Звукопоглощение. Методы-Иголкин АА
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЕВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» А. А. Иголкин, Л. В. Родионов, Е. В. Шахматов, А. И. Кох Звукопоглощение. Методы измерений Электронное учебное пособие САМАРА 2010 УДК 681.8 Авторы: Иголкин Александр Алексеевич, Родионов Леонид Валерьевич, Шахматов Евгений Владимирович, Кох Андрей Иосифович Компьютерная верстка Сафин А. И. Рассмотрены теоретические основы измерения акустических характеристик материалов. Дано описание оборудования, необходимого для проведения таких экспериментальных исследований. Изложены методы проведения исследовательских испытаний по определению акустических характеристик звукопоглощающих материалов, применение которых возможно также и в авиации. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по магистерской программе «Мехатронные пневмогидравлические агрегаты и системы» по направлению 160700.68 «Двигатели летательных аппаратов», и по специальности 150802.65 «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика». Учебное пособие подготовлено на кафедре автоматических систем энергетических установок. © Самарский государственный аэрокосмический университет, 2010 2 СОДЕРЖАНИЕ Термины, обозначения и определения 4 Введение 6 1 Теоретические основы 7 2 Метод определения акустических характеристик в интерферометре (трубе Кундта) 11 2.1 Описание интерферометра (акустической трубы Кундта) 11 2.2 Акустический импеданс 16 2.3 Порядок выполнения работы 19 3 Определение акустических характеристик в импедансной трубе 25 3.1 Оборудование и программное обеспечение 25 3.2 Описание метода измерения в импедансной трубе 27 3.3 Отображение и хранение результатов 30 3.4 Экспериментальные исследования акустических свойств 34 звукопоглощающих материалов 4 Метод измерения звукопоглощения в реверберационной камере 45 4.1 Сущность метода 45 4.2 Частотный диапазон 45 4.3 Малая реверберационная камера 46 4.4 Образцы для испытания. Плоские поглотители 47 4.5 Температура и относительная влажность 48 4.6 Измерение времени реверберации 48 4.7 Используемое оборудование 50 4.8 Метод обработки кривых реверберации 52 4.9 Расчет времени реверберации Т1 и Т2 53 4.10 Обработка результатов 54 Список использованных источников 58 3 ТЕРМИНЫ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Термин 1. Звуковое Обозна Определение чение P1 ( f ), P2 ( f )Переменное давление избыточное возникающее в давление, упругой среде при прохождении через неё звуковой волны 3. Волновое число k Волновое число численно равно числу периодов волны, укладывающихся в отрезок 2π метров 4. Скорость звука в среде 5. Расстояние до с0 Скорость распространения упругих волн в e1 , e2 Расстояние от первого и второго микрофона материала 6. Передаточная среде до тестируемого материала H12 ( f ) Представляет функция собой дифференциальный оператор, выражающий связь между двумя микрофонами 7. Коэффициент R(f) отражения Коэффициент отражения, представляющими собой отношения амплитуд отражённых волн к амплитуде падающей 8. Коэффициент a( f ) поглощения Коэффициент поглощения энергии звуковых колебаний по определяется как доля энергии звуковых колебаний, поглощённая материалом 9.Акустический Z( f ) импеданс Комплексное сопротивление, которое представляет собой отношение комплексной амплитуды звукового давления к амплитуде объемной колебательной скорости 10. Расстояние S - 4 между микрофонами 11. Реверберация - Это процесс постепенного уменьшения интенсивности звука при его многократных отражениях 12.Время Т, с реверберации Время необходимое для спада уровня звукового давления в замкнутых помещениях на 60 дБ после прекращения работы источника звука 13. Эквивалентная А1; площадь (м2) А2 Условная площадь поверхности звукопоглощения реверберационной камеры звукопоглощения (без образца А1, с испытываемым образцом камеры А2), на которой отсутствуют дифракционные эффекты и которая, являясь единственным поглощающим элементом в помещении, обеспечивает то же время реверберации, что и рассматриваемое помещение 14. Эквивалентная АТ, м2 площадь 15. Плотность Разность между значениями эквивалентной площади r0 Плотность среды 5 ВВЕДЕНИЕ Рост перевозок воздушного транспортом предусматривает не только увеличение количества самолетов, но и увеличение производительности каждого отдельного самолета. Производительность самолета прямо пропорциональна весу перевозимой за один полет коммерческой нагрузки и средней рейсовой скорости полета [1]. Увеличение грузоподъемности летательных аппаратов и объемов перевозок привело к увеличению тяги силовых установок и интенсивности их эксплуатации. В результате возрос уровень шума на местности в зонах размещения аэропортов, и большое число жителей оказалось подвержено его неблагоприятному воздействию [2]. Выделение авиационной акустики в самостоятельный раздел науки произошло в связи с необходимостью снизить шум летательных аппаратов до уровня, обеспечивающего нормальную жизнедеятельность людей, а также работоспособность систем оборудования и конструкции аппарата. Контроль и снижение шумов является довольно сложной проблемой. С одной стороны, трудность состоит в систематизации природы шумов, связанной с такими научными направлениями, как математика, динамика, вибрация, механика жидкостей и газов, термодинамика, электроника, психоакустика, материаловедение и, конечно инженерная акустика. С другой стороны невыясненная природа возникновения и распространения звука часто становится непреодолимой преградой при решении проблемы уровня шума, к которой чаще всего подходят интуитивно или базируясь на опыте других областей техники. В настоящем учебном пособии изложены методы определения акустических характеристик в импедансной трубе, в интерферометре (трубе Кундта), в малой реверберационной камере и предназначены для проведения испытаний акустического качества помещений, реверберационного коэффициента звукопоглощения, и звукоизоляции воздушного и ударного 6 шума конструкций. 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ На внешнюю поверхность самолета воздействуют источники аэродинамического шума (струя, пограничный слой, винт, вентилятор) и вибрации двигателя (рисунок 1.1). Под действием каждого из источников элементы конструкции фюзеляжа и связанные с ним агрегаты возбуждаются и переизлучают звуковую энергию внутрь салона. 