一种混响水池中评价充液管路消声器的方法与流程
本发明属于减振降噪及声学测量领域，具体涉及一种混响水池中评价充液管路消声器的方法。
背景技术：
传统的管道消声器评价方式采用较多的是双传感器法。双传感器法来自于j.y.chung在1980年应用于空气声学中的一项研究。双传感器法是将声源放置在管道的一端，在管道中放置两只传感器，一只靠近声源，一只远离声源。通过传感器测量得到的数据，计算管道声传输时的传递损失，管道的传递损失为：
专利号为cn106802238a--测量消音器传递损失的装置及测量方法和专利号为cn103217309a--非对称管道消声器传递损失测量方法都是采用双传感器法通过测量传递损失对空气管道中的消音器进行评价。
双传感器法在测量空气管道的传递损失中具有广泛的应用，后来被引入到了水声测量中。但是，双传感器法在测量中存在以下问题。第一，双传感器法测量的是管道中某一点的声强，但是由于管道在径向方向同样有声压分布，所以测量得到的这一点并不一定是声强最强的点，所以如果测量的是管道中一个截面的声强的话，测量结果会更准确。第二，双传感器法的两只传感器都放置在管道中，测量时管道内液体的压力脉动会在传感器表面做功，使传感器产生“伪声”，伪声的存在将导致测量结果出现较大的偏差。第三，双传感器法测量的是管道的传递损失。而传递损失只取决于管道的结构，测量结果是管道入射能量与出射能量的比值，这种计算方法没有考虑声源的阻抗与管道出口的负载阻抗的影响。
综上所述，现有技术中存在测量结果不准确、没有考虑声源的阻抗与管道出口的负载阻抗的影响等问题。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种在混响水池中测量充液管路的插入损失来评价管路系统消声器消声性能的方法。
一种混响水池中评价充液管路消声器的方法，包括以下步骤：
(1)选择合适尺寸的混响水池，根据混响水池物理特性计算混响水池的截止频率fs；
(2)利用中断声源法测量混响水池的混响时间t60；
(3)连接管路系统，依次连接水泵、抽水软管、管路，并在管路系统中安装流量计及压力表；
(4)将未安装消声装置的待测管路管口出水端放入测量使用的混响水池中，且将管路中注满水；
(5)打开水泵，使管路系统工作，采用空间平均方法测量未安装消声装置的待测管路系统在混响水池混响场中的空间平均声压级<spl>a；
(6)安装消声装置，其他各条件不变，重复步骤3-步骤5测量安装消声装置的管路系统在混响水池混响场中的空间平均声压级<spl>b；
(7)计算充液管路消声器的插入损失tl；
(8)根据测得的插入损失tl对消声器的消声性能进行评价。
所述选择合适尺寸的混响水池，根据混响水池物理特性计算混响水池的截止频率fs，包括：
只考虑斜向波，体积为v的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：
单位带宽内的简正波数为：
简正波共振峰的平均半功率带宽
其中，
其中，t60为混响时间；
混响水池混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽，根据schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件表示为：
由此求得：
其中，c0为声波在水中的传播速度，t60为混响时间，混响水池的体积为v。
所述利用中断声源法测量混响水池的混响时间t60，包括：
混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差，为减少重复偏差，每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面不小于1.5米，声源及水听器取10点进行空间平均。
所述打开水泵，使管路系统工作，采用空间平均方法测量未安装消声装置的待测管路系统在混响水池混响场中的空间平均声压级<spl>a，包括：
(1)布置测试系统与水听器，128路水听器与128通道测试系统相连，128通道测试系统与128路水听器连接采用的是bnc连接头；
(2)打开128通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对128路水听器进行灵敏度校准；
(3)打开水泵，使管路系统工作，稳定工作3分钟后，采用128通道测试系统测试90秒，采样率为51.2khz，测量得到每个通道的声压级，采用数据处理软件对采集的数据进行时间平均，再对128个通道的数据进行空间平均，得到空间平均声压级<spl>a。
所述计算充液管路消声器的插入损失tl，包括：
tl＝<spl>a-<spl>b
其中，<spl>a为未安装消声装置的待测管路系统在混响水池混响场中的空间平均声压级，<spl>b为安装消声装置的管路系统在混响水池混响场中的空间平均声压级。
本发明的有益效果在于：
(1)不需要在管内布置水听器进行测量，解决了管中声压径向分布不均匀的问题；
