采用主被動(dòng)控制技術(shù)的自然通風(fēng)隔聲窗研究

劉　丹，陳自勇，脫曉冰

采用主被動(dòng)控制技術(shù)的自然通風(fēng)隔聲窗研究

劉丹，陳自勇，脫曉冰

（武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063）

現(xiàn)有自然通風(fēng)隔聲窗無法有效解決中低頻噪聲問題，將有源控制技術(shù)應(yīng)用于自然通風(fēng)隔聲窗上，結(jié)合聚氨酯吸聲棉、微穿孔板，驗(yàn)證了主被動(dòng)控制系統(tǒng)分別在100 Hz～400 Hz，400 Hz以上范圍內(nèi)可以有效降噪，且整窗隔聲性能等同于普通窗全關(guān)狀態(tài)，并在出風(fēng)口降噪量可以達(dá)到32.6 dB（A）。

聲學(xué)；主動(dòng)控制；被動(dòng)控制；自然通風(fēng)；隔聲窗

城市交通發(fā)展帶來便捷的同時(shí)也引發(fā)了大量環(huán)境問題，大量研究表明城市環(huán)境噪聲平均水平在72 dB（A）左右，且有70%來自于交通噪聲［1-2］。我國室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測委員會主任宋廣生指出，室內(nèi)90%的噪聲是從窗戶傳進(jìn)來的，為降低進(jìn)入室內(nèi)的噪聲，目前常用方法是在道路兩側(cè)設(shè)置聲屏障，但一般只能降低5 dB～10 dB［3］，且對高層建筑、中低頻噪聲幾乎沒有作用［4］。近年來既能實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，又能有效降低進(jìn)入室內(nèi)噪聲的自然通風(fēng)隔聲窗越來越受到研究者的關(guān)注。對于交錯(cuò)的管道結(jié)構(gòu)國內(nèi)外早有很多研究，并證明這種交錯(cuò)結(jié)構(gòu)在保證通風(fēng)的同時(shí)也能很好地起到降噪作用。Kang等設(shè)計(jì)的通風(fēng)隔聲窗由兩扇內(nèi)外交錯(cuò)的窗戶構(gòu)成，并在通風(fēng)路徑鋪設(shè)微穿孔板進(jìn)行吸聲，在0.5 kHz～8 kHz頻段內(nèi)，窗戶進(jìn)出風(fēng)口降噪量可達(dá)30 dB，但其對低頻效果有限［5］。

本文在原有交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加聚氨酯吸聲棉與微穿孔板，并將有源控制系統(tǒng)應(yīng)用于通風(fēng)道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了較好的全頻帶降噪并能滿足自然通風(fēng)。有源控制系統(tǒng)具有體積小、低頻降噪效果好、對被控系統(tǒng)物理特性影響小、能適應(yīng)未知擾動(dòng)的特點(diǎn)［6］，可以很好地彌補(bǔ)被動(dòng)降噪在低頻效果差的不足。

1　窗戶設(shè)計(jì)

本文所研究的自然通風(fēng)隔聲窗如圖1所示，該窗由上部自然通風(fēng)消聲通道與下部普通平開窗構(gòu)成，窗戶整體框架選用斷橋鋁合金材質(zhì)，并安裝5+ 9+5雙層鋼化玻璃起到較好的隔聲效果。依據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，室內(nèi)新風(fēng)量為30 m3/h?p［7］，窗戶整體尺寸設(shè)計(jì)為1 500 mm×150 mm×1 200 mm，上部自然通風(fēng)消聲通道為1 500 mm×150 mm×200mm。自然通風(fēng)消聲通道進(jìn)風(fēng)口處采用上懸窗，尺寸為200 mm×200 mm；室內(nèi)采用一體式下懸窗，尺寸為1 500 mm×200 mm，便于日常維護(hù)，其余時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)；出風(fēng)口位于消聲通道內(nèi)右下方，并在出風(fēng)口處安裝復(fù)合濾網(wǎng)（活性炭層和靜電駐極濾層）實(shí)現(xiàn)空氣凈化功能；自然通風(fēng)消聲通道內(nèi)上下左右均貼有聚氨酯吸聲棉，并在通道內(nèi)布放穿孔率為2%，背腔厚度為60 mm的微穿孔板。下部采用平開窗，整窗密封性較好，所有窗戶關(guān)閉狀態(tài)下總隔聲量可以達(dá)到35.6 dB（A）。

圖1　自然通風(fēng)隔聲窗

2　窗戶性能實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)在混響室中進(jìn)行并依據(jù)《環(huán)境噪聲監(jiān)測技術(shù)規(guī)范結(jié)構(gòu)傳播固定設(shè)備室內(nèi)噪聲》HJ707-2014進(jìn)行監(jiān)測點(diǎn)布置。實(shí)驗(yàn)時(shí)選用前饋?zhàn)赃m應(yīng)單通道有源控制系統(tǒng)，參考傳聲器選用單指向性傳聲器，觀測點(diǎn)1、2、3、誤差傳聲器選用全指向性傳聲器，B&K Pulse 3510 A和3520 B各一臺。各器件具體布放位置俯視圖如圖2所示。觀測點(diǎn)1、2分別用于進(jìn)出風(fēng)口噪聲信號采集，觀測點(diǎn)3用于室內(nèi)距離窗戶兩米處噪聲信號采集。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，利用B&K Pulse 3520 B在聲源室發(fā)出0～1.6 kHz頻寬的白噪聲，分別記錄觀測點(diǎn)1、2、3處噪聲信號用于實(shí)驗(yàn)分析。

