驻波管测试仪测量金属橡胶吸声性能误差分析
文章编号:1006-1355(2007)02-0109-04
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驻波管测试仪测量金属橡胶吸声性能误差分析
武国启,姜洪源,闫 辉,..¹¸¶ÅÂÀ³
(1.哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨150001;2.萨玛拉国立航空航天大学,俄罗斯萨玛拉443086)
摘 要:驻波管测试仪是用于测量材料吸声性能的专用仪器,利用该仪器对金属橡胶吸声性能进行测量,使测
量结果满足金属橡胶吸声性能实验研究的精度要求,且便于材料实验结果的误差分析,需对驻波管测试仪进行检测和调试。借助于吸声性能参数的理论计算公式,分析了AWA6122A型驻波管测试仪的主要误差来源,分别检测了各主要误差源的误差大小,确定了提高测量精度的方法,为金属橡胶吸声性能的实验研究提供基础,也为同类仪器的检测提供了方法。
关键词:声学;驻波管测试仪;误差分析;金属橡胶;吸声性能中图分类号:TB52+8 文献标识码:A
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ErrorAnalysisofStandWaveTubeEquipmentonMeasuringMetal
RubberSoundAbsorptionPerformance
WUGuo-qi,JIANGHong-yuan,YANHui,..¹¸¶ÅÂÀ³
(1.Schoolofmechatronic,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;
2.SamaraStateAerospaceUniversity,SamaraofRussia443086,Russia)
Abstract:Standwavetubeequipmentisaspecialequipmentfortestingsoundabsorptionperform-anceofdifferentmateria.lBeforethemeasureofmetalrubber(MR)soundabsorptionperformance,the
testandadjustmentofstandwavetubeequipmentisneed.ItcanmaketheresultofmeasurementmeettheprecisionrequirementofMRsoundabsorptionperformanceresearchandmakeiteasyfortheerrora-nalysisofexperimentresul.tThispaperanalyzethemainerrorsourceofstandwavetubeequipmenttypeAWA6122Aandgetthevalueofdifferenterrorunderthehelpofformulawhichareusedforcalculatingparametersofsoundabsorptionperformance.Theseanalysisestablishamethodtoimprovemeasureprec-isionandfoundabaseforresearchofMRsoundabsorptionperformance.Italsoofferamethodfortestofthesamekindinstrumen.t
Keywords:acoustics;standwavetubeequipmen;terroranalysis;metalrubber;soundabsorption 在实际工程中,材料吸声性能的测量主要有混响室法和驻波管法两种方法
[1]
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。混响室法可以测
金属橡胶材料是一种均质的弹性多孔物质,是
用一定的工艺方法,将一定质量的、拉伸开的、螺旋状态的金属丝有序或无序的排放在冲压或碾压模具中,然后用冷冲压方法而成型的。金属橡胶产品在阻尼减振、隔振、密封、节流等方面都有广泛的应用
[3,4,5]
[2]
量声波无规入射时的吸声系数和单个物体吸声量。该方法测量精度高,但所需要的试件面积大,要求价格昂贵的封闭小室。用该方法测量的吸声系数和吸声量可在声学设计工程中应用。驻波管法可以测量声波法向入射时的吸声系数和声阻抗。该方法所需要的试件面积小,安装测量方便,并且测量精度可满足科学研究要求,不需要昂贵的设备。毛毡、玻璃棉、膨胀珍珠岩吸声板等吸声材料都用此种方法进行吸声系数的测量。该方法测量的吸声系数和声阻抗可用于不同材料和同种材料不同情况下吸声性能的比较,此方法在实验研究中得到更广泛的应用。
收稿日期:2006-08-09
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675042)
作者简介:武国启(1979-),男,黑龙江肇东市人,博士研究生,主要研究方向为金属橡胶材料吸声降噪性能理论及应用研究。
。金属橡胶材料由表及里都具有大量的互
相贯通的微孔和缝隙,也具有透气性,符合多孔性吸声材料特征,属于多孔吸声材料。由于金属橡胶具有吸声频带较宽、工作温度范围大、强度高、抗腐蚀、吸湿性小等特点,在吸声降噪工程中具有很好的实用价值和发展前景。
AWA6122A型驻波管测试仪是用驻波管法测量材料吸声性能的专用仪器。为了利用该仪器对金属橡胶材料的吸声性能进行测量,使其各项技术参数符合实验研究的精度要求,便于材料吸声性能实验结果误差分析,现对设备的主要性能指标进行检测和分析,获得了很多有意义的结果。[6]
2007年4月 噪 声 与 振 动 控 制 第2期
1 实验原理
AWA6122A型驻波管测试仪的结构简图如图1所示。其工作原理是:从扬声器中发出的声信号为入射声波,当它传到材料表面时,发生反射,反射波和入射波叠加,即形成驻波。通过测量管内驻波声压级峰值和谷值,以及它们所对应的位置,就可计算出反映材料吸声性能的两个参数)吸声系数和声阻抗。
确度。本文研究中,选择一组驻波声压级峰值和谷值,并且沿两个相反方向分别反复测量它们的位置。表1是在200Hz、2000Hz、6300Hz频率下,驻波声压级峰值和谷值位置测量范围。
表1 驻波声压级峰值和谷值位置测量范围频率
(Hz)20020006300
谷值位置测量范围
(mm)
398~400826~827761~762
峰值位置测量范围
(mm)
814~847866~871775~777
由表1可知,与测试仪设定的测量量程1000mm相比,200Hz频率下的最大测量误差是3.3%,2000Hz频率下的最大测量误差是0.7%,6300Hz
图1 AWA6122A型驻波管测试仪结构简图
频率下的最大测量误差是0.2%。根据驻波形成原理可知,取位置测量范围的中间值,可使峰值和谷值位置测量误差大幅下降,并且都能满足实验研究的精度要求。
2.2 仪器输出信号误差分析
仪器输出信号频率误差是分析材料吸声性能参数测量误差的主要因素,其误差是否满足实验研究精度要求,应对输出信号进行检测。所用信号检测仪器是北京东方振动和噪声技术研究所生产的INV306DF智能信号采集处理分析仪,其测试准确、可靠、安全。用INV306DF智能信号采集处理分析仪对输出信号频率进行测量,其误差情况如表2所示。
表2 输出信号频率误差
设定频率
(Hz)100300598.410001496.7200025002991.83501.94000450050005521.26027.8
检测频率
(Hz)101.56300.78597.6610001503.91992.225002988.33496.14003.94492.250005517.66005.9
差值(Hz)1.560.780.740.007.27.80.003.55.83.97.80.003.621.9
相对误差(%)1.560.260.120.000.480.390.000.120.170.100.170.000.070.36
驻波管中声压级Lp=20lg(p/p0),声压峰值与谷值的比称为驻波比,则材料法向吸声系数计算公式为
A0=
4N2(N+1)
(1)
式中N为驻波比。入射声波与反射声波的相位差[7]为
d(2)-1PK/4式中d为材料表面至声压第一极小值的距离,K为
U=
声波波长。设声压反射系数E=(N-1)/(N+1),则材料表面的声阻抗计算式为
Za=
0c01+Eexp(jU)Q#
1-Eexp(jU)S
(3)
式中S为驻波管横截面积,Q0c0为空气特性阻抗。
设相位常数B=X/c,则由式(2)和式(3)可得声阻抗计算式为Za=
1-E2Esin2Bd-j221+E+2Ecos2Bd1+E+2Ecos2Bd#
2
Q0c0
(4)
S
式(1)和式(4)即为金属橡胶材料吸声系数和声阻抗的理论计算式。
2 驻波管测试仪误差分析
分析材料吸声系数和声阻抗的理论计算公式可知,引起金属橡胶吸声性能参数测量误差的因素主要包括驻波声压级峰值和谷值位置测量误差、输出信号误差、仪器工作稳定性和吸声系数计算误差等。因此,对引起测量误差的这些因素测试和分析如下。2.1 位置测量误差分析
驻波声压级峰值和谷值位置是计算金属橡胶材料声阻抗的一个重要参数,它的测量要有一定的准 由表2可知,频率最小相对误差是0.00%,频率最大相对误差是1.56%。这里的频率误差是测
试仪设定值与检测值之间的误差,但在同一次测量中,信号实际频率的漂移小于0.5%。
为了确定输出信号声压级的工作范围,对输出信号进行频谱分析。图2和图3是在相同频率下,驻波管测试仪测量金属橡胶吸声性能误差分析
输出信号声压级调节在不同值时的信号频谱分析图。由图2可知,其输出信号有较强的干扰信号,输出信号不稳定,在此种情况下进行测量时,其测量结果误差大,实验研究中应尽量避开该区域进行测量。由图3可知,其输出信号干扰很小,输出信号稳定,在此种情况下进行测量时,其测量结果误差小,实验研究中可以在此情况下进行测量。在不同频率下,调节输出信号声压级,分别对其进行频谱分析,可得如图4所示的输出信号声压级工作范围区域图。在图4中,曲线上方A区域内,输出信号干扰小,信号稳定,为可进行测量范围。曲线下方B区域内,输出信号干扰大,信号不稳定,是不可进行测量范围。
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测量准确度的关键,所以应对AWA6122A型驻波管测试仪稳定性进行实验分析。本文研究中选用两种方法对其进行实验分析。方法一是在相同条件下,多次开机对金属橡胶试件进行测量(如图5所示)。方法二是在相同条件下,开机后在不同时间段内测量,并且每次测量时,按低频到高频顺序测量一次,然后按高频到低频顺序再测量一次,所得结果如图6所示。
图5 开机测量曲线图
图2 输出信号干扰较大时频谱图
图6 不同时间测量曲线图
图3 输出信号干扰较小时频谱图
由图5可知,三次开机间的最大测量误差为4.7%。由图6可知,不同测量时间的最大误差是3.3%,在同一时间内测量时,不同频率测量顺序的最大测量误差是0.82%。实验结果表明:评定仪器工作稳定性的三个技术指标误差小于实验误差指标要求,测试仪的稳定性能够满足金属橡胶实验研究的精度要求。
2.4 吸声系数计算误差分析
驻波管测试仪测量的吸声系数是经过程序计算得到的,有一定的误差。利用测量到的声压级峰值和谷值,根据理式计算金属橡胶材料吸声系数,然后与测试仪测量的吸声系数相比较(如表3)。从
图4 输出信号声压级工作范围区域图
2.3 仪器稳定性分析
仪器工作稳定性是评价金属橡胶吸声性能参数
表3可知,其最大计算误差为0.85%,计算误差较小。
2007年4月 噪 声 与 振 动 控 制 第2期
表3 吸声系数计算误差
计算值(%)实际值(%)
.18
83.183.06
18.919.06
60.560.5
97.597.59
参考文献:
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3 结语
通过理论分析,确定了AWA6122A型驻波管测试仪的位置测量误差、输出信号误差、仪器工作稳定性和吸声系数计算误差为金属橡胶材料吸声性能参数测量误差的主要来源,检测了误差源各自误差的大小,获得了提高驻波声压级峰值和谷值位置测量准确度的方法,确定了该仪器输出信号声压级工作范围。检测和调试的结果使该仪器的主要技术指标符合国家标准GBJ88-85的规定,适合于金属橡胶材料吸声降噪性能的实验研究。
(上接第105页)
由图2可知,从成南公路面向校园300m范围内,校园的夜间噪声值在45dB以上;从牛成公路面向校园150m范围内,噪声值为45dB以上,原因与白天分析相同。大约一半的校园区域都不同程度的受到两条公路的影响而夜间噪声超标。由此可见,交通噪声是校园夜间噪声的主要来源。简单地以铁栅栏分隔校园与公路,必将使噪声长驱直入。学校应该采取诸如设置声屏障,配置高低层次的绿化带等措施来阻止交通噪声的传播。
学生宿舍区大多距离公路比较近,因而公路噪声可以毫无阻挡地辐射到高层宿舍的窗口。对位于校园西南角的成南立交桥来说,该处声音辐射到330m外的研究生宿舍区高楼层仍然有较高的声强。据分析,沿成南高速的学生宿舍和研究生宿舍基本能达到标准,沿牛成公路的银杏园和女生宿舍区两处学生宿舍的噪声超标。
南苑教师住宅区因为深居校园腹地,周围有高楼层层阻挡,绿化条件比较好,因而夜间噪声比较小。
校园内有两个点高噪区域,分别为东风渠水注入砚湖声音和南苑教师宿舍区水景噪声。
工作中使用Surfer软件,快速绘制噪声污染图,可以直观形象地观察到噪声带的分布及其与周围环境的关系,为客观评价各种因素对校园噪声的贡献,制定降噪措施提供依据。从本例可以看出,交通噪声是校园内高水平噪声的决定因素。通过沿校区-公路边界设置声屏障,建设不同高度层次的绿化带来吸收噪声,采取鸣笛措施都可以降低公路交通噪声对学校的教学活动和生活的影响。参考文献:
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5 结语
Surfer是一个功能强大的等值线作图软件,恰当使用Surfer软件,我们可以快速高效地完成从制
图到数据表征和分析的各种任务。在环境噪声监测
