Измерение коэффициента звукопоглощения и акустического сопротивления материалов

1. Цель работы: ознакомление с методикой измерения коэффициента звукопоглощения и акустического сопротивления материалов при нормальном и диффузном падении звуковых волн.

2. Общие сведения

Звукопоглощающие материалы и конструкции применяются в строительной практике для акустической обработки производственных, общественных и бытовых помещений с целью уменьшения мультипликативных и аддитивных помех. Согласно требованиям [1] звукопоглощающие материалы классифицируются по следующим основным признакам: назначению, форме, жёсткости (величине относительного сжатия), возгораемости и структуре.

С точки зрения использования для акустической обработки помещений основной качественной характеристикой материалов и конструкций является энергетический коэффициент звукопоглощения α – КЗП. В соответствии со стандартом материалы и изделия с коэффициентом звукопоглощения α > 0.8 в диапазоне низких частот (63 ... 250 Гц), средних (500 ... 1000 Гц) и высоких (2000 ... 8000) частот относятся к первому классу звукопоглотителей. Для второго класса в тех же частотных областях величина α должна быть в пределах 0.4 ... 0.8, а для третьего – 0.2 ... 0.4.

Измерения КЗП в настоящее время производятся с помощью ряда различных методов, из которых наиболее распространёнными являются методы измерения нормального (в поле плоских «стоячих» волн) и реверберационного (в диффузном поле затухающих волн) коэффициентов звукопоглощения.

Так достаточно простой метод стоячих волн [2] заключается в применении интерференционной трубы круглого или квадратного сечения, на одном конце которой располагается источник звука, а на другом – цилиндрический образец испытуемого материала. Если стенки трубы достаточно жёсткие, а её диаметр и образца d не превышает длину волны λ возбуждаемого источником синусоидального звука для высшей частоты измерений, т.е.

(6.1)

то вдоль трубы распространяется плоская волна и падает на испытуемый материал по нормали.

При нормальном падении звука граничные условия для амплитуд колебательных скоростей и давлений ; в падающей, отражённой и прошедшей через материал волнах, соответственно, имеют вид [3]

или (6.2)

где - акустическое (удельное) сопротивление образца материала; - акустическое (волновое) сопротивление воздуха (произведение плотности воздуха на скорость звука в воздухе).

После несложных преобразований из (6.2) можно найти известное выражение для коэффициента отражения по давлению

(6.3)

а при использовании величины коэффициента отражения по интенсивности I (энергии) можно получить выражение для энергетического коэффициента звукопоглощения при нормальном падении звуковых волн

(6.4)

Непосредственная связь и со значениями давления в максимуме (пучности) |p_макс| = p_пад + p_отр и минимуме (узле) |p_мин| = p_пад - p_отр стоячей волны в трубе позволяет легко оценить их по коэффициенту стоячей волны (КСВ) n = p_макс / p_мин

(6.5)

и, очевидно, измерить (в стоячей волне переноса энергии не происходит) путём

регистрации напряжений U на выходе микрофона, помещаемого в пучность (U_макс) и узел (U_макс) давлений, которые в пространстве (по длине трубы) разнесены на расстояние, как минимум, равное четверти длины волны λ_н для низшей частоты измерений.

Как видно, при β_I = 1 (полное отражение от образца) p_макс = 2 p_пад, а p_мин = 0 – условие чисто стоячих волн. Если β_I < 1, p_отр < p_пад , p_макс < 2 p_пад и p_мин > 0, то в трубе возникает так называемая псевдостоячая волна (сумма стоячих и бегущих волн, свидетельствующая о переносе энергии в результате звукопоглощения в материале. При этом из-за возникающей разности фаз между p_пад и p_отр вся система стоячих волн (её максимумов и минимумов) смещается на некоторое расстояние от образца материала вдоль трубы.

Измерение этого расстояния ∆l_min (между образцом и первым минимумом давления), характеризующего сдвиг по фазе (в радианах) между p_пад и p_отр вследствие поглощения, позволяет вычислить и нормированные (относительно ) составляющие комплексного акустического сопротивления образца материала из соотношений

(6.6)

Измерение звуковых давлений должно производиться так, чтобы не было искажений звукового поля внутри трубы. Поэтому для измерений используется малогабаритный микрофон или специальный акустический зонд, в виде длинной трубочки, один конец которой вставляется в трубу, а другой присоединяется к микрофону. Выход микрофона присоединяется к вольтметру через перестраиваемый полосовой фильтр, пропускающий колебания лишь той частоты, на которой производятся измерения. В противном случае результаты измерений (особенно в минимумах давления) могут быть искажены из-за возникновения стоячих волн на высших гармониках излучения источника и проникновения в трубу постороннего шума.

