Интерферометр с нормальным падением звуковых волн для исследования акустических характеристик звукопоглощающих материалов и конструкций Российский патент 2024 года по МПК G01N29/00 

Уровень техники

Изобретение относится к области метрологии и предназначено для исследования и анализа свойств звукопоглощающих материалов и конструкций, в том числе при высоких уровнях звукового давления.

Известен акустический интерферометр [1], содержащий индикатор и трубу, на одном конце которой установлены обойма с исследуемым образцом и поршнем, а на другом конце укреплен ящик с подключенной к звуковому генератору головкой динамика, в керне которой выполнено отверстие с установленным в нем металлическим щупом, соединенным с резиновой диафрагмой, укрепленной в центре днища электроприводной тележки с микрофоном, установленной на направляющей рейке.

Недостатком данного акустического интерферометра является сложность процесса замены исследуемых образцов звукопоглощающих конструкций и отсутствие контроля силы для его поджатия.

Известен акустический интерферометр [2], содержащий металлическую трубу, прикрепленную на одном ее торце коробку, установленный неподвижно в коробке громкоговоритель (динамик) 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.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, а также длительный процесс замены исследуемых образцов звукопоглощающих конструкций и отсутствие контроля силы поджатия образцов.

Известно устройство измерения акустических характеристик материалов [3], представляющее собой импедансную трубу, составленную из патрубков, на одном конце которой расположен перемещающийся поршень для установки исследуемого материала, а с другой стороны коробка с динамиком. В двух или более патрубках выполнены специальные корпуса-гнезда для крепления микрофонов.

Недостатком данного устройства является сложность его сборки, длительность процесса замены исследуемых образцов звукопоглощающих конструкций и отсутствие контроля силы для поджатия образцов.

Известен акустический интерферометр [4], состоящий из металлической трубы, на одном конце которой закреплена обойма с поршнем, а на другом конце – ящик с громкоговорителем (динамиком), микрофоном, укрепленным на электроприводной тележке, перемещающейся по направляющей. Исследуемый образец устанавливается в обойме.

Недостатком известного интерферометра является отсутствие контроля силы поджатия экспериментальных образцов звукопоглощающих конструкций.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности признаков и взятое в качестве наиболее близкого прототипа, является «Акустический интерферометр» [5], содержащий импедансную трубу, прикрепленные к ней один или несколько микрофонов и динамиков, размещенную на одном конце импедансной трубы обойму для установки в ней исследуемого образца и размещенные внутри обоймы опорное кольцо и подвижный поршень со штоком для поджатия образца к опорному кольцу. 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.

Недостатком конструкции, принятой за прототип, является сложность конструкции, приводящая к снижению надежности и длительному процессу замены исследуемых образцов в процессе серии испытаний.

Раскрытие сущности изобретения

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание конструкции акустического интерферометра, позволяющей упростить и ускорить процесс установки и изъятия исследуемых образцов звукопоглощающих конструкций, а также обеспечить повторяемость эксперимента за счет контроля усилия поджатия исследуемых образцов звукопоглощающих конструкций.

Техническим результатом, при осуществлении заявляемого изобретения является повышение эксплуатационной технологичности устройства, уменьшение времени на установку и изъятия исследуемых образцов, снижение разбросов получаемых акустических характеристик (импеданс, коэффициент звукопоглощения) образцов.

Технический результат достигается тем, что в известном интерферометре для исследования акустических характеристик звукопоглощающих материалов и конструкций, содержащем импедансную трубу, прикрепленные к трубе по крайней мере один микрофон и динамик, обойму для установки в импедансной трубе исследуемого образца. Согласно заявляемому изобретению импедансная труба состоит из двух соосно установленных труб, для жесткого соединения которых между собой используется соединительная муфта. Первая труба жестко закреплена на опорной плите с помощью по крайней мере одной подставки, а вторая труба закреплена с помощью по крайней мере одной подставки на модуле линейного перемещения, входящего в состав линейного привода, при этом линейный привод, как и опора первой трубы, установлен на опорной плите. На торце первой трубы, со стороны, противоположной торцу с муфтой, установлен динамик. На первой трубе, заподлицо внутреннему каналу трубы, установлен по крайней мере один микрофон. Внутренний канал второй трубы является обоймой для установки в ней исследуемого образца, который устанавливается с торца второй трубы, обращенного к муфте. Внутри обоймы установлен подвижный поршень со штоком, при этом на торце второй трубы, с противоположенной стороны относительно торца обращенного к соединительной муфте, закреплена крышка с отверстием под выход штока. Линейный привод соединен с блоком управления.

В частном случае исполнения на шток поршня может быть нанесена шкала для обеспечения точной установки поршня у испытуемого образца.

В предлагаемом к патентованию интерферометре для исследования акустических характеристик используется образец звукопоглощающего материала или конструкции, состоящей по крайней мере из двух частей, скрепленных между собой, при этом одна часть выполнена в виде плоского диска с диаметром, превышающим внутренний диаметр импедансной трубы, но не более внешнего ее диаметра, а внешние размеры второй части позволяют установить образец в обойму импедансной трубы. Для проведения испытаний часть образца, выполненная в виде плоского диска, поджимается второй трубой к первой, при этом поджатие обеспечивается линейным приводом, который соединен с блоком управления.

