CN110231408A - 一种测量材料声学常数的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量材料声学常数的方法及装置，特别是利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来测量材料声学常数的方法及装置，该方法的步骤包含将放置小样品的容器与驻波管连接，获取驻波管的声压或声流速，计算驻波管参考平面处的声阻抗，通过传输矩阵方法建立参考平面处声阻抗与小样品容器开口处的声阻抗的关系，从而计算出小样品容器开口处的声阻抗，最后得到该小样品的吸声系数。本发明可使用较小的样品来测量材料的声学性质，从而大大节省了样品材料的制备时间和成本，使得声学材料的性能测量更为便捷、高效。

Description

一种测量材料声学常数的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种测量材料声学常数的方法及装置，属于声学测量技术领域。
背景技术
近年，公众对噪声污染越来越关注，从而激发出了开发降噪声学材料的热情。同时，微纳米加工领域的技术进步使人们可以对材料的微观结构进行设计，从而实现理想的吸声效果。然而，通过实验对具有微观结构的声学材料的降噪性能进行表征却面临着巨大的挑战。这是因为标准的吸声性能测量方法需要材料的样品尺寸相当大，而制备和生产绝大多数的大尺寸微米、纳米材料是费时和昂贵的。
例如，在一种广泛使用的驻波管声学测量方法中，吸声材料的样品需要准备成圆碟状，直径和厚度均为几十毫米。这么大体积的微米、纳米材料的制备非常困难，足以妨碍研发人员进行足够、有效的实验测量。有一些实验仅需要相对较小的样品，但这些实验只能在高频声波段开展。
因此，开发出一种与传统方法相比，仅利用较小的样品就能对材料的吸声性能进行表征的声学测量方法，是十分有用的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量材料声学常数的方法及装置，该方法利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来进行测量，相较于传统声波阻抗管测量方法，只需要使用1/200的样品量即可完成声学测量，大大降低了样品材料的制备成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来测量材料声学常数的方法，包括以下步骤：
S1，利用所述的至少一个声传感器测量驻波管的声物理量；
S2，利用所测量的声物理量确定驻波管的一个参考平面处的声阻抗；
S3，使用小样品容器二和传输矩阵方法建立参考平面处声阻抗与小样品容器一开口处声阻抗的关系；
S4，确定小样品容器一开口处声阻抗的值并得到小样品容器一中样品在某一频率段的声学常数；
所述小样品容器一与小样品容器二的径向横截面积相同且轴向长度不同。
前述的方法中，所述的参考平面位于小样品容器与所述的至少一个声传感器之间；优选地，所述参考平面位于小样品容器开口处与最近的声传感器的中间。
前述的方法中，所述参考平面与小样品容器开口的间距不小于小样品容器的直径。
前述的方法中，S3中所述的传输矩阵在小样品容器为空的情况下确定；且该传输矩阵在测量驻波管的声物理量之前确定；该传输矩阵由数值模拟的方法得到；具体的，该传输矩阵是由两组具有相同直径但不同长度的小样品容器来确定的。
一种用于测量材料某一频率段声学常数的装置，包括驻波管和与之连接的小样品容器，所述驻波管带有至少一个声传感器，所述小样品容器用于放置待测的声学材料，小样品容器的径向横截面积小于驻波管的径向横截面积；所述小样品容器安装于所述驻波管的远端，与驻波管发出波源的近端相对；所述小样品容器有一个朝向驻波管的开口，还有一个朝向远离驻波管方向的闭合端。
前述的装置中，所述小样品容器的长度小于该频率段最小波长的1/4。
本发明首先测量一个传统的较大的声波驻波管中的声学物理量(如声压、声流速)，然后利用这些声学物理量计算出驻波管在一个参考平面处的声阻抗，接着利用传输矩阵再建立参考平面处声阻抗与一个小样品容器的开口处声阻抗的关系，从而计算出在小样品容器开口处的声阻抗，最后得到该小样品的声学常数(吸声系数)。
