CN101881119A - 一种有源降噪通风隔声推拉窗 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在自然通风的同时能有效衰减噪声尤其是低频宽带噪声传入的有源降噪推拉窗结构：窗体为内外两层水平推拉窗，有源噪声控制系统包括控制器、参考传声器序列、控制源序列和误差传声器序列；其中控制器采用前馈自适应控制并安装在推拉窗下部的设备盒中，控制源序列安装在推拉窗上下部的设备盒和双层窗夹层中部的控制源托架中，参考传声器和误差传声器分别安装在内外侧窗的竖直窗框内并与外界空气连通。本发明预设三种工作状态：窗户完全密闭的密闭隔声状态(有源噪声控制系统不工作)；外侧窗的参考传声器侧窗扇开启面积小于全开面积50％，内侧窗的误差传声器侧窗扇开启面积小于全开面积50％的通风有源降噪状态(有源噪声控制系统工作)；其他开窗方式下的自由通风状态(有源噪声控制系统不工作)。本发明能在200～600Hz频段获得6dB以上的新增噪声衰减量。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用有源噪声控制技术的通风气密推拉窗的设计方法。
背景技术
倡导绿色建筑，是节约能源，健康生活，和谐生态的必然趋势。其中的一项重要内容，就是建筑的自然通风。然而开窗通风会导致噪声问题，如室外的交通噪声对居室环境的污染。一种自然通风但对室外噪声传入有足够消除能力的窗户系统，显得重要且有意义。
国外已有相关研究，英国学者[J.Kang，Zhemin Li，“Numerical simulation of anacoutic window system using finite element method，”Acust.Acta Acust.Volume 93，152-163(2007)；J.Kang，M.W.Brocklesby，“Feasibility of applying micro-perforatedabsorbers in acoustic window systems，”Appl.Acoust.Volume 66，669-689(2005)]提出了一种自然通风隔声窗的概念并用数值模拟和实验分析了这个想法的可行性。其中将两层平行玻璃交错放置，产生一个S型的空气流通通道以衰减噪声的传入，同时在玻璃内层加装透明的微穿孔板吸声结构，可进一步提高对传入噪声的衰减能力。然而该方法局限于对噪声的被动衰减设计，对传入噪声尤其是较低频段噪声的消除能力很有限。德国学者[A.Jakob，M.Moser，“Active control of double-glazed windows Part I：Feedforward control，”Appl.Acoust.Volume 64，163-182(2002)]在双层密闭玻璃窗上应用了有源噪声控制(Active noise control)技术，以弥补透明的双层玻璃窗在低频隔声能力上的不足。然而他们的窗户为无法开启的固定式的玻璃窗，无法自然通风。根据J.Kang等人的研究，可开启式通风窗内部噪声的传输过程和这种密闭窗有很大的不同，对可能采用的有源噪声控制技术的设计策略也会大相径庭。
CN101220726公开了一种通风隔声窗，包括安装在窗洞中的内、外两层窗框，双层窗框之间的空腔分隔成多个腔体以自然通风同时衰减噪声传入；CN1482341公开了一种全透光通风消声窗，包括：两层玻璃、微穿孔板、消声风道、换气风机、进气口、出气口，是采用机力强制通风的同时使用消声风道衰减噪声传入；CN1702286公开了一种通风吸隔声窗，包括两层窗框，在外层框上的玻璃窗与内层框上的玻璃窗之间形成气流通道，在该通道内用透明微穿孔板结构来衰减噪声；CN1710239公开了一种通风隔声窗，包括两窗框并采用自然通风，设置在两窗框底部的消声通道用于衰减噪声传入。国内这些已公开的通风隔声窗设计方法，都是在通风的同时使用被动降噪的方法来衰减噪声的传入，对随气流传入的噪声尤其是较低频段噪声的衰减能力有限。
现有技术，尚未有能自然通风且对室外宽带噪声的传入有效加以有源(主动)控制的实际窗户系统。
