别与数据采集卡相连，所述数据采集卡与计算机相连；打开信号发生器经放大器驱动扬声器发声，在阻抗管中产生平面波，当然扬声器也会产生高次波，因此本发明为保证管内传播的是平面波，扬声器表面到远端传声器(传声管上离试件最远的传声器)的距离大于三倍管径，扬声器工作10分钟以上，其工作性能趋于稳定时，标志着准备工作完成；
2)、测量声波斜入射材料吸声系数：
2.1)利用四通道的数据采集卡采集各传声器相应位置处的声压信号；
2.2)传声管上近端传声器(传声管上离试件最近的传声器)采集到的声压为p2，传声管上远端传声器(传声管上离试件最远的传声器)采集到的声压为p1，将p2与p1作商，求得入射波传递函数为h1；
2.3)将反射管上近端传声器(反射管上离试件最近的传声器)采集到的声压为p3，与反射管上远端传声器(反射管上离试件最远的传声器)采集到的声压为p4，将p3与p4作商，求得反射波传递函数为h2；
2.4)传声管与反射管上远端传声器采集到的入射波与反射波声压求和为p1，传声管与反射管上近端传声器采集到的入射波与反射波声压求和为p2，将p2与p1作商，求得吸声系数测量装置中总声场的传递函数为h12；
2.5)利用吸声系数测量装置中总声场的传递函数与入射波传递函数及反射波传递函数关系，可以推导出反射系数r按下列公式计算：
2.6)将图3中异径三通管件与试件筒更换到斜入射材料吸声系数测量装置中，重复步骤2，最终经过数值计算可以直观看到声波入射角30°、45°、60°、75°材料的吸声系数随频率的变化曲线。
本发明所述的声波斜入射材料隔声量测量装置的测量方法包括以下步骤：
1)、进行测量前的准备工作：
将试件放入异径三通管件中央，根据声波反射原理，试件到传声管上近端传声器(传声管上离试件最近的传声器)的距离与试件到反射管上近端传声器(反射管上离试件最近的传声器)传声器的距离相同，传声管与反射管各自的三个传声器间距也相同，为避免样品表面声场扭曲产生误差，试件距离近端传声器(传声管与反射管上离试件最近的传声器)的距离应大于两倍管径，试件距离近端传声器(折射管上离试件最近的传声器)的距离应大于三倍管径，按照图1所示，将声波斜入射材料吸声系数测量装置的阻抗管安装好，由于受到湿度、温度或传声器内部结构的影响，传声器在使用前利用校准器对传声器进行标定；按照图5所示，将扬声器通过放大器、信号发生器与计算机相连，将四个传声器分别与信号调理器相连，所述信号调理器分别与数据采集卡相连，所述数据采集卡与计算机相连；打开信号发生器经放大器驱动扬声器发声，在阻抗管中产生平面波，当然扬声器也会产生高次波，因此本发明为保证管内传播的是平面波，扬声器表面到远端传声器(传声管上离试件最远的传声器)的距离大于三倍管径，扬声器工作10分钟以上，其工作性能趋于稳定时，标志着准备工作完成。
2)、测量声波斜入射材料隔声量：
2.1)利用六通道的数据采集卡采集阻抗管中各传声器相应位置处的声压信号；
2.2)利用公式
即可求出声波斜入射时材料的透射系数，其中x1为传声管与反射管上试件与远端传声器，即传声管与反射管上离试件最远的传声器的距离，x2为传声管与反射管上试件与近端传声器，即传声管与反射管上离试件最近的传声器的距离，x3为折射管上试件与近端传声器的距离，x4为折射管上试件与远端传声器的距离，p1为距试件x1位置处两个传声器采集的声压和，p2为距试件x2位置处两个传声器采集的声压和，p3为距试件x3位置处传声器采集的声压，p4为距试件x4位置处传声器采集的声压，
2.3)将图4中等径三通管件更换到斜入射材料隔声量测量装置中，重复步骤2，最终经过数值计算可以直观看到声波入射角30°、45°、60°、75°材料的隔声量随频率的变化曲线。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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