阅读说明：本技术 带可调谐径向磁场加载装置的声学测量系统 (Acoustic measurement system with tunable radial magnetic field loading device ) 是由 吴卫国 曾天成 刘闯 于 2019-07-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及阻抗管隔声测试技术领域,具体为带可调谐径向磁场加载装置的声学测量系统。其由阻抗管测量系统和可调谐径向磁场加载装置组成。其中,可调谐径向磁场加载装置由圆环框架、支撑架、线圈单元、锁紧螺母、绝缘垫圈和直流电源组成；可调谐径向磁场加载装置放置于阻抗管测量系统的外部,其产生的磁场平面与阻抗管测量系统的阻抗管轴线垂直,保证可调谐径向磁场加载装置的圆环框架与阻抗管同心,并且使线圈单元末端与阻抗管外表面的之间的距离控制在2mm以内,以实现径向磁场更好地作用于被测试件,同时可调谐径向磁场加载装置可沿着阻抗管轴向移动,可以实现在阻抗管任何位置加载径向磁场。(The present invention relates to impedance tube sound insulation measurement technical fields, specially the acoustic measurement system with tunable radial magnetic field loading device.It is made of impedance tube measuring system and tunable radial magnetic field loading device.Wherein, tunable radial magnetic field loading device is made of annulus frame, support frame, coil unit, locking nut, insulating washer and DC power supply；Tunable radial magnetic field loading device is placed in the outside of impedance tube measuring system, the H plane that it is generated is vertical with the impedance tube axis of impedance tube measuring system, guarantee that annulus frame and the impedance tube of tunable radial magnetic field loading device are concentric, and make coil unit end and impedance tube outer surface the distance between control within 2mm, to realize that radial magnetic field preferably acts on test specimen, tunable radial magnetic field loading device can be moved axially along impedance tube simultaneously, may be implemented in any position load radial magnetic field of impedance tube.)

带可调谐径向磁场加载装置的声学测量系统

技术领域

本发明涉及阻抗管隔声测试技术领域，具体为带可调谐径向磁场加载装置的声学测量系统。

技术背景

近50年来，现代社会生活中，随着国家高速列车、航空航天、大型输变电工程等的快速发展，噪声问题一方面影响着各领域自身的快速发展，另一方面还干扰者人们的正常工作和生活。为了改善噪声对人们正常生活的影响以及增强材料面对复杂声学环境的适应性，运用磁流变等材料并基于磁场控制的各类隔声材料快速发展，这类材料在有外加磁场作用时表现出可实时变化的、良好的隔声性能，则其在磁场作用下的隔声实验成为需解决的难题之一，这样一来带磁场加载装置的声学测量系统亟待测试研究。

目前，阻抗管隔声实验中磁场加载方式主要有三种。第一种磁场加载方式是将环形永磁铁套于阻抗管，但这种形式其磁场强度不够；第二种磁场加载方式是将磁场加载装置与主动隔声材料一同置于阻抗管内，这种方式对实验有诸多影响，一方面，磁场加载装置的导线无法从阻抗管中引出，难以实现磁场精确的加载；另一方面，磁场加载装置的导线会在阻抗管内或待测试件旁边，会干扰到阻抗管内平面波的传播，从而对隔声实验产生很大的影响，最后测试的实验结果会有一定的偏差；第三种磁场加载方式是直接在阻抗管外侧缠绕线圈形成磁场加载装置，由于阻抗管声学传感器距离待测试件较近，绕制的线圈通电后产生的磁场及电热会对声学传感器灵敏度产生较大影响，进而影响隔声实验的测量精度和结果，而且不方便拿取试件。

现有的磁场加载装置多为轴向磁场加载装置，在实际试验测试中方法比较单一,主要有以下两点不足：

1.无法完成磁场的径向加载，磁场加载方向只能为轴向加载，；

2.操作流程复杂，无法做到定量地加载。

发明内容

本发明提供了带可调谐径向磁场加载装置的声学测量系统，通过定量改变该声学测量系统中可调谐径向磁场加载装置的输入电流大小，调谐所加载的径向磁场的强度，改变被测试件的有效参数，从而达到被测试件隔声性能的实验要求。

