Спосіб визначення коефіцієнтів звукопоглинання матеріалів
Власники патенту UA 2431137:
Винахід спрямовано підвищення точності визначення коефіцієнтів звукопоглинання матеріалів. Зазначена задача досягається тим, що визначення коефіцієнтів звукопоглинання виробляють за допомогою створення звукового поля детермінованим сигналом у порожній камері та камері з досліджуваним матеріалом. Далі здійснюють запис сигналів-відгуків з наступним обчисленням імпульсних відгуків, їх фільтрацією, визначенням часу згасання рівня звукового тиску та обчисленням коефіцієнтів звукопоглинання досліджуваного матеріалу. При цьому як детермінований сигнал використовується сигнал з експоненційно зростаючою частотою, а обчислення коефіцієнтів звукопоглинання за часом реверберації в порожній камері і в камері з матеріалом виробляють робочого частотного діапазону в 1/9 октавних смугах з подальшим усередненням трьох значень суміжних смуг. 2 іл.
Винахід відноситься до галузі визначення однієї з основних характеристик будівельних матеріалів - коефіцієнта їх звукопоглинання, і може бути використане як для матеріалів, які не мають резонансного звукопоглинання, так і для матеріалів з вираженими резонансними звукопоглинаючими властивостями.
В даний час відомий спосіб визначення коефіцієнта звукопоглинання будівельних матеріалів в ревербераційній камері (Лопашев Д.З., Осипов Г.Л., Федосєєва Є.М. Методи вимірювання та нормування шумових характеристик. - М.: Видавництво стандартів, 1983. - 232 с ., стор.219-223) в діапазоні частот 100-5000 Гц, а також описаний у підручнику Jens Blauert, Ning Xiang, Acoustic for Engineers - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008. - 231 pp. - PP.172-174, для реалізації яких акустичний тиск у камерах створюють за допомогою гучномовців. Здопомогою генератора сигналів у приміщенні збуджується білий шум протягом певного часу, доки не встановиться стаціонарний рівень звукового тиску по всьому просторі. Потім джерело звуку вимикається і рівень звукового тиску записується як амплітудно-часового спектру, після обробки якого аналітично обчислюють коефіцієнт звукопоглинання.
Недоліком відомих способів є неточність визначення моментів часу, відповідних початку і кінцю часу згасання амплітудно-часового спектру реверберації, особливо в низькочастотному інтервалі. Це призводить до підвищеної помилки у визначенні часу реверберації, а в подальшому і помилки визначення коефіцієнта звукопоглинання досліджуваного матеріалу, що обчислюється аналітично.
Відомий спосіб для вимірювання звукопоглинання театрального крісла в камері реверберації (патент US №5465469), прийнятий в якості прототипу. Спосіб заснований на обробці сигналу-відгуку на ревербераційної камери, що подаються в простір, коротких звукових імпульсів. При цьому здійснюється усереднення великої кількості імпульсів (тональних посилок) для двох випадків: для порожньої камери та зайнятої об'єктами, що досліджуються (театральними кріслами). Як для порожньої камери, так і для камери з театральними кріслами, що знаходяться в ній, в результаті отримують імпульсні відгуки, які використовуються для обчислення часу реверберації. Далі коефіцієнт звукопоглинання (м 2 /крісло) обчислюється за допомогою аналітичної формули за певних часів реверберації у відповідних октавних смугах.
Недоліком відомого способу є низька точність визначення коефіцієнтів звукопоглинання через недостатню кількість виміряних значень часу реверберації, рівних числу 1/1 октавних смугсередньогеометричними частотами 125-4000 Гц. Це не дозволяє оцінити величину звукопоглинання у вужчих октавних смугах для будівельних матеріалів, зокрема мають резонансні піки звукопоглинання (наприклад, резонансні конструкції). Істотним недоліком є і те, що збудження об'єкта здійснюється імпульсними сигналами через гучномовець. Окремі сигнали не задовольняють умові дифузності звукового поля у внутрішньому просторі камери, що викликає необхідність подальшого усереднення великої кількості імпульсів, отже, призводить до підвищення трудомісткості та неточності оцінки коефіцієнтів звукопоглинання.