1 – струя двигателя; 2 – вентилятор; 3 – пограничный слой; 4 – винт; 5 – вибрации двигателя; 6 – система кондиционирования воздуха Рисунок 1.1 – Основные источники, создающие шум внутри самолета Распространение шума в салон происходит самыми разнообразными путями. В каждой заданной точке внутри салона звуковое поле может оказаться суперпозицией следующих составляющих [2]: - звука, прошедшего через ближайшую зону фюзеляжа под определенным углом (от разных источников под разными углами); - звука, прошедшего через более близкую к источнику конструкцию и распространившегося в заданную точку по салону из более шумной зоны в менее шумную; - звука от вибраций, распространившихся 7 по конструкции и вызвавших излучение в ближайшей зоне фюзеляжа; - звука, прошедшего в салон, отразившегося от стен и вновь достигшего заданной точки (реверберирующего звука); - звука, прошедшего в заданную точку из шумной зоны по воздуховодам. Помимо этого звуковое давление в заданной точке может измениться вследствие возможного возникновения интерференционной картины в замкнутом объеме цилиндрической формы и т. д. Шум в салоне современного самолета пассажирского самолета обусловлен наличием большого количества различных по своей природе источников. Это силовая установка, которая является мощным источником акустических и механических колебаний, турбулентный пограничный слой и другие источники, связанные с обтеканием поверхности самолета, шум от которых значительно возрастает с увеличением скорости полета, а также системы внутреннего оборудования самолета. В зависимости от компоновки самолета, его летных характеристик, типа двигателей, акустических характеристик оборудования и его размещения уровень шума в салоне может существенно меняться. Разнообразие источников шума приводит к необходимости применения различных методов его снижения. Применяемые в современной авиационной технике методы снижения шума можно условно разделить на активные и пассивные. К активным относятся методы, при которых снижения шума добиваются путем воздействия на механизм шумообразования того или иного источника. Для самолетов с турбореактивными двигателями эффективными могут быть такие средства, как повышение степени двухконтурности двигателя, использование шумоглушащих насадок и облицовок и т. д. Активным методом снижения шума в турбовинтовом самолете является создание малошумных винтов, синхронизация и синхрофазирование вращения винтов. 8 В элементах систем кондиционирования воздуха (СКВ) активное воздействие на процесс шумообразования (уменьшение скоростей в каналах и на выхлопе) позволяет получать удовлетворительные акустические характеристики этих источников. Некоторое уменьшение шума в кабине можно получить при изменении технологии изготовления различных шумящих агрегатов и при более строгом контроле акустических характеристик при их выборе для пассажирских самолетов. Необходимо подчеркнуть, что возможности снижения шума активными методами наиболее полно могут быть реализованы, если эти методы используются при проектировании агрегатов и самолета в целом. Многие из них становятся неосуществимыми, когда самолет построен. К пассивным методам борьбы с шумом внутри салона относятся звукоизоляция и звукопоглощение, виброизоляции и вибропоглощения, а также рациональная компоновка шумящих агрегатов. Основной акустической характеристикой звукопоглощающих материалов является частотная зависимость безразмерного коэффициента звукопоглощения , определяемого как отношение поглощенной звуковой энергии к падающей, a = Епогл . Величину Епад Аi = a i × Si в м2 будем называть эквивалентной площадью поглощения данной облицовочной конструкции, обладающей коэффициентом звукопоглощения Величину импедансы и площадью Si. можно найти через волновые параметры и входные слоев, которые наиболее полно характеризуют процесс поглощения звука. К волновым параметрам звукопоглощающих материалов относятся волновое сопротивление слоя (импеданс среды) Z 0 = X 0 + i × Y0 Н×с/м3 обычно в безразмерном виде, отнесенное к волновому сопротивлению воздуха r0 × с0 , и постоянная распространения g = b + i × k [2]. Акустические характеристики звукопоглощающих материалов (Z0, , ) экспериментально определяются с 9 помощью интерферометров при нормальном падении звуковых волн на образец. Кроме того, коэффициент звукопоглощения a диф измеряется в условиях диффузного поля в реверберационных камерах. По найденным расчетным или экспериментальным путем величинам активной и реактивной компонент безразмерного акустического импеданса слоя или конструкции величина коэффициента звукопоглощения может быть определена по формуле: a= 4× Х . ( Х + 1)2 + Y 2 Поглощение тем выше, чем больше активная составляющая импеданса и меньше реактивная; при Y=0, X=1 достигается максимальное звукопоглощение, т. е. a max = 1 . Коэффициент звукопоглощения связан с коэффициентом отражения R следующим соотношением: a= I ПАД - I ОТР I ПАД æP = 1 - ç ОТР çP è ПАД 2 ö ÷ = 1- R 2 ÷ ø Здесь R — комплексная величина, — действительная. Коэффициент отражения R является функцией угла падения, частоты и геометрии поглотителя. Расчет коэффициента звукопоглощения, так же как и коэффициента прохождения, может выполняться путем отыскания входных импедансов многослойных конструкций. Входной импеданс однородного слоя характеризуемого волновыми параметрами Z0 и конечной толщины d, , может быть найден через импеданс Z1 слоя, расположенного за рассматриваемым: Z = Z0 Z1 × chyd + Z 0 × shyd Z1 × shyd + Z 0 × chyd Рассмотрим некоторые частные соотношения. 10 случаи, следующие из этого 1. Z1=Z0, т. е. волновые сопротивления двух сред одинаковы. В этом случае Z=Z0, что соответствует случаю сплошной однородной среды. 2. Z1 = ∞ — слой звукопоглощающего материала толщиной d расположен непосредственно у жесткой стенки. В этом случае Z = Z 0 × cth(g × d ) . 3. Z1 = 0 — слой звукопоглощающего материала расположен у воздушного промежутка перед жесткой стенкой, равного четверти длины волны. Входной импеданс Z = Z 0 × cth (g × d ) . 4. Z1 = ∞, Z 0 = r0 × c0 , y » i × k — воздушный слой расположен у жесткой стенки, его входной импеданс запишется как Z = -i × r0 × c0 × ctg w d c0 2 МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК В ИНТЕРФЕРОМЕТРЕ (ТРУБЕ КУНДТА) 2.1 Описание интерферометра (акустической трубы Кундта) Особенности: Q Удобное измерение звукопоглощающих свойств небольших образцов материалов; Q Широкий рабочий частотный диапазон (90 —6500 Гц); Q Непосредственное измерение коэффициентов поглощения звука. Использование: Q Измерения коэффициентов поглощения разных материалов; Q Измерения удельного акустического импеданса материалов. Труба Кундта 4002 предназначена для измерений коэффициентов поглощения звука и удельного акустического импеданса образцов звукопоглощающих материалов с круглым сечением. Прибор 4002 работает в частотном диапазоне от 90 до 6500 Гц [3]. Прибор 4002 используется вместе с генератором синусоидального сигнала 1023 и частотным анализатором 2120 или измерительным 11 усилителем 2610 или 2636 и гетеродинным сопровождающим фильтром 2020 фирмы Брюль и Къер. К преимуществам этой аппаратуры относятся сменные шкалы измерительного прибора, способствующие непосредственным измерениям коэффициентов поглощения. Интерферометр типа 4002, предназначен для измерений коэффициентов поглощения, и определенного акустического импеданса звука, поглощающегося материалами в диапазоне частоты от 90 Гц до 6500 Гц. Аппарат должен использоваться с генератором типа 1023 и частотным анализатором типа 2120 в комбинации с усилителем типа 2606 и гетеродинированным второстепенным фильтром типа 2020, со шкалой для прямого чтения коэффициента поглощения. Измерения проводятся согласно методу стоячей волны, в котором громкоговоритель устанавливает звуковое поле в трубе, с образцом на конце, который будет исследован. Из-за отражения от образца, в трубе образуются интерферационная картина (стоячие волны). Измеряя отношение между максимальным и минимальным звуковым давлением, может быть рассчитан коэффициент поглощения образца. Измеряя расстояние между поверхностью образца и минимумом и максимумом давления, легко рассчитывается акустический импеданс образца. Поскольку метод измерения требует плоских звуковых волн в трубе Кундта, диаметр образца не должен быть больше чем половина длины звуковой волны. Чтобы выполнить измерения в относительно широком диапазоне частоты, аппарат постоянной волны снабжен двумя измерительными трубками Кундта с различными диаметрами (рисунок 2.1). Большая (с диаметром трубы 100 мм) используется в диапазоне частоты от 90 Гц до 1800 Гц, и меньшая (с диаметром 30 мм) должен использоваться от 800 Гц до 6500 Гц. Обе трубы снабжены тремя типовыми держателями. 