本发明的技术方案是：带可调谐径向磁场加载装置的声学测量系统，由阻抗管测量系统和可调谐径向磁场加载装置组成。其中，可调谐径向磁场加载装置由圆环框架、支撑架、线圈单元、锁紧螺母、绝缘垫圈和直流电源组成；可调谐径向磁场加载装置放置于阻抗管测量系统的外部，其产生的磁场平面与阻抗管测量系统的阻抗管轴线垂直，保证可调谐径向磁场加载装置的圆环框架与阻抗管同心，并且使线圈单元末端与阻抗管外表面的之间的距离控制在2mm以内，以实现径向磁场更好地作用于被测试件，同时可调谐径向磁场加载装置可沿着阻抗管轴向移动，可以实现在阻抗管任何位置加载径向磁场。

其中可调谐径向磁场加载装置的技术方案是：圆环框架竖直放置在支撑架上并用锁紧螺栓固定，在圆环框架上均匀地开出8个直径为16-20mm的通孔，可根据磁场加载需要对称安装2,4,6,8个线圈单元，线圈单元通过锁紧螺母与圆形框架连接固定，同时在线圈单元与圆形框架之间连接时垫有绝缘垫圈，以防止漏电的时候圆形框架带电。线圈单元通过预留出来的铜漆包线与直流电源连接。

上述方案中，所述的线圈单元由圆柱铁芯、铜漆包线和线圈挡板组成；其中，在圆柱纯铁铁芯一端攻出M10×20mm长的螺纹；两片线圈挡板用热熔胶固定在圆柱铁芯上，涂胶后放置一段时间，等待热熔胶变干强化，其中一片线圈挡板在固定时距离圆柱铁芯有螺纹的一端70-80mm，另一片固定于圆柱铁芯无螺纹的一端；铜漆包线均匀地绕制在两块线圈挡板之间，在绕制的过程中，每绕一层就用绝缘胶带包裹一层，绕制完毕之后再用绝缘胶带包裹完整，最后预留出一截铜漆包线用于连接直流电源。这样就制成了可调谐径向磁场加载装置的线圈单元。只需变化直流电源的电流大小，就可以定量调谐径向磁场的磁场强度。

上述方案中，所述的支撑架由角钢、矩形板和万向轮组成。用4个角钢将矩形板撑起来，并将万向轮装在4个角钢上，保证矩形板处于水平状态。除此之外，在矩形板中央钻一个直径为10mm的孔，用于固定圆环框架。所述的支撑架在万向轮的作用下可以实现移动。

上述方案中，所述的可调谐径向磁场加载装置的圆环框架用支撑架支撑固定，具体操作为：在圆环框架上钻一个直径为10mm的螺纹孔，对应于支撑架的矩形平面板的位置也钻一个直径相同的螺纹孔，用锁紧螺栓穿过圆环框架上的螺纹孔与支撑架的矩形平面板表面的孔连接，再用锁紧螺母锁紧固定。

上述方案中，所述的圆环框架是由铝材或其它弱磁性材料制成；具体的几何参数为：外径500mm,内径450mm，宽100mm。

上述方案中，所述的支撑架由钢材制成；具体的几何参数为：角钢：30*30*3；矩形板：长：400mm，宽：300mm，厚：3mm。

上述方案中，所述的圆柱铁芯由纯铁材料制成；具体的几何参数为：直径为20mm，长度为210mm，并在其一端攻出M10×20mm的螺纹，用于固定线圈单元。

上述方案中，所述的锁紧螺帽为M10外六角螺母，由钢材制成。

上述方案中，所述的绝缘垫圈由环氧树脂材料制成，垫于圆柱铁芯和圆环框架之间。

上述方案中，所述的线圈挡板由尼龙或其它弱磁性材料制成。

进一步的，所述的线圈挡板外边缘应高于绕制好的铜漆包线线圈单元最外缘，线圈挡板的厚度以保证在绕制铜漆包线过程中以及试验过程中不变形为准。

上述方案中，所述的铜漆包线由纯铜材料制成；铜漆包线的直径为1.2mm。

进一步的，直径较小的铜漆包线可绕制更多匝数，但是直径较小的铜漆包线的电阻较大，需要选择功率较大的直流电源，对实验设备的安全性能要求高；直径较大的铜漆包线可绕制的匝数较少，电阻较小，可通入较大电流来保证磁场强度，但是电流大了会产生较大的热量，影响被测试件的性能。所以需要根据实际需要来选择不同直径的铜漆包线。

