CN112347594A - 一种应用于自然通风隔声窗的宽带降噪结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种折叠管道式宽带降噪结构及其设计方法，该结构安装在自然通风交错型隔声窗的通风路径侧壁，每个折叠管道单元由2段截面积不同的矩形管道耦合而成，多个针对不同频率设计的折叠管道单元组合可对窗户传入噪声实现宽带降噪。该结构有效提升了交错型隔声窗的低频降噪量，和传统用于低频降噪的有源控制技术相比，该结构安装方便，系统简单，且工作稳定，在中高频也有降噪效果。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种应用于自然通风交错隔声窗的宽带降噪结构及其设计方法，在交错隔声窗的通风路径2侧引入一系列针对不同频率设计的折叠管道单元，可实现对窗户传入噪声的宽带降噪。
二、背景技术
随着社会的发展，交通噪声污染已经成为城市主要污染之一。为减小室外传入的交通噪声，可关闭窗户，但这样影响室内通风。一种交错结构的隔声窗可在采光和通风的同时有效降低125Hz-8000Hz噪声(CN103075088A)；在该交错窗中加入微穿孔板可进一步提升对中高频噪声的被动降噪量，但对低频噪声作用不明显(J.Kang，M.Brocklesby，Feasibility of applying micro-perforated absorbers in acoustic windowsystems，Applied Acoustics，66，669-689，2005)。
有源噪声控制技术可用来改善交错窗的低频降噪效果。在一个尺寸为1.27m×0.85m×0.29m的交错窗通风管道内安装单通道有源控制系统可对390Hz以下低频噪声实现有效控制，若采用双通道系统，控制频率上限提升至420Hz(H.Huang，X.Qiu，J.Kang，Activenoise attenuation in ventilation windows，Journal of the Acoustical Society ofAmerica，130，176-188，2011)，但有源控制系统复杂、成本高。被动降噪方法也可用于低频降噪。一种基于迷宫结构的亥姆霍兹共振消声单元利用亥姆霍兹共鸣器的声学共振特征消除噪声，由宽0.02m的细直管道沿任一初始方向等长度蛇形平行延伸形成的0.2m×0.236m结构可有效控制40Hz-80Hz频段的噪声，但此结构有效频带窄(CN106382432A)。采用双腔共振式消声器可增加有效降噪带宽，由上下2个共振腔串联构成的总面积为100mm×80mm的矩形腔能够在低频范围内产生2个消声峰值(CN103075605A)。在环形气流主管内壁上设置若干不同大小的凹槽可构成宽频带消声器，实现对管道噪声的宽频控制，但该结构的有效工作频段在1000Hz以上，对低频不起作用(CN202832715U)。
本发明提供了一种应用于自然通风隔声窗的宽带降噪结构及其设计方法，该结构安装在交错窗通风路径2侧且上下对称，可有效降低窗户传入的宽带噪声，工作频率覆盖低频至高频的所有频段。该结构简单环保，制作成本低，且工作稳定。
三、发明内容
1、发明目的：提供一种宽带降噪结构及其设计方法，用于提高传统交错式自然通风隔声窗的宽带降噪量。
2、技术方案：本发明按照以下步骤实现：
(1)根据实际情况确定交错窗通风路径尺寸及入口和出口的尺寸和位置。一般情况下通风路径长度可选为普通单层玻璃窗的长度，宽度可选为墙体的厚度，高度与宽度相当。入口和出口分别位于通风路径正对的2侧，呈交错式分布，分别靠近左右两端，开口的尺寸视通风量要求而定，通风量要求越高，开口越大。
(2)确定所需控制的最低频率fmin，根据fmin选择折叠管道壁厚w，一般要求-42+20log10fmin+20log10(ρw)＞20，即保证折叠管道壁的隔声量足够大，其中ρ为拟用材料的密度，若采用玻璃材质，则ρ≈2.5×103kg/m3。
(3)选择fmin为设计频率设计折叠管道单元，每个单元的二维结构示意图见附图1，图中a通常取为λmax/10，λmax＝c0/fmin为最低频率对应的波长，其中c0为空气中声速343m/s，d1取a/5～a/2，d2≈d1/4。建立尺寸为a×L的二维矩形管道声学有限元模型，其中L＝5λmax，在管道一端引入设计的二维折叠管道单元，见附图2。仿真得到该折叠管道单元引起的相位突变随频率的变化曲线，若在设计频率附近出现180°的相位突变，则进入步骤(4)，否则调整单元参数直至满足该条件，参数调整原则是若相位变化180°的频率低于设计频率则减小a，高于设计频率则增大a；
