汉航NTS.LAB STL 声传递损失测试与分析系统

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汉航NTS.LAB STL声传递损失测试与分析系统的特点与优势：

1、  对于排气消声器，优化声源和管路，使得在20-1000Hz均有良好测试效果，能精确测量的传递损失高达60dB以上。

2、  可定制多输入多输出情况下的测试系统，对于多输入多输出的排气管道，测量有多个消声单元时每个管道中消声器的传递损失特性。

3、  带有流速功能的测试系统，对于排气，可以提供大背压宽流速范围的传递损失测试。

4、  对于进气消声器和电子电气行业用消声器，可以定制化开发高频传递损失测试系统，最高频率可达12800Hz以上。

5、  对于大管径管路，需要测试较高频率的隔声消声器，可以定制多模态分解的传递损失测试系统。

6、  可以根据客户需求定制化开发测试系统，辅助客户开发进排气消声器。

7、  可提供完整的进排气消声器设计方案及相关技术咨询服务。

1引言

随着交通运输行业的高速发展，车辆给人们生活带来了便利性，但是随之产生的涡轮增压的进气噪音和各种内燃机汽车的排气噪音也同样给人们带来困扰，成为了全世界共同面对的社会问题。排气消声器是一种安装在内燃机排气管路中抑制声波传播的通气元件，是控制排气噪声的主要设备，因此测试消声器的声学参数是优化排气噪音的重要手段，而声传递损失测量是排气消声器的必须测试项目。对于汽车进气消声器，常用的有赫姆霍兹共振腔，波长管等消声单元，工程师采用三维有限元的方法能够较准确地计算这类消声单元的传递损失，但由于其制造材料通常为工程塑料，且能提供的空间有限或比较奇异，工程样件可能存在各种问题，通过传递损失的实际测试，可以验证仿真结果是否正确，同时结合仿真和测试结果，可以帮助判断工程样件制样过程中是否存在问题。对于排气消声器，常用为膨胀腔内穿孔管的迷路结构，采用三维有限元法计算量太大，工程常用的方法为GT Power的一维方法，相对计算精度低，需要结合传递损失测试进行验证。对于进气消声单元，当马赫数较小时（一般小于0.1），流速对传递损失的影响可以忽略，随着马赫数增加，流速的影响不可忽略。对于膨胀腔和穿孔管声学单元为基础的排气消声器，流速对声学消声特性影响明显，传递损失的测量需要带流速进行测试。

                              

图1 不同型号的排气消声器与安装在车上的消声器

图1 不同型号的排气消声器与安装在车上的消声器

2声传递损失的概念

当声音入射到隔声材料上时，一般会发生三种现象，如图2所示：

图2 声传播示意图

图2 声传播示意图

A.    声音被反射；

B.    声音被吸收；

C.    声音透射过去。

同样地，当由于排气引起的噪音通过排气消声器时，也会发生如上三种情况，基于此，引入声传递损失（Sound Transmission Loss，STL，或称TL）的概念。声传递损失是对声学元件能够阻隔多少声音能量进行量化，简单的说，就是定义声学单元的阻隔声能力。式（1.1）为TL的数学定义，当末端无反射声进入声学单元时，声学单元的入射声功率级LW1与透射声功率级LW2的差值：

公式（1.1）

声传递损失是与频率相关的函数，声学元件的隔声性能随频率的变化有很大的差异，如下图3所示：

图3 声传递损失曲线

图3 声传递损失曲线

此款消声器的TL值随频率的变化显著，在某些频率处入射噪声可降低10dB，如900Hz左右；在某些频率点能量几乎没有衰减，如1200Hz左右。由此可见，工程师需准确把握消声器的声传递损失，为设计、生产出合格的消声器提供试验数据及设计参考。

3用NTS.LAB STL系统测量声传递损失

NTS.LAB STL声传递损失测试模块，具有多种测试标准，可对材料各种声学参数进行测试，具体举例如下：

3.1 ISO10534-2/ASTM1050-12

阻抗管由声源、声源筒、试件筒三个部分组成。声源可以产生稳定的宽带随机信号，声源筒使声源与样品之间产生平面波，使测量传声器在平面波场中。声源产生的声波作用到样品上，部分能量被吸收，部分能量会被反射，两个测量传声器上实际测量到的声压为入射声压加上反射声压。计算两个传声器的传递函数，可以计算出反射系数、吸声系数和声阻抗率等声学量。