发明内容
本发明的目的，是提供一种通风有源降噪推拉窗的设计方法。该方法结合目前常见的民用气密推拉窗的结构，设计加入有源噪声控制系统以在窗户开启通风的同时，衰减室外宽带噪声尤其是较低频段噪声的传入。
窗户的整体结构如附图1，由内外两层水平推拉窗1、推拉窗夹层中部的控制源托架2、推拉窗上下部的设备包络盒3组成；其中有源噪声控制(ANC)系统隐藏在窗框4、窗梃5、控制源托架2和设备包络盒3中。
参考传声器(Reference Micphones)6为一组单指向性传声器，用于拾取随气流进入窗户的外部噪声情况，位置均布在外侧窗的靠墙竖直边框(窗梃5)内，通过边框开孔与外界连通，且窗户的正外侧为其指向性正方向；控制源(Control Sources)7为一组音箱，用于实时产生能与进入窗户的外部噪声干涉抵消的控制声场，位置设计在内外窗之间空腔的中部的控制源托架2和窗上下部的设备包络盒3中，托架2上的控制源沿竖直方向均布，且音箱的扬声器正方向与入室气流方向一致，设备包络盒中的控制源布放在托架的水平投影位置且向窗内发声；误差传声器(Error Micphones)8为一组全指向性传声器，用于实时监测对入室外部噪声的控制情况并馈给控制器，以实现在外部噪声变化时的自适应控制，位置均布在内侧窗扇靠近窗梃的竖直边框4或与竖直边框4紧邻的窗梃5内，通过边框开孔与外界连通；控制器(Controller)9为一套前馈自适应DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)控制电路，用于接收参考传声器的拾取信号(待控制信号)和误差传声器的误差信号(控制偏差信号)，使用多通道耦合的自适应最小均方(Filtered-x least mean squares，FxLMS)算法，实时提供能在误差传声器8处干涉抵消传入噪声的声信号给控制源7，控制器安装在窗下部的设备包络盒3中。
本发明通过以下技术方案来实现：
A)确定待控制噪声的最大频率fmax
通过测量了解清楚入室噪声的频率范围，确定合适的待控制入室噪声频带和最大频率fmax。本发明实例中，ANC系统默认的fmax为600Hz。
B)确定控制源托架2中的单个通风通道10的高度h2
图1中，控制源托架2由相间的通风通道和控制源组成，其中单个通风通道的高度h2需满足关系：h2≤c/(2fmax)，其中c表示窗户环境温度下的声速。
C)控制源音箱7的选择
选用单一电磁式锥形扬声器音箱，扬声器直径(将决定控制源托架上单个控制源音箱的几何高度h1)应在满足如下前提下尽可能小：放声频率范围应覆盖ANC控制频段且该频段内的频率不均匀度尽可能低；自由共振频率f0应低于ANC控制最低频率；ANC控制频段的非线性失真小于5％。
D)确定ANC系统的控制通道数m
ANC系统的控制通道数m即控制器算法通道数，与参考传声器个数、误差传声器个数和控制源个数均相等。m满足关系：h2＝(H-mh1)/(m+1)≤c/(2fmax)且m≥2，其中H为窗户1可推拉部分的总高度，h1为控制源托架2上单个控制源音箱的几何高度。比如：当H/2≤h2≤H时，m＝3；当H＜h2时，m＝2。
E)选择参考传声器6
参考传声器6应单指向性尽可能明显，发明实例中选择的参考传声器6指向性正反比(正向和背向1米测点处声压级)大于12dB。
F)确定控制源7的位置
控制源7优先布放在推拉窗1上下部的设备包络盒3中。若控制通道数m＝2，则无需控制源托架2；m≥3，二通道以上的控制源，根据确定的h2间隔均布在控制源托架2上，且扬声器正方向与气流方向一致。
G)控制源托架2的结构
优先选择透明材料加工控制源托架2以美观和透光，如聚碳酸酯(Polycarbonate，俗称PC)和有机玻璃(Acrylics)。托架2上，控制源音箱7和通风孔10间隔均布以保证窗户间的空气流通。
H)推拉窗1结构
优先选择铝钛合金窗框且气密性优良的推拉窗，每层窗户玻璃选用浮法中空玻璃(如5+9A+5规格)；完全密闭时隔声性能Rw≥25dB。