Частотный диапазон измерений α₀ по этому методу, как отмечалось, ограничен снизу значением частоты, длина λ_н звуковой волны которой равна длине трубы, а сверху λ_в – частотой поперечного резонанса (6.1). Поэтому для перекрытия звукового диапазона обычно используется три трубы: 1) для Δf=50...500 Гц: d = 0.25 и l = 7м ; 2) для Δf=125...2000 Гц : d = 0.1 и l = 1м ; 3) для Δf=1600...8000 Гц : d = 0.025 и l = 0.25м.

Метод стоячих волн отличается простотой и даёт большую точность, а имеющаяся достаточно определённая связь (рис.1) между нормальным и диффузным КЗП, позволяет его широко использовать в лабораторной и промышленной практике.

Рис.6.1.Примерная взаимосвязь между нормальным и диффузным коэффициентами звукопоглощения

Более достоверные данные по звукопоглощению тех или иных строительных материалов и конструкций обеспечивает так называемый реверберационный метод, являющийся нормативным по ряду отечественных и международных стандартов, например [2, 3]. В этом методе используется воздействие на испытуемые образцы хаотически падающих звуковых волн, возникающие только в диффузном поле специальных реверберационных камер (РК). При этом предполагается, что волновое давление звука в камере, а также в дальнем поле помещений достаточно большого объёма, имеет эргодический характер, т.е. амплитуды и фазы, налагающихся друг на друга волн, распределены более или менее хаотически, без наличия каких-либо преобладающих направлений колебательного движения и, соответственно, равномерного распределения отражённой энергии. Поэтому в реверберационных камерах с объёмом не менее 150 м³ все отражающие поверхности являются непараллельными и выполняются из материалов с большой плотностью и малым собственным КЗП (не более 0,06) во всём частотном диапазоне измерений.

Именно в таких камерах определяют диффузный (точнее – реверберационный) коэффициент звукопоглощения материалов и конструкций, представляющий собой отношение звуковой энергии (не давления), поглощённой в материале, к энергии , диффузно падающей на него. Такое звукопоглощение определяют путем измерения времени реверберации как в пустой камере Т₁, так и Т₂ при внесенном звукопоглощающем материале, площадью S_м. Тогда можно найти величину диффузного коэффициента звукопоглощения этого материала, если принять, что (среднего коэффициента звукопоглощения поверхностей пустой РК), т.е.

(6.7)

Измерения Т₁, Т₂ проводятся по процессам затухания звуковой энергии после выключения источника (см. раб. №1) от начальных высоких уровней, создаваемых в стационарном (установившемся) режиме до минимальных уровней -60 (-30) дБ. В ряде случаев это приводит к заметным погрешностям измерений из-за проникновения в камеру более интенсивных низкочастотных помех. Особенно такое воздействие наблюдается при использовании моделей РК или камер малого объема с недостаточной звукоизоляцией [4]. Здесь прибегают к методу стационарного режима при сравнении энергии , пропорциональной квадрату звукового давления в пустой камере, с энергией в камере с образцом звукопоглощающего материала площадью при одной и той же акустической мощности источника , т.е.

(6.8)

где - эквивалентное звукопоглощение, вносимое всей поверхностью камеры площадью и средним коэффициентом звукопоглощения ;

- эквивалентное звукопоглощение камеры с учетом звукопоглощения образца материала.

Понятно, что при внесении в камеру испытуемого материала давление уменьшится, так как звукопоглощение увеличится за счет поглощения образца материала, а поглощение участка поверхности , на которой смонтирован образец, обычно мало ( ). Тогда из (6.8) получим

откуда найдем значение искомого коэффициента звукопоглощения испытуемого материала при диффузном падении звуковых волн

(6.9)

Последнее выражение можно привести к рабочей зависимости, если полагать, что используемый при измерениях приемник давления (микрофон) является линейным преобразователем, тогда

(6.10)

где , - соответственно, среднеквадратическое значение квадратов действующих значений напряжений на выходе микрофона при его размещении не менее, чем в пяти ( ) точках камеры без образца ЗПМ и с ним для одной и той же полосы шумовых колебаний.