上述方案中，所述的直流电源的功率大小根据试验所需径向磁场强度的大小来选择。

进一步的，空心的圆柱铁芯和实心的圆柱铁芯相比，其产生的磁场强度效果不好，实心铁芯产生的磁场强度更强，本发明选用实心的圆柱铁芯。

上述方案中，所述的铜漆包线圈绕制到圆柱铁芯的过程中，每绕一层就用绝缘胶带包覆一层，最后预留出来的一截铜漆包线用绝缘胶套包裹，防止漏电，保证试验安全。

上述方案中，所述的可调谐径向匀强磁场加载装置所产生的径向磁场作用于被测试件的半径方向，可调谐径向匀强磁场加载装置输入电流大小为0-15A，所产生的磁场作用到被测试件的磁场强度为0-0.5T。

上述方案中，所述的支撑架在万向轮的作用下可以移动，则圆环框架也随之移动，这样就能改变径向磁场的加载位置，增加了该声学测量系统径向磁场加载位置的变化性。

本发明具有以下优点：

1.实现径向加载

相较于比较普遍的轴向磁场加载装置来说，本发明装置能产生径向磁场，作用于被测试件的半径方向，可用于测试在径向磁场作用下被测试件的性能。

2.操作简便，定量加载

只需变化可调谐径向匀强磁场加载装置输入电流的大小，就能直接改变被测试件的性能，以达到试验要求。

3.径向作用力加载均匀

采用2，4，6，8个线圈单元，均匀地固定在圆环框架上，在产生径向磁场的过程中，被测试件径向方向受力能更为均匀。

4.磁场外部加载，减少因线圈发热对被测试件性能及声学传感器的影响。

附图说明

图1为本发明带可调谐径向磁场加载装置的声学测量系统整体结构示意图；

图2为可调谐径向磁场加载装置结构示意图；

图3为可调谐径向磁场加载装置中单个线圈单元结构示意图；

图4为4个线圈单元的可调谐径向磁场加载装置接通电源后产生磁场的磁场强度分布图；

图5为支撑架整体结构示意图；

图6为径向磁场作用于被测试件的示意图；

图7为本发明测试的被测试件的隔声性能曲线；

附图标记说明；1-阻抗管；2-可调谐径向磁场加载装置；3-圆柱铁芯；4-圆环框架；5-铜漆包线；6-角钢；7-矩形板；8-万向轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

本发明所述的可调谐径向磁场加载装置的圆环框架外半径为250m，内半径为225mm，宽度为100mm；所述的圆柱铁芯直径为20mm，长度为210mm；所述的铜漆包线半径为0.6mm；由圆柱铁芯与铜漆包线所形成的可调谐径向磁场加载装置的单个线圈单元匝数为1000。

本实施例中阻抗管内半径r＝50mm，外半径R＝60mm，由铝材料制成。

本实施例中线圈挡板为尼龙材质，厚度3mm。

本实施例中可调谐径向磁场加载装置的圆环框架用支撑架支撑固定，具体操作为：在圆环框架上钻一个直径为10mm的螺纹孔，对应于支撑架的矩形平面板的位置也钻一个直径相同的螺纹孔，用锁紧螺栓穿过圆环框架上的螺纹孔与支撑架的矩形平面板表面的孔连接，再用锁紧螺母锁紧固定，这样就能将圆环框架固定在支撑架上，从而实现将可调谐径向磁场加载装置固定。

