Een nieuwe methode voor het ter plekke meten van akoestische eigenschappen van materialen

Tom Basten (tom.basten@tno.nl, www.tno.nl),
Emiel Tijs (tijs@microflown.com, www.microflown.com) en
Hans-Elias de Bree (debree@microflown.com, www.microflown.com),
mei 2008

Inleiding

Een standaardmethode voor het bepalen van akoestische eigenschappen van materialen is de impedantiebuis of de buis van Kundt. Hierbij wordt een stukje van een absorberend materiaal achter in een gesloten buis geplaatst en wordt er een geluidsveld opgewekt in de buis. Door met twee microfoons te meten kan het invallende en gereflecteerde veld worden gescheiden en kan de akoestische impedantie van het materiaal worden bepaald. Hoewel deze methode veel wordt toegepast, heeft de methode zijn beperkingen. De methode is destructief omdat een monster uit het materiaal moet worden gesneden. Daarnaast kan de impedantie alleen worden bepaald voor loodrecht invallend geluid, wat alleen voldoende informatie geeft voor lokaal reagerende materialen. Dat zijn materialen waarbij de absorptie onafhankelijk is van de hoek waaronder het geluid op het materiaal invalt. Veel praktische materialen zijn echter juist niet lokaal reagerend. Daarnaast zijn er vaak problemen met de randvoorwaarden door het inklemmen van het sample in de buis en wordt het frequentiebereik beperkt, afhankelijk van de diameter van de buis. Vooral de meetresultaten van schuimachtige materialen wijken vaak af door het inpassen van het monster in de buis. Er is daarom behoefte aan een vrije veld methode die in-situ kan worden toegepast op het materiaal zoals het wordt gebruikt. Er is een aantal vrije veld methodes beschikbaar zoals de Tamura methode en de galmkamermethode met elk hun praktische beperkingen. Zo is het met deze methodes erg lastig om lokale eigenschappen van het materiaal vast te stellen.

In dit artikel wordt een nieuwe methode en enkele resultaten gepresenteerd van een nieuwe methode voor impedantiemetingen op basis van een microfoon en een deeltjessnelheid sensor (Microflown). Vergeleken met traditionele technieken zijn de voordelen dat het een vrije veldmethode is, die in-situ kan worden gebruikt zonder gebruik te maken van een speciale akoestische ruimte en zonder dat een sample uit het materiaal gesneden hoeft te worden. Bovendien kan de methode over een breed frequentiegebied worden toegepast, meet de methode onder diverse hoeken van inval met een hoge spatiŽle resolutie, en zijn de resultaten real-time beschikbaar. Op deze manier kunnen bijvoorbeeld de dempende eigenschappen van een wand, vloer of plafond gemakkelijk ter plekke worden opgemeten.

De methode gebaseerd op druk en deeltjessnelheid

De methode maakt gebruik van een traditionele microfoon, die akoestische druk meet, in combinatie met een Microflown, die de akoestische deeltjessnelheid meet. De drukmicrofoon en de deeltjessnelheidsensor zijn gecombineerd in een enkele zogenaamde PU probe. Op ťťn positie kan daarmee zowel intensiteit (product van druk en deeltjessnelheid) als impedantie (verhouding van druk en deeltessnelheid) in een bepaalde richting worden gemeten. De PU probe en een bolvormige luidspreker zijn geÔntegreerd in een klein en handzaam instrument, zie Figuur 1.

Figuur 1. Draagbare impedantiemeetsetup


Figuur 2. In situ toepassing van de impedantiemeetsetup.

In het instrument is een kleine PU probe toegepast, waardoor de afstand tussen het materiaal en de probe klein gehouden kan worden. Bij een meting wordt de probe boven het materiaal geplaatst en worden druk en deeltjessnelheid gemeten terwijl de luidspreker met witte ruis wordt aangestuurd, zie Figuur 2. Uit de gemeten signalen kan de impedantie aan het oppervlak van het materiaal worden bepaald. Als de impedantie bekend is, kunnen ook de reflectie- en absorptiecoefficienten worden berekend. De berekening is betrekkelijk eenvoudig voor hogere frequenties omdat dan de kromming van de bolvormige geluidsgolven verwaarloosd kan worden. Voor lagere frequenties is het golffront niet vlak en moet rekening worden gehouden met de kromming van de golven en worden de relaties wat complexer [1,3,4]. Voor de resultaten in dit artikel zijn deze correcties niet doorgevoerd omdat het frequentiegebied redelijk hoog is.

Dezelfde bolvormige luidspreker aan de achterzijde van het instrument wordt ook gebruikt voor calibratie van de sensor. De vrije veld responsie wordt bepaald in een normale omgeving. Daarbij wordt het meetinstrument vrij in de lucht gehouden en wordt de vrije veld responsie bepaald [4]. De signalen worden opgenomen met een standaard tweekanaals geluidkaart. Om reflecties en de noodzaak van een anechoÔsche ruimte te vermijden worden reflecties via een software correctie weggehaald. Deze correctie wordt voor zowel de calibratiesignalen als de uiteindelijke meetsignalen toegepast.