Для того, чтобы внесение материала не снижало степени диффузности поля (за счет неравномерного распределения поглощения), обычно берут три образца, которые размещают на поверхностях, образующих трехгранный угол.

Во избежание дифракционных явлений линейные размеры образцов должны быть достаточно велики по сравнению с длиной волны звуковых колебании, на которых производятся измерения. Края испытуемого материала закрывают. В противном случае возможно возникновение так называемого «кромочного эффекта», за счет которого вычисленный коэффициент поглощения может оказаться значительно завышенным.

3. Описание установки

Схема измерительной установки показана на рис. 6.2. В этой установке для определения используется измерительная труба, диаметр которой для образования плоской звуковой волны должен быть мал по сравнению с длиной волны звуковых колебаний, на которых производятся измерения.

Сама металлическая труба является распределенной колебательной системой. Если частота звуковых волн, создаваемых в трубе, будет совпадать с одной из собственных частот трубы, то стенки ее начнут интенсивно колебаться, что приведет к искажению формы звукового поля внутри трубы. Для устранения этих искажений прибегают к демпфированию колебания трубы, помещая ее в ящик с песком.

Рис. 6.2. Схема установки для измерения коэффициента звукопоглощения при нормальном падении волны (верхняя часть) и в диффузном звуковом поле (нижняя часть рисунка):

М₁ и М₂ – микрофоны; Тр – измерительная труба; С - стальной сердечник; ЗМ – звукопоглощающий материал; П₁ и П₂ – переключатели; Ф – фильтр; Гр и Т – излучатели; Г – звуковой генератор; УМ – усилитель мощности; З – акустический зонд; МРК – модель реверберационной камеры; ГТ – головные телефоны

Так как для определения коэффициента звукопоглощения при нормальном падении звуковых волн нужно, как это вытекает из рассмотренной выше методики, измерить давление в пучности и узле стоячей волны, то, очевидно, длина трубы должна быть больше расстояния от узла до пучности при самой низкой частоте, т.е.

.

В соответствии с рис. 6.2. ряд приборов, применяемых для определения нормального коэффициента поглощения, может быть использован и для измерения коэффициента звукопоглощения в диффузном звуковом поле. Однако измерение его в широком диапазоне частот достаточно сложно и требует наличия дорогостоящей реверберационной камеры большого объема. Поэтому, ограничивая в определенных пределах частотный диапазон измерений снизу с нижней граничной частотой

, (6.11)

можно обойтись моделью реверберационной камеры в масштабе 1:10 с габаритными размерами 0,7×0,48×0,24 м и объемом 7,8·10^{-2 м3}. Средний коэффициент звукопоглощения модели с общей площадью S=1,3м² поверхностей, выполненных из оргстекла, составляет .

Поскольку возбуждение звукового поля чистым тоном непригодно для измерения в реверберационных камерах, так как отражение в этом случае обладает наибольшей когерентностью и в различных точках макета наблюдаются резко выраженные узлы и пучности звукового давления, здесь используется специальный генератор, на выходе которого имеется возможность получить как сложный сигнал («белый» шум), так и обычный синусоидальный.

Чтобы обеспечить в камере излучение звука с фронтом, близким к сферическому, в установке используются специальные малогабаритные излучатели, размещенные в углах макета. Приемный тракт состоит из микрофона малых размеров, фильтра, который устраняет возможные побочные колебания, и чувствительного милливольтметра. В макете помещения предусмотрены специальные вырезы с площадью S_м=2,7·10^{-2 м2}, которые достаточно просто и быстро заполняются испытуемыми материалами.

Для производства измерений тем или иным методом в схеме (рис. 6.2.) предусмотрены переключатели П₁ и П₂, которые позволяют коммутировать как сигнал с входа измерительного генератора, так и сигнал, поступающий на вход милливольтметра.

4. Методика проведения работы и обработка результатов

4.1. Измерение коэффициента звукопоглощения материалов при нормальном падении звуковых волн.Для выполнения этой части работы необходимо:

1. Ознакомиться со схемой установки и конструкцией измерительной трубы (верхняя часть рис. 6.2.). Укрепить испытуемый материал так, чтобы его наружная поверхность была заподлицо с краями трубы. Вставить стальной сердечник до засечки, соответствующей толщине звукопоглощающего материала (при измерении звукопоглощения стали сердечник вставляется до упора). Установить переключатели П₁ и П₂ в положение «1».

