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技术领域

本发明涉及声学材料性能分析领域，具体涉及一种基于质量定律的隔声材料传递损失预 测系统及方法。

背景技术

作为控制中高频噪声的有效手段之一，隔声材料在汽车声学包装、建筑声学、家电噪声 控制等领域一直扮演重要角色。传递损失参数用来评价材料对声音的隔绝能力大小，其测试 方法主要有混响室-消声室法和阻抗管法。阻抗管法测试样件小，设备简单，操作快捷，不需 要特殊的测试环境和空间，因而在实际中得到更多应用。但阻抗管法采用的测试手段是在平 面声波正入射条件下，测试边缘被固定的小样件的传递损失，这与隔声材料在应用中的实际 情形不符，导致测试结果的精确度有限。

为了准确考察材料的隔声性能，专业的研究机构使用混响室-消声室法来测量传递损失。 这种方法中，混响室用来产生能量分布均匀的漫入射声源，消声室用来接收传递后的透射声 波，被测材料被放置在混响室和消声室相连通的测试窗内。由于这种方法需要专门的测试环 境，且设备昂贵、操作复杂，因此在实际应用中受到很大限制。

综上所述，在隔声材料性能测试分析领域，迫切需要一种结构简单、操作方便快捷、准 确度高，能够在实际中广泛应用的传递损失测试设备。有基于此，本发明设计了一种传递损 失预测系统及方法，可以很好的将阻抗管法和混响室-消声室法的优点相结合。

发明内容

本发明的目的是提供一种传递损失预测系统及方法，解决了传统设备、方法在传递损失 测试分析中所遇到的诸多问题，该方法设备简单、结构合理、操作方便、结果可靠。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于质量定律的传递损失预测系统，包括低频测 试用的粗阻抗管、高频测试用的细阻抗管、传声器组、数据采集装置、计算机、功率放大器 及扬声器，其技术要点是：进行低频测试时，传声器组的一端插接在低频阻抗管内，且传声 器组内的传感器平均分布于待测隔声材料的两侧，传声器组的输出端数据采集装置的输入端， 数据采集装置的输出端连接计算机的输入端，计算机的输出端连接功率放大器的输入端，功 率放大器的输出端连接低频扬声器的输入端，低频扬声器的输出端输出白噪声至低频阻抗管； 进行高频测试时，用高频阻抗管替换低频阻抗管，并使用用来播放高频声源信号的高频扬声 器，其余装置与低频测试保持一致所述的传声器组由4个标准1/4英寸传声器组成，传声器一 端插接在阻抗管内，另一端依次连接数据采集装置、计算机、功率放大器及扬声器一端，扬 声器的另一端连接阻抗管的声源输入端。

所述的粗阻抗管内径为100mm，细阻抗管内径为30mm，二者结构一致，在上表面均设置有 安装孔，所述的传声器组通过该安装孔插接在阻抗管的上表面。

所述的阻抗管，用于为待测材料提供声学测量所需的平面驻波声场；所述的传声器组， 用于测量阻抗管内某一位置的声压信号，并将声压信号转换为电压信号；所述的数据采集装 置，用于将电压模拟信号转换为计算机可识别的数字信号；所述的计算机，用于进行信号处 理及数据运算；；所述的功率放大器，用于对计算机播放的声源信号进行放大；所述的扬声 器，用于播放白噪声声源信号。

本发明的理论依据为：经典的隔声材料传递损失质量定律指出，影响材料传递损失最重 要的因素是材料的面密度；当频率或者面密度增加一倍，传递损失将会增加约6dB。对于阻 抗管中的测试样件来说，虽然声场特性和边界条件会影响其隔声性能，在一定频率范围内仍 受到特殊形式的质量定律作用。如果在分别使用低、高频阻抗管测试的传递损失结果曲线上， 用一条直线连接质量控制起主要作用的区域，就可以得到材料的质量定律曲线。根据此质量 定律曲线，通过理论推导就可以预测出之前只能使用混响室-消声室法测得的混响声场中漫入 射声源条件下的传递损失。