Resultaten en vergelijking met de buis van Kundt

Om de juistheid van deze methode en met name de hoge spatiŽle resolutie daarvan aan te tonen zijn de akoestische eigenschappen van een relatieve eenvoudig sample met drie resonatoren bepaald, zie Figuur 3. Het sample bestaat uit een plaat met daarin drie buisjes die aan het uiteinde zijn afgesloten. De drie buisjes hebben verschillende lengtes en diameters. De lengte van de resonator bepaald de frequentie waarbij de resonatoren maximaal absorberen [5].



Figuur 3. Meetgrid van een sample met drie resonatoren

De impedantie is gemeten op een fijn grid, 3 mm boven het oppervlak van het sample. De gemeten absorptie bij drie verschillende frequenties is weergegeven in Figuur 4. De frequenties waarvoor de resultaten zijn getoond, zijn de frequenties waarbij de buislengte van de drie verschillende buisjes gelijk is aan een kwart van de akoestische golflengte (kwart lambda resonantie).


Figuur 4. Plaatsafhankelijke absorptie boven het sample
bij drie frequenties behorende bij de kwart lambda
resonantiefrequenties van de drie resonatoren.

Als referentie is hetzelfde sample ook gemeten in een buis van Kundt waarbij gebruik gemaakt is van een PU methode in plaats van de gebruikelijke PP methode [2], zie figuur 5.


Figuur 5. Meting in de buis van Kundt

De vierkante doorsnede van de buis is 46x46 mm2. De buis is alleen bruikbaar voor frequenties beneden de zogenaamde cut-off frequentie van 3500 Hz. Beneden deze frequentie planten de golven zich alleen voort in de richting van de buis. Het sample met de drie resonatoren kan direct op het einde van de buis worden ingeklemd. Ter vergelijking met de vrije veld methode wordt de gemeten impedantie op het oppervlak omgerekend tot een effectieve impedantie op het oppervlak. Deze kan worden vergeleken met de resultaten in de buis van Kundt, zie Figuur 6.


Figuur 6. Resultaten verkregen met de buis van
Kundt en de effective absorptie op basis van de
lokale impedantiemetingen (rode lijn).

De ratio tussen het oppervlak van de buisjes en het totaaloppervlak (open/dicht verhouding of porositeit) bepaalt de uiteindelijke absorptiewaardes. Aangezien het oppervlak van het sample verandert in de buis van Kundt, hebben de absorptiepieken een andere waarden dan bij de vrije veldmeting. Dit is een voorbeeld waarbij rekening gehouden moet worden met de aannames van een meting in de buis van Kundt, namelijk dat ervan wordt uitgegaan dat het patroon zich oneindig herhaald. In verband met de verschillende randvoorwaarden van de impedantiebuis- en vrije veld methodes kunnen de resultaten van deze methodes, in het algemeen, niet direct met elkaar worden vergeleken [4].

Conclusie

Een methode is gepresenteerd om ter plekke zeer lokaal akoestische impedantie, reflectie en absorptie te bepalen. De metingen zijn uitgevoerd in een normale ruimte met een eenvoudige geluidkaart voor data acquisitie. De ruimtelijke resolutie is in de orde van millimeters. Dit is een groot verschil met bestaande methodes zoals de galmkamermethode en de Tamura methode. Bovendien hoeven er geen monsters uit het materiaal gesneden te worden, kan er in kleine reflecterende ruimtes worden gemeten en kan de hoekafhankelijke impedantie worden bepaald, zodat ook niet lokaal reagerende materialen geanalyseerd kunnen worden. Dit is een belangrijk verschil met de buis van Kundt. De getoonde resultaten tonen zeer veel overeenkomsten met de resultaten verkregen met de buis van Kundt hoewel in het algemeen de resultaten behoorlijk kunnen verschillen doordat de omstandigheden waaronder beide metingen worden uitgevoerd sterk afwijken.

Literatuur

1. R. Lanoye, G. Vermeir, and W. Lauriks, R. Kruse and V. Mellert, Measuring the free field acoustic impedance and absorption coefficient of sound absorbing materials with a combined particle velocity-pressure sensor, Journal of the Acoustical Society of America, Vol 119 (5), 2006

2. E.H.G. Tijs, H.E. de Bree, T.G.H. Basten en M. Nosko, Non destructive and in situ acoustic testing of inhomogeneous materials, European Rotorcraft Forum 33, Kazan, Russia, 2007

3. J.D. Alvarez and F. Jacobsen, In-situ measurements of the complex acoustic impedance of porous materials, InterNoise 2007

4. Martin Nosko, Emiel Tijs and Hans-Elias de Bree, A study of influences of the in situ surface impedance measurement technique, DAGA, Berlin, 2008

5. F. van der Eerden, Noise reduction with coupled prismatic tubes, 2000, PhD Thesis, University of Twente


home...