СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF DETERMINING SOUND ABSORPTION COEFFICIENTS OF MATERIALS

Изобретение относится к области определения одной из основных характеристик материалов, используемых для целей шумоподавления, - коэффициентов их звукопоглощения и может быть использовано как для материалов, не обладающих резонансным звукопоглощением (волокнистых, пористых с упорядоченной или неупорядоченной внутренней структурой), так и для материалов с выраженными резонансными звукопоглощающими свойствами, работающими в широком диапазоне частот.
В настоящее время известен способ определения коэффициента звукопоглощения строительных материалов в реверберационной камере (Пат. RU 2431137, МПК C1 G01N 29/04, опубл. 10.10.2011), для реализации которого используют детерминированный сигнал, а обработку сигнала ведут с использованием 1/9 октавных полосовых фильтров, создаваемых на основе Фурье-преобразования [1].
Способ заключается в создании звукового поля с помощью детерминированного сигнала в пустой камере и в камере с исследуемым материалом, записывании сигналов-откликов, вычислении импульсных откликов, фильтрации откликов, определении времени затухания уровня звукового давления, вычислении коэффициентов звукопоглощения исследуемого материала. Причем в качестве детерминированного сигнала используется сигнал с экспоненциально возрастающей частотой, а вычисление коэффициентов звукопоглощения по времени реверберации в пустой камере и в камере с материалом производят по рабочему частотному диапазону в 1/9 октавных полосах с последующим усреднением трех значений смежных полос, по которым определяют звукопоглощение материала.
Недостатком известного способа является высокая погрешность определения коэффициентов звукопоглощения в низкочастотном диапазоне - ниже 160 Гц, при этом построение кривой звукопоглощения выполняется дискретно, по предварительно определенным значениям коэффициентов звукопоглощения в точках, соответствующих 1/3 или 1/9 октавным полосам частот, что делает невозможным визуализацию значений коэффициентов звукопоглощения в непрерывном диапазоне частот.
Наиболее близким к заявленному является способ измерения времени реверберации в низкочастотном диапазоне с использованием вейвлет-фильтров (Sang-Kwon Lee, Measurement of shot reverberation times at low frequencies using wavelet filter bank // KSME International Journal, Vol.17 No. 4, pp. 511-520, 2003; Sang-Kwon Lee and Dong-June Yu, Measurement of reverberation times of a passenger car utilizing the wavelet filter bank, Proc. IMechE, Vol. 219 Part D: J. Automobile Engineering, pp. 329-336, 2004).
Способ включает генерацию импульсных откликов в малом объеме, их запись с помощью микрофона, обработку полученных импульсных откликов с помощью вейвлет-фильтров и вычисление времени реверберации на разных частотах. Авторы способа отмечают, что использование рядов полосовых октавных фильтров дает точные результаты только при произведении ширины полосы фильтра на время реверберации не менее 16. Реализованный подход позволяет получать точные результаты с произведением ширины полосы фильтра на время реверберации не менее 4 [2, 3].
Недостатком указанного способа является ограниченность области его применения для оценки времени реверберации в помещении. Существенным недостатком является и то, что возбуждение объекта осуществляется импульсными сигналами с помощью импульсного источника. Сигналы такой природы не удовлетворяют условию диффузности звукового поля во внутреннем пространстве малого объема, что вызывает необходимость последующего усреднения большого числа импульсов, следовательно, приводит к повышению трудоемкости вычислений и к погрешностям определения значений коэффициентов звукопоглощения.
Задачей заявленного способа является повышение точности определения коэффициентов звукопоглощения материалов в низкочастотном диапазоне методом передаточной функции в акустическом интерферометре. Причем при вычислении передаточной функции используется непрерывное вейвлет-преобразование.
Поставленная задача решается за счет того, что способ определения коэффициентов звукопоглощения материалов, включающий измерение эталонных аналоговых сигналов с помощью первого и второго микрофонов акустического интерферометра, выполнение их аналогово-цифрового преобразования; вычисление передаточной функции с помощью непрерывного вейвлет-преобразования каждого из измеренных эталонных сигналов; вычисление коэффициентов отражения и коэффициентов звукопоглощения, представление результатов вычислений в графической форме в виде графика зависимости коэффициентов звукопоглощения от частоты или среднегеометрических частот 1/n - октавных полос, где n - целое число, отличает от известных то, что в качестве эталонного используют детерминированный аналоговый сигнал длительностью не менее 13 секунд с экспоненциально возрастающей частотой в диапазоне 100-4000 Гц.
Техническим результатом, обеспечиваемым указанной совокупностью признаков, является повышение точности определения коэффициентов звукопоглощения в низкочастотном диапазоне.
Осуществление способа происходит следующим образом. Перед началом измерения в акустическом интерферометре с исследуемым образцом создается звуковое поле с помощью детерминированного сигнала с экспоненциально возрастающей частотой. Далее выполняют следующие действия: осуществляют измерение эталонных аналоговых сигналов с помощью первого и второго микрофонов, выполняют их аналогово-цифровое преобразование, вычисляют передаточную функцию с помощью непрерывного вейвлет-преобразования каждого из входных сигналов.
Непрерывное вейвлет-преобразование вычисляют по семейству функций:
где ψ - фиксированная функция, называемая «материнским вейвлетом», которая хорошо локализована как по частоте, так и по времени.
a,b
0
Значения функции ψ(t) получают с использованием операций сдвига во временной области (параметр сдвига b) и масштабированием в частотной области (параметр масштабности a) материнского вейвлета. В качестве материнского вейвлета можно принять любой известный тип, например, вейвлет Морле, являющийся модулированной гауссианом комплексной гармонической функцией с частотой ω:
0
где ω - центральная частота «материнского вейвлета», B - ширина полосы, определяемая как вариация Фурье-преобразования Ψ(ƒ) материнского вейвлета. Непрерывное вейвлет-преобразование сигнала x(t) вычисляется по следующей формуле:
где a, b∈R, a≠0.
На основе приведенных зависимостей вычисляют коэффициенты отражения и звукопоглощения и представляют результаты вычислений в графической форме в виде графика зависимости коэффициентов звукопоглощения от частоты или среднегеометрических частот 1/n - октавных полос, где n - целое число.