Такая установка образца в импеданской трубе и использование для поджатия линейного привода соединенного с блоком управления позволяет обеспечить контроль усилия поджатия исследуемого образца, что, в свою очередь, обеспечивает повторяемость эксперимента, приводя к снижению разбросов измеряемых акустических характеристик (импеданс, коэффициент звукопоглощения) образцов.

Кроме того, в интерферометре также можно испытывать образец звукопоглощающего материала или конструкции, внешние размеры которого просто соответствуют размерам обоймы импеданской трубы.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - отсутствие опорного кольца и пневматического цилиндра, соединенного с блоком регулирования давления, установка муфты и линейного привода, соединенного с блоком управления.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где показан чертеж интерферометра с нормальным падением звуковых волн для исследования акустических характеристик звукопоглощающих материалов и конструкций.

Интерферометр с нормальным падением звуковых волн для исследования акустических характеристик звукопоглощающих материалов и конструкций представляет собой импедансную трубу, состоящую из двух соосно установленных труб 1 и 2, для жесткого соединения которых используется соединительная муфта 3. Труба 1 жестко закреплена на опорной плите 4 с помощью подставок 5, а труба 2 закреплена с помощью подставки 6 на модуле линейного перемещения 7. Модуль линейного перемещения 7, как и опора трубы 1, закреплен на опорной плите 4. На торце трубы 1 со стороны, противоположной торцу с муфтой, установлен динамик 8. На трубе 1, заподлицо внутреннем каналу трубы, установлен по крайней мере один микрофон 9. Количество микрофонов 9 может быть различным, в зависимости от метода извлечения импеданса. Внутренний канал трубы 2 является обоймой 10 для установки в ней исследуемого образца 11, который устанавливается с торца второй трубы 2, обращенного к муфте 3. Внутри обоймы 10 расположен подвижный поршень со штоком 12, с помощью которого обеспечивается жесткая стенка или воздушная полость у основания исследуемого образца 11. На торце трубы 2, с противоположенной стороны относительно торца, обращенного к соединительной муфте 3, закреплена крышка 13 с отверстием под выход штока. Модуль линейного перемещения 7, соединяется с сервошаговым двигателем 14 через блок привода 15, тем самым образуя линейный привод. Работа линейного привода контролируется через блок управления, который соединяется, как с компьютером, так и с блоком привода 15.

Устройство работает следующим образом.

В обойму 10 устанавливается исследуемый образец 11. На компьютере задаются необходимые координаты для плавной стыковки трубы 2 с трубой 1 и контроля силы поджатия исследуемого образца, которые передаются на блок управления линейного привода. Сервошаговый двигатель 14, получая данные от блока управления линейного привода, приводит в движение модуль линейного перемещения 7 через блок привода 15. Труба 2, находящаяся на модуле линейного перемещения 7, плавно стыкуется с трубой 1, обеспечивая поджатие образца 11. Торец поршня со штоком 12 вручную подводится к основанию образца 11. Жесткое соединение трубы 2 с трубой 1 обеспечивает соединительная муфта 3.

После стыковки трубы 1 и трубы 2 в единое целое (импедансную трубу) дальнейшая работа интерферометра стандартна: динамик 8 облучает исследуемый образец 11 заданным звуковым сигналом, микрофоны 9 измеряют акустическое давление в заданных точках канала импедансной трубы, измеренное акустическое давление обрабатывается по определенной математической процедуре [6,7], в результате чего находятся акустические характеристики исследуемого образца 11.

Чтобы изъять исследуемый образец 11, на компьютере задаются необходимые координаты для расстыковки трубы 1 и трубы 2, которые передаются на блок управления линейного привода. Сервошаговый двигатель 14, получая данные от блока управления линейного привода, приводит в движение модуль линейного перемещения 13 через блок привода 15. Импедансная труба расстыковывается на две части – трубу 1 и трубу 2. Исследуемый образец 11 вынимается из обоймы 10 при помощи поршня со штоком 12, который приводится в движение вручную.

Пример выполнения устройства

Изготовленный интерферометр представлен на фиг. 1.

В состав установки входит регистратор типа Экофизика-500. Для измерения звукового давления в канале трубы используется 4 микрофона давления типа ВМК-402А диаметром 1/4 дюйма с предусилителем типа Р200(К).

Для генерации звука в интерферометре используется динамик типа Eighteen Sound HD 1480T с частотным диапазоном 500-20000 Гц и усилитель мощности со встроенным генератором и функцией дистанционного управления типа OED-PA120, позволяя задавать уровни звукового давления до 160 дБ.

Линейный привод Purelogic R&D типа PLPOS-STP1-92/23, включающий модуль линейного перемещения типа PLLM-61L-05330 и блок управления типа PLCNC-STP1-92/23.

Импедансная труба, изготовлена из стали и имеет толщину стенок 7,5 мм. Канал трубы имеет круглое сечение диаметром 30 мм.

