Акустический интерферометр

 

Использование: в измерительной и испытательной технике для измерения коэффициента звукопоглощения и удельного акустического сопротивления (импеданса) различных испытываемых материалов при использовании принципа падения звуковой волны по методу стоячих волн. Сущность изобретения: акустический интерферометр имеет измененную конструкцию вместо дорогостоящего громкоговорителя, содержащего прецизионные отверстия в теле постоянного магнита и мембране, для прохождения через них акустического зонда применен недорогой громкоговоритель упрощенной конструкции, с введением зонда в измерительную трубу не со стороны коробки через отверстие в ее днище, а со стороны обоймы через отверстие, изготовленное в ней и испытываемом образце. Благодаря такой схеме конструктивного построения интерферометра устраняются паразитные вибрации зонда, влияющие на микрофон, вызываемые звучанием громкоговорителя, и связанные с этим погрешности измерений. 2 ил.

Изобретение относится к исследованиям и анализу материалов с помощью акустических волн, к технике измерения коэффициента звукопоглощения и удельного акустического сопротивления (импеданса) различных испытываемых материалов, а точнее к устройству акустического интерферометра, служащего для измерения акустических характеристик материалов при использовании принципа падения звуковой волны по методу стоячих волн.

Известен стандартный акустический интерферометр, представляющий собой металлическую трубу, прикрепленную к коробке, в которой размещен громкоговоритель со звуковой катушкой, получающей питание от генератора. Интерферометр содержит микрофонный зонд в виде трубки, который свободным концом вводится во внутрь металлической трубы через центральное отверстие в днище коробки, и специально изготовленные точные (прецизионные) отверстия в магните и мембране громкоговорителя и, располагаясь на центральной продольной оси внутри трубы, обладает возможностью перемещаться вдоль нее, приближаясь или удаляясь от обоймы, расположенной на другом конце трубы и предназначенной для размещения испытуемого образца. Закрепленный конец микрофонного зонда через диафрагму связан с микрофоном, расположенным на каретке, свободно перемещаемой по направляющей рейке с делениями, неподвижно соединенной с коробкой громкоговорителя. Образец испытываемого материала - диск круглой формы вставлен в обойму вплотную к жесткому поршню.

Для получения фиксированных показаний результатов проводимых испытаний в интерферометре присутствует анализатор, представленный селективным вольтметром (Г. Л. Осипов, Д. З. Лопашов, Е.Н.Федосеева. Акустические измерения в строительстве, М. 1978, с. 212). Приведенный стандартный акустический интерферометр позволяет работать в диапазоне акустических частот: 100-2000 Гц при длине металлической трубы 100 см.

Известный интерферометр ВНИИФТРИ имеет длину 7 м и внутреннее поперечное сечение 40х40 см. Диапазон частот интерферометра 40 Гц - 4 кГц. Используется он в основном для измерения коэффициента звукопоглощения клиновидных и плоских звукопоглощающих покрытий. Конструктивно и технологически интерферометр ВНИИФТРИ выполнен аналогично стандартному, описанному выше.

Среди аналогов рассматриваемых акустических интерферометров известен и интерферометр типа 4002 (акустическая труба Кундта) и его измерительно-информационная система, в состав которой входят генератор синусоидального сигнала 1023, измерительный усилитель 2606 и гетеродинный сопровождающий фильтр 2020 фирмы Брюль и Къер (см. "Каталог Брюль и Къер 1978/79 г.". Второе издание 1979/80 г. Дания). Он содержит состыкованный с металлической трубой специальный неподвижно установленный в коробке громкоговоритель со звуковой катушкой, с помощью которого создается в трубе звуковое поле. Микрофон с зондом, воспринимающим звуковые колебания, который последовательно свободно проходит через центральное отверстие в днище коробки, аксиальное отверстие громкоговорителя в измерительную трубу. В качестве опоры свободного конца зонда (внутри трубы) служит небольшая тележка (подвижный поддерживающий зонд элемент), а другой конец зонда поддерживает микрофонная тележка с акустической камерой, содержащей микрофон. Микрофонная тележка движется на рельсах и ее положение указывается на линейке с делениями.