12 Рисунок 2.1 - (Верхняя фотография) 4002 с короткой трубой (Нижняя фотография) 4002 с длинной трубой Чтобы установить исследуемый образец его помещают в один из трех типовых держателей, каждый из которых снабжен трубой. Один держатель с регулированной глубиной, в то время как другие два с фиксированной глубиной. Посредством устройства зажима типовой держатель закреплен к одному концу измеряющей трубы; другой конец, которого ввернут в коробку, содержащую громкоговоритель. Внутри трубы помещен перемещающийся вдоль трубы зонд с измерительным микрофоном [4]. Микрофон поддерживается с одного края (в измеряющей трубе) маленькой скользящей кареткой и с другого устройством, перекатывающимся на рельсах, положение которого регистрируется по линейке. На рисунке 2.2 показана схема установки для измерений акустического коэффициента поглощения. Громкоговоритель аппарата постоянной волны типа 4002, питается от генератора типа 1023, охватывая диапазон частоты от 10 Гц до 20 кГц. Выходное напряжение микрофона показывается на усилителе типа 2606, которым специально дополнен гетеродинированным второстепенным фильтром типа 2020, диапазон частоты которого — 10 Гц ÷ 20 кГц и с полосами пропускания до 3,16 Гц. Фильтр настроен автоматически 13 от генератора 1023, чтобы следовать за этой частотой. Преимущество такой установки — это минимизация возмущающих эффектов от шумового и гармонического искажения от громкоговорителя и более точное определение минимумов давления. Это представляет большой интерес, в измерениях выполняемых на материалах с маленькими коэффициентами поглощения. В этом случае амплитуда отраженной волны почти равна падающей волне, следовательно, звуковое давление в минимумах становится очень маленьким. Подобная установка может быть сделана, имея гетеродинированный анализатор типа 2010, который включает генератор, усилитель и постоянный фильтр полосы пропускания. Необходимо отметить, что тип 2010, который может только подать 100 мА, работает на 17 дБ ниже того, который может быть получен с генератора типа 1023. Измерительная шкала частотного анализатора и усилителя позволяют непосредственно получить коэффициент поглощения, и информацию относительно положения минимумов, используя правило, установленное на 4002. Рисунок 2.2 - Схема установки для измерений акустического коэффициента поглощения Спецификация 4002 Диапазон частоты: Громкоговоритель: Полная длина с Большая труба: 90…1800 Гц 7 в, 6 Вт, 4 Ω маленькой Маленькая труба: 800…6500 Гц Микрофон: Размеры измеряющих труб: Чувствительность: 25 14 трубой: 1,66 м Максимальная Большая труба: мВт/Па на 1000 Гц ширина: 260 мм Диаметр: 99 мм (без исследования) Максимальная Емкость: 2 nF высота: 250 мм Длина: 1 м Маленькая Труба: Мин. Диаметр: 29 мм Груза: 1 МΩ Длина: 280 мм 90 Гц) состоянии аппарат Полные измерения: находится Типовые Держатели: Каждая труба обеспечена двумя типовыми держателями Полная Импеданс В (-3 дБ в демонтированном длина в с контейнере с большой трубой: 2,4м отгрузки, внешние установленными длинами 25 мм габариты которого: и 50 мм и одним типовым 1400x380x350 мм держателем Вес: 48 кг с переменной глубиной от 0 до 95 мм Основные компоненты интерферометра 4002: · Две измеряющих трубы; · Громкоговоритель и камера; · Проградуированная линейка; · Каретка с микрофоном и кабелем; · Микрофон исследования; · Инструкции исследования; · Типовые держатели (3 шт. на каждую трубу); · Держатель зажима. Результаты, полученные от интерферометра применимы обычно к поверхности образца. Диапазон частоты ограничен в более низких частотах — длиной измеряющей трубы, которая должна быть, по крайней мере равна 0,25 длины волны и в более высоких частотах — диаметром трубы, которая теоретически должна быть меньше 0,586 длины волны, чтобы исключить возможность поперечных резонансов с трубой. 15 2.2 Акустический импеданс Когда звуковая волна попадает на акустический поглотитель, часть энергии поглощается, а часть отражается. Однако на поверхности поглотителя отражение отсутствует. Звуковая волна проникает через некоторое расстояние в поглотитель, и отражение происходит в гипотетической плоскости в пределах поглотителя. Проводить измерения в пределах поглотителя непрактично, но поведение звуковой волны может быть характеризовано нормальным акустическим импедансом образца zn. Нормальный акустический импеданс образца определяется как отношение звукового давления, действующего на поверхность образца к соответствующей скорости частицы, перпендикулярной к поверхности. Так как звуковое давление и скорость частицы не всегда перпендикулярны к поверхности образца, то нормальный акустический импеданс может быть комплексным и может быть записан как сумма реальных и мнимых частей, то есть: zn = (компонент имеющий сопротивление) + j (реактивный компонент) Поэтому для трубы постоянной волны мы имеем: zn = pi + pr Vi + Vr (2.1) где pi и pr — звуковые давления случайной и отраженной волн и Vi и Vr — их соответствующие скорости частиц. Теперь p и V связаны с характерным импедансом воздуха, ρс, в пределах трубы. Эту величину, иногда называют удельным акустическим импедансом воздуха. Для температуры воздуха 20 °C и стандартного атмосферного давления 101,3 кПа, плотности воздуха - 1,21 кг/м3, и скорости звука - 343 м/с, стандартный акустический импеданс воздуха равен 415 кг/м2 ×с. Поэтому, pi = rcVi 16 (2.2) pr = rc(- Vr ) (2.3) Следовательно, æ p + pr z n = çç i è pi - p r æ ç1+ zn = ç ç ç1è pr pi pr pi ö ÷÷ × rc ø (2.4) ö ÷ ÷ × rc ÷ ÷ ø (2.5) Теперь pr и pi связаны следующим выражением: pr = pi × r × exp( jD ) (2.6) где r —модуль коэффициента отражения Δ —фаза коэффициента отражения Поэтому æ 1 + r × exp ( jD ) ö ÷÷ × rc z n = çç è 1 - r × exp( jD ) ø (2.7) Это уравнение может быть написано как zn = (Re (z n ) + j Im( zn )) × rc (2.8) откуда можно показать что Re( zn ) = 1- r2 1 + r 2 - 2r cos D (2.9) Re( z n ) = 2r sin D 1 + r 2 - 2r cos D (2.10) Нормальный акустический импеданс может быть определен, если известен коэффициент отражения, r, и угол фазы, Δ. Коэффициент отражения, может быть определен: 17 r= n -1 n +1 Чтобы определять угол фазы, необходимо рассмотреть величины pr и pi как векторы, вращающихся в направлениях, обозначенных на рисунке 2.3, угол фазы между векторами, Δ. Рисунок 2.3 - Векторная диаграмма, показывающая отношения фазы между прямым pi и отраженным, pr, давлением волны Запишем рi и pr соответственно как: pi = A exp ( j 2pft ) (2.11) 2y é æ öù pr = B exp ê j ç 2pft - 2pf + D ÷ú c øû ë è (2.12) где с = fλ. Тогда поделив уравнение (2.12) на уравнение (2.11) получим: pr = é æ B y öù pi exp ê- j ç 4p - D ÷ú A øû ë è c (2.13) pr это минимум для 4py1 -D =p l (2.14) æ 4y ö D = ç 1 - 1÷p è l ø (2.15) На расстоянии y0, перед образцом угол фазы между прямой и отраженной волной равен нулю. Как показано на рисунке 2.3 y0 положительная величина для положительного и отрицательного Δ. В этом точке давление максимальное. Отрицательное значение y0 означает, что 18 максимум давления расположен в пределах образца, между поверхностью образца и твердого металлического конца трубы. Максимальное звуковое давления происходит на расстоянии у1, где эти два вектора на рисунке 2.3 составляют 180° или π радиан в фазе. Длина волны λ, может быть измерена, вместо того, чтобы получить эту величину с осциллятора. В случаях, где второй минимум может быть измерен на расстоянии y2 (для большой трубы, это частота, приблизительно 250 Гц), расстояние у2 – у1 приводят к половине длины волны так, чтобы уравнение (2.15) стало: æ 2 y1 ö D = çç - 1÷÷p è y2 - y1 ø (2.16) Зная Δ и коэффициент поглощения α, реактивные части имеющие сопротивление нормального акустического импеданса могут быть найдены из Рисунка 2.3, или, вычисляя реальные и мнимые части в уравнениях (2.11) и (2.12). 