Завданням винаходу є підвищення точності визначення коефіцієнтів звукопоглинання матеріалів.
Поставлена задача досягається тим, що визначення коефіцієнтів звукопоглинання виробляють за допомогою створення звукового поля детермінованим сигналом у порожній камері та камері з досліджуваним матеріалом. Далі здійснюють запис сигналів-відгуків з подальшим обчисленням імпульсних відгуків, їх фільтрації, визначення часу загасання рівня звукового тиску та обчислення коефіцієнтів звукопоглинання досліджуваного матеріалу. При цьому як детермінований сигнал використовується сигнал з експоненційно зростаючою частотою, а обчислення коефіцієнтів звукопоглинання за часом реверберації в порожній камері і в камері з матеріалом виробляють робочого частотного діапазону в 1/9 октавних смугах з подальшим усередненням трьох значень суміжних смуг.
Сутність заявленого рішення може бути пояснена в такий спосіб.
При проведенні досліджень як вхідний сигнал використовують сигнал з експоненційно зростаючою частотою, після цифрової обробки якого отримують імпульснийвідгук ревербераційної камери. Спочатку обчислюють імпульсний відгук у порожній камері, потім обчислюють імпульсний відгук у камері з матеріалом, що досліджується. Далі імпульсні відгуки аналізують 1/9 октавними смуговими фільтрами з наступним визначенням часу реверберації, як для порожньої камери, так і для камери зі зразком. Використання 1/9 октавних смугових фільтрів дає згодом більш точну оцінку коефіцієнтів звукопоглинання в 1/3 октавних смугах у зв'язку з їх крутішою амплітудно-частотною характеристикою порівняно з амплітудно-частотною характеристикою 1/3 октавних смугових фільтрів. Використовується позитивний ефект підвищення крутизни амплітудно-частотної характеристики фільтра, графічно зображений на фіг.1, на якому цифрою 1 показана амплітудно-частотна характеристика 1/3 октавного фільтра з середньогеометричною частотою 400 Гц, а цифрою 2 - амплітудно1 фільтрів із середньогеометричними частотами відповідно 368, 400 та 429 Гц.
Обчислення коефіцієнта звукопоглинання досліджуваного матеріалу в 1/9 октавної смуги здійснюють за допомогою формули
де S - площа внутрішніх поверхонь камери, м 2; S0 - площа зразка, м 2; λ - параметр, що обчислюється як
,
Т0 - час реверберації в порожній камері; Т1 – час реверберації в камері із зразком, с.
Для визначення коефіцієнта звукопоглинання у ширшій частотній смузі проводиться усереднення отриманих коефіцієнтів звукопоглинання для трьох суміжних 1/9 октавних смуг, у результаті будується графік залежності «коефіцієнт звукопоглинання - 1/3 октавні смуги».
Приклад конкретної реалізації способу
Для розрахунку коефіцієнтів звукопоглинання використовувалося таке устаткування:ревербераційна камера, джерело тестового сигналу (програмне забезпечення на персональному комп'ютері), підсилювач сигналу, гучномовець для випромінювання сигналу у внутрішній простір камери, вимірювальний мікрофон для запису сигналу-відгуку, досліджуваний зразок матеріалу, програмне забезпечення для запису сигналу-відгуку та його обробки.
Як досліджувана конструкція взята резонаторна стільникова конструкція товщиною 33,5 мм, загальною площею 1,5 м 2 з діаметром перфорації 12,1 мм, розміром шестигранної комірки «під ключ» 21 мм.
Виконання вимірювань здійснювалося в такий спосіб.
Сформований тестовий сигнал через підсилювач подавався у внутрішній простір порожньої камери реверберації через гучномовець. Мікрофон, закріплений в центрі передньої стінки камери, сигнал-відгук сприймався. Одночасно сигнал-відгук камери записувався на персональний комп'ютер.
