СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF DETERMINING MATERIAL SOUND ABSORPTION FACTOR

Изобретение относится к области определения одной из основных характеристик строительных материалов - коэффициента их звукопоглощения, и может быть использовано как для материалов, не обладающих резонансным звукопоглощением, так и для материалов с выраженными резонансными звукопоглощающими свойствами.
В настоящее время известен способ определения коэффициента звукопоглощения строительных материалов в реверберационной камере (Лопашев Д.З., Осипов Г.Л., Федосеева Е.Н. Методы измерения и нормирования шумовых характеристик. - М.: Издательство стандартов, 1983. - 232 с., стр.219-223) в диапазоне частот 100-5000 Гц, а также описанный в учебнике Jens Blauert, Ning Xiang, Acoustic for Engineers - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. - 231 pp. - PP.172-174, для реализации которых акустическое давление в камерах создают с помощью громкоговорителей. С помощью генератора сигналов в помещении возбуждается белый шум в течение определенного времени, пока не установится стационарный уровень звукового давления по всему пространству. Затем источник звука выключается и уровень звукового давления записывается в виде амплитудно-временного спектра, после обработки которого аналитически вычисляют коэффициент звукопоглощения.
Недостатком известных способов является неточность определения моментов времени, соответствующих началу и концу времени затухания по амплитудно-временному спектру реверберации, особенно в низкочастотном интервале. Это приводит к повышенной ошибке в определении времени реверберации, а в последующем и к ошибке определения коэффициента звукопоглощения исследуемого материала, вычисляемого аналитически.
2
Известен способ для измерения звукопоглощения театрального кресла в реверберационной камере (патент US №5465469), принятый в качестве прототипа. Способ основан на обработке сигнала-отклика на подаваемые в пространство реверберационной камеры коротких звуковых импульсов. При этом осуществляется усреднение большого числа импульсов (тональных посылок) для двух случаев: для пустой камеры и занятой исследуемыми объектами (театральными креслами). Как для пустой камеры, так и для камеры с находящимися в ней театральными креслами в итоге получают импульсные отклики, которые используются для вычисления времени реверберации. Далее коэффициент звукопоглощения (м/кресло) вычисляется с помощью аналитической формулы при уже определенных временах реверберации в соответствующих октавных полосах.
Недостатком известного способа является низкая точность определения коэффициентов звукопоглощения ввиду недостаточного количества измеренных значений времени реверберации, равных числу 1/1 октавных полос со среднегеометрическими частотами 125-4000 Гц. Это не позволяет оценить величину звукопоглощения в более узких октавных полосах для строительных материалов, в частности имеющих резонансные пики звукопоглощения (например, резонансные конструкции). Существенным недостатком является и то, что возбуждение объекта осуществляется импульсными сигналами через громкоговоритель. Отдельные сигналы не удовлетворяют условию диффузности звукового поля во внутреннем пространстве камеры, что вызывает необходимость последующего усреднения большого числа импульсов, следовательно, приводит к повышению трудоемкости и к неточности оценки коэффициентов звукопоглощения.
Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленного объекта.
Задачей изобретения является повышение точности определения коэффициентов звукопоглощения материалов.
Поставленная задача достигается тем, что определение коэффициентов звукопоглощения производят с помощью создания звукового поля детерминированным сигналом в пустой камере и в камере с исследуемым материалом. Далее осуществляют запись сигналов-откликов с последующим вычислением импульсных откликов, их фильтрации, определении времени затухания уровня звукового давления и вычислении коэффициентов звукопоглощения исследуемого материала. При этом 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.
Сущность заявленного решения может быть пояснена следующим образом.
При проведении исследований в качестве входного сигнала используют сигнал с экспоненциально возрастающей частотой, после цифровой обработки которого получают импульсный отклик реверберационной камеры. Первоначально вычисляют импульсный отклик в пустой камере, затем вычисляют импульсный отклик в камере с исследуемым материалом. Далее импульсные отклики анализируют 1/9 октавными полосовыми фильтрами с последующим определением по ним времени реверберации, как для пустой камеры, так и для камеры с образцом. Использование 1/9 октавных полосовых фильтров дает впоследствии более точную оценку коэффициентов звукопоглощения в 1/3 октавных полосах в связи с их более крутой амплитудно-частотной характеристикой по сравнению с амплитудно-частотной характеристикой 1/3 октавных полосовых фильтров. Используется положительный эффект повышения крутизны амплитудно-частотной характеристики фильтра, графически изображенный на фиг.1, на котором цифрой 1 показана амплитудно-частотная характеристика 1/3 октавного фильтра со среднегеометрической частотой 400 Гц, а цифрой 2 - амплитудно-частотные характеристики 1/9 октавных фильтров со среднегеометрическими частотами соответственно 368, 400 и 429 Гц.