图4 阻抗管示意图：2传声器

图4 阻抗管示意图：2传声器

3.2 ASTM2611-17

在阻抗管中用四个传声器法测试声学材料的隔声量，通过将测试样件安装在管中，激励源产生平面波，在前管（传声筒）靠近样品的两个位置测试声压，求得两个传声器信号的声压传递函数。同样在后管（受声筒）靠近样品的两个位置上测量声压，求得两个传声器信号的声压传递函数，由传递矩阵法计算试件的法向入射透射系数、声传递损失等声学量。

图5 阻抗管示意图：4传声器

图5 阻抗管示意图：4传声器

4阻抗管测量声传递损失原理

传递矩阵反映材料及结构固有物理特性，不随管道末端条件的改变而改变。将管道末端假设为消声端，定义传递矩阵各元素，当末端不是消声终端而是存在反射时，传递矩阵不变，由此得到一般情况(末端有反射)下的测量理论。根据这个理论，测量样品前后四个传声器之间的传递函数，即可计算样品的透射系数和反射系数，测量装置示意图如图5所示。

阻抗管测量材料隔声量方法根据测量原理不同可分为：双负载法和单次测量法，下文具体介绍这两种测量方法。

4.1双负载法：

对于前后两面性质不同的材料，采用两次测量法，即双负载法。传递矩阵涉及声压及质点速度，为得到四个不相关的等式，第二次测量时的管道末端阻抗应与第一次测量时不同。当阻抗管内只有平面波进行传播，传声管内的声压表达式为：

公式（4.1）

相似地，受声管内声压表达式为：

公式（4.2）

式中P1，P2，P3，P4分别为传声筒和受声筒入射和反射复声压幅值，k为波数，且各个声压幅值具有如下关系：

公式（4.3）

双负载法有两次测量结果，计算出传递矩阵，根据声传递损失定义即可计算出该声学参数。

公式（4.4）

其中h为试件厚度，ρc为空气密度和声速。

4.2单次测量法：

对于两面声学性能相同的样品，存在如下等式：

公式（4.5）

公式（4.6）

该方法只采用一次测量即可得到试验件的声传递损失。然而此方法精度不高，一般难以用于消声器测试。

5应用案例

排气消声器现场环境下的整机测试成本较高，耗费较多的人力和物力，因此设计实验室环境下的消声器排气系统试验台架势在必行。消声器排气系统试验台能有效模拟发动机的排气系统，可以对各种结构的消声器进行声学性能和气体动力学性能测试，且操作简单方便，极大降低了现场测试的费用。对于排气消声器，推荐双声源方法，否则大消声量的测试结果可能不够准确。

5.1测试系统介绍与测试台架案例

该试验系统是由汉航NTS.LAB STL声传递损失测试软件、汉航Hunter Box采集前端、气源、稳流箱、流量计、声源、声学元件实验测量段、测试麦克风、声学元件前后不同量程电子压力测量仪及末端消声器结构组成，下图6、图7为方案设计与实物图。

图6 方案设计示例

图6 方案设计示例

图7 台架实物图示例

图7 台架实物图示例

此实验系统是一种多用途台架，可进行无流速情况下不同结构消声器的声学性能实验，也可进行有流速情况下消声器的声学测量；可以通过调节压缩空气的流量以及压力，测量不同流速下消声器的声学性能和气体动力学性能，同时可以对穿孔管、插管、共振器等消声元件进行气动噪声测试。

l 定制SD稳流箱：

在气源进气口处设置稳流箱，来降低压缩空气的进气噪声，以便降低测试管路中由于压缩空气进气时产生的背景噪声，提高测量精度；同时为避免气流冲击对后端测试系统高精度零部件的损坏，箱体内设有U型缓冲装置，整体消音可达26dB。

