聲管寬帶脈沖二次透射法隔聲測試技術

劉 哲，侯 宏，衛政宇，張萌飛，柒志光

（西北工業大學 航海學院，西安 710072）

隨著現代社會的發展，人們對于聲環境質量越來越重視，這對產品的聲學性能提出了很高的要求，因此噪聲與振動控制對于產品設計、工程應用有著重要意義。噪聲與振動控制的重要手段之一是使用聲學材料，其聲學參數的寬帶測試受到了廣泛的關注。

聲學材料的隔聲性能主要以隔聲量或透射系數衡量，其測試由相關測試標準進行了規定。常用的聲學材料隔聲性能聲管測量方法包括空氣聲管中的傳遞矩陣法等[1]，及水聲管中的脈沖管法等[2]。文獻中圍繞著隔聲性能測試也開展了許多研究，如改進的駐波分解法[3]、基于上端管末端聲阻抗的測試方法[4]，孫亮等提出了時域分離寬帶脈沖法[5]，其原理是在聲管中生成持續時間短、頻帶范圍寬的脈沖信號，用此脈沖信號進行測試，分別在樣品前后用一個傳聲器采集到時域中分離的入射波、反射波、透射波，進而進行一系列計算得到樣品的隔聲性能參數。本文在此方法的基礎上研究了利用二次透射波的寬帶脈沖法，提出了基于寬帶脈沖二次透射波計算隔聲參數的方法（以下簡稱為二次透射法），可以有效地在較短的聲管中進行測試，為脈沖聲管的設計和聲管中的隔聲測試提出了一種新的思路。

1 寬帶脈沖二次透射法

時域分離寬帶脈沖法基本原理如下：基于維納濾波原理，可以在聲管內部產生時域波形規整、頻帶寬、重復性好的脈沖聲[6]，應用此脈沖聲信號進行隔聲測量。樣品置于脈沖聲管中央，在樣品前用一個傳聲器采集時域上分離的入射波與反射波，樣品后用一個傳聲器采集透射波，進而計算復反射系數、透射系數、隔聲量。

二次透射法是在寬帶脈沖法基礎上的改進方法，其原理是將樣品材料置于脈沖聲管中，將標準反射體置于聲管末端，根據管長和脈沖聲長度設計樣品安裝位置及傳聲器位置，在樣品前用一個傳聲器采集時域上分離的入射波、反射波、二次透射波，從而計算待測樣品的隔聲性能參數。

圖1 測試系統

傳聲器位置滿足一定條件：一次入射波、一次反射波、二次透射波、二次入射波時域上波形不疊加。聲管各項參數如圖1，傳聲器至聲源的距離為l，樣品前表面至聲源距離為D，脈沖聲管管長為L。設在脈沖管中生成的寬帶脈沖時長為t，空氣中聲速為c，則在傳聲器處采集到的信號中，一次入射波的時間區間為(l/c,l/c+t)，一次反射波的時間區間為((2D-l)/c,(2D-l)/c+t)，二次透射波的時間區間為((2L-l)/c,(2L-l)/c+t)，由一次反射波在聲源處反射引起的二次入射波的時間區間為((2D+l)/c,(2D+l)/c+t)，故應有

化簡可得

可見只要設計樣品安裝位置D以及傳聲器位置l滿足式（2），便可用一次測試采集到在時域上分離的入射波A、反射波B、二次透射波C，進而計算樣品材料的隔聲性能參數。聲壓透射系數

隔聲量

2 寬帶脈沖聲的生成

基于維納濾波原理可以在聲管中生成波形可控、穩定性高的脈沖聲，其過程為：首先用某一寬帶信號激勵揚聲器，測量傳聲器處聲壓作為響應信號，設激勵和響應信號的傅立葉變換分別為He(ω)和Hr(ω)，則可由下式解算聲源系統的頻率響應函數