2.3 Порядок выполнения работы 2.3.1 Сборка интерферометра 4002 Интерферометр типа 4002 собирается в следующем порядке [3]: 1. Присоединить линейку измерения к корпусу громкоговорителя посредством винтов. 2. Присоединить необходимого длинную диапазона посредством оставшихся или короткую частоты к трубу, корпусу в зависимости от громкоговорителя четырех винтов. Длинная труба должна ориентироваться так, чтобы отверстие крепления ножки находилось на нижней стороне трубы. 3. Установить и отрегулировать ножку (необходимо только для длинной трубы). 4. Аккуратно просунуть в отверстие громкоговорителя (непосредственно в трубу) микрофон (длинный или короткий в зависимости от трубы). 19 5. Поместить устройство, перекатывающееся по рельсам на рельсы линейки. 6. Соединить трубку с микрофоном и устройством, перекатывающимся по рельсам. 7. Установите типовой держатель, оборудованный типовым материалом в трубу. Интерферометр 4002 теперь готов к использованию. Демонтирование 4002 выполняется в порядке обратном описанному выше. 2.3.2 Связь измерительных приборов Рисунок 2.4 - Возможное размещение измерительных приборов для использования с 4002 Рисунок 2.5 - Типовое расположение приборов измерения 20 Интерферометр 4002 может использоваться с различными измерительными приборами. Следует отметить то, что прибор типа 2010 может быть связан с интерферометром 4002 способом, который можно счесть самым легким в использовании [5]. Расположение измерительных устройств, показанное на рисунке 2.5. 2.3.3 Установка исследуемого материала Пористый материал следует вырезать так, чтобы это соответствовало внутреннему диаметру держателя, в то время как поглотительный материал с твердой пластиной покрытия, например, акустической черепицей, нужно вырезать так, чтобы твердая пластина соответствовала внешнему диаметру держателя, и мягкая поддержка соответствовала внутреннему диаметру держателя как показано на рисунке 2.6. Рисунок 2.6 - Установка поглощающего материала в трубе Слева: пористый материал Справа: пористый материал, покрытый твердой пластиной Устанавливая материал таким образом, фронтальная пластина твердо закрепляется. Зажим закрепления, должен быть сильно ввернут чтобы предотвратить появление колебаний. 2.3.4 Измерение коэффициента звукопоглощения Труба, законченная идеальным отражателем и труба, законченная звукопоглощающим материалом представлены на рисунке 2.7. 21 Рисунок 2.7 - Труба постоянной волны, показывающая постоянное давление модели волны и результат соединения трубы со звуком с поглощающим материалом Для измерения коэффициента звукопоглощения: 1. Установите частоту на генераторе синуса так, чтобы на дисплее была выбрана желаемая частота. Поднимите выходное напряжение, пока не загорятся лампы, тогда немного уменьшите выходное напряжение. Теперь в трубе должен присутствовать высокий уровень звукового давления. 2. Перемещайте вагон микрофона вверх и вниз, пока не будет обнаружен максимум давления в пределах трубы. После обнаружения максимума разместите микрофон в максимум давления. 3. Посредством входной секции аттенюатора установить показания стрелки на 100% (на частотах ниже 200 Гц не возможно найти изолированный максимум давления. В этом случае в качестве максимума должно использоваться давление непосредственно перед образцом). 4. Перемещайте вагон микрофона, пока не достигнете минимума, самого близкого к образцу. Необходимость измерения в этом месте состоит в том, чтобы минимизировать возможную ошибку, вызванную звуковым ослаблением в трубе. Коэффициент поглощения можно взять непосредственно со шкалы усилителя. Если поглощение - меньше 70%, коэффициент усиления на усилителе можно увеличить на 10 дБ и поглощение, берется от 0 до 70% шкалы. Если поглощение - меньше 30%, тогда коэффициент усиления должен быть в пределах 10 дБ и поглощение, берется от 0 до 30 дБ по шкале. 22 5. Повторите шаги 1 - 4 для других интересующих частот и сведите результаты в таблицу 2.1. 6. Удалите образец из типового держателя и измерьте коэффициент поглощения металлической поверхности, чтобы определить минимальный измеренный коэффициент поглощения. 1600 1250 1000 800 500 3150 630 400 2500 315 250 200 125 1000 160 100 Частота, Гц 800 Таблица 2.1 – Результаты измерения коэффициента звукопоглощения Испытательный образец, α Измеренный минимум, α 6300 5000 4000 2000 1600 1250 Частота, Гц Испытательный Образец, α Измеренный минимум, α Для наглядного представления результатов необходимо построить график зависимости коэффициента звукопоглощения от частоты (рисунок 2.8). 23 Рисунок 2.8 - Коэффициент поглощения как функция частоты для щелевой акустической плитки на основе минеральной шерсти 2.3.5 Измерение акустического импеданса Чтобы измерять акустический импеданс образца, сначала выполните предварительные настройки, описанные в разделах 2.3.1, 2.3.2, 2.3.3, затем: 1. Определите коэффициент поглощения образца как описано в разделе 2.3.4. Сведите в таблицу 2.2 результаты, и определите модуль коэффициента отражения r = 1 - a Таблица 2.2 – Вычисление акустического импеданса Частота 125 250 α = r 1-a y1 y2 24 500 1000 2000 4000 y2 - y1 = l 2 æ 2 y1 ö D = çç - 1÷÷p è y2 - y1 ø æz ö 1- r 2 Reçç n ÷÷ = 2 è rc ø 1 + r - 2r cos D æz ö 2r sin D Imçç n ÷÷ = 2 è rc ø 1 + r - 2r cos D z = Re 2 + Im2 rc æ Im ö f = tan -1 ç ÷ è Re ø 2. Измерьте расстояние между образцом и первым минимумом звукового давления в трубе и запишите в таблицу 2.2 эту величину как y1. Акустический импеданс или характеристический импеданс воздуха ρ0c0 равен 415 кг/м2*с. 3. Измерьте расстояние между образцом и вторым минимумом звукового давления в трубе и сведите в таблицу как y2. Выражение y2 – y1 дает половину длины волны звука. Фаза коэффициента отражения Δ может æ 2y ö 1 быть определена соотношением: D = çç - 1÷÷p y è 2 y1 ø 4. Акустический импеданс получают из величин r и Δ: ХАРАКТЕРИСТИК В z n = (Re( z n ) + j Im( z n ))rc где Re( zn ) = 1- r2 2r sin D и Im(zn ) = 2 1 + r - 2r cos D 1 + r 2 - 2r cos D значение r и Δ берется из таблицы 2.2. 