acoustic properties of porous materials used in …706746/fulltext01.pdf · acoustic properties of...

84
Acoustic properties of porous materials used in silencers Jesper Kristoffersson Master of Science Thesis Stockholm, Sweden 2013

Upload: dinhtruc

Post on 19-Aug-2018

222 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

   

Acoustic properties  

of porous materials  

used in silencers  

 

 

 

 

 

Jesper Kristoffersson  

 

   

Master of Science Thesis

Stockholm, Sweden 2013 

 

 

Page 2: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

 

Page 3: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

 

 

 

 

Acoustic properties of porous materials

used in silencers

 

Jesper Kristoffersson ISSN 1651‐7660 

TRITA‐AVE 2013:35  

 

 

 

 

 

 

 

 

Stockholm 2013 

Master of Science Thesis Royal Institute of Technology School of Engineering Sciences Department of Aeronautical and Vehicle Engineering The Marcus Wallenberg Laboratory for Sound and Vibration Research

Page 4: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

II  

 

Page 5: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

III  

Abstract

 

The  aim  of  this  master  thesis  is  an  experimental  investigation  of  the  acoustic characteristics  of  absorbing  materials  used  in  mufflers  for  trucks  and  cars.                     The  difference  in  the  composition  between  different  wool  type  materials  consists  of difference  in  material,  fibre  diameter,  length,  density  and  fibre  orientation.  It  is  also possible  to  construct mufflers using micro perforated plates  (MPP),  either  solely or  in combination  with  wool  type  materials.  When  a  specific  material  is  selected  the characteristics  of  the  performance  can  be  altered  by  compressing  the  material  to different bulk densities.  

It was  investigated how some of  these properties  change  the airflow  resistivity of  the material. When  the  airflow  resistivity  of  the material  is  known  this  parameter  can  be used in FEM software to describe how a specific material will react, behave and perform as an absorbent. 

Two different methods were used to extract the airflow resistivity. The fastest method is from the ISO standard ISO 9053 were the airflow resistivity is measured over a sample with a flow speed down to 0.5 mm/s. The second method is the Transfer Matrix Method (TMM) with which the airflow resistivity is extracted from the acoustic transfer matrix of the sample. Both methods are fully described in the report. The TMM was used within a  frequency  range  of  0‐1600  Hz  at  no  flow  conditions.  Measurements  using  both methods were performed at room temperature . 

Ten different wool type materials and two different kinds of MPP were studied. For the wool  type materials,  the  airflow  resistivity was measured with  the  fibres  parallel  and perpendicular  to  the  direction  of  sound  and  airflow.  The  material  samples  had  bulk 

densities of 80‐210 g/l. For the MPP the specific airflow resistance   was measured with the static flow perpendicular to the plates. The results from the two methods were compared and the transmission loss, absorption coefficient, reflection coefficient and the complex  speed  of  sound  were  calculated  using  the  transfer  matrix  from  the  TMM. Regarding the TMM these data were also compared to the results that can be calculated when  using  the  measured  airflow  resistivity  together  with  the  empirical  expressions from Delany‐Bazley & Miki. Repacking of  some materials were done  in order  to  study the differences introduced by the packing process.   

Page 6: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

IV  

 

The conclusions after the measurements were: 

• The agreement between the two methods was very good. • The  value  of  the  resistivity  was  doubled  for  measurements  with  the  fibres 

perpendicular to the direction of sound. • When the materials with a high degree of micro strands were oriented with the 

fibres perpendicular to the direction of sound there was a resonant behaviour in the sample. The onset frequency of this resonance increased with increasing bulk density. This resonance leads to difficulties in predicting the behaviour of real life exhaust systems.  

• In  order  to  get  reliable  results,  further  studies  on  the micro  perforated  plates must  be made,  with  even  lower  flow  velocities  and  sound  pressure  levels  and maybe with other methods. 

Page 7: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

V  

Sammanfattning  

Målet  med  detta  examensarbete  är  en  experimentell  undersökning  av  akustiska egenskaper  för  absorbenter  i  ljuddämpare  hos  lastbilar  och  personbilar.  Skillnaden  i sammansättningen  mellan  olika  ullmaterial  består  i  materialtyp,  fiberdiameter, fiberlängd,  densitet  och  fiberriktning.  Det  är  även möjligt  att  konstruera  ljuddämpare genom  att  använda  mikroperforerade  plåtar,  antingen  ensamma  eller  i  kombination med  ullmaterial.  För  ett  specifikt  material  kan  egenskaperna  ändras  genom  att packningsdensiteten i ljuddämparen varieras. 

Det  undersöktes  hur  vissa  av  de  olika  egenskaperna  ändrade  materialets strömningsmotstånd.  Med  kännedom  om  materialets  strömningsmotstånd  kan  finita elementprogram användas för att beskriva hur ett specifikt material kommer att fungera som absorbent. 

Två  olika  metoder  användes  för  att  få  fram  materialens  strömningsmotstånd.  Den enklaste  och  snabbaste metoden  är  den  som  beskrivs  i  standarden  ISO  9053  i  vilken strömningsmotståndet mäts över ett materialprov med en strömningshastighet ner till 0.5 mm/s. I den andra metoden beräknas strömningsmotståndet ur överföringsmatrisen till  materialprovets  uppmätta  akustiska  4‐pol.  4‐polen  uppmättes  med  två‐mikrofonsmetoden.  Båda  metoderna  finns  beskrivna  i  rapporten.  Två‐mikrofonsmetoden användes i frekvensomfånget 0‐1600 Hz utan strömning. Utförandet av båda metoderna gjordes i 20 °C. 

10  olika  ullmaterial  och  två  mikroperforerade  plåtar  ingick  i  undersökningen. Strömningsmotståndet  för ullmaterialen uppmättes med  fiberriktningen parallell  samt vinkelrät  mot  luftflödet  och  ljudets  riktning.  Materialen  uppmättes  med packningsdensiteterna  80‐210  g/l.  För  de  mikroperforerade  plåtarna  uppmättes  det specifika  strömningsmotståndet  Pa  s/m,  med  luftflödet  vinkelrätt  mot  plåtarna. Resultaten  från  de  två  metoderna  jämfördes  och  från  den  uppmätta  4‐polens överföringsmatris  beräknades  transmissionsisoleringen,  absorptionskoefficienten, reflektionskoefficienten  och  den  komplexa  ljudhastigheten.  Resultaten  från  två‐ mikrofonsmetoden och det uppmätta strömningsmotståndet jämfördes med de resultat som kan fås genom att använda de empiriska uttryck Delany‐Bazley & Miki tagit  fram. Ompackning  gjordes  av  vissa  material  för  att  kunna  studera  packningsprocessens påverkan på resultaten. 

Page 8: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

VI  

 

Efter mätningarna drogs följande slutsatser: 

• Överensstämmelsen mellan de två metoderna var mycket bra. • Värdet  på  strömningsmotståndet  fördubblades  då  fiberriktningen  var  vinkelrät 

mot luftflödet och ljudets riktning. • När  material  med  en  stor  andel  av  mikrofiber  orienterades  med  fibrerna 

vinkelrätt  mot  ljudets  riktning  antydde  resultaten  närvaron  av  resonanser  i materialet.  Då  packningsdensiteten  ökade,  steg  frekvensen  för  resonansen. Denna  resonans  skulle  kunna  leda  till  bekymmer  vid  användande  av  dessa material. 

• Mer utförliga mätningar måste göras på de mikro‐perforerade plåtarna för att få tillförlitliga resultat. Både med lägre ljudtrycksnivåer och lägre flödeshastigheter men kanske även med andra metoder. 

Page 9: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

VII  

Preface

 

This report  is a Master of Science dissertation, as a part of the mechanical engineering education at  the Royal  Institute of Technology  (KTH),  Stockholm, Sweden. The  special interest during the education has been the field of Sound and Vibration. 

The work has been performed at Scania CV AB, RTRN, Acoustics department, Södertälje, Sweden,  and  at  the  department  of  Aeronautical  and  Vehicle  Engineering,  MWL,  KTH Royal  Institute  of  Technology,  Stockholm,  Sweden.  At  Scania  under  the  supervision  of Tony  Karlsson,  Development  Engineer,  and  Adjunct  Professor  Ragnar  Glav,  Dr.  Tech. Head of Acoustics, Truck Chassi Development. At KTH the work has been done under the supervision of Professor Hans Bodén, with support from Professor Mats Åbom, Dr., Nils‐Erik Hörlin and Christophe Van Der Kelen. 

I would like to thank Scania CV AB for the facilities, financing and material supplied.  