Вычисление коэффициента звукопоглощения исследуемого материала в 1/9 октавной полосе осуществляют с помощью формулы
2
2
0
где S - площадь внутренних поверхностей камеры, м; S - площадь образца, м; λ - параметр, вычисляемый как
,
0
1
Т - время реверберации в пустой камере, с; Т - время реверберации в камере с образцом, с.
Для определения коэффициента звукопоглощения в более широкой частотной полосе производится усреднение полученных коэффициентов звукопоглощения для трех смежных 1/9 октавных полос, в результате чего строится график зависимости «коэффициент звукопоглощения - 1/3 октавные полосы».
Пример конкретной реализации способа
Для расчета коэффициентов звукопоглощения использовалось следующее оборудование: реверберационная камера, источник тестового сигнала (программное обеспечение на персональном компьютере), усилитель сигнала, громкоговоритель для излучения сигнала во внутреннее пространство камеры, измерительный микрофон для записи сигнала-отклика, исследуемый образец материала, программное обеспечение для записи сигнала-отклика и его обработки.
3
Предлагаемый способ реализован для определения коэффициентов звукопоглощения сотовой резонаторной конструкции на базе малой реверберационной камеры объемом 2 м, выполненной в виде параллелепипеда с непараллельными стенами и основанием (ГОСТ 26417-85. Материалы звукопоглощающие строительные. Метод испытаний в малой реверберационной камере. - Введ. 01.01.86. - М.: Издательство стандартов, 1985. - 15 с.). В качестве излучателя сигналов использовали динамик DYD820B мощностью 200 Вт с рабочим диапазоном частот 50-4500 Гц. Входным сигналом, подаваемым через усилитель MQ10, являлся 13-секундный сигнал с экспоненциально возрастающей частотой в диапазоне 100-4000 Гц. Источником сигнала являлось программное обеспечение на ПЭВМ - свободно распространяемый музыкальный редактор Audacity 1.3 Beta (Unicode). В качестве воспринимающего элемента сигнала-отклика использовался измерительный микрофон шумомера-виброметра ВШВ 003-М2. Приемником сигнала-отклика являлся другой персональный компьютер, на котором с помощью того же программного обеспечения производилась его запись.
2
В качестве исследуемой конструкции взята резонаторная сотовая конструкция толщиной 33,5 мм, общей площадью 1,5 м, с диаметром перфорации 12,1 мм, размером шестигранной ячейки «под ключ» 21 мм.
Выполнение измерений осуществлялось следующим образом.
Сформированный тестовый сигнал через усилитель подавался во внутреннее пространство пустой реверберационной камеры через громкоговоритель. Микрофоном, закрепленным в центре передней стенки камеры, сигнал-отклик воспринимался. Одновременно сигнал-отклик камеры записывался на персональный компьютер.
На внутреннюю поверхность фронтальной стенки камеры крепился исследуемый образец. В центр образца заподлицо с его поверхностью вставлялся измерительный микрофон, с помощью которого сигнал-отклик воспринимался и одновременно записывался на персональном компьютере.
Следующим этапом являлось получение импульсного отклика реверберационной камеры. Его суть заключается в осуществлении свертки записанных сигналов-откликов с инвертированным по времени входным тестовым сигналом. Записанных сигналов-откликов всего два: первый получен для пустой камеры, второй - для камеры с образцом.
60
Полученные импульсные отклики фильтровались с помощью полосовых фильтров в 1/9 октавных полосах, число которых зависит от рабочего диапазона частот, на которых производятся измерения, и в данном случае оно равнялось 45. Далее строилась огибающая для каждого импульсного отклика в отдельной 1/9 октавной полосе, по которой определялось время реверберации Т, то есть то время, за которое уровень звукового давления уменьшался на 60 дБ. Использовались импульсные отклики, полученные как для пустой камеры, так и для камеры с образцом. Поскольку огибающая импульсного отклика представляет собой непрямую линию, то производилась ее аппроксимация прямой линией с помощью метода наименьших квадратов.
