АКУСТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР
ACOUSTIC INTERFEROMETER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области измерительной техники и может применяться в строительной и архитектурной акустике, а также машиностроении для определения акустических характеристик различных конструкций, в том числе при высоких уровнях звукового давления.
Уровень техники
Известен акустический интерферометр, работающий в условиях нормально падающих волн (патент SU №758239 А1 от 23.08.1980 г., G10L 1/02), содержащий металлическую трубу, на одном из ее концов установлена обойма для размещения испытуемого образца. Внутри обоймы размещен поршень для поджатая образца.
Недостатком известного интерферометра является отсутствие контроля силы поджатая образца.
Известен акустический интерферометр, работающий в условиях нормально падающих волн (патент RU №2117283 С1 от 10.08.1998 г., G10L 1/02), содержащий металлическую трубу, на один из ее концов одета съемная обойма, в которую устанавливается испытуемый образец. Внутри обоймы размещен поршень для поджатая образца, перемещаемый с помощью регулировочных винтов, находящихся с внешней стороны обоймы.
Недостатком известного интерферометра является отсутствие контроля силы поджатая образца.
Известен акустический интерферометр (патент SU №1613874 А1 от 15.12.1990 г., G01H 3/00, 15/00), содержащий металлическую трубу, на одном из ее концов установлена обойма для размещения испытуемого образца. Внутри обоймы размещен жесткий поршень для фиксации образца в определенном положении.
Недостатком известного интерферометра является отсутствие контроля силы поджатия образца.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является интерферометр с нормальным падением волн [1, 2], имеющий импедансную трубу, в стенки которой заподлицо с каналом установлены микрофоны, с одной стороны которой крепится динамик, а с другой - обойма, в которую устанавливается испытуемый образец. Внутри обоймы размещено опорное кольцо и поршень для поджатия образца к опорному кольцу. Для жесткой фиксации поршня он поджимается опорными винтами, установленными снаружи и проходящими сквозь стенки обоймы в направлении перпендикулярном к оси поршня. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: импедансная труба, закрепленные к ней один или несколько микрофонов и динамиков; на одном конце импедансной трубы размещена обойма для установки в ней испытуемого образца; внутри обоймы размещены опорное кольцо и подвижный поршень со штоком для поджатия образца к опорному кольцу.
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является отсутствие контроля силы поджатия образца.
Раскрытие сущности изобретения
Проведение измерений в интерферометрах при разных величинах характеристик окружающей среды (температура, атмосферное давление) приводит к наличию разбросов в получаемых акустических характеристиках испытуемых образцов, что особенно сильно проявляется на высоких частотах. Частично снизить величины разбросов можно за счет обеспечения контроля усилия поджатия испытуемого образца.
Таким образом, задачей изобретения является создание конструкции акустического интерферометра с контролем усилия поджатия испытуемого образца, для снижения разбросов акустических характеристик (импеданс, коэффициент звукопоглощения) образца, получаемых на основе измерений в интерферометре.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известном акустическом интерферометре, содержащем импедансную трубу, с закрепленными к ней одним или несколькими микрофонами и динамиками, обоймой для установки в ней испытуемого образца, закрепленной к импедансной трубе на одном конце, и размещенными внутри обоймы опорным кольцом и подвижным поршнем со штоком для поджатия образца к опорному кольцу, согласно изобретению шток поршня вставлен в пневматический цилиндр, соединенный с блоком регулирования давления, выполненным с возможностью управления подачей воздуха в пневматический цилиндр и выпуском воздуха из него.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - установка штока поршня в пневматический цилиндр, соединенный с блоком регулирования давления; блок регулирования давления выполнен с возможностью управления подачей воздуха в пневматический цилиндр и выпуском воздуха из него.
Отличительные признаки устройства в совокупности с известными признаками позволяют осуществлять контроль усилия поджатия испытуемого образца, что обеспечит снижение разбросов акустических характеристик (импеданс, коэффициент звукопоглощения) образца, получаемых на основе измерений в интерферометре.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков акустического интерферометра с получением указанного технического результата.