A special  thank you to Tony, P.O., Petra and P.G., at Scania RTRN for their support and help during this journey. 

 

  

Page 10: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

VIII  

 

 

 

Page 11: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

IX  

Sist, men absolut viktigast! 

 

En  oändlig  och  livslång  tacksamhet  från  det  djupaste  av  mitt  hjärta  till  min  flickvän, KTH‐änka, sambo och snart fru, som gjort hela denna resa möjlig.  

Utan dig och vår älskade lilla Selma skulle jag inte klarat det! Så är det!  

Ni har varit min omedvetna sporre som jag kunnat glädjas åt, tänka på och längta efter alla de tidiga morgnar, långa dagar, sena nätter och tråkiga helger vi varit ifrån varandra.  

Men nu ska vi vara tillsammans för alltid! 

Det bästa av det bästa är ni!  

Bis? 

Page 12: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

X  

 

Page 13: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

XI  

List of symbols  

Hii   Transfer functions between signals Hpi, Hqi  Transfer function between volume velocity and pressure and the reference 

signal at position i. H1, H2  Transfer function for different states indicating: (1) means speaker 

upstream active and (2) means speaker downstream active.  M  Mach number R  Reflection coefficient S  Cross‐sectional area of the duct, m2 

T  The transfer matrix of an empty duct TL  Transmission loss, dB Ts  The transfer matrix of the sample Ttot  The total transfer matrix, ducts and sample included T´tot  The dimensionless total transfer matrix, ducts and sample included TMM  Transfer Matrix Method Z  The impedance of a rigid backed layer, Pa s/m Zc  Characteristic impedance, Pa s/m Z0  Characteristic impedance of air in the duct, Pa s/m   an  Absorption coefficient at normal incidence c  Speed of sound, m/s ca  Complex speed of sound, m/s c0  Speed of sound in air, 344 m/s e  Reference signal, V f  Frequency, Hz h  Sample thickness, m j  Imaginary unit k0  Wave number of air, 1/m ka  Complex wave number l  The distance of the reference section until the surface of the sample pi  Pressure at microphone position i, Pa   qi  Volume velocity at microphone position i, Pa r  Airflow resistivity MKS Rayl/m s  Microphone distance 

  Mean air velocity, m/s   Pressure drop across sample   Sample length, m   Density of air, ~1.21 kg/m3   Normalized flow resistance    Normalized characteristic impedance    Normalized input impedance 

 

Page 14: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

XII  

 

Page 15: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

XIII  

 

Contents 1 Introduction ......................................................................................................................................................1

1.1 Aims of this mater thesis ...............................................................................................................1

2 Theory..................................................................................................................................................................2

2.1 The Delany and Bazley method .......................................................................................................2

2.1.1 Calculation of acoustical properties.....................................................................................5

2.2. The 4‐pole transfer matrix method ..............................................................................................7

2.2.1 Calculation of acoustic properties...................................................................................... 10

3 The measurement set ups ........................................................................................................................ 18

3.1 Static Air Flow resistivity measurements ................................................................................ 18

3.1.1 Measurement procedure........................................................................................................ 18

3.1.2 Measurement details ............................................................................................................... 19

3.1.3 Deviations from International Standard ISO 9053..................................................... 20

3.2 Transfer Matrix Method rig............................................................................................................ 22

3.2.1 Measurement procedure........................................................................................................ 22

3.2.2 Measurement details ............................................................................................................... 24

3.2.3 Deviations from the Standard E2611 – 09 ..................................................................... 26

3.3 Data handling........................................................................................................................................ 26

4 Results & Discussion................................................................................................................................... 28

4.1 Sample holder ...................................................................................................................................... 28

4.2 Results for wool type materials.................................................................................................... 32

4.2.1 General comments .................................................................................................................... 32

4.2.2 Comments regarding yarn type materials...................................................................... 44

4.2.3 Comparison for Parallel vs. Perpendicular and Repacking..................................... 53

4.2.4 Comparison with Delany & Bazley‐Miki.......................................................................... 55

4.3 Micro Perforated Plates results .................................................................................................... 59

5 Conclusions..................................................................................................................................................... 64

6 References....................................................................................................................................................... 66

 

Page 16: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

XIV  

 

Page 17: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

XV  

Page 18: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

1  

1 Introduction  

Acoustic  absorptive  fibre  materials  are  used  in  automobile  silencer  systems.  Historically, wool  type materials  from basalt has been  the acoustic absorbing material but since new legislations demand less emission in the form of degraded fibre parts, new materials  are  of  great  interest.  This  is  also  important  for  the  truck  and  car manufacturers since mechanical and chemical degrading, of the fibre materials means a decreasing  performance  of  the muffler  system.  The  performance  of  the muffler  is  the best when the truck or car  leaves the  factory but decreases during the  life span of  the vehicle.  Since  performance,  weight  and  economy  constantly  are  under  consideration regarding the choice of material, new materials are always of great  interest  if  they can improve the performance. 

To  be  able  to  use  them  in  simulation  programs  their  acoustic  properties  need  to  be known  and  therefore  they  need  to  be  tested.  Different  materials  can  exhibit  similar acoustic properties by changing their bulk densities. 

In  fibre  materials  as  for  instance  glass  wool,  the  attenuation  capabilities  are  mainly determined by the static airflow resistivity. This is known from the work of Delany and Bazley  [1].  This  means  that  if  the  airflow  resistivity  of  the  material  is  known  many acoustical properties,  i.e.,  transmission  loss,  characteristic  impedance,  speed of  sound, absorption and reflection coefficient can be predicted with a great accuracy. 

If  the  speed  of  sound  and  the  characteristic  impedance  are  known,  then  a  complete description of the material can be made using the equivalent fluid model of Mechel, 1976 [2]. This model characterizes the fibrous or porous material as a homogenous fluid but with  a  complex  valued  speed  of  sound  (amplitude  and  phase)  and  characteristic impedance. 

One important effect neglected by Mechel in his model is the fibre movement caused by the acoustic waves when the direction of the fibres is perpendicular to the direction of sound. 

 

1.1 Aims of this mater thesis

The aims of the project was to compare the results from the Transfer Matrix Method and the Static Airflow Resistivity method in terms of the extraction of resistivity for various materials,  bulk  densities,  and  fibre  directions,  and  to  develop  the  MATLAB  codes necessary to calculate the different quantities from the measured data. 

 

Page 19: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

2  

2 Theory  

2.1 The Delany and Bazley method

To be able to measure the resistivity of a material, a sample is placed inside a tube with a known  cross  section  area.  The  sample  is  exposed  to  a  static  airflow  and  the  pressure drop,  the mean  air  velocity  across  the  sample,  and  the  sample  length,  are measured. Since  the  sample  diameter  is  affecting  the  mean  air  velocity  care  must  be  taken  to calculate  the  correct  mean  air  velocity  across  the  sample.  The  airflow  resistivity  is defined as the pressure drop per sample length divided by the mean airflow velocity, ISO 9053[3] 

             (1) 

 

 

 

 

For  the method  to  be  valid,  the  sample  under  test  should  be  homogenous,  the  fibres should  be  small  compared  to  the  wavelength  and  the  sample  should  be  isotropic.        This  last  limitation is not  fulfilled when tests are performed on glass or mineral wools but for practical purposes this is normally negligible. To obtain more precise results it is possible  to measure  the material  in  all  three  spatial  directions.  Some of  the materials were measured with  the  flow  both  parallel  and  perpendicular  to  the  direction  of  the fibres in the materials. 

When the airflow resistivity of the material is known, several acoustic properties can be calculated using the empirical derived formulas of Delany and Bazley.  

There are two sets of formulas, one for porous materials and one for fibrous materials.  

These are the formulas for fibrous materials, 

    (2) 

Page 20: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

3  

            (3) 

Frequency  boundaries  proposed  by  Delany  and  Bazley  for  these  expressions  and  for homogenous materials with porosity close to one are: 

          (4) 

For comparison the by Miki Y. [4] (1990) revised Delany and Bazley models will be used as well: 

    (5) 

    (6) 

The  same  boundaries  as  for  the  original  Delany  and Bazley models will  be  used  here although  Miki  had  observed  that  his  revised  expressions  behaved  well  in  a  larger 

frequency range especially for   

In  1992,  Mechel  F.P.  [5]  presented  another  set  of  formulas  for  the  characteristic impedance and wave number for glass fibre. 

 

  (7) 

    (8) 

            (9) 

 

For  the  results  of  using  these  expressions  certain  characteristics  about  the measured material can be concluded. As the airflow resistivity approaches zero, the wave number and the characteristic impedance approach the values that these parameters have in air. The negative  imaginary part of  the wave number determines  the dissipation of sound. 

Page 21: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

4  

When  the  real  part  is  larger  than  one  there  is  an  indication  that  the  speed  of  sound through the absorbing material is lower than in air. 

Page 22: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

5  

2.1.1 Calculation of acoustical properties

When these parameters are known, the absorption coefficient, the reflection coefficient and the transmission loss can be estimated using: 

          (10) 

          (11) 

          (12) 

Where: 

 

 

 

 

By calculating the 4‐pole matrix (T), defined in 2.2, of the sample it is also possible to estimate the transmission loss (TL) of the sample. 

        (13) 

  (14) 

But since in this case,  , this can be simplified to, 

   (15) 

The  expressions  for  the  absorption  coefficient,  reflection  coefficient  and  the transmission  loss  will  be  used  together  with  the  wave  number  and  characteristic impedance calculated with the air flow resistivity results from the 4‐pole transfer matrix measurements. These results will be compared to the results gained directly from the 4‐pole transfer matrix.   

 

Page 23: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

6  

Page 24: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

7  

2.2. The 4-pole transfer matrix method

By measuring the input and the output of a system, a transfer matrix that describes the system can be derived. 

            (16) 

In  this  expression    and    are  acoustic  state  vectors  that  describe  the  input  and  the output of the system.   is the 2 x 2 matrix that describes the system. Since the matrix contains  four  unknowns,  four  equations  are  needed  in  order  to  solve  the  system  of equations.  This  means  that  two  pairs  of  state  vectors  are  needed  and  this  can  be accomplished either by changing the termination of the duct or by changing the sound source,  from speaker A to speaker B. The first method is called “the two‐load method” and the second method  is called “the  two‐source method”. Since  it has been shown by Åbom, 1990 [6] that better results are gained with “the two‐source method”, this is the method used in this report. 

Considering a test set up as  in Figure 1,  the task  is to determine the acoustic two‐port across the sample. The choice of variables that the two‐port consists of can vary but here the acoustic pressure (p) and the volume velocity (q) will be used. This means that we have: 

          (17) 

  ,  characterizes  the  complete  system  between  microphone  3  and  4,  and  can  be obtained by measuring p3, p4, q3 and q4 for two different states. A and B will denote the two different states and we will get the system of equations: 

        (18) 

From  this  equation    can  be  derived  if  the  two  different  states  are  linearly independent.   Two obtain q3  and q4  two microphones on each  side  are used. The  test setup is shown in Figure 1. For the high frequency range microphone number 2, 3, 4 and 5 are being used, and for the low frequency range microphone number 1, 3, 4 and 6 are being used.  

 

 

 

 

 

Page 25: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

8  

 

 

• 1­6  are the microphone positions. • Sl is the microphone distance for the low frequency measurements. • Sh is the microphone distance for the high frequency measurements. • l is the distance from the sample to the closest microphone. • h is the sample thickness. • The speakers are labelled A (upstream) and B (downstream). 

To be able to obtain q for the low frequency range, the following equations are used: 

          (19) 

          (20) 

          (21) 

          (22) 

Here the expressions for the volume velocity are normalized with Z0 in order to later get the normalized transfer matrix T’. 

For the high frequency range these expressions become, 

          (23) 

          (24) 

          (25) 

          (26) 

Microphones  Microphones 

sl 

sh 

l  hSpeaker A  Speaker B  Anechoic termination 

Wind tunnel outlet 

1  2  3 4 5 6

Sample 

Sample 

Figure 1 Transfer Matrix Method measurement rig at Scania, Södertälje. 

Page 26: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

9  

where Z0 is the characteristic impedance of the air in the duct, k0 is the wave number, sl the  low  frequency  range  microphone  separation  distance  and  sh  the  high  frequency range microphone separation distance. 

These  expressions  are  rewritten  in  terms  of  frequency  responses.  This  is  done  by dividing  the measured quantities with  a  reference  signal  e, which  is  the voltage  taken from  the  loudspeakers  in  the  duct.  For  the  high  frequency  range  these  expressions become, 

          (27) 

          (28) 

Where   and   

The final system of equations that need to be solved is  

        (29) 

T’tot means that the transfer matrix is normalized with Z0, since Hqi are normalized with Z0. 

 

The normalized transfer matrix can finally be determined by a matrix inversion. 

        (30) 

 

This  normalized  transfer  matrix  now  represents  the  total  system  between  the  two microphones 3 and 4. Theoretically without flow the determinant of this matrix should be equal to one, Munjal, 1987 [7]. This calculation will be done to control the set‐up of the test rig and the measurement quality.  

In order to obtain the transfer matrix for the sample only, T’tot must be multiplied from left  and  right  with  the  inverse  of  the  corresponding  normalized  empty  duct  matrix representing the duct piece upstream (u) and downstream (d) the sample. 

        (31) 

        (32) 

Page 27: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

10  

        (33) 

T’u =normalized transfer matrix for the empty duct section upstream of the sample 

T’d = normalized transfer matrix for the empty duct section downstream of the sample 

2.2.1 Calculation of acoustic properties

If the acoustic impedance   can be derived from the sample transfer matrix, a couple of acoustical properties can be calculated. 

The transfer matrix equation is, 

        (34) 

For a rigid backed sample, q4=0, and this implies that 

 .          (35) 

The input impedance can now be calculated as: 

           (36) This can be used to calculate the reflection coefficient and the absorption coefficient. 

            37  

            38  

Page 28: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

11  

Finally the air flow resistivity needs to be calculated from the normalized transfer 

matrix. 

The definition of the air flow resistivity at steady flow  i.e. at zero frequency  is: 

            39  

where S is the tube cross‐sectional area.  

For a propagating wave in the positive x‐direction, 

,          40  

Page 29: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

12  

where   is the pressure amplitude. When the definition of the characteristic impedance 

is used, then q can be written, 

           41  

If equation  41  and  40  are inserted in  39 , then r can be calculated from, 

             42  

If  we  assume  that  the  equivalent  fluid  model  can  describe  the  sample,  and  that  the 

sample is homogenous along the centre of the sample, then T´s must have the form of, 

.         43  

Page 30: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

13  

This is the straight duct transfer matrix, where  , the complex wave number, with 

ca complex speed of sound, h  sample thickness  m  and  is the normalized 

characteristic impedance. 

One way to determine the complex speed of sound is to  form the  complex exponential 

from the elements of T´s. 

     

  44  

From this it is possible to derive the complex wave number as, 

Page 31: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

14  

.     

  45  

 

Observing T’s , it can be noticed that, 

,           46  

where  , and for   this can be simplified into, 

          47  

Page 32: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

15  

If finally equation  47  is inserted into  42 , then r, according to Åbom, 1999  8  can be 

calculated from, 

          48  

 

Page 33: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

16  

 

In practice this is done by plotting r for the frequency range of interest, see Figure 2, and 

zooming in on the lower frequency range were the curve behaves linearly, see Figure 3. 

Finally  a  straight  line  fit  is  calculated  and  the  airflow  resistivity  for  static  flow  is 

extracted. 

0 500 1000 1500-4

-2

0

2

4x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity - M12 170

(g/l)

 

Figure 2 Airflow resistivity plotted. 

Page 34: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

17  

0 50 100 150 200-1

0

1

2

3

4x 10

4

Frequency (Hz)Ai

rflow

Res

istiv

ity P

a s/

m2

Airflow Resistivity - , with line fitM12 170

(g/l)

← Resistivity 27303.3059

 

Figure 3 Airflow resistivity, zoom. 

The  final  property  that  can  be  calculated  from  the  normalized  transfer  matrix  is  the 

transmission loss with the expression, 

    (49) 

Page 35: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

18  

3 The measurement set ups

3.1 Static Air Flow resistivity measurements

3.1.1 Measurement procedure

The procedure  is  explained using Figure 4. The  valve  at  (8)  is  closed  (down position) and  the  tare buttons on  the Swema 3000  (6) and differential pressure  transmitter  (7) are pressed in order to calibrate the equipment. A sample is put inside the small sample holder (2), see Figure 5, and the lids with nets are attached. The small sample holder is slid  into  the  larger  sample  holder  (1),  which  is  inserted  into  the  measurement compartment.  The  valve  (8)  is  opened.  The  desired  pressure  drop  across  the  laminar flow element (4) is regulated by turning the air valve regulator (5). The pressure drop across  the  laminar  flow  element  (4),  as  displayed  on  the  Swema  3000  (6),  is  used together  with  the  sample  cross  section  area,  to  calculate  the  mean  air  flow  velocity across  the  sample.  The  pressure  drop  across  the  sample  in  test  is  displayed  on  the differential pressure transmitter (7).   

