CN102146766A - 一种分立式有源降噪通风隔声窗 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分立式有源降噪通风隔声窗结构，窗体分成内外两层，每层窗户由两扇平开窗和中间固定窗组成，固定窗部分可根据降噪要求分割成多个分立的有源噪声控制管道；控制系统包括控制器、参考传声器、控制源和误差传声器；控制源安装在各个分立式管道中间夹层中靠近室内通风口处，参考传声器安装在内窗靠近室外进风口的分立管道口，误差传声器放置在靠近室内通风口的窗框上。本发明能在自然通风的同时在200～800Hz得到12dBA的新增噪声衰减量，有效衰减宽带低频噪声的传入。同时可以根据居家要求控制频率上限提升分立管道数目，进一步提升自然通风条件下的有效控制频带。并能提供多种工作状态，满足居家生活的多种需求。

Description

一种分立式有源降噪通风隔声窗

一、技术领域

本发明涉及一种采用分立式有源噪声控制技术的降噪通风隔声窗的设计方法，尤其涉及降噪通风隔声窗的分立式有源控制技术。

二、背景技术

随着城市化建设进程的进一步推进，城市噪声污染日益严重，严重影响到人们身心健康。在人们工作、生活和活动场所中，如何有效的避免噪声污染，是一项极其有意义的工作，然而，现有的方式都是采用关窗等方式来避免噪声的进一步传播，无法得到建筑的自然通风，同时关闭窗户会进一步增加对空调调温和通风功能的依赖，不利于节能环保。因此，一种具有良好降噪性能又能自然通风的隔声窗，对于倡导绿色节能，构建绿色和谐的人居环境，避免噪声对人们身心健康造成伤害等具有重大意义。

对于自然通风隔声窗，国内外相关研究已取得一定进展。首先引入的是被动降噪技术。学者[Asdrubali F.and Contana F.，Influence of filtering system on high sound insulation ventilating windows，Proceedings of Inter-noise 2000，Nice，France.]采取的办法是将窗户封闭，使用装有风机的吸声通风单元以及相应的过滤系统来满足室内通风需求。通风单元中铺设了多孔吸声材料，以降低由风机工作带来的气流噪声等。这种通风窗的声衰减指数达30dB，但是由于吸声材料不是透明的，对室内的采光有较大影响，并且所用吸声材料为纤维丝状，容易扩散至室内空气中，引发呼吸道疾病。学者[Field C.D.and Fricke F.R.，Theory and applications of quarter-wave resonators：aprelude to their use for attenuating noise entering buildings through openings，Applied Acoustics，53，pp.117-132，1998]利用1/4波长共振器来降低通过通风口传播进入室内的噪声，在某些频带，获得了大约6-7dB的额外降噪量，然而该只对很窄频段的噪声有效，而实际噪声一般是宽带的，该方式也是无能为力。学者[Nishimura Y.，Nishimura S.，Nishimura T.，and Yano T.，Sound propagation insoundproofing casement windows，Applied Acoustics，70，pp.1160-1167，2009]等提出了一种窗扉式窗户的理论模型，该窗户具有通风单元与采光单元，同时能降低噪声的直达声。他们从理论上研究了声波入射口和输出口的最优位置，以及入射口和整个窗扉的面积比对抑制窗扉单元内高次波传播的作用。然而，目前该研究仅限于理论计算，缺乏实验验证。学者[Kang J.and BrocklesbyM.W.，Feasibility of applying micro-perforated absorbers in acoustic window systems，Applied Acoustics，66，pp.669-689，2005]等将两扇窗户开口错置，达到阻断直达声，同时又能满足自然通风的需求，并在窗户内部铺上透明的微穿孔材料，在中高频段取得了10dB左右的降噪量，由于微穿孔吸声材料对低频声波吸收能力很差，因此该隔声窗对低频噪声几乎没有效果。

然而，这些研究大部分使用被动降噪的方式，以在窗户的通风路径上阻隔噪声。这种方式会带来一些问题，如降噪使用的材料对窗户的透光有影响，部分材料对空气质量有不良影响。此外，被动降噪对中高频噪声有较好的作用，对低频噪声效果有限，影响了窗户的整体隔声性能。有源噪声控制是一种能够有效控制低频噪音的技术，在有源降噪耳罩、有源隔声屏障、管道的有源噪声控制、汽车与机舱的有源噪声控制等领域有着大量的研究与应用。

发明专利CN101220726、CN1482341、CN1702286和CN171023等公开的专利中均描述了通风隔声窗的设计方法，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。CN101881119A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，并在实际隔声室实现该系统，该通风窗采用耦合的有源控制系统，系统结构相对复杂，对控制系统硬件结构要求严格，同时在进一步扩展上存在一定的局限性；CN101852056A公开了一种有源通风隔声窗概念，仅给出一些有源噪声控制的基本原则，没有给出具体的技术实现途径。

本发明涉及一种采用分立式有源噪声控制技术的降噪通风隔声窗的设计，分立式管道设计使得系统设计灵活，扩展方便，同时控制系统结构简单。

三、发明内容

本发明的目的，是提供一种分立式有源降噪通风隔声窗设计方法，该设计方法采用中间固定窗，两端活动窗的结构，并将窗户结构分割成多条独立隔声窗管道，并对分立隔声窗管道分别加入有源隔声系统，以确保在两端活动窗开启时，确保窗外噪声尤其是低频噪声传入室内。

窗户整体结构如图1所示，整个窗户由完全一致的内外两层窗户组成，单层窗户由平开窗4、中间固定窗组成，其中内外层的中间固定窗夹层分割成分立的独立管道，如图1a所示根据窗户高度分割成独立管道5，其他结构单元由参考信号条件模块、误差信号条件模块、控制信号单元模块及自适应有源控制系统组成。结构单元模块是通用模块，目前市场上可以方便得到，如参考信号条件模块可采用市场上通用传声器单元及其前置放大模块，控制信号单元模块可采用市场上通用小型扬声器及其功率放大模块等。

本发明的参考传声器条件模块3是一组单指向性传声器，固定于各个独立管道口内窗一侧，指向性正方向斜指向外窗开窗处，用于拾取室外的外部噪声情况；控制信号单元模块2为一组音箱，通过自适应有源控制器系统实时产生能与进入该窗户分立管道的外部噪声干涉抵消的控制声场；误差信号条件单元1是一组全指向性传声器，用于实时监测各个独立管道中的噪声控制情况并将其信息馈给自适应有源控制系统，以实现各个独立管道的噪声的自适应控制，其位置均放置于各个独立管道的室内通风口一侧的侧壁面；自适应有源控制系统6是一套前馈式自适应有源控制电路，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)，使用多通道独立的自适应最小均方算法，实时提供能在各个误差传声器处干涉抵消传入噪声的声信号给控制源，整个控制系统安装在窗下部的设备包络盒中。

本发明通过以下技术方案来实现的：

A)确定有源降噪通风隔声窗的控制频率f_max

通过测量确认入室噪声的频率范围，并确定合适的待控制入室噪声频带和最大频率f_max。

B)控制源单元选择

控制源单元的直径在满足以下条件下尽可能小：放音频率范围覆盖有源管道噪声控制频段，且保持该频段内的频响尽可能平坦，自由共振频率f₀应低于有源管道噪声控制的最低频率；有源管道噪声控制频段的非线性失真小于5％。

C)确定内外窗间距W

通过实际建筑物需求，确定双层窗之间的间距W，使得其满足W≤c/(2f_max)，其中c是空气中的声波声速，一般取344m/s。并根据实际控制源的大小尽可能缩小内外窗的间距W，同时能保证控制器单元放置其中。

D)有源管道分割数m选择

根据窗户高度H_w和有源降噪通风隔声窗的控制频率f_max确定有源降噪通风隔声窗的独立管道分割数m，使得分立管道高度H满足条件H≤c/(2f_max)，其中H＝H_w/m。

E)参考信号条件单元选择

参考传声器3应单指向性尽可能明显，发明实例中选择的参考传声器3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2的位置

控制源2放置于内外窗中间夹层各个独立管道中，其保持与参考信号条件单元至少距离40cm并保持扬声器正方向与气流方向一致。

H)平开窗4结构

优先选择铝钛合金窗框且气密性优良的平开窗，每层窗户玻璃选用浮法中空玻璃(5+9A+5)，即双层玻璃厚度分别为5cm，而中空空气层为9cm；完全密闭时隔声性能R_w≥25dB。