Интерферометр фирмы Брюль и Къер позволяет работать в диапазонах частот: 90-1800 Гц (с большой трубой длиной 100 см) и 800-6500 Гц (с малой трубой длиной 280 мм).

Всем приведенным выше акустическим интерферометрам-аналогам присущи общие недостатки, а именно: наличие центрального отверстия в днище коробки, сложность конструкции и повышенная технология изготовления специального громкоговорителя, содержащего прецизионные аксиальные отверстия в теле постоянного магнита и мембране, к которой крепится конический диффузор громкоговорителя; нарушение целостности магнита и мембраны, приводящее к нежелательному искажению акустических характеристик, получаемого от громкоговорителя звукового поля внутри трубы.

Существенным недостатком описанных интерферометров является также наличие подвижного узла сочленения микрофонного зонда с диафрагмой микрофона, расположенного на микрофонной тележке, что приводит к снижению надежности работы интерферометра в целом, т.к. присутствует постоянный упор зонда, при движении тележки по рейке, непосредственно на диафрагму микрофона в месте сочленения с ней зонда. В результате этого отмечается интенсивный износ диафрагмы и выход ее из строя.

Ближайшим из рассмотренных аналогов по технической сущности к заявленному изобретению следует отнести интерферометр фирмы Брюль и Къер типа 4002 (акустическая труба Кундта) с информационно-измерительной системой, который можно принять за прототип.

Указанному прототипу присущи все недостатки, отмеченные выше.

Сложность конструкции прототипа обусловлена: необходимостью изготовления центрального отверстия в днище коробки и стыковки его при монтаже громкоговорителя в коробку с прецизионными отверстиями, выполненными в теле магнита и мембране громкоговорителя с тем, чтобы обеспечить свободный ввод микрофонного зонда через три указанных отверстия во внутрь металлической трубы; сложностью конструкции специально изготовленного для сборки интерферометра громкоговорителя, содержащего необходимые прецизионные отверстия в теле постоянного магнита и мембране, так как использование в существующей конструкции прототипа стандартного, серийно выпускаемого громкоговорителя с электрическими акустическими параметрами, аналогичными специальному, не представляется возможным из-за принятых при его реализации особенностей структуры построения, а именно, введения зонда во внутрь металлической трубы не со стороны обоймы, как это предлагается выполнить в новом техническом решении, а со стороны коробки, что обеспечить труднее.

Что касается технологии изготовления интерферометра, то здесь уместно отметить следующее.

Изготовление центрального отверстия в обойме интерферометра в предлагаемом техническом решении, в отличие от изготовления центрального отверстия в коробке прототипа, не требует дальнейшей стыковки его с прецизионными отверстиями в теле постоянного магнита и мембране серийно выпускаемого стандартного громкоговорителя. А изготовление отверстия в испытываемом образце диаметром чуть большим диаметра микрофонного зонда, в предлагаемом техническом решении выполняется довольно просто с обеспечением лишь требования свободного прохода через него трубки зонда.

Отмеченными особенностями, присущими интерферометру в заявляемом техническом решении, объясняется простота его изготовления и сборки.

Изготовление и использование в интерферометре стандартного громкоговорителя в отличие от специального, содержащего прецизионные отверстия в теле постоянного магнита и мембране, выполнить технологически без использования высокоточного станочного оборудования и вспомогательной технологической оснастки, значительно проще и менее трудоемко, а значит и дешевле.

Повышенная же стоимость изготовления специального громкоговорителя прототипа, сопряженная с использованием сложной технологии по сравнению с упрощенной, имеющей место при изготовлении серийно выпускаемого стандартного громкоговорителя, в конечном счете влияет на повышение стоимости самого интерферометра, в состав которого он входит.

И, наконец, кроме отмеченных выше недостатков, присущих прототипу, следует указать и еще на один, связанный с изготовлением специального громкоговорителя, состоящий в нарушении целостности магнитопровода постоянного магнита, обусловленной изготовлением отверстия для свободного прохода через магнитопровод микрофонного зонда. Воздушное пространство отверстия в магнитопроводе постоянного магнита приводит к рассеиванию магнитного потока, в результате этого снижается напряженность магнитного поля магнитопровода и, в конечном итоге, наблюдается снижение стандартного звукового давления (чувствительности громкоговорителя). Поэтому, чтобы получить от специального громкоговорителя, содержащего центральное отверстие для зонда, параметры, аналогичные параметрам громкоговорителя, не содержащего такого отверстия, т. е. стандартного, магнитопровод специального громкоговорителя выполняют больших размеров, а это приводит к повышенным затратам дорогостоящего высококачественного сплава с примесями кобальта и других металлов, а значит его удорожанию. Однако, наряду с отмеченными недостатками у прототипа есть и важное достоинство, которое состоит в наличии совершенной, с точки зрения аппаратурного оснащения, информационно-измерительной системы, которую также содержит и интерферометр в предлагаемом изобретении.

Целью настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа, упрощение конструкции и технологии изготовления интерферометра, снижение стоимости его изготовления и повышение надежности работы.

Указанная цель достигается тем, что в известном акустическом интерферометре, содержащим металлическую трубу, прикрепленную на одном ее торце коробку, установленный неподвижно в коробке громкоговоритель с магнитом, мембраной и звуковой катушкой, электрически связанной с питающим генератором, микрофонный зонд, размещенный в трубе с возможностью осевого перемещения в ней и выступающий за пределы трубы, съемную обойму с поршнем и образцом, установленную на другом торце трубы, направляющую рейку со шкалой, каретку с акустической камерой для перемещения по направляющей, микрофон, размещенный в акустической камере и выходом подключенный к информационно-измерительной системе и акустически сопряженный с наружным концом микрофонного зонда посредством акустической камеры, обойма, образец и поршень выполнены с центральным отверстием для свободного перемещения через них микрофонного зонда, а каждый из элементов: дно коробки, магнит и мембрана - выполнены цельными.

На фиг. 1 изображен общий вид акустического интерферометра с разрезом коробки, громкоговорителя, металлической трубы и акустической камеры; на фиг. 2 - конструкция стандартного серийно выпускаемого промышленностью электродинамического громкоговорителя с указанием пунктиром прецизионных отверстий в теле магнита и мембране, содержащихся у аналогов изобретения и отсутствующих у предлагаемого изобретения.

Акустический интерферометр состоит из металлической трубы 1, жестко скрепленной с коробкой 2, в которой неподвижно установлен громкоговоритель 3, состоящий из постоянного магнита 4, мембраны 5 и звуковой катушки 18, подключенной к питающему генератору 6. Микрофонный зонд 7 с помощью подвижного поддерживающего элемента 8, располагаясь на продольной оси трубы 1, обладает возможностью свободно перемещаться в осевом направлении внутри трубы. На другой конец металлической трубы надевается съемная обойма 9, внутри которой размещается поршень 10, перемещаемый с помощью регулировочных винтов, находящихся с внешней стороны обоймы, в полости 11 для испытываемого образца 12. По неподвижно скрепленной с коробкой латунной направляющей со шкалой рейке 13 перемещается каретка 14 с акустической камерой 15 и встроенным в нее микрофоном 16, выходом своим подключенным к информационно-измерительной системе 17.

В состав информационно-измерительной системы 17 входит измерительный усилитель типа 2606, гетеродинный сопровождающий фильтр типа 2020. В качестве генератора используется генератор синусоидального сигнала типа 1023, который через резистор последовательно подключается к звуковой катушке 18 громкоговорителя 3. Перечисленные выше приборы информационно-измерительной системы 17 являются приборами фирмы Брюль и Къер.

Свободный конец зонда 7, выведенный наружу металлической трубы 1 через центральные отверстия в обойме 9, поршне 10 и испытываемом образце 12, неподвижно скреплен с акустической камерой 15 так, что акустическая волна, пройдя по зонду через отверстие в корпусе акустической камеры 15, воспринимается вмонтированным в нее микрофоном 16.

С помощью неподвижно установленного на подвижной каретке 14 стрелки-указателя и шкалы рейки 13 испытатель отмечает положение каретки на направляющих.

Электродинамический громкоговоритель 3, используемый в предлагаемом интерферометре и представленный на фиг. 2, состоит из постоянного магнита 4, мембраны 5, звуковой катушки 18, конического диффузора 20 и прецизионных отверстий 19 в теле магнита 4 и мембране 5, показанных пунктирными линиями.

Работа с акустическим интерферометром по исследованию испытываемого образца осуществляется следующим образом.

Во внутренней полости металлической трубы 1 с помощью размещенного в коробке 2 громкоговорителя 3, содержащего звуковую катушку 18, подключенную к генератору синусоидального сигнала 6, создается определенной длины волны звуковое поле.

Предварительно во внутреннюю полость 11 съемной обоймы 9 помещается испытываемый образец 12, который в центре содержит вырезанное с помощью пуансона отверстие диаметром, на миллиметр большим диаметра зонда 7, для обеспечения свободного перемещения его внутри трубы 1.

Степень удаления образца 12 от внутренней стенки обоймы регулируется с помощью поршня 10 и регулировочных винтов, размещаемых с внешней торцевой стороны обоймы 9.

Микрофонный зонд 7 вводится через центральные отверстия в обойме 9, поршне 10 и образце 12. На свободный конец микрофонного зонда 7 надевается подвижный поддерживающий элемент 8, и полученная сборка после введения ее во внутреннюю полость металлической трубы 1 фиксируется с помощью периферийных крепежных винтов обоймы 9 к трубе.

В результате отражений волн поля от испытываемого образца 12 в трубе возникают стоячие волны, а сформированное акустическое поле характеризуется точками максимального и минимального звуковых давлений.

Задачей испытателя во время проведения измерений является, благодаря осуществления перемещений по направляющей рейке 13 каретки 14 с установленной на ней акустической камерой 15 и введенным в нее микрофоном 16, помещать последовательно микрофонный зонд 7 сначала в точку максимального звукового давления и с помощью входного потенциометра показания анализатора, входящего в состав информационно-измерительной системы 17, устанавливать сначала на отметку 100%, а затем перемещать зонд в точку с минимальным звуковым давлением и отсчитать коэффициент звукопоглощения по шкале прибора системы 17.

При этом величина линейного перемещения каретки 14 по рейке 13 отсчитывается с помощью указателя, размещенного на стойке каретки и делений рейки 13.

Если поле в металлической трубе 1 интерферометра характеризуется коэффициентом стоячей волны n, определяемым как где P_max - амплитуда давления в точке максимума своего значения; P_min - амплитуда давления в точке минимума своего значения, то коэффициент звукопоглощения определяется по формуле Коэффициент стоячей волны используется также и для определения акустического сопротивления Z = R + jx ,
где

Здесь фаза δ определяется по формуле

где
λ - длина звуковой волны на частоте измерений;
d₁ - расстояние от точки первого минимального звукового давления до поверхности образца.

Расстояние d₁ определяют непосредственным отсчетом по линейной шкале интерферометра, когда микрофонная тележка расположена в точке первого минимума звукового давления от поверхности образца. Поверхность образца принимается за нулевую плоскость отсчета. Коэффициент звукопоглощения при перпендикулярном падении звука определяется на основе измеряемого отношения между максимальным и минимальным значениями звукового давления, что находится в полном соответствии с формулами (1), (2). А из результатов измерения расстояний между поверхностью образца 12 и точками минимального и максимального звукового давления определяют комплексный акустический импеданс испытываемого материала, что находится в полном соответствии с выражениями (3) - (6).

Так как при проводимых измерениях звукопоглощающим является только испытываемый образец 12, результаты измерения и вычисленные значения соответствуют действительным величинам поглощения звука данным материалом.

Так как метод, на котором основывается измерение (метод стоячей волны), требует формирования в измерительной трубе плоских звуковых волн, то внешний диаметр образца 12 испытываемого материала всегда выбирается меньше половины звуковой волны.