 

 

1. Sample holder (cylindrical) 2. Small sample holder (cylindrical) with detachable end nets 3. Sample 4. Calibrated laminar flow element 5. Air valve regulator 6. Pressure drop measurement instrument Swema 3000 

3  2 

Compressor 

8

Figure 4 Static air flow measurement rig MWL, KTH, Stockholm. 

Page 36: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

19  

7. Differential pressure transmitter 8. Valve 

 

 

3.1.2 Measurement details

The  wool  type materials  studied  had  bulk  densities  80‐210  g/l.  The  increase  in  bulk density was made in steps of 10 g. 

Each  bulk  density  of  the  wool  type  materials  was  measured  at  four  different  flow velocities 8.8, 17.6, 26.3 and 35.1 mm/s.  

For the materials M2‐M6, measurements were made with the fibres parallel to the flow direction,  see Figure 13. For material M2 and M6, measurements were also done with the fibres perpendicular to the flow direction, see Figure 14. Materials M7‐M10 and M12 were materials with fibre direction randomly distributed. Material M10 was measured a second time, trying to measure with the fibres perpendicular to the direction of sound. 

The micro perforated plate materials were measured with  the  flow velocities  4.4,  8.8, 17.6 and 35.1 mm/s. 

Dry air at 70 F (21.1° C) was assumed i.e., no adjustments were made for temperature and humidity dependence of  the viscosity,  but  the  temperature,  atmospheric pressure and humidity were measured and recorded for reference. 

All  of  the materials  except material  12  were  cut  with  scissors  and  packed  inside  the holder manually  since  they were  composed of  individual  strands. Material 12 was  cut out in a circle shape by a sharp duct piece, slightly bigger than the holder tube, to make sure that the fit was tight with no leakage. The micro perforated plates were cut into a circle shape with a diameter slightly larger than the holder tube and held in place by a putty, after which the plate was held tight between the holder tube end and the lid. 

Figure 5 Sample holder and small sample holder with lids. 

Page 37: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

20  

3.1.3 Deviations from International Standard ISO 9053

According to the standard, measurements should be made for air  flow velocities across the sample down to 0.5 x 10‐3 m/s. For  these  low air  flow velocities and  for materials with low flow resistivity, the accuracy of the differential pressure transmitter started to affect the results of the pressure drop across the sample by introducing an error in the order  of  30  %.  In  order  to  reduce  the  error  introduced  by  the  equipment  the measurements were made with the flow velocities 8.8, 17.6, 26.3 and 35.1 mm/s. This reduced the error from the readings of the differential pressure transmitter to less than 3%. To make sure that the higher than recommended flow velocities did not introduce non‐linearities  in  the  results,  the  resistivity  measurements  for  the  different  flow velocities were compared.  

Due to the immense number of materials and bulk densities only  some materials were repacked  and  measured  to  control  the  difference  in  the  results  introduced  by  the packing procedure.  

Although the standard states that the measurement section diameter should be 95 mm, the diameter was 34 mm. The empty sample holder with the small sample holder inside was measured and there was no registered pressure drop. 

Page 38: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

21  

Page 39: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

22  

3.2 Transfer Matrix Method rig

3.2.1 Measurement procedure

The measurement of  the transfer matrix was made according to the standard E2611 – 09  [9], with one microphone  that was moved  to  the different microphone  positions  in the test rig. All measurements were made under no flow conditions.  

The  sample  was  placed  inside  the  sample  holder,  see  Figure  7and  Figure  8,  and  the sample holder was clamped together and attached to the measurement rig, see Figure 9. All openings were sealed. 

The microphone was placed in the microphone calibrator (Brüel & Kjær, type 4231) and amplitude  calibrated with  LMS  Test.Lab,  which was  the  program  used  to  acquire  the transfer  functions  between  the microphone  and  the  speaker  signal.    The microphone was  placed  in  position  1,  Figure  6,  and  the  complex  transfer  function  between  the microphone  and  the  signal  exiting  the  loudspeaker  A  was  measured.  This  same procedure was repeated for all microphone positions and for both speakers.  

 

The  sample  holder  depicted  in  Figure  7  and  Figure  8  was  used  for  the  wool  type materials. The wool samples were slid into the holder, see Figure 7 , part (II) and were held in place by the rigid copper wiring nets attached to the “lids”, depicted in, part (I & III).  

The measurements started with the lowest bulk density, and for each increment in bulk density,  part  (II)  was  dismounted  and  the  correct  amount  of  material  was  carefully added to  the material already  inside  the holder. Care was  taken to make sure  that  the material could move freely inside the holder to ensure evenly distributed bulk density in the sample. 

 

 

Figure 6 Transfer Matrix Method measurement rig at Scania, Södertälje. 

Mic positions  Mic positions 

sl 

sh 

l  hSpeaker A  Speaker B  Anechoic termination 

Wind tunnel outlet 

1  2  3 4 5 6

Sample 

Sample 

Page 40: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

23  

 

 

 

 

 

 

For the micro perforated plates, the sample holder shown in Figure 10 – Figure 12 was used. The lid, part I in Figure 10, was only used to mount the holder in the rig.  

The micro perforated plates were held in place by a putty, to the right in part II in Figure 10 and in Figure 11, and care was taken to make sure that there were no leaks between the edges of the plates and the duct. 

 

 

Figure 11 Sample holder for micro perforated plates. 

 Figure 12 Sample holder mounted in the test rig. 

  

Figure 8 Actual sample holder, wool type materials.  

Figure 9 Sample holder mounted in the test rig. 

   

I  II 

Figure 10 Sample holder for micro perforated plates (II) and adherent “lid” (I). 

I  II  III 

Figure 7 Sample holder for wool type materials, holder (II), "lids" (I & III) 

Page 41: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

24  

3.2.2 Measurement details

The wool  type materials studied had bulk densities 100‐200 g/l. The bulk density was increased in steps of 20 g. 

For  the  materials  M2‐M6,  measurements  were  made  with  the  fibres  parallel  to  the direction  of  sound,  see  Figure  13.  For material M2  and M6, measurements were  also done with  the  fibres perpendicular  to  the direction of  sound,  see Figure 14. Materials M7‐M10  and M12 were materials  with  fibre  direction  randomly  distributed. Material M10  was  measured  a  second  time,  trying  orientate  the  fibres  perpendicular  to  the direction of sound. 

 

Figure 13 Fibre direction is parallel to the upstream­downstream direction. 

 

Figure 14 Fibre direction is perpendicular to the upstream­downstream direction. 

 

Page 42: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

25  

 

The  micro  perforated  plate  materials  were  measured  with  three  different  sound pressure  levels  since  the  results  indicated  that  they  did  not  behave  according  to  the theory. 

The temperature and the atmospheric pressure were recorded for each bulk density and the results were included in the calculations. For reference the average temperature and atmospheric pressure was 21° C and 100 kPa. 

The humidity was not measured and thus not included in the calculations. 

The  valid  frequency  range  for  the  four‐pole  measurement  depends  on  the  distance between the microphones 

, (Åbom & Bodén, 1986[10])  (50) 

 

 

 

For the test rig the frequency limits were: 

Low frequency limits: 35.3‐282 Hz 

High frequency limits: 288‐2304 Hz 

Since it is under most circumstances better to extend the frequency range downwards the high frequency range was chosen to be: 

Extended high frequency limit: 282.8‐2304 Hz 

The cut on  frequency for the measurement rig, H. Bodén et al  [11], under which plane wave decomposition is a correct assumption, is: 

           (51) 

 

 

From this, the  . 

The final frequency range was 0‐1600 Hz with a frequency resolution of 0.78125 Hz. The excitation signal was random noise and for each measurement 50 averages were made. The data acquisition time was 1.28 s.  

Page 43: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

26  

All  of  the materials  except material  12  were  cut  with  scissors  and  packed  inside  the holder manually  since  they were  composed of  individual  strands. Material 12 was  cut out in a circle shape by a sharp duct piece, slightly bigger than the holder tube, to make sure that the fit was tight with no leakage. The micro perforated plates were cut into a circle shape slightly smaller than the holder tube and held in place by a putty. 

 

3.2.3 Deviations from the Standard E2611 – 09

Due to the immense number of materials and bulk densities only  some materials were repacked  and  measured  to  control  the  difference  in  the  results  introduced  by  the packing procedure  

3.3 Data handling

Several extensive MATLAB codes were written by the author to take care of and be able to  analyze  the  large  amount  of  measurement  data  from  the  Transfer  Matrix Measurements. 