3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ 25 ИМПЕДАНСНОЙ ТРУБЕ 3.1 Оборудование и программное обеспечение - Программа: LabVIEW, sound and vibration toolset. - Модуль ni usb-4431 - Акустическое оборудование: - 2 микрофона PCB 377B02 - Динамик JBL 2426J - Импедансная труба фирмы spectronics Рисунок 3.1 – Внешний вид установки Для генерации широкополосного шума и обработки сигналов с микрофонов используем модуль NI USB – 4431 26 Рисунок 3.2 – Модуль NI 4431 NI USB-4431 - пятиканальный модуль сбора динамических сигналов предназначенный для выполнения высокоточных измерений сигналов с интегральных электронных пьезоэлектрических датчиков (IEPE). Модуль имеет в своём составе четыре одновременно работающих 24-разрядных дискретных каналов аналогового ввода и один 24-разрядный канал аналогового вывода. За счет своей портативности, NI USB-4431 также хорошо приспособлен для использования в широком диапазоне эксплуатационных испытаний, таких как исследование АЧХ аудио устройств или вибродиагностика. Кроме того, прибор имеет динамический диапазон измерений 100 дБ, а также возможность программного выбора цепей согласования сигналов с пьезоэлектрических датчиков, акселерометров и микрофонов. 3.2 Описание метода измерения в импедансной трубе Решение: Язык графического программирования LabVIEW позволяет одновременно генерировать широкополосный шум (белый и розовый) и обрабатывать полученный с микрофонов сигнал, а также с использованием всех математических библиотек для выполнения акустических расчетов в режиме реального времени. Передаточная функция для двух микрофонов была получена, для того чтобы найти акустические свойства материалов с использованием импедансной трубы. Приложение генерирует широкополосный шум внутри 27 импедансной трубы, а два микрофона расположенные внутри трубы замеряют акустическое давление. Далее с помощью математических операций позволяет получить следующие параметры [6]: · Коэффициент отражения (комплексная величина) · Коэффициент звукопоглощения · Акустический импеданс (комплексная величина) Все полученные данные LabVIEW позволяет переносить на лист Excel (через ActiveX), для последующего создания отчета [7]. Всю работу можно разделить на три раздела · генерирование широкополосного шума и получения сигнала с двух микрофонов. · математические вычисления. · отображение и хранение результатов. В первом разделе выбирается необходимый частотный диапазон он может быть от 150 Гц до 2900 Гц. Этот выбор позволяет пользователю изменить частоту дискретизации в зависимости от его требований. В следствие широкополосный спектр шума создается для возбуждения во всем спектре частот. После многочисленных испытаний выбран розовый шум, как наиболее подходящий для существующей конфигурации. Розовый шум сгенерирован и отправлен через канал выхода AO-0 на динамик. Первый раздел включает в себя также получение сигнала с двух микрофонов, важно правильно откалибровать микрофоны [8]. Второй раздел посвящен математической обработке. Теоретические основы в данном приложении могут быть легко обобщены: стационарные плоские волны, создаваемые внутри трубы измеряются внутри импедансной трубы, измеряются микрофонами в двух точках, расположенными между собой на расстояние S и на расстояние L от тестируемого материала (см. рисунок 3.3) [9]. 28 Рисунок 3.3 – Импедансная труба Переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны: P1 ( f ) = A( f ) × ei×k ×e1 + B( f ) × e - i×k ×e1 (3.1) P2 ( f ) = A( f ) × ei×k ×e2 + B( f ) × e - i×k ×e2 k= 2 ×p × f с0 (3.2) Где А и В зависят от частоты прямой и обратной волны, k волновое число, и j= -1 . P1 ( f ), P2 ( f ) сигнал улавливаемый из двух микрофонов. Коэффициент отражения можно вычислить из измеренной передаточной функции между двумя микрофонами. То есть разделив измеряем сигнал от двух микрофонов мы получим передаточную функцию, H12 ( f ) [10,11] ei×k ×е2 + R( f ) × e -i×k ×е2 H12 ( f ) = i×k ×е1 e + R( f ) × e - i×k ×е1 (3.3) В дальнейшем из передаточной функции легко получить коэффициент отражения R( f ) . H12 - e- i×k ×s i×2×k ×( L + S ) R ( f ) = i ×k × s ×e e - H12 29 (3.4) Из коэффициента отражения мы можем получить остальные параметры, а именно, - коэффициент поглощения: a ( f ) = 1 - R ( f ) 2 (3.5) - акустический импеданс: Z ( f ) = r0 × c0 × (1 + R( f )) / (1 - R ( f )) В вышеупомянутых выражениях r0 (3.6) плотность воздуха, с 0 скорость звука в воздухе. Следует отметить, что коэффициент поглощения, который мы нашли выше, является вещественной частью. Следующая схема показывает последовательность, сопровождаемую, чтобы вычислить акустические свойства материалов (см. рисунок 3.4) Рисунок 3.4 – Последовательность расчетов 3.3 Отображение и хранение результатов 30 нормальные Рисунок 3.5 – Экспериментальная установка для оценки акустических свойств материалов с двумя микрофонами 31 Рисунок 3.6 – Внешний вид программы 32 Рисунок 3.7 – Внутренний алгоритм программы 33 Рисунок 3.8 – Коэффициент поглощения Рисунок 3.9 – Модуль коэффициента отражения Рисунок 3.10 – Акустический импеданс (реальная часть) 3.4 Экспериментальные исследования акустических свойств звукопоглощающих материалов Для экспериментального исследования акустических свойств материалов необходимо: · Необходимо собрать установку (см. рисунок 3.5) · Вырезать образец для импедансной трубы 34 · Собрать программу в LabVIEW 2009 (см рисунок 3.7) а) Запускаем программу. б) В появившемся окне выбираем опцию Blank VI (см. рисунок 3.11). Рисунок 3.11 – Стартовое окно LabVIEW в) Перед вами откроется два основных окна программы (front panel, block diagram) удобно переключаться м/у окнами используя сочетания клавиш Ctrl+E г) Вся программа будет работать в цикле например, который является аналогом оператора "While". Условием выхода из цикла будет нажатие на кнопку останова. Для реализации поставленной задачи необходимо выполнить следующие шаги. · Необходимо перейти в block diagram · Активировать функциональное меню ( View >> Functions Palette) · В функциональном меню (Functions) выбрать Express >> Execution control >> While Loop (см. рисунок 3.12) 35 Рисунок 3.12 – Внутренний алгоритм программы на данном этапе д) Создадим блок DAQ Assistant(при этом Модуль NI USB 4431 должен быть подключен к компьютеру), для этого входим в список блоков и выбираем Signal Express >> Acquire Signals >> DAQ Assistant; Настраиваем блок: после того как вы вставите блок DAQ Assistant (см. рисунок 3.13) в открывшемся окне выбираем Acquire Signals >> Analog Input >> Sound Pressure далее выбираем вход в который подключен первый микрофон (ai0, ai1, ai2, ai3) и нажимаем finish Рисунок 3.13 – Окно настройки блока DAQ Assistant 36 Далее производим настройки первого микрофона для этого прописываем его чувствительность в графе Sensitivity, её можно найти в паспорте микрофона. Добавляем второй микрофон, в этом же меню нажимаем на и выбираем Sound Pressure далее выбираем вход в который подключен второй микрофон (ai0, ai1, ai2, ai3). В графе Samples to Read и Rate (Hz) пишем 6400, это частота дискретизации с которой будут работать микрофоны. е) Теперь оба микрофона настроены и готовы к работе. Для удобства растяните блок DAQ Assistant до конца и соедините все блоки как показана на рисунке 3.14. Рисунок 3.14 – внутренний алгоритм программы на данном этапе ё) Блок вывода сигналов микрофонов. Открываем основное окно, Front Panel, входим в меню блоков, выбираем Modern >> Graph >> Mixed Signal Graph. Теперь требуется настроить Mixed Signal Graph для этого в основном окне Front Panel нажимаем правой кнопкой мыши на Mixed Signal Graph и в открывшемся контекстном меню выбираем Add Plot Area блок, как показано на рисунке 3.15 37 и растягиваем это Рисунок 3.15 – блок вывода сигналов с микрофонов Далее соединяем все как показано на рисунке 3.16 Рисунок 3.16 – Внутренний алгоритм программы на данном этапе ж) Теперь необходимо разделить сигнал и построить передаточную функцию для этого потребуется два блока. Блок разделения сигналов. Открываем дополнительное окно, Block Diagram, входим в меню блоков, выбираем Express >> Sig Manip >> Split Signals. Данный блок разделяет сигналы в той последовательности, в которой они были введены в блок DAQ Assistant. Далее входим в блок в меню блоков, выбираем Addons >> Sound and Vibration >> S&V Express Measurements Measurements >> Frequency Responcy. 