由于小样品容器的尺寸远小于传统的声波驻波管，在本发明中，使用的样品材料尺寸将远远小于传统方法中所需的样品，从而大大节省了样品材料的制备时间和成本，使得声学材料的性能测量更为便捷、高效。
附图说明
图1是本发明所涉及的材料吸声系数测量装置的轴向横截面图。
图2是本发明所述测量材料声学常数的方法的流程图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
图1给出了本发明用于测量材料吸声系数的装置10的轴向横截面图。装置10包含本行业内所熟知的驻波管12，一个连接在驻波管12后面的小样品容器14。与传统的驻波管不同，小样品容器14的径向横截面积小于驻波管12的径向横截面积。
驻波管12有一个左近端，声波16自左近端产生并在驻波管12内传播；一个右截断的远端18，从而声波在这里被反射。一对麦克风17a、17b安装在驻波管12的壁上，从而在这两个位置的声压或声流速可以被采集。被采集的声压或声流速可以用于计算在参考平面20的声阻抗。
当一个样品被放置于小样品容器14时，参考平面20处的声阻抗可以用采集到的声压表达为:
Z3＝Z0(1+r)/(1-r) (2)
式中,j2＝-1,k0是波数，x1是麦克风17a的位置，r是参考平面20处的反射系数，也就是x＝0，并且是入射波的转移函数，而x2是麦克风17b的位置,是反射波转移函数，及声压p1和p2分别由麦克风17a和17b采集。
考虑位于参考平面20与驻波管远端18中间的过渡空间是一种等效介质，具有特征阻抗Zeff和波数keff，那么在小样品容器14的开口处24的声压和声流速(p4,v4)与参考平面20处的声压和声流速(p3,v3)的关系可以用传输矩阵来建立关系：
从而得到
ζ(Z′3Z′4-Zeff 2)＝Zeff(Z′4-Z′3), (4)
式中ζ＝jtan(keffl2)。阻抗Z′3和Z′4的值可以由Z′3＝p3/v3和Z′4＝p4/v4来计算，其中p3、v3、p4和v4既可以由模拟测量得到，也可以由实验得到，也可以由模拟或实验与理论结合的方法得到，因为此时的小样品容器14是空的。
考虑到仅知道Z′3和Z′4并不足以得出Zeff和ζ，因此需要额外增加一组方程。假设驻波管12和小样品容器14的直径分别为D和d，对于一对特定的D和d，Zeff和ζ应该始终保持不变，因为他们代表参考平面20和驻波管右端18之间的过渡空间的等效阻抗和波数。
所以，首先假定小样品容器14的长度为l，那么Z′3和Z′4可以由第一组方程(方程4)来得到。然后，使用另一个参考小样品容器，它的直径仍为d，但长度为l′，那么另一对Z″3和Z″4也可以用与上面相同的方法得到，这样就可以得到另一个方程组：ζ(Z″3Z″4-Zeff 2)＝Zeff(Z″4-Z″3)。定义ZT＝(Z′4-Z′3)/(Z″4-Z″3)，通过这两组方程可以得到：把Zeff重新代入到方程(4)，ζ的值就可以得到。
在实施测量时，将小样品(未标出)放置于小样品容器14中，并将小样品容器14与驻波管12相连接，那么参考平面20处实际的阻抗Z3可以由方程(2)来计算得到。那么小样品容器14开口处24的阻抗Z4就可以通过下式来计算：
最后，通过和样品的吸声系数就可以计算出来。
在实施本发明的方法时，参考平面20的位置选取十分重要，必须与驻波管12的远端截面18不重合。应当优先将参考平面20选取在麦克风与小样品容器14开口24的中间。麦克风可以为一个或多个。参考平面20与小样品容器14的开口处24的间距(l2)应当不小于Rayleigh修正值，即l2＞4d/3π。可以优先选取l2＝d。也可以优先将参考平面选取在小样品容器14的开口处24与最接近的麦克风17b的正中间。
阻抗值Zeff和ζ应该在待测样品放置于小样品容器14之前确定。在确定Zeff和ζ时，参考容器的长度l′也可以取为0，也就是l′＝0，因此，仅采用一个小样品容器14来确定Zeff和ζ的值也是可行的。当然，如果采用两个不同长度的小样品容器，这样得到的Zeff和ζ的精度可能更高。