 

Page 44: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

27  

 

Page 45: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

28  

4 Results & Discussion  

In this section combined results from the static airflow measurements and the transfer matrix measurements are presented. 

4.1 Sample holder

Comments regarding the results displayed in Table 1­Table 3 

To be able to check in what way the measurements were affected by the sample holder, the two different holders were measured in the rig without any material. For reference, the empty holder without any nets attached, was measured. The results can be seen in Table 1‐Table 3.  

To be able to check the validity of the developed MATLAB code,  the theoretical results for the normalized T’s11 and T’s12 were plotted as a comparison. The agreement between the theoretical results and the results from the test rig were very good and this was used as a confirmation of a correctly developed and functional MATLAB‐code. 

The determinant of  the transfer matrix was calculated and plotted. This was used as a confirmation of  the quality  of  the measurements.  This  should be  1  for  good quality measurements. 

The inspection of Table 1‐Table 3 displayed a very small influence of the holders on the transmission loss compared to the measurement of the empty duct, and the spikes in all the plots were believed to origin from the fine frequency resolution.  

As another reference the complex speed of sound was plotted. 

Around 1600 Hz all the results start to be affected by the cut on frequency for the duct, which can clearly be seen in the plot of the determinant. 

The results in the low frequency range are restricted by the limitation of the speakers. This limit is normally 20 Hz for this type of speakers 

Page 46: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

29  

 

Table 1 Results for the empty holder with no nets attached. 

0 500 1000 15000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

Transmission Loss - Empty Holder no nets

Empty Holder no netsTheoretical

 0 500 1000 1500

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequency (Hz)

Normalized transfer matrix element T´11Empty Holder no nets

T´11 real partT´11 imag partT´11 real theoT´11 imag theo

 

0 500 1000 1500-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Frequency (Hz)

Normalized transfer matrix element T´12Empty Holder no nets

T´12 real partT´12 imag partT´12 real theoret.T´12 imag theoret.

 0 500 1000 1500

-2

-1

0

1

2

3

Frequency (Hz)

Determinant check of Two-Port - Empty Holder no nets

real partimaginary part

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficientEmpty Holder no nets

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficientEmpty Holder no nets

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-100

0

100

200

300

400

500

600

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound Empty Holder no nets

realimag

 0 500 1000 1500

-3

-2

-1

0

1

2

3

Frequency (Hz)

Nor

mal

ized

cha

ract

eris

ticin

put i

mpe

danc

e

Normalized characteristic input impedanceEmpty Holder no nets

real partimaginary part

  

 

Page 47: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

30  

Table 2 Results for the empty holder with one net, setup for the MPP measurements. 

0 500 1000 15000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)Transmission Loss -

Empty holder with one net for MPP setup

Empty holder with one net for MPP setupTheoretical

 0 500 1000 1500

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequency (Hz)

Normalized transfer matrix element T´11Empty holder with one net for MPP setup

T´11 real partT´11 imag partT´11 real theoT´11 imag theo

 

0 500 1000 1500-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Frequency (Hz)

Normalized transfer matrix element T´12Empty holder with one net for MPP setup

T´12 real partT´12 imag partT´12 real theoret.T´12 imag theoret.

 0 500 1000 1500

-2

-1

0

1

2

3

Frequency (Hz)

Determinant check of Two-Port - Empty holder with one net for MPP setup

real partimaginary part

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficientEmpty holder with one net for MPP setup

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficientEmpty holder with one net for MPP setup

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-100

0

100

200

300

400

500

600

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound Empty holder with one net for MPP setup

realimag

 0 500 1000 1500

-3

-2

-1

0

1

2

3

Frequency (Hz)

Nor

mal

ized

cha

ract

eris

ticin

put i

mpe

danc

e

Normalized characteristic input impedanceEmpty holder with one net for MPP setup

real partimaginary part

  

Page 48: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

31  

Table 3 Results for the empty holder with two nets, setup for the wool type material measurements. 

0 500 1000 15000

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

Transmission Loss - Empty Holder with nets

Empty Holder with netsTheoretical

 0 500 1000 1500

-1

-0.5

0

0.5

1

Frequency (Hz)

Normalized transfer matrix element T´11Empty Holder with nets

T´11 real partT´11 imag partT´11 real theoT´11 imag theo

 

0 500 1000 1500-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Frequency (Hz)

Normalized transfer matrix element T´12Empty Holder with nets

T´12 real partT´12 imag partT´12 real theoret.T´12 imag theoret.

 0 500 1000 1500

-2

-1

0

1

2

3

Frequency (Hz)

Determinant check of Two-Port - Empty Holder with nets

real partimaginary part

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficientEmpty Holder with nets

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficientEmpty Holder with nets

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-100

0

100

200

300

400

500

600

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound Empty Holder with nets

realimag

 0 500 1000 1500

-3

-2

-1

0

1

2

3

Frequency (Hz)

Nor

mal

ized

cha

ract

eris

ticin

put i

mpe

danc

e

Normalized characteristic input impedanceEmpty Holder with nets

real partimaginary part

  

Page 49: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

32  

 

4.2 Results for wool type materials

4.2.1 General comments

Initially  there were  2 more materials,  material  1  and material  11,  but  the  amount  of available material was not enough to complete the two measurements methods. This is why there are no results presented for these materials.  

Since the fibres of material 4 did not fill the sample holder enough to stay in place in the TMM, there are only results for bulk density 171, 190 and 212 (g/l) for material 4. This implies  that  the  results  for  bulk  density  106,  127  and  149  for  the  static  airflow measurement are unreliable, see Table 7. 

The  plot  “Resistivity  Control  Static  airflow  measurements  for  different  velocities” displays how the resistivity measured in the static airflow rig was affected by the change of  flow  velocity.  This  was  done  to  make  sure  that  the  results  within  the  measured velocities  were  accurate  and  that  there  were  no  changes  and  non‐linearities  in  the resistivity  results.  There  was  a  very  good,  almost  exact  agreement  for  the  results between the different velocities for all the wool type materials. 

The “Airflow Resistivity Method Comparison” plot displays the comparison between the results  from  the  Transfer  Matrix  Method  and  the  Static  Airflow  Method.  Regarding material 2‐6, Table 4‐Table 10, the agreement between the two methods is really good, especially for the lower bulk densities. One reason that the agreement between the two methods  is not perfect  for  some of  the higher bulk densities  could be  that as  the bulk density increased it was harder to keep the strands in parallel and thus the length of the packed sample  increased and this  led  to a decrease of  the resistivity,  since the sample length  in  the  calculations was  kept  constant. On  the  other  hand  it  is  possible  that  the difficulty to keep the strands parallel led to more fibres positioned perpendicular to the direction of sound and thus an increased resistivity. 

Regarding  the  transmission  loss  and  resistivity  plots  there  are  some  similarities regarding the properties of the materials.  For materials with strands that do not contain a  high  degree  of  micro  strands,  think  straws  of  spaghetti  in  parallel,  the  airflow resistivity is relative low and thus the transmission loss low. For example material 3‐4, see Table 6‐Table 7 and material 8, see Table 12 display this behaviour. A higher degree of micro strands drastically increase the resistivity and transmission loss. 

An interesting phenomena is the increase of both resistivity and transmission loss when the  direction  of  the  fibres  change  from  parallel  to  perpendicular  compared  to  the direction  of  sound.  The  trend  for  the  transmission  loss  behaviour  is  that  it  increases until  somewhere  between  400‐700  Hz,  depending  on  the  material  and  bulk  density, where there is a sudden increase followed by a drastic drop and again an increase back to where  the  original  linear  curve  increase  should  have  been.  This  behaviour  repeats 

Page 50: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

33  

itself for increasing bulk densities but the effect of the variations in transmission loss is heavily  increased and the start and stop frequency for the dip  in the transmission  loss curve increase with increasing bulk density.  

A  theory  regarding  this  behaviour  is  that  when  the  bulk  density  increases,  the connection between the individual fibres become stronger, and therefore, the dip in the transmission  loss  increases  too.  But  for  increasing  bulk  densities  there  is  a  gradual increase  of  the  frequency  for  the  resonant  behaviour.  This  behaviour  is  only  present when the fibres are oriented perpendicular to the direction of sound and an indication of anisotropic behaviour of the material. This was observed already in 1989 by (Dahl et al [12],  where  this  effect  was  attributed  to  motions  of  the  fibres  as  the  fibres  were perpendicular to the direction of the sound. 

There  seem  to  be  a  connection  between  the  speed  of  sound  in  the  material  and  the transmission  loss.  At  the  frequency where  there  is  a  sudden  increase  in  the  speed  of sound  there  is  a  sudden  change  in  the  transmission  loss  as  well.  This  behaviour  is displayed by material 2, 6, 7, 9 and 12. By inspecting the materials it is visible that they have a high degree of micro fibres. On the other material 8 and 10 that are composed by non  inter‐connecting  strands with  a  small  (material  8)  or no  amount  of  (material  10) micro fibres do not display this behaviour, even though many of the fibres in the sample  are oriented perpendicular to the direction of the sound. 

This behaviour is seen in the absorption and the reflection coefficient as well. Just before the resonance in the material, for example material 6, 212 (g/l), Table 10 with the fibres perpendicular  to  the  direction  of  the  sound,  the  transmission  loss  and  the  absorption coefficient  increases  and  thereafter  they drastically decreases. This  is  probably where the resonance of the material is positioned. 

For materials with a small amount of micro strands there is a lesser degree of difference in  the  transmission  loss,  absorption  coefficient  and  the  reflection  coefficient  between different bulk densities. 

 

 

Page 51: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

34  

Table 4 Results for material 2, parallel measurements. 

 Figure 15 Material 2, separate  (left), piece of matt 

(right). 50 100 150 200 2500

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M2

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 

50 100 150 200 2500

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M2

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 0 500 1000 1500

-2

-1

0

1

2

3

4

5x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M2

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Transmission Loss M2

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M2

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

Page 52: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

35  

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

ntReflection coefficient

M2 different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

300

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M2

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

 Table 5 Results for material 2, perpendicular measurements. 

80 100 120 140 160 180 200 2200

1

2

3

4

5

6x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M2 Perpendicular

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 80 100 120 140 160 180 200 2200

1

2

3

4

5

6

7x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M2 Perpendicular

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 

0 500 1000 1500-1

-0.5

0

0.5

1

1.5x 10

5

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M2 Perpendicular

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

10

20

30

40

Transmission Loss M2 Perpendicular

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M2 Perpendicular

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficient M2 Perpendicular

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

Page 53: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

36  

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

50

100

150

200

250

300

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M2 Perpendicular

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

 

 

Table 6 Results for material 3, parallel measurements. 

 Figure 16 Material 3, separate  (left), piece of matt 

(right). 50 100 150 200 2500

2000

4000

6000

8000

10000

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M3

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 

50 100 150 200 2500

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M3

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 0 500 1000 1500

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M3

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Transmission Loss M3

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M3

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

Page 54: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

37  

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

ntReflection coefficient

M3 different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

300

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M3

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

 

Page 55: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

38  

 

Table 7 Results for material 4, parallel measurements. 

 Figure 17 Material 4, separate .  50 100 150 200 250

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M4

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 

50 100 150 200 2500

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M4

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 0 500 1000 1500

-4000

-2000

0

2000

4000

6000

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M4

different bulk densities (g/l)

170191212

 

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Transmission Loss M4

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M4

different bulk densities (g/l)

170191212

 

Page 56: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

39  

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

ntReflection coefficient

M4 different bulk densities (g/l)

170191212

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

300

350

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M4

different bulk densities (g/l)

170 real170 imag191212

  

Table 8 Results for material 5, parallel measurements. 

 Figure 18 Material 5, separate  (left), piece of matt 

(right). 50 100 150 200 2500

0.5

1

1.5

2x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M5

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 

50 100 150 200 2502000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M5

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 0 500 1000 1500

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M5

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

Page 57: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

40  

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Transmission Loss M5

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M5

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficient M5

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

300

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M5

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

  

Page 58: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

41  

Table 9 Results for material 6, parallel measurements. 

 Figure 19 Material 6, separate  (left), piece of matt 

(right).  50 100 150 200 2500

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M6

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 

50 100 150 200 2500

0.5

1

1.5

2

2.5x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M6

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 0 500 1000 1500

-2

-1

0

1

2

3

4x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M6

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Transmission Loss M6

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M6

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficient M6

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

300

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M6

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

  

Page 59: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

42  

Table 10 Results for material 6, perpendicular measurements. 

80 100 120 140 160 180 200 2200

1

2

3

4

5

6x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )Resistivity control-static airflow

measurement for different velocitiesM6 Perpendicular

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 80 100 120 140 160 180 200 2200

1

2

3

4

5

6

7x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M6 Perpendicular

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 

0 500 1000 1500

-5

0

5

10

15x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M6 Perpendicular

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

10

20

30

40

Transmission Loss M6 Perpendicular

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M6 Perpendicular

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficient M6 Perpendicular

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

50

100

150

200

250

300

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M6 Perpendicular

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

 

 

 

Page 60: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

43  

Page 61: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

44  

4.2.2 Comments regarding yarn type materials

Regarding the yarn type materials a general comment is that due to the randomness of the  distribution  of  the  fibres,  the  difference  in  airflow  resistivity  between  the  two methods  can  be  explained  by  the  way  the  yarn  was  packed  in  the  sample  holders.             A  higher  degree  of  fibres  perpendicular  to  the  direction  of  sound  means  a  greater resistivity and transmission loss. 

Even  though  it  was  not  done  on  purpose  it  was  much  easier  to  pack  the  fibres  in  a parallel direction in the bigger holder that was used for the TMM, since the threads were relatively big, compared to the small sample holder used for the static airflow resistivity measurements. This was observed for Mat7 and Mat9 where the strands were relatively fluffy and thick, and therefore harder to evenly distribute in a small sample holder. 

It  is  clearly  visible  how  different  material  8  and  9  react  in  terms  of  absorption coefficient.  For material  8 which  has  a  very  small  amount  of micro  fibres  and  thus  a smaller degree of  interconnection between  the  strands  there  are no  sudden  increases and  decreases  of  the  transmission  loss  and  absorption  coefficient,  and  the  absorption coefficient  increases  with  increased  bulk  density,  especially  in  the  frequencies  below 500 Hz. For frequencies above 500 Hz the differences between different bulk densities are  smaller.    For  material  9  there  is  a  higher  transmission  loss  but  the  absorption coefficient  decreases with  increased  bulk  density.  This  is  a well  known  behaviour  for compression of fibre material that on the other hand does not fully apply to material 8. 

Page 62: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

45  

Table 11 Results for material 7. 

 Figure 20 Material 7, yarn type.  50 100 150 200 250

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M7

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 

50 100 150 200 2500

1

2

3

4

5x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M7

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 0 500 1000 1500

-6

-4

-2

0

2

4

6

8x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M7

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Transmission Loss M7

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M7

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

Page 63: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

46  

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

ntReflection coefficient

M7 different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

300

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M7

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

  

Table 12 Results for material 8. 

 Figure 21 Material 8, yarn type. 

50 100 150 200 2500

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M8

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 

50 100 150 200 2500

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M8

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 0 500 1000 1500

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M8

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

Page 64: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

47  

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Transmission Loss M8

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M8

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficient M8

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

300

350

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M8

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

  

Table 13 Results for material 9. 

 Figure 22 Material 9, yarn type.  50 100 150 200 250

0

1

2

3

4

5x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M9

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 

50 100 150 200 2500

1

2

3

4

5

6

7

8x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M9

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 0 500 1000 1500

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2x 10

5

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M9

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

Page 65: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

48  

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Transmission Loss M9

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M9

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficient M9

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M9

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

 Table 14 Results for material 10. 

 Figure 23 Material 10, yarn type.  50 100 150 200 250

2000

4000

6000

8000

10000

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M10

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 

80 100 120 140 160 180 200 2200

0.5

1

1.5

2x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M10

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 0 500 1000 1500

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

x 104

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M10

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

Page 66: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

49  

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Transmission Loss M10

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M10

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficient M10

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

300

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M10

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

  

Table 15 Results for material 10, repacking measurements. 

80 100 120 140 160 180 200 2200

0.5

1

1.5

2x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M10 Repack

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 80 100 120 140 160 180 200 220

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M10 Repack

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 

Page 67: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

50  

0 500 1000 1500-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method

M10 Repack different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

10

20

30

40

Transmission Loss M10 Repack

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M10 Repack

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficient M10 Repack

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

50

100

150

200

250

300

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M10 Repack

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

 

 

 

Page 68: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

51  

Table 16 Results for material 12. 

 Figure 24 Material 12.  80 100 120 140 160 180 200 220

0

1

2

3

4

5x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

(Pa

s/m

2 )

Resistivity control-static airflowmeasurement for different velocities

M12

velocity 1velocity 2velocity 3velocity 4

 

80 100 120 140 160 180 200 2200.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity Method Comparison M12

Transfer Matrix MethodStatic Flow Res. Meas.