Акустический интерферометр иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-6.
На фиг. 1 представлен акустический интерферометр.
На фиг. 2 - конструкция обоймы с пневматическим цилиндром.
На фиг. 3 - схема блока регулирования давления.
На фиг. 4 и 5 представлены акустические характеристики, полученные по 10 измерениям одного и того же образца ЗПК резонансного типа, проведенным на интерферометре-прототипе и заявляемом акустическом интерферометре соответственно в 10 разных дней в течение полугода при разных величинах характеристик окружающей среды (определения акустических характеристик проводились в соответствии со стандартизированным методом передаточной функции [4]).
На фиг. 6 представлены результаты сравнения разбросов акустических характеристик, полученных по 10 измерениям одного и того же образца ЗПК резонансного типа, проведенным на интерферометре-прототипе и заявляемом акустическом интерферометре.
Акустический интерферометр (фиг. 1) представляет собой импедансную трубу 1, к которой закреплены один или несколько микрофонов 2 и динамиков 3. Количество микрофонов 2 и динамиков 3 может быть разным, в зависимости от необходимости обеспечить нужный частотный диапазон работы интерферометра и уровней звукового давления в импедансной трубе 1. Микрофон или микрофоны 2 могут быть установлены в стенки импедансной трубы 1 заподлицо с каналом (фиг. 1) или внутри канала. Динамик или динамики 3 могут быть закреплены с одного конца трубы или присоединены к импедансной трубе 1 посредством дополнительных каналов.
С другого конца к импедансной трубе 1 присоединена обойма 4 для установки в ней испытуемого образца 5 (фиг. 2). Внутри обоймы 4 с одного конца размещен поршень 6 для поджатия образца 5 и с другого конца опорное кольцо 7, упирающееся в импедансную трубу 1 (фиг. 2).
Посадка поршня 6 в обойму 4 осуществляется за счет уплотнительных колец 8 (о-ринги). В поршень 6 вкручен шток 9. Шток 9 вставлен в пневматический цилиндр 10. Для подачи и выпуска воздуха из пневматического цилиндра 10 в нем имеются каналы 11 и 12, соединенные друг с другом через полость 13 и зазор 14. Для плавности хода штока в канал 12 вставлен регулируемый дроссель 15. Пневматический цилиндр 10 вкручен в торцевую заглушку 16, которая закреплена в обойме 4 с помощью фиксирующего винта 17. Пневматический цилиндр 10 соединен с блоком регулирования давления 18, внешний вид которого представлен на фиг. 1.
Блок регулирования давления 18 предназначен для управления подачей воздуха под давлением в пневматический цилиндр 10 и выпуском воздуха из пневматического цилиндра. Блок регулирования давления 18 содержит распределитель с ручным управлением 19 (фиг. 3), цифровой манометр 20, регулятор давления прецизионный 21, и глушители 22, 23 для тихого стравливания давления из пневматической линии. К блоку регулирования давления подключен компрессор 24.
Устройство работает следующим образом.
В обойму 4 устанавливается образец 5 и опорное кольцо 7. Обойма 4 надевается на импедансную трубу 1 и опорное кольцо 7 упирается в торец импедансной трубы 1. От компрессора 24 в блок регулирования давления 18 подается сжатый воздух. Регулятором давления прецизионным 21 задается нужный уровень давления воздуха в пневматической линии, который отображается на цифровом манометре 20. Включением распределителя 19 воздух из блока регулирования давления 18 поступает в канал 11 пневматического цилиндра 10 и давит на торец штока 9, в результате чего поршень 6, соединенный со штоком 9, поджимает образец 5. При этом воздух из полости 13 движется через зазор 14 в канал 12 и через регулируемый дроссель 15 выдавливается в блок регулирования давления 18, где стравливается через глушители 22, 23. Данное решение обеспечивает плавность хода поршня, чтобы он не ударял по образцу 5 при поджатии.