2.2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表1為窗戶不同開啟情況下的整窗隔聲量，分別為關(guān)外窗、關(guān)內(nèi)窗（實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)內(nèi)窗是將出風(fēng)口密封）、全關(guān)窗、全開窗（有源開）、全開窗（有源關(guān)），單位dB（A）。觀測點(diǎn)2、3（出風(fēng)口、2 m）處降噪量指其噪聲與觀測點(diǎn)1（進(jìn)風(fēng)口）處噪聲聲壓級的差值。

由表1可知有源開關(guān)前后觀測點(diǎn)2處降噪量，有源開比有源關(guān)降低了4.6 dB（A），圖3有源開關(guān)前后進(jìn)出風(fēng)口頻譜圖，可以看到有源與被動(dòng)結(jié)合時(shí)起作用的范圍在100 Hz～400 Hz之間。

圖3　有源開關(guān)前后進(jìn)出風(fēng)口頻譜

由表1有源打開時(shí)觀測點(diǎn)2處降噪量與全關(guān)窗、關(guān)外窗、關(guān)內(nèi)窗比較可以看到，關(guān)外窗與全關(guān)窗效果相近，有源打開時(shí)與關(guān)內(nèi)窗效果相近，且有源打開優(yōu)于關(guān)內(nèi)窗，圖4給出了有源打開時(shí)、關(guān)內(nèi)窗、關(guān)外窗、全關(guān)窗四種情況下的進(jìn)出風(fēng)口頻譜圖，可以看到有源打開時(shí)在100 Hz～400 Hz范圍內(nèi)可以達(dá)到全關(guān)窗的效果，在400 Hz以后，效果不及全關(guān)窗。

表1　不同窗戶開啟情況下的隔聲量/dB（A）

圖4　有源打開時(shí)、關(guān)內(nèi)窗、關(guān)外窗、全關(guān)窗進(jìn)出風(fēng)口頻譜圖

圖5給出了被動(dòng)材料安裝前后對比圖，可以看到被動(dòng)材料作用范圍主要為400 Hz以后，這也說明整窗在400 Hz以后未達(dá)到全關(guān)窗的效果原因在于被動(dòng)材料效果較差，如果可以提高被動(dòng)材料降噪效果，有望使整窗隔聲性能達(dá)到全關(guān)窗效果。

圖5　被動(dòng)材料安裝前后進(jìn)出風(fēng)口頻譜圖

有源打開時(shí)觀測點(diǎn)3處降噪量與全關(guān)窗、關(guān)外窗、關(guān)內(nèi)窗比較，可以看到全關(guān)窗與關(guān)外窗效果相近，關(guān)內(nèi)窗與有源打開時(shí)效果相近，效果與觀測點(diǎn)2處相同，且3處全關(guān)窗時(shí)整窗室內(nèi)降噪量可以達(dá)到41.3 dB，說明整窗隔聲性能、上方通道降噪性能良好。

3　結(jié)語

該窗設(shè)計(jì)從實(shí)際需求出發(fā)，將有源控制技術(shù)應(yīng)用于通風(fēng)隔聲窗上，用于解決噪聲擾民問題。通過實(shí)驗(yàn)，將有源控制系統(tǒng)開關(guān)前后噪聲信號進(jìn)行對比，分析得出有源控制系統(tǒng)對低頻作用范圍在100 Hz～ 400 Hz之間；將有源控制系統(tǒng)工作時(shí)的出風(fēng)口噪聲信號與不同窗戶開啟情況下的進(jìn)行對比，分析得出有源控制系統(tǒng)在100 Hz～400 Hz之間可以達(dá)到普通窗全關(guān)狀態(tài)；窗戶整體降噪效果在全頻段內(nèi)與未能達(dá)到全關(guān)窗效果原因在于被動(dòng)材料效果較差，因此，若能夠提高聚氨酯吸聲棉和微穿孔板在400 Hz以后的降噪效果，有望使該設(shè)計(jì)整體效果達(dá)到全關(guān)窗效果。

［1］郭金姝，韓惠敏.室內(nèi)噪聲污染及其控制［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（10）：238.

［2］陳永光，袁啟慧，蔡偉明，等.聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真應(yīng)用［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2013，33（4）：182-184+ 211.

［3］焦大化.防治鐵路噪聲的聲屏障［J］.鐵道知識，2005（6）：38-39.

［4］吳洪洋.道路聲屏障降噪理論的研究進(jìn)展［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2006，26（3）：85-88+95.

［5］KANG J，BROCKLESBY M W.Feasibility of applying micro-perforated absorbers in acoustic window systems［J］. AppliedAcoustics，2005（6）：669-689.

［6］劉小玲，王旭，郭瑩，等.國外振動(dòng)噪聲有源控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011（4）：151-155.

［7］中華人民共和國住建部.GB/T 18883-2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.

Natural Ventilation and Sound Insulation Windows Based on Active and Passive Control

LIUDan1，CHEN Zi-yong1，TUO Xiao-bing1
（School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

The existing natural ventilation and sound insulation windows are unlikely to solve the problem of lowfrequency noise effectively.In this paper，the active control technology is applied to the natural ventilation and the sound insulation windows.The polyurethane sound-absorbing cotton and micro-perforation panel are used.It is proved that the active control technology can effectively reduce the noise in 100 Hz-400 Hz frequency range，the passive control works well in the frequency range above 400 Hz，the sound insulation performance of the sound insulation window is nearly the same as that of closed window，and the noise at the outlet is reduced by 32.6 dB（A）.

acoustics；active noise control；passive noise control；natural ventilation；sound insulation window

TU112.59+2

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.046

1006-1355（2016）03-0222-03

2015-12-29

武漢理工大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助（20151049705004）

劉丹（1994-），女，山西太原市人，本科生，主要研究方向?yàn)樵肼暸c振動(dòng)控制。E-mail：danliu@whut.edu.cn