Методика измерения скорости звука в импедансной трубе

Стоит отметить, что большую роль при измерениях в импедансной трубе играет скорость звука в воде. Она зависит от таких факторов как:

- температура воды;

- давление;

- солесодержание;

- загазованность и т. п.

Т.к. очень сложно одновременно учесть все эти параметры, было принято решение, что скорость звука следует измерять перед экспериментами.

Данный метод основан на явлении резонанса. Когда на длине трубы укладывается половина звуковой волны, что происходит при совпадение частоты внешнего воздействия динамика с основной частотой данной акустической системы, или кратное число половин, наблюдается увеличение акустического отклика системы в силу образования стоячих волн. Определение скорости звука в настоящей работе основано на измерении разностей двух соседних частот, для которых имеет место усиление сигнала на приемнике звука[6].

Условие возникновения резонанса:

,

где L – длина трубы, λ – длина волны, m –целое число, c – скорость звука.

Из вышенаписанной формулы можно выразить скорость звука:

(6)

Таким образом, определяя набор частот, на которых происходит усиление звуковых колебаний в некотором частотном диапазоне и, зная длину трубы, по формуле (3), можно определить скорость звука.

4.4 Результаты измерений

На вышеописанной установке были протестированы образцы:

-полистирол 70 мм;

-гипс толщиной 70мм;

-резина толщиной 70мм.

Для этого перед этим была измерена скорость звука в воде по методике, описанной в предыдущей главе.

При определении скорости звука на компьютере с помощью ПО «Spectre Lab» генерировался гармонический сигнал с частотой 500 Гц, и он через усилитель подавался на динамик в трубе. Затем плавно увеличивая частоту до 3000 Гц и следя за откликом гидрофона 1, определялся набор частот f_i, на которых происходит усиление звуковых колебаний (см. табл.4.1).

Таблица 4.1

Далее для каждой пары соседних частот рассчитывалась скорость звука c_i по формуле(6). В качестве скорости звука принималось среднее значение рассчитанных скоростей:

После того, как мы измерили скорость звука, переходим непосредственно к определению акустических характеристик тестируемого образца.

При определении акустических характеристик измерения проводились в диапазоне от 500 до 3000 Гц с шагом 500 Гц. В ПО SpectreLab измерялись амплитуда |H₁₂(f)| и фаза Phase(f) передаточной функции между гидрофонами 5 и 6.

Затем представив передаточную функцию в виде:

по формулам 1 и 2 была получена зависимость коэффициента звукопоглощения a(f) от частоты звуковых колебаний (графики 1,2,3).

Заметим, что при всех вычислениях учитывалось, то что волновое число k равно:

,

где c=1479 м/с – ранее определенная скорость звука.

График 1. Зависимость коэффициента звукопоглощения образца полистирол толщиной 70 мм. от частоты звуковых колебаний

График 2. Зависимость коэффициента звукопоглощения образца гипса толщиной 70 мм. от частоты звуковых колебаний

График 3. Зависимость коэффициента звукопоглощения образца резины толщиной 70 мм. от частоты звуковых колебаний

На заданном диапазоне частот из протестированных образцов самым высоким коэффициентом звукопоглощения обладает полистирол. Таким образом полистирол является оптимальным вариантом для изготовления звукопоглощающего слоя в гидроакустической камере.

РАСЧЁТ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ БЕЗЭХОВОЙ КАМЕРЫ

Исходными данными для расчёта являются:

а) метод определения шумовых характеристик машин в свободном звуковом поле;

б) размеры свободного звукового поля –200х200х200 мм;

в) частотный диапазон измерений – 3000…6000 Гц;

Расчёт размеров камеры

На основании экспериментов по подбору звукопоглощающего материала и обзора литературы, выберем звукопоглощающую конструкцию, состоящую из клиньев, изготовленных из полистирола.

Высота клиньев l должна быть не менее:

,

где – максимальная длина волны звуковых волн в заданном диапазоне частот;

с – скорость звука в воде, 1500 м/с;

– нижняя частота заданного диапазона.

Выберем l=0,15 м. Клинья будем крепить на листы из пенополистирола шириной d=50 мм.

Определим внутренние размеры камеры до облицовки звукопоглощающим материалом:

длина:

ширина:

высота:

где: a, b, h – длина, ширина, высота свободного поля камеры.

5.2 Расчёт частоты среза

Собственные резонансные частоты помещения прямоугольной формы рассчитывают по формуле:

где с – скорость звука в воздухе; m, n, q – целые числа 0, 1, 2….; l, h, d – размеры камеры после нанесения на ее внутренние поверхности звукопоглощающего слоя, м. При n=m=q=1 – первая резонансная частота, ниже которой в помещении только стоячие волны. Нижняя граничная частота f_гр безэховой камеры, выше которой в камере существует безэховое, свободное звуковое поле (в литературе ее часто называют частотой среза): f­_гр≈ f_n1.

Т.е. проектируемая гидроакустическая камера удовлетворяет требованиям по частоте среза (f_гр<f_u=3000 Гц).

ИСПЫТАНИЯ КАМЕРЫ

На основании расчётов была сконструирована гидроакустическая безэховая камера (рис. 6.1). Она состоит из внутренней камеры 1, облицованной звукопоглощающими клиньями из полистирола 2, и внешнего звукоизоляционного короба 3.

Габаритные размеры – 998х880х920 мм;

Размеры свободного звукового поля внутри камеры – 220х220х220 мм;

Диапазон частот измерений – 3000…6000 Гц;

Частота среза – 2500 Гц.

6.1 Звукоизоляция

Для корректности исследований, проводимых в камере, требуется, чтобы она была изолирована от внешних шумов. Звукоизоляция достигается, за счёт внешнего звукоизоляционного короба. Он выступает в качестве звукоотражающей конструкции, т.е. звуковые волны от внешних источников падают на поверхность звукоизоляционного короба и отражаются от нее. Воздушная прослойка между звукоизоляционным коробом и внутренней камерой выступает в роли звукопоглощающей конструкции.

Чтобы убедиться в звукоизоляционных свойствах нашей конструкции была проведена серия экспериментов.

Измерения проводились на частотах от 3000 до 6000 Гц с шагом 500Гц согласно схеме представленной на рисунке 6.2. На ПК с ПО «Spectre Lab» (6) генерируем шум на заданной частоте, и он через АЦП и усилитель подаётся на источник звука (5). Далее этот сигнал принимается гидрофоном (3) и микрофоном (4). В ПО «Spectre Lab» эти сигналы обрабатываются и вычисляется отношение показаний микрофона и гидрофона H(f). Таким образом получаем эффективность звукоизоляции внешнего короба.

Результаты измерений показывают, что звукоизоляционный короб снижает уровень звука на 24…35 дБ в диапазоне частот от 3000 до 6000 Гц (рис. 6.3).

Рисунок 6.3 Величина ослабления уровня звукового давления

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: