用參數(shù)揚(yáng)聲器測(cè)量多孔材料的聲阻抗: 聲子晶體的和相消法

在自由場(chǎng)或原位測(cè)量建筑材料的聲學(xué)特性時(shí)，目標(biāo)材料周圍的反射和樣品邊緣的衍射通常會(huì)導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差。為克服這一問題，提出一種使用參數(shù)揚(yáng)聲器測(cè)量聲學(xué)特性的方法。基于高壓超聲的非線性而具備良好的指向性，這一方法會(huì)通過將聲音聚焦在狹窄的空間范圍來減少不必要的干擾聲波。然而，這樣的超強(qiáng)超聲波在麥克風(fēng)表面上會(huì)造成聲音失真，也會(huì)增大測(cè)量誤差。當(dāng)使用參量揚(yáng)聲器進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量時(shí)，必須通過減小目標(biāo)和接收點(diǎn)附近的超聲來防止傳聲器膜上的聲音失真，而超聲壓必須很大才能沿傳播軸產(chǎn)生可聽見的聲音。在本文實(shí)驗(yàn)研究中，通過以下兩種策略以減少這種測(cè)量誤差：“聲子晶體進(jìn)行聲波濾波”和“超聲波的相抵消”。

聲子晶體進(jìn)行聲波濾波：該方法基于物理帶隙濾波器的使用，該物理帶隙濾波器僅反射具有特定頻率范圍的聲音，并傳輸其余的聲音。聲子晶體具有周期性結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。通過聲子晶體傳輸后，超聲被抑制并且不產(chǎn)生可聽見的聲音，從而達(dá)到濾波的效果。

超聲波的相抵消：這種方法是Kamakura和其合作者提出的，圓形參量揚(yáng)聲器的內(nèi)部和外部發(fā)射器發(fā)射180°超聲域中的相位差信號(hào)。因此，超聲波在傳播軸上被抵消，而可聽見的聲音具有與同相驅(qū)動(dòng)幾乎相同的聲壓。如圖2所示為本文使用的參數(shù)揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 聲子晶體排序，聲子晶體濾波器及其頻譜特性

圖2 參數(shù)揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正面（左）和 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)流程（右）

研究結(jié)果表明，參數(shù)揚(yáng)聲器的超指向性可以減少樣品邊緣的衍射和周圍環(huán)境的不良反射。在基于脈沖響應(yīng)的測(cè)量中，能夠區(qū)分主信號(hào)與干擾聲波是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。參數(shù)揚(yáng)聲器用于聲學(xué)實(shí)驗(yàn)相關(guān)測(cè)試的典型問題在于由聲音失真引起的測(cè)量誤差，即通過聲子晶體的聲波濾波和相抵消法可以降低測(cè)量誤差。兩者都可以通過消除聲音失真來提高800Hz以上頻率的測(cè)量精度。但是，在建筑領(lǐng)域中，通常會(huì)期望以較低的頻率進(jìn)行精確的測(cè)量。接下來的研究會(huì)集中評(píng)估在低于800Hz的頻率下，本文所提出的測(cè)量方法的測(cè)量精度。

資料來源：Sugahara et al (2019) – Applied Acoustics Journal, pp54-62.