После поджатия образца дальнейшая работа интерферометра стандартна: динамик 3 облучает образец 5 заданным звуковым сигналом, микрофоны 2 измеряют акустическое давление в заданных точках канала, измеренное акустическое давление обрабатывается по определенной математической процедуре [3], в результате чего находятся акустические характеристики образца.
Для отжатия поршня 6 от образца 5 переключается распределитель 19, в результате чего воздух из блока регулирования давления 18 поступает через дроссель 15 в канал 12 пневматического цилиндра 10, откуда через зазор 14 движется в полость 13 и давит на обратную сторону штока 9. При этом воздух из полости 13 через канал И выдавливается в блок регулирования давления 18, где стравливается через глушители 22, 23.
Пример выполнения устройства
Изготовленный интерферометр представлен на фиг. 1.
Для генерации звука в интерферометре используется динамик JBL Selenium D408 Ti.
Импедансная труба, изготовлена из стали и имеет толщину стенок 13.5 мм, что обеспечивает необходимую жесткость стенок при высоких уровнях звукового давления (160 дБ). Канал трубы имеет круглое сечение диаметром 30 мм.
Для измерений акустического давления в канале трубы используется два четвертьдюймовых микрофона Brael & Kjaer 4944.
Обойма под образец, вставленная в нее торцевая заглушка, а также поршень и опорное кольцо изготовлены из стали.
В качестве пневматического цилиндра используется миницилиндр Camozzi 16N2A12A060.
Блок регулирования давлением представляет собой металлическую коробку из листового металла, в которой установлены: распределитель с ручным управлением Camozzi 358-900; цифровой манометр Camozzi PG010-РВ-1/8; регулятор давления прецизионный Camozzi M004-R15. Также внутри блока установлено два глушителя 2921 G1/8 для тихого стравливания давления из пневматической линии.
В достижении технического результата можно убедиться, сравнив разбросы акустических характеристик, полученные по 10 измерениям одного и того же образца звукопоглощающей конструкции (ЗПК) резонансного типа, проведенным на интерферометре-прототипе и на заявляемом акустическом интерферометре в 10 разных дней в течение полугода при разных величинах характеристик окружающей среды. Акустические характеристики образца ЗПК (определялись в соответствии со стандартизированным методом передаточной функции [4]), полученные по измерениям на интерферометре-прототипе, представлены на фиг. 4. Акустические характеристики образца ЗПК, полученные по измерениям на заявляемом акустическом интерферометре, представлены на фиг. 5.
Разбросы определялись по известной формуле для среднеквадратического отклонения [5]:
где x(ƒ) - акустическая характеристика на рассматриваемой частоте ƒ;  - осредненная по числу испытаний акустическая характеристика на рассматриваемой частоте ƒ; n - число испытаний. Результаты сравнения разбросов представлены на фиг. 6. Видно, что заявляемый акустический интерферометр обеспечивает меньший разброс акустических характеристик по сравнению с интерферометром-прототипом.
Преимущество изобретения состоит в том, что возможность контроля усилия поджатия испытуемого образца снижает разброс акустических характеристик (импеданс, коэффициент звукопоглощения) образца, получаемых на основе измерений в интерферометре.
Список использованных источников
1. Кустов О.Ю., Пальчиковский В.В. Интерферометр для высоких уровней акустического давления // Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации. - 2015. - Т. 1. - С. 157-160.
2. Федотов Е.С., Кустов О.Ю., Храмцов И.В., Пальчиковский В.В. Сравнительный анализ акустических интерферометров на основе расчетно-экспериментальных исследований образцов звукопоглощающих конструкций // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. - 2017. - №48. - С. 89-103.
3. Комкин А.И. Методы измерения акустических характеристик звукопоглощающих материалов // Измерительная техника. - 2003. - №3. - С. 47-50.
4. ISO 10534-2:1998. Acoustics - determination of sound absorption coefficient and impedance in impedances tubes - part 2: Transfer-function method, 1998.
5. ГОСТ P 50779.22-2005 Статистические методы. Статистическое представление данных. Точечная оценка и доверительный интервал для среднего.