图8 进出口声压量级对比

图8 进出口声压量级对比

l 隔声箱：

1)      安装万向轮便于移动，也可定制可伸缩支架。

2)      扬声器后侧做50mm纳米棉吸声，防止干涉。

3)      考虑到扬声器指向性和声场均匀性，将障板倾向放置，增大声压、均匀声场。

4)      出气方向做减缩处理，利用声能汇聚、减小压损。

l 阻抗管：

1)      阻抗管的管壁以轻质铝合金材料制成，壁厚10mm，避免高频声振耦合而发生共振。

2)      管壁的内表面平滑且无缝隙，定制设计的传声器安装夹具可以确保传声器在管壁表面齐平安装，同时实现有效的密封防止漏声。

3)      阻抗管的声源位置有特殊设计，可以有效抑制高阶声模态的产生，使得管道内部更好的满足平面波条件，同时确保各频率有足够的声能量。

4)      阻抗管试验段可拆卸，配备不同的连接单元和夹具，适用不同尺寸的排气消声器。

5)      传声筒和受声筒分别设置3个传声器孔位，适用于不同低频段的传递损失测量，保证数据可靠性。

图9 阻抗管

图9 阻抗管

6)      改进的传声器校准方法，一次测量全部校准，同时提高校准效率和测量精度。

l  定制尾端高性能消声装置：对传递过来的声音具有高达22dB的消声能力，提高测试精度并减少噪声污染。

图10 消声装置进出口声压级对比

图10 消声装置进出口声压级对比

l  高精度流量计：调节进口流量大小，考察流量大小对消声器声学性能的影响。

l  电子压力测量仪：用于测试消声器前后段的压力，计算消声器的压损特性。

5.2案例测试结果

图11为某款排气消声器的传递损失测试结果，可以看到随流速的变化，消声器传递损失也产生了显著变化。对于膨胀腔和穿孔管形式的消声器，流速的变化对于传递损失的影响明显，消声器传递损失的测试需要带流速进行测试。同时排气消声器压降高，需要提供大的压力流速装置。

图11 某排气消声器的传递损失随流速的变化

图11 某排气消声器的传递损失随流速的变化

图12是针对存在怠速噪声的某款车型进行排气消声器优化工作后，传递损失的测试和验证结果。测试结果表明，改进的消声器有效提高了低频的传递损失，消除了怠速下的噪音，也验证了优化设计。

图12 某车型排气消声器优化前后传递损失对比

图12 某车型排气消声器优化前后传递损失对比

图13为某进气消声器的传递损失测试结果和仿真结果对比，从图中可观察出两者的TL值存在显著差异。初步判断出现此现象的原因可能是第一个腔和第二个腔之间存在通孔，因此前两个峰消失合并为一个峰。为验证上述猜想进行了切样处理，结果验证了初步判断的正确性。后续对加工工艺进行了改进。最后改进试件的测量结果如图14所示，改进后的消声器测试值和理论值接近，同时一致性较好，整车实验消声效果符合车企要求。

图13 某进气消声器的传递损失测试结果和仿真结果对比(优化前)

图13 某进气消声器的传递损失测试结果和仿真结果对比(优化前)

图14 某进气消声器优化后的传递损失测试结果

图14 某进气消声器优化后的传递损失测试结果

图15 试件切样处理，验证了猜想

图15 试件切样处理，验证了猜想

6结论

消声器声学性能可以根据声传递损失来设计，利用汉航NTS.LAB STL声传递损失测试系统，测试消声器的传递损失进而得到准确的声学性能。工程师基于得到的试验数据，为设计、生产出合格的消声器提供试验数据参考，减小噪声控制风险和缩短项目开发周期，节约成本。

参考文献

[1]ISO 10534-2:1988 Acoustics—Determination ofsound absorption coefficient and impedance in impedance tubes-Part2：Transfer-function method.

[2]ASTM E1050-2: Standard Test Method for Impedance and Absorption of AcousticsMaterials Using a Tube, Two Microphones and a Digital Frequency AnalysisSystem.

[3]ASTM E2611-17: Standard Test Method for Normal Incidence Determination ofPorous Material Acoustics Properties Based on the Transfer Matrix Method.