本实施例采用“60V，60A”的直流电源。

所述的带可调谐径向磁场加载装置的声学测量系统的材料参数为：圆环框架：铝[密度ρ＝2700kg/m³；弹性模量E＝7e10Pa；泊松比ν＝0.33]；圆柱铁芯、支撑架、锁紧螺母：铁[密度ρ＝7900kg/m³；弹性模量E＝2.12e10Pa；泊松比ν＝0.31]；铜漆包线：铜[密度ρ＝8920kg/m³；弹性模量E＝1.2e11Pa；泊松比ν＝0.34]；绝缘垫圈：环氧树脂[密度ρ＝2000kg/m³；弹性模量E＝1GPa；泊松比ν＝0.38]；线圈挡板：尼龙[密度ρ＝1130kg/m³；弹性模量E＝1.4GPa；泊松比ν＝0.4]

结合附图，具体实施为：

第一步：将两片线圈挡板用热熔胶固定在圆柱铁芯上，涂胶后放置一段时间，等待热熔胶变干强化，其中一片线圈挡板在固定时距离圆柱铁芯有螺纹的一端70-80mm，另一片固定于圆柱铁芯无螺纹的一端；

第二步：铜漆包线均匀地绕制在两块线圈挡板之间，在绕制的过程中，每绕一层就用绝缘胶带包裹一层，绕制完毕之后再用绝缘胶带包裹完整，最后预留出一截铜漆包线用于连接直流电源，预留出的铜漆包线用绝缘胶套包裹，防止漏电，保证试验安全，制成单个线圈单元，如图3所示。

第三步：重复第二步4次，总共制成4个线圈单元，将该四个线圈单元均匀地***圆环框架的4个孔内，用锁紧螺母将线圈单元固定好，保证线圈单元距离阻抗管外表面小于2mm，将预留出的铜漆包线接上直流电源，这样就制成了可调谐径向磁场加载装置。

第四步：将可调谐径向磁场加载装置套在阻抗管上，如图1所示，从而形成径向磁场可调节加载装置的声学测量系统，再调整可调谐径向磁场加载装置位置，将其对应放置于阻抗管中被测试件的位置，使其作用于被测试件的半径方向。

本实施例中，铜漆包线接入电流后在圆环框架中央形成径向磁场，其磁场强度可通过输入电流的大小定量控制。

本实施例中的可调谐径向磁场加载装置用COMSOL Multiphysics5.4模拟输入15A电流时，其内部磁场分布情况，结果如图4所示。

从图4中可以看出，可调谐径向磁场加载装置在圆柱铁芯两端区域附近较大范围内产生径向磁场，径向磁场作用范围能够达到50mm，磁场强度最大接近0.11T，可调谐径向磁场加载装置产生的径向磁场的范围及磁场强度能够满足试验要求。

将被测试件装入阻抗管中时，为防止漏声，用生胶带缠绕于被测试件边缘，并抹上凡士林，用于密封和润滑。

测试结果如图7所示，从图中可以看出，被测试件的隔声曲线在径向磁场的作用下有了明显的移动，改造后的声学测量系统可以实现对被测试件实时加载不同强度的径向磁场，改变试件的隔声性能，可以满足试验要求，实际测试表明可调谐径向磁场加载装置可以实时改变被测试件的隔声性能。

结合实施例，本发明所提出的带可调谐径向磁场加载装置的声学测量系统，能够在保证测量要求的前提下，提供试验所需的可调谐的径向磁场测试环境。

本实施例对阻抗管测量系统进行改造，从阻抗管的工作原理角度分析是完全可行的。

每次试验需根据被测试件在阻抗管中的实际位置，在阻抗管测量系统配套测试软件Va-Lab中调整参数。

根据本发明的上述特点，其可以应用于交通工具的隔声装置设计以及建筑领域隔声设计等方面，改善人们的生活环境，尤其是在低频方面，具有良好的实验应用前景。

上述所述为优选的实施例，不能作为本发明的全部范围，在以本发明所述的带可调谐径向磁场加载装置的声学测量系统为基准做任何明显的改进、替换或变型均属于本发明的专利覆盖范围内。