【科技探究】用参数扬声器测量多孔材料的声阻抗: 声子晶体的和相消法

在自由场或原位测量建筑材料的声学特性时，目标材料周围的反射和样品边缘的衍射通常会导致明显的测量误差。为了克服了这一问题，本文提出一种使用参数扬声器测量声学特性的方法。基于高压超声的非线性而具备的良好指向性，这一方法会通过将声音聚焦在狭窄的空间范围来减少不必要的干扰声波。然而，这样的超强超声波在麦克风表面会造成声音失真也会增大测量误差。当使用参量扬声器进行声学测量时，必须通过减小目标和接收点附近的超声来防止传声器膜上的声音失真，而超声压必须很大才能沿传播轴产生可听见的声音。在本文实验研究中，通过以下两种策略以减少这种测量误差：“声子晶体进行声波滤波”和“超声波的相抵消”。

声子晶体进行声波滤波——该方法基于物理带隙滤波器的使用，该物理带隙滤波器仅反射具有特定频率范围的声音，并传输其余的声音。声子晶体具有周期性结构（如图1所示）。通过声子晶体传输后，超声被抑制并且不产生可听见的声音，从而达到滤波的效果。

图1 声子晶体排序，声子晶体滤波器及其频谱特性

超声波的相抵消——这一方法是Kamakura和其合作者提出的，圆形参量扬声器的内部和外部发射器发射180°超声域中的相位差信号：因此，超声波在传播轴上被抵消，而可听见的声音具有与同相驱动几乎相同的声压。图2是本文使用的参数扬声器驱动系统。

图2 参数扬声器驱动系统正面（左）和 驱动系统流程 （右）

研究结果表明，参数扬声器的超指向性可以减少样品边缘的衍射和周围环境的不良反射。在基于脉冲响应的测量中，能够区分主信号与干扰声波是一个很大的优势。参数扬声器用于声学实验相关测试的典型问题在于由声音失真引起的测量误差。即通过声子晶体的声波滤波和相抵消法可以降低测量误差。两者都可以通过消除声音失真来提高800Hz以上频率的测量精度。但是，在建筑领域中，通常会期望以较低的频率进行精确的测量。接下来的研究会集中在评估在低于的频率下800Hz本文提出的测量方法的测量精度。

资料来源：Sugahara et al (2019) – Applied

 Acoustics Journal, pp 54-62.