38 >> Frequency – Domain Настраиваем блок Frequency Responcy, для этого двойным щелчком мыши открываем меню настройки, открываем вкладку Configuration и в графе Magnitude scale выбираем Linear, открываем вкладку Input/Output и ставим галочку на Magnitude and Phase и Real and Imaginary. Соединяем все как показано на рисунке 3.17. Рисунок 3.17 – Внутренний алгоритм программы на данном этапе з) Передаточная функция имеет вещественную и мнимую часть для дальнейшей работы нам потребуется объединить их для этого воспользуемся следующим блоком Programming >> Numeric >> Complex >> Re/Im To Complex. Для реализации математического алгоритма нам потребуется из этого сигнала вывести данные для этого нам нужен следующий блок Programming >> Cluster, Class, & Variant >> Unbundle. Соединяем все как показана на рисунке 3.18. 39 Рисунок 3.18 – Внутренний алгоритм программы на данном этапе и) Теперь необходимо выполнить математическую обработку в начале для этого воспользуемся следующей функцией Function >> Mathematics >> Scripts & Formulas >> MathScript (данный блок необходимо растянуть нажатой левой клавишей см. рисунок 33), нажатием правой клавишей мышки на MathScript в открывшемся контекстном меню выбираем Add Input добавляем 5 входов, каждый из входов называем f0, df, m, S, L. Также добавляем 5 выходов (Add Output) f, k, ex1, ex2, ex3 см. рисунок 3.19. Внутри MathScript прописываем часть формулы см. рисунок 3.19. К входу S надо задать константу для этого подводим курсор мышки к S нажимаем правую кнопку мышки в открывшемся контекстном меню выбираем create >> constanta и задаем константу 0,0288, то же самое проделываем для L только задаем 0,0519 (см теорию выше). Примечание данный алгоритм надо выполнять строго по алгоритму. 40 Рисунок 3.19 – внутренний алгоритм программы на данном этапе к) Коэффициент отражения R ( f ) = H 1 2 - e - i×k ×s × e i × 2 ×k ×( L + S ) i×k ×s e - H 12 Из коэффициента отражения мы можем получить коэффициент отражения - коэффициент поглощения: a ( f ) = 1 - R ( f ) 2 Теперь надо дописать математический алгоритм, как вы поняли выше мы нашли только некоторые части формулы. e x1 = e - i×S ×k e x 2 = e i×S ×k e x 1 = e ( i ×2 ×k ) ×( L + S ) Использую блоки выполняющие арифметические действия допишите программу Programming >> Numeric (см рисунок 3.20). Примечание H12 = m . 41 Рисунок 3.20 – внутренний алгоритм программы на данном этапе л) Получаем коэффициент отражения. Переходим в основное окно программы и вставляем Function >> Express >> Graph Indicator >> XY Graph устанавливаем график в удобное для нас место и переходим в block diagram там соединяем все как показано на рисунке 3.21. Рисунок 3.21 – внутренний алгоритм программы на данном этапе м) Переходим в основное окно программы, front panel начинаем настраивать 42 внешний вид программы. Во первых начнем настраивать график на который выводится коэффициент альфа, нажимаем на график правой кнопкой мыши и в открывшемся контекстном меню выбираем X Scale >> AutoScale X тоже самое делаем для оси ординат, это необходимо для исключения авто масштаба. Теперь прям на графике, по оси абсцисс прописываем начало 150 Гц конец 2900 Гц т.к. это рабочий диапазон трубы, по оси ординат от 0 до 1. Также называем оси и сам график. н) Создание закладок. Создание закладок позволяет облегчить поиск нужных спектров и графиков из общего числа. Создаем контур Tab Control,открываем основное окно, Front Panel, заходим в список блоков, выбираем раздел Modern >> Containers >> Tab Control; В первую вкладку переносим Mixed Signal Graph, во вторую График с коэффициентом поглощения. о) Если выполнен строго весь алгоритм тогда у вас должна получиться программа следующего вида, возможны не значительные отличия (см. рисунок 3.22) 43 Рисунок 3.22 – внешний вид программы п) Теперь включаем генератор розового шума, включаем программу нажав на кнопку и проверяем работоспособность. График модуля коэффициента отражения должен быть похож на рисунок 3.9. Но если ты был не внимателен и программа не работает, тогда возвращайся к пункту «а» и начинай все проверять или начни все с начала. Возможные неполадки: · Забыли включить генератор розового шума (вытащите один микрофон и проверьте если звук он похож на шипение телевизора) · Не правильно установленные микрофоны (попробуйте поменять их местами) · Не правильно собрана схема установки; 44 · Не правильные настройки блоков (проверьте каждый блок) 4 МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ В РЕВЕРБЕРАЦИОННОЙ КАМЕРЕ Использование коэффициента данного метода звукопоглощения эквивалентной площади позволяет акустических звукопоглощения провести материалов, объектов измерения а также (например, пространственных звукопоглотителей) в реверберационной камере. Результаты измерений могут быть использованы для сравнения акустических характеристик материалов, разработки методов расчета и проектирования пассивных систем звукоизоляции. 4.1 Сущность метода Сущность метода заключается в определении значения среднего времени реверберации в реверберационной камере с образцом и без него. По результатам измерений времени реверберации необходимо вычислить эквивалентную площадь звукопоглощения образца АТ по формуле Сэбина [(см. 4.10.1, формулы (4.1, 4.2, 4.3,4.4)]. Если образец равномерно распределен по поверхности камеры (например, плоский звукопоглотитель или ряд объектов), коэффициент звукопоглощения определяют как отношение значения эквивалентной площади звукопоглощения АТ к рассматриваемой площади образца S. Если образец состоит из нескольких идентичных объектов, эквивалентную площадь звукопоглощения отдельного объекта Aobj определяют отношением значения АТ к числу объектов n: Aobj = АТ/n. 4.2 Частотный диапазон Измерения проводят в третьоктавных полосах частот со следующими среднегеометрическими частотами, Гц [12]: Частота, Гц 100 125 160 200 45 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 Дополнительные измерения могут быть проведены в других третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами вне указанного диапазона [12]. Следует учитывать, что на низких частотах (ниже 100 Гц) не могут быть получены точные результаты измерений вследствие низкой плотности мод (собственных частот) колебаний реверберационной камеры. 