基于宽带脉冲法的声学材料性能测试研究

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1、学校代码10699分类号TB53密级学号2012100568题目基于宽带脉冲法的声学材料性能测试研究作者代阳检测技术与自动化装置学科、专业杨建华指导教师2017年3月申请学位日期西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：基于宽带脉冲法的声学材料性能测试研究作者：代阳学科专业：检测技术与自动化装置指导教师：杨建华2017年3月Title:ResearchonPerformanceMeasurementofAcousticMaterialBasedonWide-bandPulseMethodByDaiYangUndertheSupervisionofProfessorYangjian-hu

2、aADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofDetectionTechniqueandAutomationDevicesXi’anP.R.ChinaMarch2017摘要摘要声学材料在隔声减振、吸声降噪、水声设备与工程等方面有重要的应用背景，其声学参数测试是一项重要的研究工作。目前，空气声学参数的现场测量以及水声学参数的低频精确测试都是该领域面临的技术难题。对于空气声材料，其声学参数测量的阻抗管法和

3、混响室法都属于离线测量的实验室方法，在实际操作时需要提供一个理想声场环境，如驻波场、行波场或混响场。目前这两种方法已获得广泛应用，建立了相关测量标准，但被测材料在实验室条件与实际应用环境下的声学性能有一定差距。现有的宽带测量方法可以在自由场现场测量，但研究还不够深入。针对研究现场测量的关键技术对开发声学参数在线测量有重要意义。水声材料声学性能主要是利用水声管、消声水池和压力罐等实验室测试平台完成。国内已建成的水声管直径有57mm、120mm、208mm等规格，高度是在3m至10m之间。由于测量信号和测试方法的限制，低频段(小于500Hz)吸声与隔声性能的测量精度仍不能满足实际应用需要，因

4、此研究水声管中的声学材料的低频测试具有十分重要的意义。论文针对空气声材料现场测量和水声材料低频测试的关键技术展开了研究，主要创新性成果表现在以下几个方面：(1)针对频域维纳逆滤波方法对噪声敏感和正则化参数选取困难问题，使用傅里叶-小波逆滤波方法，对傅里叶域收缩后的信号继续进行小波域收缩滤波，增强了信号的边缘信息，提高了估计信号的信噪比。在傅里叶-小波逆滤波的基础上进一步提出了傅里叶-经验模态分解(EMD)逆滤波方法，利用EMD的本征模态函数(IMF)收缩，滤除噪声，增强估计信号的边缘信息和细节信息，提高信噪比和分辨率。对纯逆滤波、维纳逆滤波、傅里叶-小波逆滤波、傅里叶-EMD逆滤波方法进

5、行了仿真对比分析，并在空气声管中实验验证了傅里叶-EMD逆滤波的有效性。(2)针对现场吸声测试中宽带脉冲声生成问题，采用基于时域逆滤波技术的宽带脉冲声生成方法。在基于GPIB总线的自由场测试平台上，分别使用时域最小二乘(LS)逆滤波和最小均方误差(MMSE)逆滤波实现了宽带巴特沃斯(Butterworth)脉冲波生成，生成的波形时域和频域特性均满足测试精度要求。将时域逆滤波方法进一步移植到嵌入式平台，选用NI的单板嵌入式设备sb_RIO9642作为核心的开发平台构建基于sb_RIO的可控脉冲声源系统，实现了嵌入式平台的宽带脉冲声生成。解决了声学参数现场测量的实时性问题。(3)水声管中的C

6、W脉冲波随着测试频率降低无法分离，针对此问题，在深入分析了水声管中声场和声波传播规律之后，论文研究了水声管中的声学材料宽带脉冲法测试，用时间持续时间短、频率成分丰富的宽带脉冲波代替传统的CW脉冲波。在水声管中使I西北工业大学博士学位论文用脉冲生成的“三步法”产生了宽带零相位信号，对吸声材料进行了性能测试，在3k~8kHz内和标准的CW波脉冲法吻合较好，验证了该方法的可行性和准确性。同时利用声学材料声学和力学特性的内在关系，推导了动态力学参数的计算方法，采用反射系数法计算材料的杨氏模量和损耗因子。同时进行了多次反复实验，计算了不确定度。(4)收发合置式水声管测试系统中的换能器响应特性可能会

7、造成驱动解算后激励脉冲长度过长的情况，导致无法生成宽带脉冲声。为此，论文采用了“后置”逆滤波方法。仿真分析了“后置”逆滤波相对于“前置”逆滤波的优势，在此基础上，使用“后置”逆滤波在水声管中进行了实验验证，结果表明，在同样的硬件测试平台下，相对于“前置”逆滤波和CW波脉冲法，“后置”逆滤波方法可以进一步降低测试频率，其低频测试范围能降低到350Hz。(5)收发合置式换能器测试系统中，在300Hz以下的低频很难取得较好的效果，论文采用