本发明的有益效果是：通过设计一种两端平开、中间固定的双层平开窗，并将双层窗中间夹层进行独立管道分割，各个分立管道分别采用独立的有源管道噪声控制系统，实现了窗户的自然通风且降低了室外噪声尤其是低频噪声的传入，改善了人居环境。

四、附图说明

图1是本发明的窗户结构示意图，其中图1a是室内的内层窗户平视图；图1b是窗户结构的俯视图，其中以一层独立管道为例；图1c是窗户的侧视图，其中包含了系统控制单元。

图2是本发明在阳光房具体实施时的有源降噪通风隔声窗照片。

图3是本发明的测试结果，为带宽200Hz至800Hz窄带噪声控制实验等效噪声级分布图，其中曲线1是未开启有源降噪系统时，室内一侧的误差传声器采集的等效噪声级分布图，曲线2是开启有源降噪系统后的等效噪声级分布图。

五、具体实施方式

下面通过实例对本发明进行详细说明。

如图3所示，本实施例中在玻璃阳光房中实际安装双层平开窗，并根据实际噪声特点，将中间固定窗夹层分割成两个独立管道，通过开启室内左侧平开窗、关闭右侧平开窗和关闭室外左侧平开窗和开启右侧平开窗的方式实现自然通风，并开启有源降噪系统，以评价使用分立式有源管道噪声控制系统来增加对窗户的噪声衰减量的可行性与效果。

整个有源隔声窗尺寸为宽×高＝1.1m×0.6m，两层窗间距W为0.1m，内外窗两侧的平开窗为宽度为0.25m的180⁰平开窗。整个窗户玻璃均采用双层中空玻璃，外包不锈钢，内衬木质隔音。

采用双通道独立的ANC系统，控制声源分别放置于各个独立管道靠近室内通风口一侧，并保持与参考传声器距离在0.4m；该控制源音箱的自由共振频率f₀约等于150Hz，200～800Hz的非线性失真小于5％；

实施例中选择的参考传声器3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1为全向传声器，正反比小于1dB。

本实施例在开放阳光房内置窗户中测试，并采用室外放置音箱模拟室外噪声，通过测试得到ANC系统控制前后，窗户的室内侧通风口(误差传声器位置)带宽200Hz至800Hz窄带噪声控制实验等效噪声级分布图，如图4。可见，采用分割式有源降噪通风隔声窗系统的双层平开窗可以在自然通风的同时在200～800Hz得到A计权噪声衰减量为12dBA的衰减量总值，能有效衰减宽带低频噪声的传入。

以上发明仅为本发明的较佳实施例，并不以限制本发明，凡在本发明的权利和原则中作的任何修改、等同替代和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多通道分立式的有源降噪通风隔声窗：内外两层窗，内外窗均有两个1800平开窗、中间固定窗，双层窗夹层的固定窗结构可任意分割为多个单通道管道有源噪声控制系统，有源噪声控制系统电子设备的设备盒放置于隔声窗底部。

2.如权利要求1所述的有源降噪通风隔声窗，其特征在于：固定窗夹层任意分割的分立式通风管道系统，有源噪声控制系统由控制器、参考传声器、控制源和误差传声器组成。

3.如权利要求1所述的有源降噪通风隔声窗，其特征在于：固定窗夹层为分立式通风管道系统。

4.如权利要求2所述的有源降噪通风隔声窗，其特征在于：控制器为独立的多个单通道前馈自适应控制电路。

5.如权利要求2所述的有源降噪通风隔声窗，其特征在于：每个控制源为一个低频响应优良、尺寸适中的扬声器音箱并布放在隔声窗中固定窗分割管道的托架中。

6.如权利要求2所述的有源降噪通风隔声窗，其特征在于：每个参考传声器为一个单指向性传声器并指向隔声窗管道中的室外进风口方向。

7.如权利要求2所述的有源降噪通风隔声窗，其特征在于：每个误差传声器为一个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。

8.如权利要求1和2所述的通风有源降噪通风隔声窗，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平开窗开启，内侧窗的误差传声器侧平开窗开启的有源降噪通风隔声窗(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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