4.3 Малая реверберационная камера 4.3.1 Реверберационная камера и диффузность звукового поля Измерения проводятся в малой реверберационной камере (рисунок 4.1). Рисунок 4.1 – Внешний вид малой реверберационной камеры с установленным в ней образцом 4.3.2 Площадь звукопоглощения Эквивалентная площадь звукопоглощения 46 камеры без образца А1 вычисленная согласно 4.10.1 и определенная в третьоктавных полосах частот, не должна превышать значений, указанных в таблице 4.1. Так как объем камеры V отличается от 200 м3, то значения, приведенные в 2 æ V ö3 таблице 1, следует умножить на коэффициент ç 3 ÷ . è 200 × м ø Таблица 4.1 - Максимальные значения эквивалентной площади звукопоглощения камер объемом V = 200 м3 Частота, Гц 100 125 160 200 250 315 400 500 630 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 Эквивалентная площадь 6,5 6,5 звукопоглощения, м2 Частота, Гц 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 Эквивалентная площадь 6,5 7,0 7,5 8,0 9,5 10,5 12,0 13,0 14,0 звукопоглощения, м2 График зависимости эквивалентной площади звукопоглощения камеры без образца от частоты должен представлять собой гладкую кривую без спадов или подъемов, отличающихся не более чем на 15 % среднего значения для двух диапазонов, смежных с данной третьоктавной полосой. 4.4 Образцы для испытания. Плоские поглотители Площадь образца выбирают в зависимости от объема камеры и предполагаемого звукопоглощения образца. Чем больше камера, тем больше должна быть площадь образца. Площадь образцов с небольшим коэффициентом звукопоглощения должна соответствовать верхнему пределу площади, указанной выше. Образец должен иметь прямоугольную форму с отношением ширины к 47 длине в интервале от 0,7 до 1. Предпочтительно, чтобы грани образца не были параллельны ближайшей стене камеры. Образец размещают в камере по одной из схем, приведенных в приложении В. Время реверберации в камере без образца измеряют при отсутствии рамы или отражающих реек, закрывающих боковые грани образца, за исключением экрана в соответствии со схемой типа J (см. приложение В) [13]. 4.5 Температура и относительная влажность Измерения в камере без образца и камере, содержащей образец, должны проводиться при постоянных значениях температуры и относительной влажности воздуха для исключения влияния на результаты измерений условий окружающей среды и получения скорректированных результатов измерений с поправками, обусловленными поглощением звука воздухом, не отличающихся в значительной степени друг от друга. Относительная влажность воздуха в камере должна быть не менее 30 % и не более 90 %, температура - не ниже 15°С. Для всех измерений следует вводить поправки на изменение поглощения звука воздухом, как указано в 4.10.2. До начала проведения измерений образец должен достичь состояния равновесия с температурой и относительной влажностью воздуха в камере. 4.6 Измерение времени реверберации Измерение времени реверберации производится с помощью метода прерываемого шума. При проведении измерений методом прерываемого шума в качестве источника звука применяют громкоговоритель, на который подают широкополосный шум или шум, ограниченный по полосе частот и обладающий постоянным спектральным составом. При применении широкополосного шума и анализатора реального времени спектр шума должен быть таким, чтобы 48 разность в уровнях звукового давления в камере в смежных третьоктавных полосах была не более 6 дБ. При использовании шума, ограниченного по полосе частот, ширина полосы должна быть не менее одной трети октавы. Сигнал возбуждения должен быть достаточно длинным, чтобы обеспечить стабильный уровень звукового давления во всех частотных полосах до того, как сигнал будет выключен. Для создания стационарного режима время возбуждения должно составлять не менее половины ожидаемого времени реверберации. Уровень измерительного сигнала перед началом спада звукового давления должен быть достаточно высоким, чтобы нижний уровень полезного сигнала в рассматриваемом диапазоне частот не менее чем на 10 дБ превышал уровень фона [14]. Минимально допустимое число точек расположения микрофонов должно быть не менее трех, источников звука - не менее двух. Допускается использовать одновременно более одного источника звука при условии, что мощность излучаемой ими энергии находится в пределах границ допусков, составляющих 3дБ для каждой третьоктавной полосы. При применении для создания звукового поля в камере более одного источника звука число пространственно независимых измеренных кривых спада может быть снижено до шести. Кривая спада, измеренная методом прерываемого шума, является результатом усреднения нескольких кривых спада или значений времени реверберации, измеренных при одном положении микрофона или громкоговорителя, что является обязательным условием для получения соответствующей повторяемости (рисунок 4.2). 49 Рисунок 4.2 - Измерение времени реверберации внутри камеры 4.7 Используемое оборудование Передающая система, излучающая шум при измерениях времени реверберации должна содержать [15]: 1) генератор шума; 3) усилитель мощности; 4) громкоговорители. Приемная измерительная система должна обеспечивать проведение измерений уровня звукового давления в третьоктавной полосе и содержать: 1) интегрирующий шумомер; 2) компьютер со специализированным программным обеспечением. Звуковой сигнал при измерениях следует создавать громкоговорителем, излучающим третьоктавные полосы шума. В качестве звукового сигнала допускается применять нефильтрованный шум, звуковые импульсы взрывного типа (например, холостые выстрелы из пистолета), отрывки оркестровой музыки. 50 Излучающий тракт Приемный тракт Рисунок 4.3 - Блок-схема аппаратуры для измерения времени реверберации 1 - генератор шума; 2 - фильтры; 3 - ключ; 4 - усилитель мощности; 5 громкоговоритель; 6 - конденсаторный микрофон; 7 - микрофонный усилитель; 8 - самописец; 9 - шумомер Внешний вид генератора с усилителем, додекаэдра и интегрирующего шумомера приведен на рисунках 4.4, 4.5, 4.6 Рисунок 4.4– Внешний вид шумомера Svan 948 с четырьмя микрофонами. 51 Рисунок 4.5– Внешний вид додекаэдра. Рисунок 4.6 – Внешний вид генератора белого и розового шума с усилителем мощности 4.8 Метод обработки кривых реверберации Кривая представляет реверберации, собой записанная волнистую линию, на интегрирующий проходящую под шумомер, углом к горизонтальным линиям децибельной сетки (рисунок 4.7). Рисунок 4.7 – Вид окна программы Svan PC с измеренной кривой реверберации на частоте 315 Гц Оценку кривой спада для каждой частотной полосы, указанной в 52 подразделе 4.2, следует начинать на 5 дБ ниже начального уровня звукового давления. Диапазон оценки должен быть не менее 20 дБ. Нижняя часть диапазона оценки должна быть не менее чем на 10 дБ выше общего фонового шума, создаваемого измерительной системой. Исходя из этого каждую из полученных записей процесса реверберации аппроксимируют прямой линией на участке от минус 5 до минус 35 дБ по отношению к начальному уровню звукового давления и определяют время падения давления (рисунок 4.8). Умножая на два определенное по кривой реверберации время падения давления на 30 дБ, получаем время реверберации на данной частоте [15]. Рисунок 4.8 – Вид окна программы SvanPC с измеренной кривой реверберации на частоте 315 Гц Результаты нескольких измерений, проведенных при одном положении микрофона или громкоговорителя, должны быть усреднены для снижения неопределенности измерений, вызываемой статистическими отклонениями. Число средних значений должно быть не менее трех. Записи, которые нельзя аппроксимировать указанным способом, не учитывают. 