 0 500 1000 1500

-5

0

5x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M12

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Transmission Loss M12

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M12

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficient M12

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M12

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

  

Page 69: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

52  

Table 17 Results for material 12, repacking measurements. 

The repacking of this material was only measured with the Transfer Matrix Method. 

100 120 140 160 180 200 2201

1.5

2

2.5

3

3.5

4x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M12 Repack

 

0 500 1000 1500-5

0

5x 10

4

Frequency (Hz)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity-Transfer Matrix Method M12 Repack

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

10

20

30

40

Transmission Loss M12 Repack

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106127149170191212

 

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M12 Repack

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficient M12 Repack

different bulk densities (g/l)

106127149170191212

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

50

100

150

200

250

300

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M12 Repack

different bulk densities (g/l)

106 real106 imag127149170191212

 

 

Page 70: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

53  

4.2.3 Comparison for Parallel vs. Perpendicular and Repacking

As studied by Tarnow (2002) [13], and Allard (1987) [14], the resistivity for a material with  the  fibres  oriented  parallel  to  the  direction  of  the  sound  is  somewhere  between  0.5‐0.667 of  the  resistivity  for  the  same material  and bulk density but with  the  fibres oriented perpendicular to the direction of sound. The results in this report show a very good  agreement  with  these  previous  results.  Due  to  the  properties  of  most  of  the materials in this report it was very easy to pack the material in the desired direction.  

In  the plots  for  the  transmission  loss  the difference  in behaviour between  the parallel and the perpendicular direction is very obvious.  

For  material  10  there  were  altogether  4  measurements  made,  two  for  each  method.   Due  to  the  properties  of  this material  it was  very  hard  to  force  the material with  the fibres in a predictable parallel or perpendicular direction. This made the outcome of the measurements  unpredictable.  This  can  be  seen  in  table  20  and  the  comparison  for material  10.  But  the  agreement with  the  results  from Tarnow  and Allard  still  applies. The  highest  resistivity  for  a  given  bulk  density  is  twice  the  value  of  the  lowest.              The  1st  measurement  in  the  static  airflow  resistivity  rig  shows  the  lowest  resistivity values for this material. Here the material was randomly packed in the holder. For the other  three  measurements  the  intention  was  to  try  to  pack  the  material  in  a perpendicular  direction  to  the  sound  to  get  a  better  agreement  between  the  two methods. 

For material 12 there is a sudden increase in the airflow resistivity for the static airflow results  at  bulk  density  115  (g/l).  This  is  likely  the  cause  of  a  bias  error made  by  the author when weighing the samples.  

Page 71: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

54  

 

Table 18 Comparisons for different materials and measurements cases. 

50 100 150 200 2500

1

2

3

4

5

6

7x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity M2 Parallel vs Perpendicular

TMM-ParallelStat. A.flow-ParallelTMM-PerpStat. A.flow-Perp

 0 500 1000 1500

0

10

20

30

40

Transmission Loss M2 Parallel vs Perpendicular different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106-Pa170-Pa212-Pa106-Pe170-Pe212-Pe

 

50 100 150 200 2500

1

2

3

4

5

6

7x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity M6 Parallel vs Perpendicular

TMM-ParallelStat. A.flow-ParallelTMM-PerpStat. A.flow-Perp

 0 500 1000 1500

0

10

20

30

40

Transmission Loss M6 Parallel vs Perpendicular different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106-Pa170-Pa212-Pa106-Pe170-Pe212-Pe

 

80 100 120 140 160 180 200 2200

0.5

1

1.5

2x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity M10 vs M10 Repack

TMM-1stStat. A.flow-1stTMM-2ndStat. A.flow-2nd

 0 500 1000 1500

0

10

20

30

40

Transmission Loss M10 vs M10 Repack

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106170212106-Repack170-Repack212-Repack

 

80 100 120 140 160 180 200 2200.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5x 10

4

Bulk density (g/l)

Airfl

ow R

esis

tivity

Pa

s/m

2

Airflow Resistivity M12 vs M12 Repack

TMM 1stStat. A.flowTMM 2nd

 0 500 1000 1500

0

10

20

30

40

Transmission Loss M12 vs M12 Repack

different bulk densities (g/l)

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

106170212106-Repack170-Repack212-Repack

  

Page 72: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

55  

 

4.2.4 Comparison with Delany & Bazley-Miki

The results from the TMM of the transmission loss, complex speed of sound, absorption coefficient  and  the  reflection  coefficient were  compared  to  the models  from Delany & Bazley  that  were  revised  by  Miki  in  1990;  see  Table  19  and  Table  20.  The  coloured vertical  line  to  the  left  in  the  plots  defines  the  low  frequency  validity  limit  for  the models.  There  is  a  high  frequency  limit  but  for  these materials  and bulk densities  the limit  is  well  above  the  investigated  range.  There  were  also  the  models  from  Delany‐Bazley and Mechel but the results for these two formulas gave similar results. 

For  all  the  compared  materials,  the  transmission  loss  calculated  from  DB‐Miki,  were lower  than  the  measured  but  the  trend  was  similar  above  the  low  frequency  limit.       The  models  do  not  account  for  the  drastic  decrease  in  transmission  loss  around  the resonances  of  the  material  with  the  fibres  perpendicular  to  the  direction  of  sound.      The  same  applies  for  the  calculations  of  the  absorption  coefficient  and  reflections coefficient.  This  is  not  surprising  since  all  these  calculations  depend  on  the  same parameters. 

In general the agreement of the results between the models and the measurements were better in the higher bulk density regions even for frequencies below the low frequency limit for the model, even for the real part of the speed of sound. This was a general trend in  the  results.

Page 73: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

56  

Table 19 Comparisons between measured results and results calculated with the Delany­Bazley and Miki method, material 2, bulk density 127 g/l.  

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

Transmission Loss - M2 127

(g/l)

M2 127TiL DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHigh.val.freq.-DB & Miki

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M2 127

(g/l)

real M2 127imag M2 127real DB-Mimag DB-MLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficientM2 127

(g/l)

M2 127DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficientM2 127

(g/l)

M2 127DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

Transmission Loss - M12 212

(g/l)

M12 212TiL DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHigh.val.freq.-DB & Miki

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M12 212

(g/l)

real M12 212imag M12 212real DB-Mimag DB-MLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficientM12 212

(g/l)

M12 212DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficientM12 212

(g/l)

M12 212DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 

Page 74: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

57  

Table 20 Comparisons between measured results and results calculated with the Delany­Bazley and Miki method, material 2, bulk density 149 g/l. 

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

Transmission Loss - M9 149

(g/l)

M9 149TiL DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHigh.val.freq.-DB & Miki

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M9 149

(g/l)

real M9 149imag M9 149real DB-Mimag DB-MLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficientM9 149

(g/l)

M9 149DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficientM9 149

(g/l)

M9 149DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 

0 500 1000 15000

10

20

30

40

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

Transmission Loss - M10 149

(g/l)

M10 149TiL DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHigh.val.freq.-DB & Miki

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M10 149

(g/l)

real M10 149imag M10 149real DB-Mimag DB-MLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficientM10 149

(g/l)

M10 149DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

nt

Reflection coefficientM10 149

(g/l)

M10 149DB-MikiLow.val.freq.-DB & MikiHighVal.freq.-DB & Miki

 

Page 75: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

58  

Page 76: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

59  

4.3 Micro Perforated Plates results

The  results  from  the micro  perforated  plate measurements  are  presented  in  terms  of specific airflow resistance (Rayl or Pa s/m).  

From the manufacturer of these micro perforated plates the specific airflow resistance was specified. Material 13 was a 0.1 aluminium plate with 900 (Pa s/m) and material 14 was a 0.5 mm stainless steel plate with 756 (Pa s/m). As can be seen on the picture of the materials there was a tiny hole in the middle of the plates. This was carefully covered with a small metal sheet to make sure that it should not affect the results. 

For  the measurements made with  the  static  airflow  resistance  rig  there were  several measurements made for each plate. The results were thereafter averaged. For material 13  these  measurements  varied  heavily,  something  that  cannot  be  explained,  by  the author.  The  measurements  were  performed  with  great  care.  The  same  sample  was mounted  in  the sample holder without  removing  it  for all of  the measurements which implies that something could have been wrong with the measurement equipment. 

For material 14  there were no variations  in  the  results  for  the different measurement cases. 