2. Передвинуть микрофон с зондом в положение, соответствующее нулевому делению на шкале расстояний и, включив установку, установить на шкале генератора (в режиме синусоидального сигнала) одну из последовательного ряда частот: 125, 180, 250, 360, 500, 1000, 2000 Гц. Выбрать полосу фильтра так, чтобы она соответствовала установленной частоте и установить такое выходное напряжение генератора, чтобы обеспечить напряжение на выходе микрофона в пределах 3 ... 10 мВ.

3. Медленно выдвигая зонд с микрофоном из трубы, добиться минимального показания вольтметра (U_мин), соответствующего давлению в узле стоячей волны. Убедиться, что данные показания вольтметра соответствуют минимальному сигналу, а не помехе путём выключения генератора. Включить вновь генератор и ещё более выдвинуть зонд из трубы, чтобы получить максимальные показания вольтметра (U_макс) для пучности звукового давления. Записать значения U_мин, U_макс, отношения n= U_макс/ U_мин и расстояния до первого минимума давления в таблицу 6.1.

Измерения в точках первого (от поверхности материала) минимума и следующего за ним максимума следует проводить для того, чтобы ослабить влияние затухания давления из-за трения о стенки трубы. Для самой низкой (125 Гц) частоты (из-за недостаточной длины трубы) допускается использование значения U_макс при установке микрофона в нулевое положение. Особого внимания требует измерение напряжения в точке минимума давления (микрофон следует передвигать очень медленно) стоячей волны, поскольку он получается весьма острым. Здесь для повышении точности фиксации минимума давления целесообразно определять его на слух с помощью монофонических головных телефонов (ГТ), подключенных на выход милливольтметра V.

По результатам измерений вычислить по указанным формулам значения n, α₀, φ, r_н, x_н, Z_а,н для каждой частоты и, кроме x_н, записать их в таблицу 6.1.

Таблица 6.1

Материал ………………………(без зазора)

Частота, Гц Измеренные и вычисленные величины

U_мин, мВ U_макс, мВ n = U_max/U_min ∆l_min α₀ φ, рад r_н

… …

Для расчета α₀ можно воспользоваться графиками (верхним для и нижним для ) зависимости звукопоглощения α₀от отношения , представленными на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Зависимости коэффициента звукопоглощения α₀ от отношения

4. Установить между испытуемым материалом и стальным сердечником воздушный зазор путём выдвижения последнего из насадки на величину, указанную преподавателем. Повторить п.п. 1..3 для этого случая, результаты измерений и расчётов записать в таблицу 6.2, аналогичную табл. 6.1. Построить частотные характеристики зависимости α₀, r_н, для заданного материала с воздушным зазором и без него на одном графике. Сравнить построенные частотные графики с предыдущими и сделать соответствующие выводы.

5. Повторить измерения и расчёты по п.п. 1..4 для других материалов, указанных преподавателем. По данным из таблиц построить необходимые частотные графики и написать общие выводы.

4.2. Измерение диффузного коэффициента звукопоглощения в ограниченном диапазоне частот. Для измерения α_Д следует:

1. Ознакомиться с конструкцией макета реверберационной камеры и закрыть вырезы в ее стенках заглушками без звукопоглощающего материала. При этом измерительный микрофон должен находиться примерно в середине макета.

2. Поставить переключатели П₁ и П₂ в положение «2» и включить установку. Установить на выходе генератора «белого» шума в режиме постоянства тока (выходное сопротивление 600 Ом) такое напряжение на громкоговорителе, чтобы показания милливольтметра (анализатора спектра) на выходе микрофона в 1/3 октавной полосе 1600 Гц составили не менее 6..8 мВ. При этом микрофон должен быть размещен в ближнем поле (3..5 см) громкоговорителя. Определить в этой точке частотную характеристику громкоговорителя по прямому звуку на всех третьоктавных полосах диапазона от (6.11) до 4000 Гц. Результаты измерений и вычислений записать в табл. 6.3.

Таблица 6.3.