Поршень со штоком, муфта и крышка изготовлены из стали. Внутренний диаметр муфты 45 мм.

Преимуществом данного изобретения является то, что оно обладает лучшей эксплуатационной технологичностью, позволяет быстрее проводить установку и замену исследуемых образцов, снижает разброс измеряемых акустических характеристик (импеданс, коэффициент звукопоглощения). Все преимущества достигаются благодаря внедрению в конструкцию линейного привода, который позволяет уменьшить трудоемкость оператора и обеспечивает повторяемость эксперимента, за счет возможности задания координат для поджатия исследуемого образца.

Список использованных источников

[1] Аракелян А.Г., Дастакян Э.А., Гаспарян Т.Г. Акустический интерферометр. Патент SU 758239 А1. Заявка №2672126/18-10 от 10.10.1978., Бюл. №31, 25.08.1980.

[2] Белов В.И., Жартовский Г.С., Кардеев Г.И., Котиков И.В. Акустический интерферометр. Патент RU №2117283 C1. Заявка 95115808/28 от 12.09.1995.

[3] Тюрин А.П., Пигалев С.А., Балагуров А.В., Севастьянов Б.В. Устройство измерения акустических характеристик материалов. Патент RU 105999 U1, Заявка №2010154817/28 от 30.12.2010.

[4] Дастакян Э.А., Саркисян Р.Р., Саакян Э.Р., Саркисян Р.Р. Акустический интерферометр. Патент RU 2054714 C1, Заявка №4944937/28 от 05.03.1991.

[5] Кустов О.Ю., Пальчиковский В.В., Бурдин Н.Н. Акустический интерферометр. Патент RU 2730041 С1. Заявка №2020103528 от 27.01.2020 г. Бюл. № 23, 14.08.2020.

[6] ISO 10534-2. Acoustics. Determination of acoustic properties in impedance tubes. Part 2: Two-microphone technique for normal sound absorption coefficient and normal surface impedance. 2023.

[7] Ипатов М.С., Остроумов М.Н., Соболев А.Ф. Четырехмикрофонный метод определения импеданса образцов звукопоглощающих конструкций на интерферометре при нормальном падении звука // Труды ЦАГИ. 2014. № 2739. С. 58.

Использование: для исследования акустических характеристик звукопоглощающих материалов и конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что интерферометр с нормальным падением звуковых волн для исследования акустических характеристик звукопоглощающих материалов и конструкций содержит импедансную трубу, прикрепленные к трубе микрофоны и динамик, обойму для установки в импедансной трубе исследуемого образца, при этом импедансная труба состоит из двух соосно установленных труб, для жесткого соединения которых между собой используется соединительная муфта, первая труба жестко закреплена на опорной плите с помощью по крайней мере одной подставки, а вторая труба закреплена с помощью по крайней мере одной подставки на модуле линейного перемещения, входящем в состав линейного привода, при этом модуль линейного перемещения, как и опора первой трубы, установлен на опорной плите; на торце первой трубы, со стороны, противоположной торцу с муфтой, установлен динамик; на первой трубе, заподлицо внутреннему каналу трубы, установлен по крайней мере один микрофон; внутренний канал второй трубы является обоймой для установки в ней исследуемого образца, который устанавливается с торца второй трубы, обращенного к муфте; внутри обоймы установлен подвижный поршень со штоком, при этом на торце второй трубы, с противоположенной стороны относительно торца, обращенного к соединительной муфте, закреплена крышка с отверстием под выход штока; линейный привод соединен с блоком управления. Технический результат: повышение эксплуатационной технологичности устройства, уменьшение времени на установку и изъятие исследуемых образцов, снижение разброса получаемых акустических характеристик для исследуемых образцов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Интерферометр с нормальным падением звуковых волн для исследования акустических характеристик звукопоглощающих материалов и конструкций, содержащий импедансную трубу, прикрепленные к трубе микрофоны и динамик, обойму для установки в импедансной трубе исследуемого образца, отличающийся тем, что импедансная труба состоит из двух соосно установленных труб, для жесткого соединения которых между собой используется соединительная муфта, первая труба жестко закреплена на опорной плите с помощью по крайней мере одной подставки, а вторая труба закреплена с помощью по крайней мере одной подставки на модуле линейного перемещения, входящем в состав линейного привода, при этом модуль линейного перемещения, как и опора первой трубы, установлен на опорной плите; на торце первой трубы, со стороны, противоположной торцу с муфтой, установлен динамик; на первой трубе, заподлицо внутреннему каналу трубы, установлен по крайней мере один микрофон; внутренний канал второй трубы является обоймой для установки в ней исследуемого образца, который устанавливается с торца второй трубы, обращенного к муфте; внутри обоймы установлен подвижный поршень со штоком, при этом на торце второй трубы, с противоположенной стороны относительно торца, обращенного к соединительной муфте, закреплена крышка с отверстием под выход штока; линейный привод соединен с блоком управления.

2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что на штоке поршня нанесена шкала для обеспечения точной установки поршня у испытуемого образца.