大管径消声器中高频声学性能的实验测量方法

摘要

本发明的目的在于提供大管径消声器中高频声学性能的实验测量方法，实验装置末端采用空管路和末端消声器两种截然不同的阻抗，以此来改变边界条件，从而建立表述待测消声器前后入射和反射声波幅值关系的两个方程组。在现有的消声器传递损失测量原理和实验设备的基础上，设计由两段刚性同心圆管组成的进出口测量管段，由于测量管段中的环形管结构和直径较小的内管的平面波截止频率比原来消声器进出口管道的平面波截止频率高很多，从而拓展了消声器传递损失的测量频率范围。本发明不用设计无反射端，可以准确测量消声器中高频的声学特性。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种测量方法，具体地说是声学测量方法。 

背景技术

内燃机是舰船动力装置的主要噪声源之一。随着内燃机向高速化、大功率、高效率方向发展，其噪声问题将更加突出。噪声控制标准的不断提高，使得内燃机噪声控制变的尤为重要。消声器是一种安置于内燃机进排气管道中，既能使气流畅通地流过又能使噪声降低的一种专用设备。 

消声器的声学性能评价指标主要有三种：插入损失、传递损失、噪声衰减量。其中传递损失是消声器入口处入射声功率级与出口处透射声功率级之差，它是消声器本身特有的属性，与管道系统和噪声源无关，是衡量设计阶段消声器消声性能的重要指标。 

目前消声器声学性能的实验测量方法只能测量消声器进出口管道平面波范围内的声学性能。 

发明内容

本发明的目的在于提供能够测量消声器进出口管道中出现非平面波时消声器声学性能的大管径消声器中高频声学性能的实验测量方法。 

本发明的目的是这样实现的： 

本发明大管径消声器中高频声学性能的实验测量方法，其特征是： 

（1）将待测消声器安装在进口测量管段和出口测量管段之间，进口测量管段端部安装扬声器，扬声器连接功率放大器，出口测量管段端部安装末端消声器，在进口测量管段和出口测量管段上均安装压电式传声器和压阻式传声器，所有压电式传声器和压阻式传声器连接连接电荷放大器，电荷放大器和功率放大器连接数据采集分析仪，数据采集分析仪连接计算机；进口测量管段和出口测量管段均由内外两段刚性同心圆管组成，外层圆管的外径和进口测量管段和出口测量管段管口直径相同； 

（2）数据采集分析仪产生正弦信号或白噪声信号，通过功率放大器放大得 到能够驱动扬声器的信号，将信号送入扬声器产生均匀稳定声场，扬声器产生的声场进入进口测量管段内，声波经过待测消声器进入出口测量管段，最后进入末端消声器，进口测量管段和出口测量管段的压电式传声器和压阻式传声器提取测量管段内的声场信息，通过电荷放大器放大，然后将电荷信号输送到数据采集分析仪，由计算机存储实验数据； 

（3）将末端消声器换成与进口测量管段和出口测量管段外径相同的刚性圆柱管道，通过改变末端的阻抗来改变末端边界条件，重复步骤（2）再进行一次测量，然后进行待测消声器传递损失的计算：建立表述待测消声器前后入射和反射声波幅值关系的两个方程组，将两次测得的数据代入传递损失计算公式从而求出待测消声器的传递损失。 

本发明还可以包括： 

1、所述的待测消声器传递损失的计算过程为： 

分别将两种不同负载条件下进出口测量段传感器信号傅里叶谱进行声波分解，得到上游入射波A_u、反射波B_u和下游入射波A_d、反射波B_d， 

第一种负载方式： 

$\left(\begin{array}{c}{A}_{u1}\\ B_{u1}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{T}_{11}& T_{12}\\ T_{21}& T_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_{d1}\\ B_{d1}\end{array}\right)$

第二种负载方式： 

$\left(\begin{array}{c}{A}_{u2}\\ B_{u2}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{T}_{11}& T_{12}\\ T_{21}& T_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_{d2}\\ B_{d2}\end{array}\right)$