本发明预设三种工作状态：窗户完全密闭时，ANC系统不工作，为通常密闭隔声状态；外侧窗靠近参考传声器侧窗扇开启(开启面积小于该窗扇全开启面积的50％)，内侧窗安装有误差传声器的窗扇开启(开启面积小于该窗扇全开启面积的50％)时，ANC系统启动，为通风有源降噪状态；此外的开窗方式下，ANC系统不工作，为自由通风状态。
本发明的有益效果是：通过将有源噪声控制系统与常见的双层气密水平推拉窗相结合，实现了当前技术下无法做到的：窗户自然通风的同时抑制室外宽带噪声尤其是低频噪声的传入；能提供多种开启状态供选择，满足居室日常生活的多种需求。
附图说明
图1是本发明的窗户结构示意图，其中图1a为本发明的室内侧立面图；图1b为图1a的A-A剖面结构示意图；图1c为图1a的B-B剖面结构示意图；
图2是本发明中有源噪声控制系统的原理框图；
图3是本发明在隔声室中具体实施时的实验照片，其中图3a为内侧窗体，误差传声器与控制器照片；图3b为内侧窗体，误差传声器与控制源音箱照片；图3c为外侧窗体与参考传声器照片；
图4是本发明具体实例的测试结果，其中图4a为窗户室内侧通风口处有源噪声控制前后200～600Hz频段1/3倍频程中心频率处声压级对比结果；图4b为居室内某随机测点处有源噪声控制前后200～600Hz频段1/3倍频程中心频率处声压级对比结果。
具体实施方式
下面通过实例对本发明进行详细说明：如图3a～图3c所示，本实施例中在标准隔声室中用两层密度板来模拟双层推拉窗1部分开启的状态，以评价使用有源噪声控制(ANC)系统来增加对窗户的噪声衰减量的可行性与效果。
其中：
窗洞尺寸为宽×高＝1m×0.6m，两层窗间距W为0.2m，外侧通风口宽度0.2m，内侧通风口宽度0.2m。
采用双通道耦合的ANC系统，控制频段为200～600Hz，fmax确定为600Hz；
实施例中为了实验安装简单，两通道的控制源音箱7均布放在托架2上而非在窗户的上下部，选择的控制源音箱7的几何高度h1为18cm，控制源托架2上共三个通风通道10且单个风道高度h2为8cm；该控制源音箱的自由共振频率f0约等于150Hz，200～600Hz的非线性失真小于5％；
实施例中选择的参考传声器6指向性正反比(正向和背向1米测点处声压级)大于12dB；选择的误差传声器8为全向传声器，正反比小于1dB。
本实施例在标准隔声室内测试，得到ANC系统控制前后，窗户的室内侧通风口(误差传声器位置)和居室内(接收室内某随机测点位置)声压级(SPL)的对比结果，如图4a和4b。可见，结合ANC系统的双层推拉窗可以在自然通风的同时在200～600Hz的1/3倍频段获得6.4dB(窗户室内侧通风口)和6.2dB(居室内随机测点)的新增衰减量总值，能有效衰减宽带低频噪声的传入。
Claims (7)
1.结合有源噪声控制技术的双层气密推拉窗：内外两层水平推拉窗，双层窗夹层中部有可通风的音箱托架，双层推拉窗上下部有容纳和保护有源噪声控制系统电子设备的设备盒。
2.如权利要求1所述的通风有源降噪隔声窗，其特征在于：有源噪声控制系统由控制器、参考传声器序列、控制源序列和误差传声器序列组成。
3.如权利要求2所述的通风有源降噪隔声窗，其特征在于：控制器为前馈自适应数字信号处理控制电路。
4.如权利要求2所述的通风有源降噪隔声窗，其特征在于：控制源序列为一组低频响应优良、尺寸适中的电磁式锥形扬声器音箱并布放在设备盒与音箱托架中。
5.如权利要求2所述的通风有源降噪隔声窗，其特征在于：参考传声器序列为一组单指向性传声器并以指向室外为正方向布放在外侧窗梃内。
6.如权利要求2所述的通风有源降噪隔声窗，其特征在于：误差传声器序列为一组全指向性传声器并布放在内侧窗窗梃内或内侧窗扇靠近窗梃侧的竖直窗框内。
7.如权利要求1和2所述的通风有源降噪隔声窗，其特征在于：预设三种工作状态：窗户完全密闭的密闭隔声状态(有源噪声控制系统不工作)；外侧窗的参考传声器侧窗扇开启面积小于全开面积50％，内侧窗的误差传声器侧窗扇开启面积小于全开面积50％的通风有源降噪状态(有源噪声控制系统工作)；其他开窗方式下的自由通风状态(有源噪声控制系统不工作)。
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