图2是本发明所涉及的测量方法的流程原理图，使用在一个较大的声波阻抗管中测量的声学参量来确定在一个小样品容器1中的样品的吸声系数。首先从40步开始，第一个具有长度为l、直径为d的小样品容器1连接到直径为D的驻波管12，因此通过麦克风17a和17b得到的声学参数，可以得出在参考平面20的阻抗Z’3，而小样品容器1的阻抗Z’4可以通过理论方法得到，如步骤46所示。然后，按照42步，另一个长度为l’、直径为d的小样品容器2连接到直径为D的驻波管12，同样，通过麦克风17a和17b得到的声学参数，可以得出在参考平面20的阻抗Z”3，而小样品容器2的阻抗Z”4可以通过理论方法得到，如步骤44所示。在步骤48中，等效的特征阻抗Zeff和ζ可以通过使用上面的Z’3、Z’4、Z”3、Z”4和公式(4)计算得到。最后，步骤50中，将待测样品放入小样品容器1中，然后将它们一起连接到驻波管12，如步骤52所示。通过麦克风17a和17b得到驻波管的声波参数，如步骤54所示，基于此确定参考平面20处的声阻抗Z3，如步骤56所示。使用Z3和上面得到的Zeff和ζ及公式(5)，小样品容器1开口处的阻抗Z4可以计算得到，如步骤58所示。最后，小样品的吸声系数可以通过Z4并采用声波领域众所周知的方法计算得到，如步骤60所示。

Claims (10)

1.一种利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来测量材料声学常数的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，利用所述的至少一个声传感器测量驻波管的声物理量；
S2，利用所测量的声物理量确定驻波管的一个参考平面处的声阻抗；
S3，使用小样品容器二和传输矩阵方法建立参考平面处声阻抗与小样品容器一开口处声阻抗的关系；
S4，确定小样品容器一开口处声阻抗的值并得到小样品容器一中样品在某一频率段的声学常数；
所述小样品容器一与小样品容器二的径向横截面积相同且轴向长度不同。
2.根据权利要求1所述的利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来测量材料声学常数的方法，其特征在于：所述的参考平面位于小样品容器与所述的至少一个声传感器之间。
3.根据权利要求1所述的利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来测量材料声学常数的方法，其特征在于：所述参考平面与小样品容器开口的间距不小于小样品容器的直径。
4.根据权利要求1或2所述的利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来测量材料声学常数的方法，其特征在于：所述参考平面位于小样品容器开口处与最近的声传感器的中间。
5.根据权利要求1所述的利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来测量材料声学常数的方法，其特征在于：S3中所述的传输矩阵在小样品容器为空的情况下确定。
6.根据权利要求1所述的利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来测量材料声学常数的方法，其特征在于：S3中所述的传输矩阵在测量驻波管的声物理量之前确定。
7.根据权利要求1所述的利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来测量材料声学常数的方法，其特征在于：S3中所述的传输矩阵由数值模拟的方法得到。
8.根据权利要求1所述的利用带有至少一个声传感器的驻波管连接的小样品容器来测量材料声学常数的方法，其特征在于：S3中所述的传输矩阵是由两组具有相同直径但不同长度的小样品容器来确定的。
9.一种用于测量材料某一频率段声学常数的装置，其特征在于：包括驻波管和与之连接的小样品容器，所述驻波管带有至少一个声传感器，所述小样品容器用于放置待测的声学材料，小样品容器的径向横截面积小于驻波管的径向横截面积；所述小样品容器安装于所述驻波管的远端，与驻波管发出波源的近端相对；所述小样品容器有一个朝向驻波管的开口，还有一个朝向远离驻波管方向的闭合端。
10.根据权利要求9所述的用于测量材料某一频率段声学常数的装置，其特征在于：所述小样品容器的长度小于该频率段最小波长的1/4。
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