Напряжение на вых. МК, мВ Центральные частоты 1/3 октавных полос, f_ц, Гц

f_н=… … …

U_вых, мВ … …

U_вых, дБ … …

Данные из табл. 6.3 использовать для коррекции напряжения на выходе генератора шума, чтобы обеспечить примерное постоянство выходного напряжения микрофона (6..8 мВ) и в других точках модели РК (удаленных от громкоговорителя и стенок на 8..10 см) для разных частотных полос для использования в расчете (6.10) при отсутствии ЗПМ.

3. Произвести измерение U₂ (при корректированном U₁) на выходе микрофона для полос шума с f_ц=1600 Гц в 3..5 отмеченных точках на полу модели при различном размещении испытуемого ЗПМ, указанным руководителем. По формуле (6.10) вычислить диффузный коэффициент звукопоглощения для трех вариантов размещения образца ЗПМ. Результаты измерений и вычислений записать в табл. 6.4.

Таблица 6.4.

Точки измерений при f_ц=1600 Гц Размещение образца ЗПМ на стенках модели РК

прямо сверху Сбоку

U₁, мВ U₂, мВ U₁, мВ U₂, мВ U₁, мВ U₂, мВ

Точка 1 - - -

Точка 2 - - -

Точка 3 - - -

…. - - -

СКЗ напряжения по всем точкам , мВ = , мВ = , мВ = , мВ = , мВ = , мВ =

По данным табл.6.4 сделать вывод о влиянии размещения ЗПМ на величину диффузного коэффициента звукопоглощения.

4. Произвести необходимые измерения и вычисления на всех третьоктавных полосах диапазона от f_н до 4000 Гц. Для этого, установив на фильтре (анализаторе спектра) соответствующую полосу, измерить напряжение U₂ (с коррекцией U₁) на выходе микрофона в 3..5 точках его размещения при отсутствии в модели РК звукопоглощающего материала и при его наличии во всех трех вырезах стенок. Измеренные и вычисленные данные записать в табл. 6.5 и выключить установку.

Таблица 6.5.

Точки измере-ний Выходное напряжение микрофона в 1/3 октавных полосах с центральными частотами, f_ц, Гц

f_н=… … …

U₁, мВ U₂, мВ U₁, мВ U₂, мВ U₁, мВ U₂, мВ U₁, мВ U₂, мВ

т. 1 - - - -

т. 2 - - - -

т. 3 - - - -

…. - - - -

СКЗ напря-жения по всем точкам , мВ = , мВ = , мВ = , мВ = , мВ = , мВ = , мВ = , мВ =

По результатам табл. 6.5 построить график зависимости от частоты f_ц в нормальном масштабе и сделать поясняющий вывод. Необходимые для расчета дополнительные данные получить у руководителя.

5. Содержание отчёта

В отчёт необходимо включить следующее: 1) изложение цели работы; 2) схему установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин; 4) частотные характеристики заданных параметров, выполненные отдельно для каждого ЗПМ с соответствующими выводами.

6. Контрольные вопросы

1. Каковы принципиальные особенности метода определения нормального коэффициента звукопоглощение материалов?

2. Как влияют параметры трубы на точность измерения нормального коэффициента звукопоглощения материалов?

3. Почему измерение минимумов давления в стоячей волне труднее, чем максимумов?

4. Для чего в установке нужен узкополосный фильтр?

5. Чем определяются условия измерения диффузного коэффициента звукопоглощение материалов и почему?

6. Почему при измерениях диффузного коэффициента звукопоглощения используют сложный измерительный сигнал?

7. Какая связь существует между коэффициентами звукопоглощения, измеренными двумя рассмотренными методами.

7. Литература

1. ГОСТ 16297-80. Материалы звукоизоляционные и звукопоглощающие. Методы испытаний. – М.: Изд-во стандартов, 1980.

2. МС ИСО 354-85. Акустика. Измерение звукопоглощения в реверберационных камерах. – Женева, 1988.

3. Акустика: Учебник для вузов / Ш.Я. Вахитов и др. Под ред. Ю.А. Ковалгина – М.: Горячая линия – Телеком, 2009.

4. ГОСТ 26417-85. Материалы звукопоглощающие, строительные. Метод испытаний в малой реверберационной камере. – М.: Госком по делам строительства, 1986.

Работа № 7

Предыдущая 1 2 3 4 567 8 Следующая

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: