知识点：消声器 传声损失的概念 传声损失(TL)的定义我们在“消声降噪技术-1 消声的基本概念和性能评价”中已经作了介绍。为了便于本文的阅读，在此以消声器测量系统为参照，对其定义作一个简单回顾。 在如图1的管路系统中，传声损失Dt定义为消声器进口端入射声功率级和出口端透射声功率级之差，用公式可表示为： 图1 传声损失及测量方法 传声损失反映了消声器本身的性能，与管路系统无关，这一点至少在平面波截止频率以下完全满足。在上图的测量系统中，如果声源端和负载末端均为消声端，则可以获得与插入损失相等的测量结果。
知识点：消声器
传声损失的概念
传声损失(TL)的定义我们在“消声降噪技术-1 消声的基本概念和性能评价”中已经作了介绍。为了便于本文的阅读，在此以消声器测量系统为参照，对其定义作一个简单回顾。
在如图1的管路系统中，传声损失Dt定义为消声器进口端入射声功率级和出口端透射声功率级之差，用公式可表示为：
图1 传声损失及测量方法
传声损失反映了消声器本身的性能，与管路系统无关，这一点至少在平面波截止频率以下完全满足。在上图的测量系统中，如果声源端和负载末端均为消声端，则可以获得与插入损失相等的测量结果。
传声损失的测量方法
传声损失的测量有很多种方法，最常用的方法为间接测量法和直接测量法，除此以外还有散射矩阵法、脉冲响应法等方法。
2.1 直接测量法
如果测量末端为消声末端时，可以采用直接法测量。直接法又叫做3点法，在如图2所示的消声末端条件下，在声源侧(入口端)采用双传声器，在出口端采用单传声器直接测量声压，获得3个传声器之间的传递函数H12和H13：
由此可计算得到入射声功率和出口端透射声功率的比值，得到传声损失值:
图2 三点直接法传声损失的测量
下图3中给出了采用三点直接测量一单节扩张消声器的传声损失与采用边界元(BEM)计算得到的结果的对比[2]，测量用的消声末端在100~3000H在频率范围内的吸声系数为0.95。
图3 三点法测量与边界元(BEM)计算结果的对比
从图3中可以看出，两者在频率位置方面基本吻合，但实际测量的传声损失曲线不如计算的平滑，在整个测量频带内与理论计算结果都存在一定程度的偏差，这由于消声末端并不是理想的完全消声的末端。因此，直接法传声损失的测量难点在于实现一个合适的消声末端，这在有流的情况下显得更加有难度。
2.2 间接测量法
间接测量法又分为以下两种方式：
——双负载法(Two-load Method)：一般为无流条件下的优选方法；
——双声源法(Two-source Method)：在有流条件下更加常用。
2.2.1 双负载法(Two-load Method)
双负载法的测量系统原理如图4所示，在被测消声器的上、下游各布置2只传声器，根据声传播特性，可分别分解得到入射声功率和透射声功率。由于一共有4只传声器，因此可以得到以同一测量传声器信号为参考信号的4个传递函数，测量的末端负载分别采用吸收型末端和刚性末端(或者开放末端)两种不同声阻抗的末端。这一测量方法在ASTM E2611中做了详细的规定：
ASTM E2611-19 Standard Test Method for Normal Incidence Determination of Porous Material Acoustical Properties Based on the Transfer Matrix Method
图4 双负载法传声损失的测量
2.2.2 双声源法(Two-sourceMethod)
双声源法的测量原理如图5所示，分别在被测消声器的入口端和出口端设置声源，与双负载法的原理类似，通过两种不同的阻抗条件，获得传递矩阵的结果。
图5 双声源法传声损失的测量
图6中给出了与图3示例中同样的单节扩张管消声器，采用双声源法测量获得的结果与边界元(BEM)计算结果的对比[2]，可以看出，双声源法的测量结果与理论计算结果高度吻合。
下图7为双节扩张管消声器，分别采用双声源法和双负载法测量得到的传声损失的对比[2]，从对比结果中可以看出，除了在1000Hz以下的低频段两者的测量结果会产生一定的差异外，在高频段两种方法得到的结果吻合得很好。
传声损失测量的一些影响因素
3.1 对负载末端的要求
从前面的介绍中可以看出，双负载法和双声源法可以更加准确地获得传声损失测量结果，而且对测量末端的要求相对较低，而直接法需要一个合适的消声末端，消声末端对测量结果形成明显的影响。
在采用双负载法和双声源法测量时，虽然对末端的声学要求不是那么高，但应避免使用反射型末端。双负载法是最简单的方法，不像双声源法还需要移动声源部分，双负载法只要在末端改变不同的负载即可。在双负载法测量中，也需要保证两种负载的声阻抗差异尽量大，如果两种负载的差异不够大(对所有关心的测量频率)，也将对测量结果造成影响。
3.2 参考传声器的选择
我们用双负载法传声损失测量的例子，来说明选用不同的测量传声器作为参考信号对测量结果的影响。
测量的消声器为一个直径为150mm，长度为200mm，两端进、出口的直径为34.8mm的简单扩张管消声器，图8中给出了分别用不同的4个传声器作为参考传声器，获得的该扩张管消声器的传声损失，负载末端分别为末端贴100mm吸声泡沫和开口管两种。图中可以看出，采用不同的4个传声器作为参考传声器的结果吻合得较好，但采用声源侧的传声器1和2作为参考传声器时，在100和400Hz处出现较为明显的噪声干扰，而采用下游的传声器3和4时，测量结果在整个频段内较为平滑。
3.3 锥形变径管对测量的影响
传声损失测量在抗性消声器测量中是最常用的测量方法，特别是在汽车消声器研究设计中广泛采用。因此，在传声损失测量系统中，锥形变径管使用比较频繁。在文献[1]中对采用不同长度的锥形变径管对测量结果的影响进行了研究，该部分研究结果对我们更加好地进行传声损失的测量具有参考意义。
实验采用一个简单的扩张管消声器，以及两种长度的锥形变径管，具体尺寸如下表：
扩张管消声器分别采用不同长度的变径管进行传声损失的测量，下图中展示了采用传递矩阵法剔除了锥形变径管影响后，得到的扩张管传声损失与理论计算值的对比。可以发现，在低频段测量结果与计算结果有比较大的差异，采用长变径管则在200Hz以上即和理论分析结果比较一致，而采用短变径管要到700Hz以上两者才吻合得较好。说明变径管在低频引起了较为明显的附加传声损失。
将两个不同长度的变径管以扩张/收缩两种方式分别连接在一起，不同变径面积比条件下的传声损失如下图所示：
锥形变径管的长度决定了传声损失低频第一瓣的宽度，而瓣的高度由变径的面积比决定，面积比越大，低频第一瓣的传声损失也越高。因此，要减小变径管对测量结果的影响，需要选择变径面积比尽量小，而变径管的长度尽量长，这和我们在上次分享中介绍的ISO7235和ISO11696中提出的锥形变径管的张角控制在10°是相吻合的（参见：消声降噪技术：4 消声器性能的测量-插入损失测量）。
无反射声学末端的形式
虽然在前面的介绍中提到直接法的测量结果将受到声学末端性能的影响。一般消声器传声损失测量推荐采用间接法。但全消声末端(无反射末端)在声功率测量、管内声传输特性研究，以及理论仿真中经常用到。理想的无反射末端几乎是难以实现的，尤其是在低频段，因为低频段更大的波长意味着很大尺寸的消声末端。
在ISO 5135(GB/T17697)中对管道消声末端的设计提出了基本的要求，并且给出了在低频段不同频率声压反射系数的限值。
消声末端的设计基于的也是阻抗渐变的原理。对于无流的管道，消声末端材料楔形吸声结构(如尖劈)或者多层阻抗渐变材料组成的平面吸声结构，就能实现很好的吸声效果，这与消声室的设计原理类似。对于空调通风、汽车排气消声这种应用场景，需要有流条件下实现无反射的声学末端，需要实现尽量小的声反射的同时，又不阻碍气流的通过。
有流条件下的消声末端一般采用渐变扩张管来实现，这种渐变的形式一般采用悬垂线或者指数曲线的形式(如高音喇叭的号筒)，使得声阻抗连续缓慢变化。在扩张区域填充吸声材料吸声声能，同时又保证流道截面沿轴向保持不变或者缓慢变化。图11中为在文献[3]研究中的消声末端的模型。图12中给出了在不同流速下的声反射系数的幅值，左边为线性扩张管模式，右边为指数扩张管模式。可以看出，两种扩张形式都能在随着频率的升高，获得更加小的声压反射系数，其中在1.5k~3kHz频段的反射系统的跃升，研究者认为是分隔板引起的，取消分隔板反而可以在高频段获得较好的消声效果，分隔板所引起的声散射是高频段声反射增加的原因。
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