基于LabVIEW的材料法向吸声系数测量实验系统的研制

    法向吸声系数是材料的主要声学特性之一,是噪声控制与声学设计的重要参数。材料法向吸声系数的测量方法包括:驻波管法、混响室法和双传声器传递函数法[1]。驻波管法可完成小样品法向吸声系数的测量,但在测量过程中只能单频发音,测量的频带窄,效率较低,该方法一般只能提供倍频程测量结果[2];混响室法可用于材料均匀无规则入射吸声系数的测量,但需要在专门的混响室中完成,且测试样品尺寸要求较大,面积一般要达到10~12 m2,测量效率较低。与上述两种方法相比,双传声器传递函数法是一种较新的测量方法,该方法以随机噪声作为声信号,通过测量管道上两个传声器之间的传递函数,直接进行宽频带连续谱测量,一次测量即可获得到整个频带的材料法向吸声系数[3]。

    本文以双传声器传递函数法为测量原理,采用NI公司的信号采集系统以及LabVIEW可视化软件开发系统,设计实现了材料法向吸声系数测量系统,在满足测量要求和精度的前提下,简化了系统的结构,降低成本。

    1 实验测量系统设计

    法向入射吸声系数的传统测量方法一般为驻波管法。驻波管法的测量系统由驻波管、声源系统、探测器及输出指示装置等部分组成,如图1所示。

    驻波管法的测量原理是:平面垂直入射声波在驻波管中形成驻波,出现声压的最大值与最小值,根据测量得到的声压最大值与最小值的比值得到吸声材料的吸声系数。该方法具有较高的测量精度,但也存在着明显的缺点:测量信号必须为单频纯音信号,如需获得材料多频段吸声系数,测量步骤繁琐费时;测量过程中需移动探头搜寻声压的最大值与最小值,会引起误差;不能即时得到吸声材料的吸声系数。由于驻波管法具有上述固有的缺点,在材料吸声系数的现场快速测量应用方面存在一定的局限性。

    与驻波管法相比,传递函数法采用各态遍历的平稳宽带随机信号激励,通过测量阻抗管壁上两双传声器位置处声压时域信号,获得两传声器间的传递函数,实现宽频段材料吸声系数快速计算与测量。

    1. 1 双传声器传递函数法的测量原理

    J.Y.Chung[4-5]于20世纪80年代提出了运用双传声器传递函数法对材料的声学参数进行测量的理论和方法,提出了阻抗管法测量材料法向吸声系数的公式,测量原理如图2所示。

    图2中,位置1、2分别为双传声器的测量位置,位置1处的声压复反射系数R1为

    式中,H12为传声器1和2间的传递函数,即

    式中,p1(f)、p2(f)分别为位置1和位置2处的复声压频谱。传声器1、2间的传递函数H12可以由测量系统直接获得,将其带入式(1),可以获得R1的计算值。