一种基于质量定律的隔声材料传递损失预测方法，采用上述装置，包括以下步骤：

步骤1：测试材料的低频传递损失；

将测试样件放入粗阻抗管内，使用传声器组采集阻抗管内样件前后的声压信号，使用计 算机根据采集信号计算低频传递损失；

步骤2：测试材料的高频传递损失；

将测试样件放入细阻抗管内，计算高频传递损失；

步骤3：确立传递损失质量定律表达式；

分别在低频和高频传递损失测试结果曲线上的质量控制区域选取一点进行直线连接，根 据该直线的斜率确立材料传递损失质量定律的表达式；

步骤4：漫入射条件下材料传递损失预测；

根据传递损失质量定律表达式，预测材料在混响声场中漫入射声源条件下的传递损失。

阻抗管内的声场为白噪声声场，其低频范围为80～3000Hz,高频范围为500～8000Hz。

所述的隔声材料要求为密实无孔隙，具有一定重量和刚度的弹性体材料。

本发明的有益效果：本发明基于质量定律的隔声材料传递损失预测系统及方法，先分别测试 材料的低频和高频传递损失，之后在测试结果曲线上确立质量定律表达式，并由此预测材料 的实际传递损失。该方法参照经典的材料隔声理论，利用阻抗管即可获取以往只有在混响室- 消声室中才能得到的结果。本发明系统及方法易于实现、操作便捷，且预测准确度高，弥补 了阻抗管法和混响室-消声室法的不足，可广泛的应用于汽车、航天和家电等多个领域的噪声 控制中。

附图说明

图1为本发明基于质量定律的隔声材料传递损失预测系统结构图；

图2为本发明阻抗管内部结构及测试原理示意图；

图3为本发明基于质量定律的传递损失预测方法流程图；

图4为混响室-消声室法测试的传递损失频率特性曲线；

图5为本发明传递损失质量定律直线确定方法示意图；

图6为运用本发明方法的传递损失预测结果；

图7为运用本发明预测结果与混响室-消声室测试结果对比。

附图说明如下：1、低频测试用阻抗管2、传声器组3、数据采集装置4、计算机5、功 率放大器6、低频扬声器7、高频测试用阻抗管8、高频扬声器9、吸声材料填充物。

具体实施方式

下面结合附图1～图6对本发明的实施方式作进一步说明。

实施例1：

本实施例中的基于质量定律的隔声材料传递损失预测系统，如图1所示。它包括低频测 试用阻抗管1、传声器组2、数据采集装置3、计算机4、功率放大器5、低频扬声器6、高频 测试用阻抗管7和高频扬声器8。进行低频测试时，将传声器组2的一端插接在低频阻抗管1 内，且传声器组2内的传感器平均分布于待测隔声材料的两侧，传声器组2的输出端数据采 集装置3的输入端、数据采集装置3的输出端连接计算机4的输入端，计算机4的输出端连 接功率放大器5的输入端、功率放大器5的输出端连接低频扬声器6的输入端，低频扬声器 6的输出端输出白噪声至低频阻抗管1；进行高频测试时，用高频阻抗管7替换低频阻抗管1， 并使用高频扬声器8来播放高频声源信号，其余装置与低频测试保持一致。

本实施例中的低频阻抗管1和高频阻抗管7，用于为待测材料提供声学测量所需的平面 驻波声场。低频阻抗管1的测量频率范围为100～2500Hz，高频阻抗管7的测量频率范围为 800～6300Hz

本实施例中的传声器组2由4个传声器组成，其中2个设置在待测材料左侧，另2个设 置在待测材料的右侧。

本实施例中在低频阻抗管1和高频阻抗管7中设置有安装孔，传声器组2的输入端通过 该安装孔插接在阻抗管1和7和上表面。

本实施例中的传声器组2，用于测量阻抗管1、7内某一位置的声压信号，并将声压信号 转换为电压信号。如图2所示，本实施例中，传声器201、202、203和204分别测试该传声 器所在位置的声压信号。声压信号是由入射声波A、反射声波B、透射声波C和二次反射声 波D构成，其中，传声器201和传声器202采集到的声压信号包括入射声波A和反射声波 B,传声器203和传声器204测试的声压信号由透射声波C和二次反射声波D构成。传声器201～ 传声器204将采集到的声压信号转换为电压信号输出给数据采集装置3。

本实施例中的数据采集装置3，用于将电压信号转换为计算机4识别的数字信号。

本实施例中的计算机4，用于控制信号采集、处理数据并进行传递损失预测。

本实施例中的增益放大器5，用于对计算机4播放的测试声源信号进行放大。

本实施例中的扬声器6、8，其输出端连接阻抗管1、7的输入端，扬声器6、8在阻抗管 1、7内播放白噪声，其中低频扬声器6播放的白噪声频率范围为80～3000Hz,高频扬声器8 播放的白噪声频率范围为500～8000Hz。白噪声的特性是在整个频域内具有均匀分布的功率 谱密度，因此适合作为阻抗管的声源，用以产生在整个测试频域范围内均匀稳定的平面声场。 实施例2：

