3-5. Акустические характеристики звукопоглощающих материалов и методы их определения
Распространение звука в поглощающем материале можно охарактеризовать двумя комплексными величинами: постоянной распространения у и волновым сопротивлением W. Обе эти величины зависят от частоты звука.
Постоянная распространения γ = a + ίβ, где а—коэффициент затухания, определяющий уменьшение амплитуды звуковой волны на единицу длины пути, а β — волновое число или фазовая постоянная, которая характеризует скорость распространения звука в среде. Волновое сопротивление W = Wx iWy, где Wx и Wy — активные и реактивные составляющие, представляет собой отношение звукового давления в среде к звуковой скорости и может иметь только активную составляющую, если скорость и давление совпадают по фазе. Например, для воздуха W = роСо = 420 Н-с/м3 при нормальных условиях (барометрическое давление 760 мм рт. ст. и температура 20 °С).
Существуют несколько методов измерения акустических параметров звукопоглощающих материалов. Наиболее известным является метод стоячих волн с использованием акустического интерферометра. Для определения постоянной распространения и волнового сопротивления образца звукопоглощающего материала измеряют импеданс его поверхности при расположении вплотную к жесткой стенке и на расстоянии четверти длины волны от стенки. Однако определение акустических параметров звукопоглощающих материалов методом стоячих волн обладает некоторыми недостатками: ограничением частотного диапазона длиной трубы интерферометра и необходимостью изменения воздушного промежутка между образцом материала и стенкой на каждой частоте.
От этих недостатков свободен способ определения волнового сопротивления и постоянной распространения методом бегущей волны. Структурная схема установки для измерения акустических параметров звукопоглощающего материала методом бегущей волны представлена на рис. 3-10. Образец материала 4 помещается в звуковой канал 3, поле в котором возбуждается динамиком 2, помещенным в камеру 1. Электрический сигнал на динамик поступает со звукового генератора 8. Уровни звукового давления измеряются с помощью тонкого зонда — микрофона 5, электрический сигнал с которого поступает на вход спектрометра 6. Сдвиг фаз между сигналами в разных точках с выхода спектрометра измеряется фазометром 7, опорный сигнал на который подается со звукового генератора 8.
Рис. 3-10. Схема измерения акустических параметров методом бегущей волны
Для определения постоянной распространения γ измеряют уровни звукового давления в образце материала при двух расстояниях от его поверхности, обращенной к громкоговорителю. Практически для этих измерений можно использовать наборы шайб из испытуемого материала определенной толщины Δ/. За измерительным концом зонда 5 располагают ряд шайб 4 из звукопоглощающего материала с отверстиями для прохода зонда, которые должны обеспечить достаточное затухание отраженной звуковой волны, чтобы ее влиянием на результаты измерения можно было пренебречь.
Разность уровней звукового давления в двух точках материала с разностью хода бегущей волны А1 составляет ΔL = — 20αΔ/ lg е. Откуда можно найти коэффициент затухания:
(3-16)
Измеряя разность фаз двух сигналов Δφ° при прохождении звуковой волной пути А/ в толще материала, можно найти фазовую постоянную из выражения:
(3-17)
Для определения волнового сопротивления материала образец укладывается на дне звукового канала по всей его длине, а измерительный зонд находится в воздушном зазоре над слоем поглотителя. Из измерений уровней звукового давления в воздушном зазоре в двух точках на разных расстояниях от источника звука с разностью хода волны Δ/„ и разности фаз определяется постоянная распространения Г для сложного волновода, состоящего из слоя облицовки и воздушного зазора:
(3-18)
Причем, участок Δ/Β должен выбираться в средней части канала для устранения влияния концевых эффектов и отраженной волны. На основании измерения постоянной распространения Г в сложном волноводе и постоянной распространения у самого звукопоглощающего материала определяется волновое сопротивление материала:
(3-19)
где d\ — толщина слоя материала, м; do — толщина воздушного зазора, м; Wo — волновое сопротивление воздуха, равное р0с0, Н-с/м3; у0 — постоянная распространения в воздухе, равная ikо, м-1.
Акустические характеристики ряда звукопоглощающих материалов приведены в приложении. Волновое сопротивление материалов в таблицах приложения приведено к волновому сопротивлению воздуха: W — W/(р0Со). Наилучшими звукопоглощающими свойствами обладают материалы, у которых коэффициент затухания β имеет наибольшее значение, а волновое сопротивление W близко к 1. Конкретные значения величин затухания в каналах глушителя определяются из формул гл. 4. Исходными данными для вычисления при этом служат акустические параметры звукопоглощающих материалов, приведенные в приложении, или же определенные экспериментально по приведенным выше методикам.