之后根據需要設計的脈沖聲（設其幅度譜為Hy(ω)）和解算出的頻率響應函數H(ω)，由下式計算驅動信號的頻譜

對Hx(ω)進行反傅立葉變換后便得到系統的驅動信號。

在脈沖聲管中用以下兩種寬帶脈沖信號（零相位信號與巴特沃斯信號）作為激勵信號，通過上述步驟獲得相應的驅動信號。零相位信號的中心頻率為3.2 kHz，頻帶上限為6.4 kHz，巴特沃斯信號的截止頻率為7 kHz，兩種信號的時域與頻域波形分別如圖2、圖3。

圖2 生成的零相位信號時域與頻域圖

3 測試結果及分析

為了驗證二次透射法在隔聲測試中的有效性，在脈沖聲管中用上節生成的兩種寬帶脈沖信號（零相位信號與巴特沃斯信號）的驅動信號作為激勵信號，對某型海綿樣品進行了測試。測試采用的脈沖聲管長1.52 m，截止頻率為7.1 kHz，傳聲器距聲源0.79 m，樣品位置距聲源1.10 m，滿足式（2）。

圖3 生成的巴特沃斯信號時域與頻域圖

數據處理時根據聲管長度、傳聲器位置、樣品安裝位置確定信號截取的點數，將入射波、二次透射波截取如圖4。

圖4 測試信號波形截取

從圖4可見，生成的兩種寬帶脈沖信號波形規整，時長約1 ms，滿足測試需求。

將截取信號做傅立葉變換，根據式（3）進行聲壓透射系數計算。為了驗證二次透射法的有效性，還進行了時域分離寬帶脈沖法測試，其結果對比如圖5。

雖然本次測試的樣品是勻質海綿，但由于樣品是手工加工而成，其邊緣加工精度會引起一定程度的兩個方向透射性能的差異，考慮到這一影響，對樣品進行了兩個安裝方向下的測試。

圖5顯示二次透射法和寬帶脈沖法結果吻合良好，待測海綿樣品的兩種安裝方式（正反向）對測試結果幾乎沒有影響。二次透射法是1種簡單有效的隔聲測試方法。

由于零相位信號的頻譜能量集中在中心頻率3.2 kHz附近，因而用零相位信號作激勵信號時1 kHz以下和4.5 kHz以上頻段的信號信噪比較低，測試結果誤差較大；而巴特沃斯信號在截止頻率以下的頻段能量分布均勻，可以較精確地得到整個測試頻段的結果。本次測試的主要誤差來源是聲管末端的硬界面，因為其不能達到“絕對硬”的邊界條件，故而二次透射波會受到一定影響，在測試結果中就會產生一定的誤差。

4 結語

本文提出了基于寬帶脈沖二次透射波的隔聲測試方法，這種測試方法只需要1個傳聲器進行一次測試，相較于需要1個傳聲器進行兩次測試的時域分離寬帶脈沖法大幅提升了測試效率。驗證實驗結果和寬帶脈沖法結果吻合良好，是1種簡單有效的測試方法。值得一提的是在待測樣品隔聲量很大時，二次透射波的振幅可能會變得很小，從而引起較大的測試誤差，因此在使用二次透射法時要注意測試對象的隔聲量不宜過大。

圖5 測試結果對比

[1]BRYAN H.SONG AND J.STUART BOLTON.A transfermatrix approach for estimating the characteristic impedance and wave numbers of limp and rigid porous materials[J].J.Acoust.Soc.Am.,2000(107):1131-1154．

[2]GB/T 5226-2006，聲學 水聲材料縱波聲速和衰減系數的測量脈沖管法[S].

[3]PAOLO BONFIGLIO,FRANCESCO POMPOLI.A single measurement approach for the determination of the normal incidence transmission loss[J].J.Acoust.Soc.Am.,2008(124):1577-1583.

[4]RAYMOND PANNETON.Normalincidencesound transmission loss evaluation by upstream surface impedance measurements[J].J.Acoust.Soc.Am.,2009(125):1490-1497.

[5]LIANG SUN,HONG HOU.Transmission loss measurement of acoustic material using time-domain pulse-separation method[J].J.Acoust.Soc.Am.,2011,129(4),1681-684.

[6]侯宏，孫亮.聲管脈沖回波管法吸聲測量技術[J].計量學報，2010，31(2)：101-105.