В качестве примера реализации метода приведен способ расчета коэффициентов звукопоглощения материалов изолон.
Для определения коэффициентов звукопоглощения использовалось следующее оборудование: акустический интерферометр с генератором детерминированного сигнала с экспоненциально возрастающей частотой, усилитель сигнала, громкоговоритель для излучения эталонного сигнала во внутреннее пространство интерферометра, два микрофона для измерения аналоговых эталонных сигналов, исследуемый образец материала, устройство для аналого-цифрового преобразования эталонных сигналов и их обработки. В качестве генератора, устройства для записи и обработки сигналов использовался персональный компьютер со специализированным программным обеспечением.

Измерение проводилось с помощью известного устройства, созданного для определения коэффициентов звукопоглощения материала изолон толщиной 10 мм в акустическом интерферометре (Пат. RU 105999, МПК U1 G01N 29/14, опубл. 27.06.2011).
общ
Устройство состоит из импедансной трубы с установленными в ней громкоговорителем, микрофонами и соединенными с блоком обработки сигналов, причем труба выполнена в виде составных патрубков, общая длина которых зависит от измеряемого диапазона частот пропорционально величине ΔL, не менее чем [4]:
где ƒ - наименьшая частота в измеряемом диапазоне, Гц;
d - диаметр трубы, м.

В качестве излучателя сигналов использовали динамик SB Acoustics 5″ SB15NRXC30-4 с рабочим диапазоном частот 50-4500 Гц. Эталонным аналоговым сигналом, подаваемым на вход усилителя MQ10, являлся 13-секундный сигнал с экспоненциально возрастающей частотой в диапазоне 100-4000 Гц, при этом генератором сигнала являлось программное обеспечение для ПЭВМ - свободно распространяемый музыкальный редактор Audacity 1.3 Beta. В качестве измерительных микрофонов использовали два микрофона ProAudio РМТ-23. Приемником эталонных аналоговых сигналов являлся тот же персональный компьютер, на котором с помощью указанного выше программного обеспечения производилась их запись. В качестве излучателя сигнала и аналогово-цифрового преобразователя использовали переносной аудиоинтерфейс M-audio Fast Track Pro. В качестве исследуемого материала был использован материал изолон диаметром 100 мм и толщиной 10 мм.
Выполнение измерений осуществлялось следующим образом.
На внутреннюю сторону торца акустического интерферометра, противоположную месту расположения излучателя эталонного сигнала, крепился исследуемый образец. Эталонный аналоговый сигнал через излучатель поступал на вход усилителя, затем подавался во внутреннее пространство акустического интерферометра. Одновременно осуществлялись запись сигналов с помощью первого и второго микрофонов и их аналого-цифровое преобразование. Затем вычислялись коэффициенты звукопоглощения материала на основе анализа записанных сигналов способом, описанным выше. Результаты определения коэффициентов звукопоглощения материала с вычислением передаточной функции с помощью непрерывного вейвлет-преобразования представлены на фиг. 1.
Для сравнения результатов измерений использовался метод оценки коэффициентов звукопоглощения материала с вычислением передаточной функции с помощью Фурье-преобразования. Результаты представлены на фиг. 2.
Визуальное сравнение степени флуктуации значений коэффициентов звукопоглощения (графики на фиг. 1 и 2) позволяет сделать вывод о том, что значения коэффициентов звукопоглощения, определенные на основе передаточной функции, вычисленной с помощью непрерывного вейвлет-преобразования в диапазоне частотных полос со среднегеометрическими 16-500 Гц, являются более точными.
Использование раскрытого выше способа позволит оценить звукоизоляционную эффективность материалов и возможности их использования в целях приведения акустической обстановки помещений в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями.
Список использованных источников
1. Пат. 2431137 Российская Федерация, МПК C1 G01N 29/04, Способ определения коэффициента звукопоглощения [Текст] / А.П. Тюрин; №2010110558/28; заявл. 19.03.2010 г.; опубл. 10.10.2011. Бюл. №28. 10 с.; ил.
2. Sang-Kwon Lee, Measurement of shot reverberation times at low frequencies using wavelet filter bank // KSME International Journal, Vol. 17 No. 4, pp. 511-520, 2003.
3. Sang-Kwon Lee and Dong-June Yu, Measurement of reverberation times of a passenger car utilizing the wavelet filter bank, Proc. IMechE, Vol.219 Part D: J. Automobile Engineering, pp. 329-336, 2004.
4. Пат. 105999 Российская Федерация, МПК U1 G01N 29/14. Устройство измерения акустических характеристик материалов [Текст] / А.П. Тюрин, Пигалев С.А., Балагуров А.В., Севастьянов Б.В. - №2010154817/28; заявл. 30.12.2010; опубл. 27.06.2011. Бюл. №18.2 с.; ил.