(2)不需要在管路内部安装测量水听器，消除了脉动压力对水听器的影响；
(3)所测结果既与管路结构有关，又与声源阻抗和出口负载有关，评价结果更准确。
附图说明
图1是本发明操作流程图；
图2是混响水池混响时间测试系统；
图3是未安装消声装置的实验管路系统；
图4是测试系统框图；
图5是水听器布放图；
图6是水听器布放俯视图；
图7是水听器布放侧视图；
图8是安装消声装置的实验管路系统；
图9是混响水池中测量的某消声装置的插入损失；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
图2中：1-测量放大器；2-水听器；3-混响水池；4-球形换能器；5-第一计算机；6-采集器；7-功率放大器；
图3中：3-混响水池；8-高位水箱；9-软管；10-压力表；11-水泵；12-流量计；
图4中：1-测量放大器；：3-混响水池；13-管路系统；14-测试系统；15-第二计算机；16-128路水听器阵列；
图5中：3-混响水池；13-管路系统；16-128路水听器阵列；
图6中：3-混响水池；13-管路系统；16-128路水听器阵列；
图7中：3-混响水池；13-管路系统；16-128路水听器阵列；
图8中：10-压力表；11-水泵；12-流量计；17-消声装置；
本发明公开了一种在混响水池中通过测量安装消声装置前后管路系统出口端的空间平均声压级而得到插入损失来评估管路系统消声装置消声性能的方法，该方法包括以下步骤：(1)选择合适尺寸的混响水池。根据混响水池物理特性可估算混响水池的下限频率，确定混响法有效的测量频率范围。由测量的频率范围需要选择合适尺寸的水池；(2)将未安装消声器的待测管路出水端垂直插入水池中水的液面下，向待测管路系统中注水，使其处于充液状态；(3)采用空间平均方法测量未安装消声装置的待测管路系统空间平均声压级<spl>a；(4)安装消声装置，其他不变，再次重复步骤(3)测量安装消声器的管路系统空间平均声压级<spl>b；(5)根据上述步骤中得到<spl>a，将其与<spl>b做差可以得到充液管路消声器的插入损失tl；(6)根据测得的插入损失tl对消声器的消声性能进行评价。本发明的评价方法原理简单、操作方便，且对充液管路系统消声器消声性能的评价真实可靠，具有极大的实用价值。
本发明属于减振降噪及声学测量领域，具体涉及在混响水池中利用混响法测量充液管路的插入损失来评价充液管路消声器的消声性能。
传统的管道消声器评价方式采用较多的是双传感器法。双传感器法来自于j.y.chung在1980年应用于空气声学中的一项研究。双传感器法是将声源放置在管道的一端，在管道中放置两只传感器，一只靠近声源，一只远离声源。通过传感器测量得到的数据，计算管道声传输时的传递损失，管道的传递损失为：
其中,h12为两个传感器处声压的传递矩阵,hr为两个传感器所在位置与反射波相关的传递矩阵，|ht|为传递矩阵的数量级，
专利(cn106802238a)--测量消音器传递损失的装置及测量方法和专利(cn103217309a)--非对称管道消声器传递损失测量方法都是采用双传感器法通过测量传递损失对空气管道中的消音器进行评价。
双传感器法在测量空气管道的传递损失中具有广泛的应用，后来被引入到了水声测量中。但是，双传感器法在测量中存在以下问题。第一，双传感器法测量的是管道中某一点的声强，但是由于管道在径向方向同样有声压分布，所以测量得到的这一点并不一定是声强最强的点，所以如果测量的是管道中一个截面的声强的话，测量结果会更准确。第二，双传感器法的两只传感器都放置在管道中，测量时管道内液体的压力脉动会在传感器表面做功，使传感器产生“伪声”，伪声的存在将导致测量结果出现较大的偏差。第三，双传感器法测量的是管道的传递损失。而传递损失只取决于管道的结构，测量结果是管道入射能量与出射能量的比值，这种计算方法没有考虑声源的阻抗与管道出口的负载阻抗的影响。
本专利提出的混响水池充液管路消声器评价方法可解决以上问题。
本发明目的在于提供一种在混响水池中测量充液管路的插入损失来评价管路系统消声器消声性能的方法。
为实现上述发明目的，本发明所述的在混响水池中评价充液管路消声器消声性能的方法，其操作流程如图1，主要通过以下几个步骤来实现：
选择合适尺寸的混响水池。根据混响水池物理特性可估算混响水池的截止频率fs，具体估算方法如下：
若只考虑斜向波，体积为v的混响水池频率低于f的简正波平均总数为：
单位带宽内的简正波数为：
简正波共振峰的平均半功率带宽
这里，
混响水池混响场条件的截止频率决定于单位带宽内简正波的数目及简正波共振峰的半功率带宽。根据schroeder截止频率假定，满足混响场条件时，平均共振峰的半功率带宽内包含有三个简正波，因此，混响场条件可表示为：
由此可求得：
通过式(6)可确定混响水池的截止频率，并确定该方法的测量频率范围。
1.混响水池混响时间t60的测量
为确定混响水池的截止频率fs，需测量混响水池的混响时间t60。混响时间的测量采用中断声源法，测量系统附图2所示。由pulse(3560e)动态信号分析仪中的信号源产生的白噪声信号经功率放大器(b&k2713)放大后加到发射换能器。水听器收到的信号经测量放大器(b&k2692)放大后再送入到pulse动态信号分析仪便可得到1/3倍频程带宽内的混响时间。系统采用自动触发方式，当声源停止发射后，被测信号下降5db时系统自动开始记录，然后根据采集的数据计算出混响时间。
混响时间测量中会出现重复偏差和空间偏差。采用中断声源法测量混响时间时，测试信号为白噪声信号，由于其具有随机性，导致在声源终止发声时，其激发的简正波模式及程度也具有随机性，不同模式的混响时间是不同的，因此便产生了混响时间测量的重复偏差。为减少重复偏差，建议每个位置作10次测量并进行平均；同时为减少空间偏差，建议对声源及水听器分别进行多点空间平均，所有测点距离水池壁面及底面至少1.5米，声源及水听器至少取10个点进行空间平均。
按图3连接管路系统，依次连接水泵、抽水软管、管路，并在管路系统中安装流量计及压力表。
将未安装消声装置的待测管路管口出水端放入测量使用的混响水池中，见图3，将管路中注满水；
开泵，使管路系统工作，采用空间平均方法测量未安装消声装置的待测管路系统在混响水池混响场中的空间平均声压级<spl>a；
a.设备布置及连接
按图4布置测试系统，按图5、图6、图7布置水听器。128水听器与128通道测试系统相连，128通道测试系统与128路水听器连接采用的是bnc连接头。
b.测试准备
打开128通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对128路水听器进行灵敏度校准。
c.测试
开水泵，使管路系统工作。稳定工作3分钟后，采用128通道测试系统测试90秒，采样率为51.2khz，测量得到每个通道的声压级，采用数据处理软件对采集的数据进行时间平均，再对128个通道的数据进行空间平均，得到空间平均声压级<spl>a。
安装消声装置，如图8，其他不变，再次重复步骤3测量安装消声装置的管路系统空间平均声压级<spl>b。
利用步骤3及步骤4得到的<spl>a及<spl>b，根据式(7)可得到充液管路消声器的插入损失tl。
tl＝<spl>a-<spl>b(7)
根据测得的插入损失tl就可以对消声器的消声性能进行评价。
本发明与现有技术相比，其优点在于：(1)不需要在管内布置水听器进行测量，解决了管中声压径向分布不均匀的问题；(2)不需要在管路内部安装测量水听器，消除了脉动压力对水听器的影响；(3)所测结果既与管路结构有关，又与声源阻抗和出口负载有关，评价结果更准确。
图1本发明操作流程图
图2混响水池混响时间测试系统
图3未安装消声装置的实验管路系统
图4测试系统框图
图5水听器布放图
图6水听器布放俯视图
图7水听器布放侧视图
图8安装消声装置的实验管路系统
图中：1测量放大器(b&k2692)；2水听器；3混响水池；4球形换能器；5计算机1；6采集器(pulse3560e)；7功率放大器(b&k2713)；8高位水箱；9软管；10压力表；11水泵；12流量计；13管路系统；14测试系统(dh8306a)；15计算机2；16128路水听器阵列；17消声装置。
下面以哈尔滨工程大学水声技术实验室的混响水池为例，对本发明的测量评估方法做详细说明。混响水池池壁为混凝土结构，内壁敷设瓷砖，该水池长15m，宽9m，水面距池底高6m，水温20℃，水中声速1485m/s，混响水池下限频率fs为500hz。
在500hz以上可在混响水池中通过测量充液管路系统是否安装消声装置时出口端的空间平均声压级来得到消声装置的插入损失。
连接好管路系统，将未安装消声装置的待测管路管口出水端放入测量使用的混响水池中，见图3，将管路中注满水；
采用空间平均方法测量未安装消声装置的待测管路系统空间平均声压级<spl>a；
a.设备布置及连接
按图4布置测试系统，按图5、图6、图7布置水听器。128水听器与128通道测试系统相连，128通道测试系统与128路水听器连接采用的是bnc连接头。
b.测试准备
打开128通道测试系统和电脑，进入电脑打开测试系统软件对128路水听器进行灵敏度校准。
c.测试
开水泵，使管路系统工作。稳定工作3分钟后，采用128通道测试系统测试90秒，采样率为51.2khz，测量得到每个通道的声压级，采用数据处理软件对采集的数据进行时间平均，再对128个通道的数据进行空间平均，得到空间平均声压级<spl>a。
安装消声装置，如图8，其他不变，再次重复步骤(3)测量安装消声装置的管路系统空间平均声压级<spl>b。
利用步骤(3)及步骤(4)得到的<spl>a及<spl>b，由根据式(7)可得到充液管路消声器的插入损失tl。
采用混响水池测量的某充液管路消声装置插入损失结果如图9。
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