联立上述两个矩阵方程可得： 

$T_{11}=\frac{A_{u1}{B}_{d2}-A_{d2}{B}_{u1}}{A_{d1}{B}_{d2}-A_{d2}{B}_{u1}}$

则消声器传递损失为 

TL=20log₁₀|T₁₁| 

式中T₁₁、T₁₂、T₂₁、T₂₂为矩阵四极子参数。 

2、声源声压级比背景噪声声压级至少高10dB。 

本发明的优势在于：本发明不用设计无反射端，较声波分解法精确，可以准确测量消声器中高频的声学特性。 

附图说明

图1为本发明的实验装置布置图； 

图2为进、出口测量管段布置图； 

图3为简单膨胀腔消声器示意图； 

图4为传统方法和本发明计算得到的消声器的传递损失结果对比图。 

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述： 

结合图1～4，本发明的实验装置包括计算机1，与计算机相连的多通道数据采集分析仪2，功率放大器3，扬声器4，与扬声器连接的是进口测量管段5，进口测量管段通过法兰6与待测消声器7相连，待测消声器通过法兰与出口测量管段8连接，出口测量管段通过法兰与末端消声器9连接，其中法兰连接处设置有密封垫，防止漏声发生。压电式传声器10和压阻式传声器11与电荷放大器12相连。测试装置的前端放置的是一个250W的扬声器。与扬声器连接的是进口管测量管段，测量管段由两段外径和进出口管相同的刚性同心圆管组成。测量管段外管上布置有两个压电式传声器，传声器安装在测量管段壁上传声器膜片平齐与管道内壁面，防止传声器进入管道对管道内的声场产生影响，传声器的安装必须采取严格的绝缘措施，内管表面布置一个压阻式传声器，用绝缘胶将传声器固定在内管的内壁上。根据ASTM标准E1050-90规定，传声器之间的距离与所考察的最高频率需满足如下条件：l≤c/(2f_m)，其中l为传声器间距，c为常温下空气中的声速，f_m为最高测量频率。出口测量管段的结构及传声器布置与进口测量管段相同。待测消声器通过法兰分别与进口测量管段及出口测量管段相连。出口测量管段后面通 过法兰与末端消声器连接。其中法兰连接处设置有密封垫，防止漏声发生。信号发生模块（B&K3109）发出的信号通过功率放大器（B&K2716C）作用于扬声器上，待扬声器产生稳定声源后，通过进出口测量管段上的传声器提取测量管路内的声压信号。传声器测得微弱信号需要经过电荷放大器2635放大，然后输送到多通道数据采集分析仪（B&K3560D），分析和存储测量数据。 

目前消声器传递损失的测量都是基于平面波理论，而消声器进出管内平面波截止频率的计算公式为：f_m=3.832c/(πD)，其中f_m为平面波截止频率，c为常温下空气中的声速，D为消声器进出口管的直径。当频率高于平面波截止频率时，原来的计算与测量方法就不能在准确预测消声器的传递损失，因此本发明专门设计了进出口测量管道来测量原来管路出现高阶模态时的消声器的传递损失。该装置进出口测量管道采用两刚性同心圆管结构，其中外管直径与进出口管直径相同。由于测量管段内管直径较小，根据平面波截止频率计算公式f_m=3.832c/(πD)，可以知道测量管段内管内的平面波截止频率比原来进出口管的高，内管直径越小，平面波截止频率越高。而测量管段的内管和外管之间是环管结构，环管结构的平面波截止频率与内管直径r₁与外管直径r的比值有关，比值越大，环管内平面波的截止频率越高。通过合理设置测量管段内径与与外径的比值，可以使内管与环管的平面波截止频率近似相等，从而大幅提高消声器传递损失的测量频率范围。 

多通道数据采集分析仪2信号发生模块产生正弦信号或白噪声 信号，通过功率放大器3放大得到能够驱动扬声器4正常工作的信号，再将信号送入扬声器产生均匀稳定声场，为整个实验装置提供声源，其中声源声压级比背景噪声声压级至少高10dB。扬声器4产生的声场进入待测试消声器7上游的进口测量管段5内，声波经过待测消声器7进入下游的出口测量管段8，最后进入末端消声器9。进口测量管段和出口测量管段内的传声器10、11提取测量管段内的声场信息，通过电荷放大器12放大，然后将电荷信号输送到多通道数据采集分析仪2，最后由计算机存储实验数据。将末端消声器换成与进出口管道直径相同的刚性圆柱管道，通过改变末端的阻抗来改变末端边界条件，然后将上述实验过程重复测量一遍。 

分别将两种不同负载条件下进出口测量段传感器信号傅里叶谱进行声波分解，得到上游入射波A_u、反射波B_u和下游入射波A_d、反射波B_d。 

第一种负载方式： 

$\left(\begin{array}{c}{A}_{u1}\\ B_{u1}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{T}_{11}& T_{12}\\ T_{21}& T_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_{d1}\\ B_{d1}\end{array}\right)---\left(1\right)$

第二种负载方式： 

$\left(\begin{array}{c}{A}_{u2}\\ B_{u2}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{T}_{11}& T_{12}\\ T_{21}& T_{22}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{A}_{d2}\\ B_{d2}\end{array}\right)---\left(2\right)$

联立两个矩阵方程（1）、（2）可得： 

$T_{11}=\frac{A_{u1}{B}_{d2}-A_{d2}{B}_{u1}}{A_{d1}{B}_{d2}-A_{d2}{B}_{u1}}---\left(3\right)$

消声器传递损失为 

TL=20log₁₀|T₁₁|   （4） 

式中T₁₁、T₁₂、T₂₁、T₂₂为矩阵四极子参数，A_u、B_u为上游管道内的入射波和反射波，A_d、B_d为下游管道内的入射波和反射波。1代表第一种末端负载条件，2代表第二种末端负载条件。 

这种方法无需在管道下游设置无反射端，测量较为准确。 

对于进出口管半径为0.1m的消声器，需要内管半径r₁=0.0545m,外管半径r=0.1m的进出口测量管段,经过计算可以分别求的消声器进出口管内和进出口测量管段内平面波的截止频率，如表1所示 

表1消声器进出口管和进出口测量管段内的平面波截止频率 

从表1可以看出，进出口测量管段内平面波截止频率比进出口管内提高了1728Hz，从而拓展了消声器的传递损失测量频率范围。为了验证本专利测量大管径消声器中高频传递损失的准确性，分别用传统方法和本专利方法对图4所示消声器进行传递损失计算。图4所示消声器的进出口管直径d₁=d₂=0.2m，进出口管长度l₁=l₂=0.5m,膨胀腔直径d₃=0.4m，膨胀腔长度l₃=0.6m，其中空气中声速取343m/s，空气密度取1.225kg/m³。计算结果如图4所示，可以看出在进出口管平面波截止频率2092Hz以内，传统方法和本专利方法的传递损失计算结果吻合良好，验证了本方法的正确性。而在2092Hz 以后，消声器进出口管道内出现了非平面波，传统方法计算得到的传递损失曲线出现剧烈的起伏并出现大量负值，即透射波的声能量大于入射波声能量，这不符合能量守恒定律。而本专利方法在3800Hz频率范围内仍可以准确预测消声器的传递损失，从而拓展了计算频率范围，为计算大管径消声器中高频的声学性能提供了可能。