Далее производилось вычисление коэффициента звукопоглощения исследуемого материала в каждой 1/9 октавной полосе с помощью формулы
2
2
0
где S=9,5 м; S=1,5 м; λ - параметр, вычисляемый как
,
0
1
Т - время реверберации в пустой камере, с; Т - время реверберации в камере с образцом, с.
Для определения коэффициента звукопоглощения в более широкой частотной полосе производилось усреднение полученных коэффициентов звукопоглощения для трех смежных 1/9 октавных полос.
После этого с использованием тех же импульсных откликов и с использованием той же формулы (1) выполнялась оценка звукопоглощения в 1/3 октавных полосах без усреднения. Вычисленные значения коэффициентов звукопоглощения для двух случаев представлены в таблице.
Далее выполнялось сравнение значений коэффициентов звукопоглощения, представленное таблицей и фиг.2. В таблице отображено сравнение значений коэффициентов звукопоглощения, полученных с помощью усреднения для каждых трех смежных 1/9 октавных полос (колонка 4) и 1/3 октавных полос (колонка 5). Относительная ошибка измерений определялась по формуле
где  - коэффициент звукопоглощения для 1/3 октавной полосы;  - коэффициент звукопоглощения, полученный усреднением трех смежных 1/9 октавных полос.
Из таблицы видно, что при увеличении частоты увеличивается степень сходимости коэффициентов звукопоглощения, полученных двумя методами. Но отклонения в оценках коэффициентов звукопоглощения, выраженные в относительной погрешности больше чем 10%, начиная с частоты 400 Гц, указывают на существование выраженных резонансных пиков поглощения.
На фиг.2 жирной линией показан график коэффициентов звукопоглощения, полученный изложенным способом, тонкой линией - график коэффициентов звукопоглощения, полученных для 1/3 октавных полос без усреднения.
Из графика по фиг.2 видно, что в случае использования усреднения коэффициентов звукопоглощения по трем смежным 1/9 октавным полосам резонансное звукопоглощение проявляется более отчетливо и позволяет существенно повысить точность его выявления, например, для резонансных звукопоглощающих материалов (за счет повышения крутизны амплитудно-частотной характеристики фильтра).
Использование способа определения коэффициента звукопоглощения материалов позволяет с необходимой точностью определить коэффициенты звукопоглощения материалов, выявить существование резонансного звукопоглощения, и в конечном итоге в целом оценить эффективность звукопоглощения для использования их в целях приведения акустической обстановки помещений в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями.
Способ определения коэффициентов звукопоглощения материалов
Точки к фиг.2
Среднегеометрические частоты 1/9-октавных полос, Гц
Коэффициент звукопоглощения, рассчитанный по 1/9-октавным полосам
Коэффициент звукопоглощения, полученный усреднением
Коэффициент звукопоглощения, рассчитанный по 1/3 октавным полосам
Относительная ошибка, % (по формуле (2))
1
2
3
4
5
6
146
0,043
1
160
0,057
0,057
0,041
39,7
171
0,071
184
0,080
2
200
0,086
0,072
0,052
39,6
215
0,051
232
0,040
3
250
0,042
0,046
0,028
62,9
271
0,055
292
0,143
4
315
0,159
0,112
0,152
26,2
341
0,034
368
0,034
5
400
0,036
0,023
0,026
10,0
429
0,000
464
0,122
6
500
0,101
0,163
0,126
29,5
541
0,125
584
0,114
7
630
0,179
0,129
0,134
3,8
681
0,093
735
0,146
8
800
0,211
0,159
0,239
33,5
857
0,217
926
0,417
9
1000
0,408
0,404
0,398
1,4
1079
0,386
1165
0,587
10
1250
0,381
0,498
0,487
2,1
1359
0,525
1467
0,411
11
1600
0,383
0,364
0,434
16,0
1711
0,299
1847
0,351
12
2000
0,354
0,402
0,418
3,8
2154
0,502
2326
0,360
13
2500
0,339
0,341
0,356
4,3
2712
0,323
2928
0,420
14
2150
0,394
0,419
0,421
0,3
3414
0,444
3686
0,454
15
4000
0,501
0,484
0,470
2,9
4298
0,496