For  the  results  of  these  measurements  to  be  correct,  changes  in  the  airflow  velocity should not affect the airflow resistance results. Since this was not the case a 2nd degree polynomial curve fit was made with the averaged results and the airflow resistance was approximated with  the  constant  in  this  polynomial.  The unexpected  outcome of  these measurements  could  be  the  result  of  insufficiently  low  air  flow  velocity,  since  there probably is an acceleration of the air through the micro sized perforations of the plates. 

The results  from the measurements with the Transfer Matrix Method display a similar trend  in  that  the  results  varies  with  varying  sound  pressure  level  (relative  speaker voltage  in the graphs). Also here, a 2nd degree polynomial curve fit was made with the results in order to try to extract some kind of results. 

The  decision  of  a  2nd  degree  polynomial  curve  fit  was  made  after  comparison  of  the results with polynomials of different degrees and this was the one with the best fit. 

Since there is a clear distinction between the results from the two methods and the fact that  the  flow  resistance  varies  with  varying  sound  pressure  level  and  varying  flow velocity none of these results seem plausible, even though some of the results are in the same range as the results supplied from the manufacturer. 

Even the results for the transmission loss are not the same for different sound pressure levels. 

Page 77: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

60  

Unfortunately,  this  makes  all  of  the  results  from  the  measurements  of  the  micro perforated plates very unreliable, but something that needs to be further investigated. 

Table 21 Results for material 13, Micro Perforated Plate 1. 

 Figure 25 Material 13, MPP1, mounted in holder.  0 0.01 0.02 0.03 0.04

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

Velocity (m/s)

Spec

ific

Airfl

ow R

esis

tanc

e (P

a s/

m)

Specific Airflow Resistance - M13different measurement cases

1st meas2nd meas3rd meas4th meas5th measaverage2nd deg. line fit

850.9481 (Pa s/m)

 

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6500

550

600

650

700

750

800

Relative Speaker Voltage

Spec

ific

Airfl

ow R

esis

tanc

e (P

a s/

m)

Specific Airflow Resistance-Transfer Matrix Method M13

← 515.6717 (Pa s/m)

Measured values2nd deg. line fit

 0 500 1000 1500

-500

0

500

1000

Frequency (Hz)

Spec

ific

Airfl

ow R

esis

tanc

e (P

a s/

m)

Specific Airflow Resistance-Transfer Matrix Method M13

for Relative Speaker Voltages

0.050.250.55

 

0 500 1000 15000

2

4

6

8

10

Transmission Loss M13

for Relative Speaker Voltages

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

0.050.250.55

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M13

for Relative Speaker Voltages

0.050.250.55

 

Page 78: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

61  

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

ntReflection coefficient

M13 for Relative Speaker Voltages

0.050.250.55

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M13

for Relative Speaker Voltages

0.05 real0.05 imag0.250.55

 Table 22 Results for material 14, Micro Perforated Plate 2. 

 Figure 26 Material 14, MPP2, mounted in holder.  0 0.01 0.02 0.03 0.04

250

300

350

400

450

Velocity (m/s)

Spec

ific

Airfl

ow R

esis

tanc

e (P

a s/

m)

Specific Airflow Resistance - M14different measurement cases

1st meas2nd meas3rd measaverage2nd deg. line fit

266.3825 (Pa s/m)

 

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.620

30

40

50

60

70

80

90

100

Relative Speaker Voltage

Spec

ific

Airfl

ow R

esis

tanc

e (P

a s/

m)

Specific Airflow Resistance-Transfer Matrix Method M14

← 28.1142 (Pa s/m)

Measured values2nd deg. line fit

 0 500 1000 1500

-150

-100

-50

0

50

100

150

Frequency (Hz)

Spec

ific

Airfl

ow R

esis

tanc

e (P

a s/

m)

Specific Airflow Resistance-Transfer Matrix Method M14

for Relative Speaker Voltages

0.050.250.55

 

0 500 1000 15000

2

4

6

8

10

Transmission Loss M14

for Relative Speaker Voltages

Frequency (Hz)

Tran

smis

sion

Los

s (d

B)

0.050.250.55

 0 500 1000 1500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Abso

rptio

n co

effic

ient

Absorption coefficient M14

for Relative Speaker Voltages

0.050.250.55

 

Page 79: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

62  

0 500 1000 15000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Frequency (Hz)

Ref

lect

ion

coef

ficie

ntReflection coefficient

M14 for Relative Speaker Voltages

0.050.250.55

 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Frequency (Hz)

Spee

d of

sou

nd (m

/s)

Complex speed of sound M14

for Relative Speaker Voltages

0.05 real0.05 imag0.250.55

 

Page 80: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

63  

Page 81: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

64  

5 Conclusions  

The  purpose  of  this  master  thesis  project  was  to  measure  the  airflow  resistivity  for various sound absorbing materials used in exhaust systems and to compare the results from measurements with the Transfer Matrix Method and the Static Airflow method.  

The conclusions after the measurements were: 

• The agreement between the two methods was very good. • The  value  of  the  resistivity  was  doubled  for  measurements  with  the  fibres 

perpendicular to the direction of sound. • When the materials with a high degree of micro strands were oriented with the 

fibres perpendicular to the direction of sound there was a resonant behaviour in the sample. The onset frequency of this resonance increased with increasing bulk density. This resonance leads to difficulties in predicting the behaviour of real life exhaust systems.  

• Further  studies  on  the micro  perforated  plates must  be made with  even  lower flow velocities and sound pressure levels and maybe with other methods. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 82: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

65  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 83: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

66  

 

6 References  

1. Delany  M.  E.  and  Bazley  E.  N.,  Acoustical  properties  of  fibrous  absorbent materials, Applied Acoustics 3, 1970, pp. 105‐116.  

2. Mechel,  F P,  Extending  the Absorption Formulae of Delaney  and Bazley  to  Low Frequencies, Acustica [0001‐7884], 1976, vol:35, 210‐213. 

3. International Standard ISO 9053, Acoustics – Materials for acoustical applications – Determination of airflow resistance, 1991. 

4. Miki  Y.,  Acoustical  properties  of  porous  materials  ‐  Modifications  of  Delany‐Bazley models, J. Acoust. Soc. Jpn (E). 11(1), 1990, pp. 19‐24. 

5. Mechel, F. P., Chapter 8 sound‐absorbing materials and sound absorbers,. Noise and Vibration  Control  Engineering,  Edited  by  Beranek,  L.  L.  and Vér,  I.  L.,  John Wiley and Sons, INC. 1992. 

6. Åbom  M.  Measurement  of  the  scattering‐matrix  of  acoustical  two‐ports  in Mechanical Systems and Signal processing 5(2), 1990 pp. 89‐104. 

7. Munjal, M. L. Acoustics of ducts and mufflers, New York, 1987, Wiley interscience 8. M  Åbom,  Determination  of  porous  material  data  via  two‐port  measurements, 

INTER‐NOISE 1999. 9. Designation:  E2611  –  09,  Standard  Test  Method  for  Measurement  of  Normal 

Incidence  Sound  Transmission  of  Acoustical  Materials  Based  on  the  Transfer Matrix Method. 

10. Åbom  M.,  Bodén  H  Influence  of  errors  on  the  two‐microphonemethod  for measuring acoustic properties in ducts in J. Acoust. Soc. Am. 79(2), 1986, pp. 541‐549. 

11. H Bodén, U Karlsson, R Glav, H.P. Wallin, M Åbom. (2001) Ljud och Vibrationer, (2nd Ed.) Stockholm: Norstedts Tryckeri AB, ISBN 91‐7170‐434‐5. 

12. M. D. Dahl, E. J. Rice, and D. E. Groesbeck, ‘‘Effects of fiber motion on the acoustic behavior of an anisotropic,  flexible  fibrous material,’’  J. Acoust. Soc. Am. 87, 54–66, 1990. 

13. Viggo Tarnow, “Measured anisotropic air  flow resistivity and sound attenuation of glass wool”, J. Acoust. Soc. Am. 111 (6), June 2002, Viggo Tarnow. 

14. J. F. Allard, R. Bourdier, and A. L’Esperance,  ‘‘Anisotropic effect  in glass wool on normal impedance in oblique incidence,’’ J. Sound Vib. 114, 233–238, 1987. 

15. B. Castagnéde, A. Aknide, B. Brouard, V. Tarnow, “Effects of compression on the sound absorption of fibrous materials”, Applied Acoustics, 61, 173‐182, 2000. 

16. H.  Geyssel, M.  Åbom,  Development  of  an  acoustic  four‐pole  test  rig  for  porous materials and mufflers, technical report, 1998. 

Page 84: Acoustic properties of porous materials used in …706746/FULLTEXT01.pdf · Acoustic properties of porous materials used in ... Acoustic properties of porous materials ... Ttot The

 

67