4.9 Расчет времени реверберации Т1 и Т2 Время реверберации в камере для каждой частотной полосы определяют 53 как среднеарифметическое значение всех результатов измерений времени реверберации, проведенных в данной частотной полосе. Среднеарифметические значения времени реверберации для каждой частотной полосы в камере без образца и с образцом Т1 и Т2 соответственно вычисляют и округляют до второй значащей цифры. Результаты измерений представляют в виде таблицы частотной зависимости Тр в протоколе. 4.10 Обработка результатов 4.10.1 Расчет A1, A2 и AT Эквивалентную площадь звукопоглощения А1, м2, реверберационной камеры без образца определяют по формуле А1 = 55, 3 × V - 4 × V × m1 c1 × T1 (4.1) где V - объем реверберационной камеры, м3; c1 - скорость распространения звука в воздухе при температуре t1 в камере без образца, м/с; Т1 - время реверберации в камере без образца, с; m1 - постоянная затухания звуковой энергии во время измерения в камере без образца, м-1. Значение m может быть вычислено, используя коэффициент затухания α, приведенный в ГОСТ 31295.1, по формуле m= a 10 × lg(e) Примечание - для диапазона температур от 15°С до 30°С значение с, м/с, вычисляют по формуле: с= (331 + 0,6t), (4.2) где t - температура воздуха, С. 54 4.10.2 Эквивалентная площадь звукопоглощения A2 Эквивалентную площадь звукопоглощения A2, м2, реверберационной камеры с образцом вычисляют по формуле A2 = 55.3 ×V - 4 ×V × m2 c2 × T2 (4.3) где V - объем реверберационной камеры, м3; с2 - скорость распространения звука в воздухе при температуре t2 в камере с образцом, м/с; Т2 - время реверберации в реверберационной камере после установки образца, с; m2 - постоянная затухания звуковой энергии во время измерения в камере с образцом, м-1. Значение m может быть вычислено, используя коэффициент затухания α, приведенный в ГОСТ 31295.1, по формуле m= a 10 × lg(e) 4.10.3 Эквивалентная площадь звукопоглощения образца АТ Эквивалентную площадь звукопоглощения образца АТ, м2, вычисляют по формуле æ 1 1 ö AT = A2 - A1 = 55.3 × V × ç ÷ - 4 × V × (m2 - m1 ) è c2 × T2 c1 × T1 ø (4.4) где c1-скорость распространения звука в воздухе при температуре t1; с2 – скорость распространения звука в воздухе при температуре t2; А1, V, T1, c1 и m1 - см. 4.10.1; А2, Т2, с2 и m2 - см. 4.10.2; m2 - m1 - разность постоянных затухания звуковой энергии в камере с образцом и без образца. 4.10.4 Расчет значения коэффициента звукопоглощения αs Коэффициент звукопоглощения αs плоского звукопоглотителя или ряда объектов вычисляют по формуле 55 aS = AT S где АТ (4.5) - эквивалентная площадь звукопоглощения образца, м2, вычисленная в соответствии с (4.4); S - площадь камеры, закрываемая образцом, м2. Для ряда объектов результат определения коэффициента звукопоглощения выражают одним числом. 4.10.5 Представление результатов испытаний В отчете об испытаниях должны быть представлены следующие результаты измерений в виде таблиц и графиков для всех частот измерений: a) коэффициент звукопоглощения αs - для плоских поглотителей; b) эквивалентная площадь звукопоглощения объекта Aobj - для одиночных объектов; с) коэффициент звукопоглощения - αs для ряда объектов. Значение эквивалентной площади звукопоглощения образца округляют до 0,1 м2, коэффициента звукопоглощения - 0,01. Примечание - При округлении могут быть получены результаты меньшей точности. При графическом представлении результатов измерений точки измерений соединяют прямыми логарифмическом линиями; масштабе, по по оси оси у х - откладывают частоту эквивалентную в площадь звукопоглощения или коэффициент звукопоглощения образца в линейном масштабе. Отношение отрезка по оси у от АT= 0 до AT = 10 м2 или от αs = 0 до αs = 1 к отрезку по оси х, соответствующему пяти октавам, должно быть 2:3. Для результатов измерений при АТ ≤ 3 м2 можно выбрать отрезок по оси у от АТ = 0 до АТ = 5 м2. Допускается использовать оценку звукопоглощения одним числом, вычисленным в соответствии с ГОСТ Р 53377 [16]. В этом случае коэффициент звукопоглощения в октавной полосе вычисляют как среднеарифметическое 56 значение трех коэффициентов звукопоглощения, определенных в каждой из третьоктавных полос, входящих в состав октавы. Характеристики звукопоглощения материала зависят от способа установки (закрепления) образца во время испытания в камере. В ГОСТе представлены стандартные схемы размещения образцов, которые должны применяться при измерениях звукопоглощения [13]. 57 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Расчеты и измерения характеристик шума, создаваемого в дальнем звуковом поле реактивными самолетами / Под ред. Л. И. Соркина. – М.: Машиностроение, 1968. – 95 с. 2. Авиационная акустика: В 2-х ч. Ч. 1. Шум на местности дозвуковых пассажирских самолетов и вертолетов/ А. Г. Мунин, В. Ф. Самохин, Р. А. Шипов и др.;Под общей редакцией А. Г. Мунина. – М.: Машиностроение, 1986. – 248с. 3. Standing wave apparatus type 4002. Instruction manual. 1979. – 20p. 4. Боголепов И. И. Архитектурная акустика. Учебник-справочник. – Судостроение, СПб, 2001. 5. Гетеродинный частотный анализатор типа 2010. Инструкция по эксплуатации. 75с. 6. П. Н. Кравчук «Генерация и методы снижения шума и звуковой вибрации» МГУ/Москва, 1991. - 184 с. 7. Daniel Castro. Application for measuring material acoustic properties in an impedance tube, 2010. 8. Гаспаров М.С. Программа для измерений акустических свойств звукопоглощающих материалов в импедансной трубе [Текст]/ Гаспаров М.С., Иголкин А.А., Сафин А. И. «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabView и технологии National Instruments. /Сборник трудов IХ-Международной научно-практической конференции – Москва, 3-4 декабря 2010, с. 496-498. 9. ASTM E1050, Standard test method for impedance and absorption of acoustical materials using a tube, two microphones, and a digital frequency analysis system. 10. Seybert, A. F., and Ross, D. F., Experimental Determination of Acoustic PropertiesUsing a Two-Microphone Random-Excitation Technique, J. Acoust. Soc. Am., Vol.61, No. 5, pp. 1362-1370, 1977. 58 11. Chung, J. Y., and Blaser, D. A., Transfer Function Method of Measuring In-Duct. Acoustic Properties I. Theory and II. Experiment, J. Acoust. Soc. Am., Vol. 68, No.3, pp. 907-921, 1980. 12. ИСО 266:1997 Акустика - Предпочтительные частоты. 13. ГОСТ Р 53376-2009 Материалы звукопоглощающие. Метод измерения звукопоглощения в реверберационной камере [Текст] - М.: Стандартинформ, 2010. – 31с. 14. Богданов С.А. Разработка эффективных звукопоглощающих конструкций для снижения шума газотурбинных двигателей и энергоустановок [Текст]: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. – М.: 2007. - 158 с. 15. Иголкин А.А. Определение времени реверберации в помещении [Текст]: методические указания к лаб. работе / А.А. Иголкин, Л.В. Родионов, Е.В.Шахматов. – Самара; СГАУ, 2009. – 20 с. 16. ГОСТ Р 53377-2009 Материалы звукопоглощающие, применяемые в зданиях. Оценка звукопоглощения [Текст] - М.: Стандартинформ, 2010. – 12с. 59