本实施例中的隔声材料传递损失预测系统与实施例1的区别在于，阻抗管1、7内末端还 设置有吸声材料填充物9，用来减少二次反射波D的影响，如图2所示。

实施例3：

本实施例中的隔声材料传递损失预测系统与实施例1的区别在于，除要对每个传声器进 行幅值标定外，还应对其进行相位标定，使传声器201～传声器204在同一时刻的滞后角等于 0，使得他们在相位上保持同步，从而使传声器采集的声压信号更为准确，以最大限度的消除 测量误差。

实施例4：

本实施例中的基于质量定律的隔声材料传递损失预测方法，采用如实施例1的装置实现， 其流程如图3所示，包括以下步骤：

步骤401：测试隔声材料的低频传递损失。

首先，将待测材料裁成直径100毫米的圆形样件并放置在低频阻抗管内，利用传声器组采 集声压信号，并将声压信号转换为电压信号。由数据采集装置将模拟电压信号转换为数字信 号，并传递到计算机中。计算机对数字信号进行加窗降噪、加权平均、傅里叶变换处理后， 得到每一传声器所在位置的声压频谱信号。再利用驻波比法，将声压频谱信号分解为入射声 波A、反射声波B、透射声波C和二次反射声波D。通过比较A和C的幅值大小，得到材料的传递 损失。

步骤402：测试隔声材料的高频传递损失。

将待测材料裁成直径30毫米的圆形样件并放置在高频阻抗管内，重复步骤401中介绍的低 频测试方法，测得材料的高频传递损失。

步骤403：结果曲线分析与质量定律直线确定。

在材料自身特性和边界条件的作用下，在如图4所示的混响室-消声室法测得的弹性材料 传递损失曲线中分为三个不同区域：刚度控制、质量控制和吻合效应控制。对于无限边界的 弹性体来说，经典的质量定律指出在正入射条件下其传递损失可由下面的经验公式计算：

TL n o r m a l ( f ) = 10 lg [ 1 + ( πfm s ρ 0 c ) 2 ] ]]>

式中m_s为材料的面密度，ρ₀为介质(空气)的密度，f为入射声音的频率，c为声音在介质 中的传播速度。

通常，πfm_s＞＞ρ₀c，所以上式可以写成

T L ( f ) = 20 lg ( πfm s ρ 0 c ) = 20 lg ( fm s ) - 42.5 ]]>

与混响室-消声室法相比，应用阻抗管法测试时，由于试件边缘被夹紧，刚度控制在大部 分频率范围内起主要作用，会同时激发若干个振动模态。模态频率取决于试件的物理性质和 边界条件，所以在高、低频阻抗管内，同一试件的共振发生在不同的频率上。同时，由于阻 抗管内的激励声源是正入射的白噪声，所以吻合效应的影响可以忽略。所以，分别使用高、 低频阻抗管对一种弹性材料测得的传递损失曲线，在一定频率范围会具有相同的趋势，这就 验证了质量定律的存在。图5所示为分别采用高、低频阻抗管测量的传递损失曲线，f₀₁和f₁₁分别为低频、高频第一阶共振频率。曲线在共振频率之上的一段范围内有平顺的趋势，说明 处于质量控制区域。分别在高、低频测试结果的质量控制区域中选取两点f₀₂和f₁₂，并用一 条斜线来连接这两点，这条斜线就是该样件的质量定律曲线，其数学表达式为

TL_normal＝Xlg(m_sf)-Y(dB)

其中X＝(TL₂-TL₁)/(f₂-f₁)，Y＝Xlg(m_sf₁)-TL₁。

步骤404：漫入射条件下材料传递损失预测。

大量的测试结果表明，材料在混响场中漫入射条件下的传递损失与阻抗管测试的正入射 传递损失存在如下关系：

TL_random(f)＝TL_normal(f)-10lg(0.23×TL_normal(f))

由于隔声材料的传递损失主要受质量定律作用，因此可由步骤403中推导出的阻抗管法测试 的正入射传递损失质量定律预测材料在混响场中漫入射条件下的传递损失。

实施例5：

为了验证本发明基于质量定律的隔声材料传递损失预测系统及方法的可行性，本实施例 选取某静电橡胶材料进行了实际测试，该材料厚度为3毫米，面密度为2.6千克/米²。图6所 示为该材料的低频、高频测试结果，和运用本发明方法确立的质量定律曲线。该材料最终预 测后的传递损失质量定律表达式为TL＝22.52lg(m_sf)-37.14(dB)。

图7所示为预测结果与运用混响室-消声室测试结果的对比，其差异在可接受的范围内。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉 本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本 发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。