Ввиду того, что труба 1 имеет круговое поперечное сечение, а обойма 9 и поршень 10, с помощью которого внутри трубы можно перемещать образец 12, обладают достаточно большой массой, в трубе 1 не происходит добавочного поглощения звуковой энергии.

В связи с выбором новой схемы конструктивного построения интерферометра, состоящей в прохождении микрофонного зонда не через громкоговоритель, а через обойму, устраняются паразитные вибрации зонда, влияющие на микрофон, вызываемые звучанием громкоговорителя. Это обстоятельство приводит к устранению погрешностей при измерениях.

Новый путь ввода микрофонного зонда в металлическую трубу через обойму делает также возможным исключение из структуры интерферометра прототипа диафрагмы для крепления микрофона, устраняющей в схеме прототипа паразитные вибрации зонда.

Предложенное новое крепление зонда к корпусу акустической камеры и исключение из структуры интерферометра диафрагмы позволяет повысить надежность в работе и долговечность выбранной конструкции интерферометра.

Простота конструкции заявляемого интерферометра определяется отсутствием необходимости изготавливать отверстие в днище коробки, в которую помещается громкоговоритель, а также отсутствием необходимости выполнять прецизионные отверстия в теле магнита и мембране громкоговорителя для прохождения через них микрофонного зонда, а также отсутствием стыковки отверстия микрофонного зонда и отсутствием стыковки отверстия в коробке с отверстием в теле магнита и мембране громкоговорителя.

Вместе с тем простота изготовления и сборки предлагаемого интерферометра объясняется требованиями изготовления отверстия в обойме более низкого класса точности по сравнению с более высоким классом точности изготовления отверстий в теле магнита и мембране громкоговорителя у интерферометра прототипа.

Другим преимуществом заявляемого интерферометра является наличие в нем громкоговорителя с достаточно простой технологией изготовления. Это объясняется отсутствием у громкоговорителя отверстий в теле магнитопровода и мембране. Магнитопровод без отверстия не приводит также к снижению напряженности создаваемого им магнитного поля и, в итоге, не приводит к снижению стандартного звукового давления.

Отсутствие отверстия в теле магнитопровода громкоговорителя не приводит к дополнительному повышенному потреблению дорогостоящего высококачественного сплава с добавками кобальта и других ценных металлов, которое возникает при изготовлении громкоговорителя прототипа с тем, чтобы получить от него требуемые характеристики, аналогичные акустическим характеристикам, полученным от громкоговорителя с магнитопроводом, не содержащим отверстия для прохода микрофонного зонда.

Отсутствие дополнительного потребления дорогостоящего высококачественного сплава для изготовления магнита громкоговорителя в заявленном изобретении приводит к снижению стоимости его изготовления, а значит снижению стоимости и интерферометра в целом.

Опытные проверки работоспособности изготовленного образца акустического интерферометра по предлагаемой схеме построения позволили убедиться в том, что поставленная цель заявляемого технического решения, состоящая в упрощении конструкции и технологии изготовления, снижении стоимости и повышении надежности интерферометра, полностью подтвердились.

Полученные от заказчика работ утвержденные акты проведенных испытаний ряда образцов различных материалов на заявленном акустическом интерферометре достаточно убедительно подтвердили его работоспособность, а значит правильность выбора нового технического решения при его создании.

Формула изобретения

Акустический интерферометр, содержащий металлическую трубу, прикрепленную на одном ее торце коробку, установленный неподвижно в коробке громкоговоритель с магнитом, мембраной и катушкой возбуждения с питающим генератором, микрофонный зонд, размещенный в трубе с возможностью осевого перемещения в ней и выступающий за пределы трубы, съемную обойму с поршнем и образцом, установленную на другом торце трубы, направляющую рейку со шкалой, каретку с акустической камерой для перемещения по направляющей, микрофон, размещенный в акустической камере и выходом подключенный к информационно-измерительной системе и акустически сопряженный с наружным концом микрофонного зонда посредством акустической камеры, отличающийся тем, что обойма, образец и поршень выполнены с центральным отверстием для свободного перемещения через них микрофонного зонда, а каждый из элементов - дно коробки, магнит и мембрана - выполнены цельными.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2