На внутрішню поверхню передньої стінки камери кріпився досліджуваний зразок. У центр зразка урівень з його поверхнею вставлявся вимірювальний мікрофон, за допомогою якого сигнал-відгук сприймався і одночасно записувався на персональному комп'ютері.
Наступним етапом було отримання імпульсного відгуку ревербераційної камери. Його суть полягає у здійсненні згортки записаних сигналів-відгуків з інвертованим за часом вхідним тестовим сигналом. Записаних сигналів-відгуків всього два: перший отримано для порожньої камери, другий - для камери із зразком.
Отримані імпульсні відгуки фільтрувалися за допомогою смугових фільтрів у 1/9 октавних смугах, кількість яких залежить від робочого діапазону частот, на яких виробляються вимірювання, і в даному випадку воно дорівнювало 45. Далі будувалася огинаюча для кожного імпульсноговідгуку в окремій 1/9 октавної смузі, якою визначався час реверберації Т60, тобто той час, за який рівень звукового тиску зменшувався на 60 дБ. Використовувалися імпульсні відгуки, отримані як порожній камери, так камери зі зразком. Оскільки огинаюча імпульсного відгуку є непрямою лінією, то проводилася її апроксимація прямою лінією за допомогою методу найменших квадратів.
Далі проводилося обчислення коефіцієнта звукопоглинання досліджуваного матеріалу в кожній 1/9 октавної смуги за допомогою формули
де S = 9,5 м 2; S0 = 1,5 м 2; λ - параметр, що обчислюється як
,
Т0 - час реверберації в порожній камері; Т1 – час реверберації в камері із зразком, с.
Для визначення коефіцієнта звукопоглинання у ширшій частотній смузі вироблялося усереднення отриманих коефіцієнтів звукопоглинання трьох суміжних 1/9 октавних смуг.
Після цього з використанням тих самих імпульсних відгуків та з використанням тієї ж формули (1) виконувалася оцінка звукопоглинання в 1/3 октавних смугах без усереднення. Обчислені значення коефіцієнтів звукопоглинання для двох випадків представлені у таблиці.
Далі виконувалося порівняння значень коефіцієнтів звукопоглинання, представлене таблицею та фіг.2. У таблиці відображено порівняння значень коефіцієнтів звукопоглинання, отриманих за допомогою усереднення для кожних трьох суміжних 1/9 октавних смуг (колонка 4) та 1/3 октавних смуг (колонка 5). Відносна помилка вимірів визначалася за формулою
де - Коефіцієнт звукопоглинання для 1/3 октавної смуги; - Коефіцієнт звукопоглинання, отриманий усередненням трьох суміжних 1/9 октавних смуг.
З таблиці видно, що зі збільшенням частоти збільшується ступінь збіжностікоефіцієнтів звукопоглинання, одержаних двома методами. Але відхилення в оцінках коефіцієнтів звукопоглинання, виражені відносної похибки більше ніж 10%, починаючи з частоти 400 Гц, вказують на існування виражених резонансних піків поглинання.
На фіг.2 жирною лінією показаний графік коефіцієнтів звукопоглинання, отриманий викладеним способом, тонкою лінією - графік коефіцієнтів звукопоглинання, отриманих для 1/3 октавних смуг без усереднення.
З графіка на фіг.2 видно, що у разі використання усереднення коефіцієнтів звукопоглинання по трьох суміжних 1/9 октавних смуг резонансне звукопоглинання проявляється більш чітко і дозволяє істотно підвищити точність його виявлення, наприклад, для резонансних звукопоглинаючих матеріалів (за рахунок підвищення крутизни амплітудно-частотної) Показники фільтра).
Використання способу визначення коефіцієнта звукопоглинання матеріалів дозволяє з необхідною точністю визначити коефіцієнти звукопоглинання матеріалів, виявити існування резонансного звукопоглинання, і зрештою в цілому оцінити ефективність звукопоглинання для використання їх з метою приведення акустичної обстановки приміщень відповідно до санітарно-гігієнічних вимог.