(4)建立三维自然通风交错隔声窗通风路径的三维声学有限元模型，见附图3，入口和出口外均为半无限大空间，入射噪声视情况设为平面波或点源辐射噪声，出口外评价点的声压级记为SPLwithout；在其侧壁引入设计的折叠管道单元，考察相同点的声压级，记为SPLwith，折叠管道引起的降噪量NR＝SPLwithout-SPLwith，观察降噪量峰是否出现在设计频率附近，若发生偏移，则调整结构参数，调整原则同步骤(3)；
(5)观察步骤(4)中的降噪量随频率变化曲线，降噪量小的频率中选择适当值作为新的设计频率，重复(3)，直到得到合适的结构参数，然后进入(4)，在先前建立的三维自然通风交错隔声窗声学有限元模型侧壁引入新设计的折叠管道单元，观察降噪量随频率变化曲线，根据情况调整结构参数，调整原则同步骤(3)；
(6)重复步骤(5)，直到通风路径上没有空间放置更多的折叠管道结构，此时的组合结构确定为最终的宽带降噪结构。
3、本发明的有益效果在于：有效提升自然通风交错隔声窗在低频的降噪量，同时在中高频也有降噪效果，结构简单环保，成本低且工作稳定。
四、附图说明
图1是本发明中单个折叠管道单元的二维结构示意图。
图2是本发明实现方法中为计算相位突变而创建的二维矩形管道模型。
图3是本发明的三维结构示意图。
图4是本发明具体实施例1中的交错窗管道尺寸示意图。
图5是本发明具体实施例1中引入降噪结构前后评价点100Hz-500Hz声压级。
图6是本发明具体实施例1中引入降噪结构前后评价点100Hz-2000Hz声压级。
图7是本发明具体实施例2的实验照片。
图8是本发明具体实施例2中3D打印组合折叠管道单元照片。
图9是本发明具体实施例2中引入降噪结构前后评价点400Hz-6400Hz声压级。
五、具体实施方式
实施案例1在1.5m×0.32m×0.25m的交错窗中进行，入口和出口的尺寸均为0.2m×0.2m，见附图4。针对7个中心频率设计7个不同的折叠管道单元，具体频率和结构尺寸见表1，结构总尺寸为1.018m×0.25m×0.175m。在管道2侧对称地引入该结构，见附图3。当入射噪声为幅度1Pa的正入射平面波时，引入该结构前后位于出口中心外10cm处的声压级见附图5。附图5中100Hz-500Hz之间大部分频率均有降噪量，总声压级量为8.8dB。附图6给出了评价点在100Hz-2000Hz之间的声压级，结论与图5类似，该频段内几乎所有频率均可降噪，总声压级降噪量为7.3dB。
表1 实施案例1中各折叠管道单元参数
实施案例2在375mm×80mm×62.5mm的交错窗中进行，入口和出口的尺寸均为50mm×50mm，该模型为实施案例1中交错窗的1∶4缩尺模型，实验照片见附图7。该交错窗模型安装在位于消声室中的1.2m×1.1m×1.0m隔声箱上。针对7个中心频率设计7个不同的折叠管道单元，具体频率和结构尺寸见表2，结构总尺寸为222.0mm×62.5mm×50.0mm，由ABS塑料3D打印得到，见附图8。在交错窗缩尺模型2侧对称地引入所有折叠管道单元，用于降低隔声箱内部声源向外辐射的噪声。引入该结构前后位于出口中心外2cm处的声压级见附图9。附图9中400Hz-6400Hz之间几乎所有频率均有降噪量，总声压级量为12.6dB。
表2 实施案例2中各折叠管道单元参数
本发明提供了一种应用于自然通风隔声窗的宽带降噪结构及其设计方法。该结构由针对不同频率设计的突变截面折叠管道单元组成，可同时降低窗户传入噪声中的低频和中高频成分，且不影响窗户的通风功能。该结构简单环保、易安装，且成本低、工作稳定。
Claims (5)
1.一种应用于自然通风交错隔声窗的宽带降噪结构，其特征在于：该结构由多个折叠管道单元组合而成，位于隔声窗通风路径2侧，且2侧结构对称。
2.如权利要求1所述的应用于自然通风交错隔声窗的宽带降噪结构，其特征在于：所述折叠管道单元由2段不同截面积的矩形管道耦合而成。
3.如权利要求1所述的应用于自然通风交错隔声窗的宽带降噪结构，其特征在于：所述多个折叠管道单元尺寸不同，是针对不同频率设计的。
4.如权利要求1所述的应用于自然通风交错隔声窗的宽带降噪结构，其特征在于：所述组合折叠管道单元安装在隔声窗通风路径中间段，入口和出口之间。
5.一种基于权利要求1～4的任一所述应用于自然通风交错隔声窗的宽带降噪结构设计方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据实际情况确定交错通风窗的通风路径尺寸及入口和出口的尺寸和位置；
(2)确定所需控制的最低频率fmin，根据fmin选择折叠管道单元壁厚w，一般要求-42+20log10fmin+20log10(ρw)＞20即可，其中ρ为拟用材料的密度；
(3)选取fmin为设计频率设计折叠管道单元，管道整体宽度a通常取c0/10fmin左右，其中c0为空气中声速343m/s，第1段管道的宽度d1取a/5～a/2，第2段管道的宽度d2≈d1/4。建立二维矩形管道声学有限元模型，在管道一端加入设计的折叠管道单元，仿真得到该折叠管道单元引起的相位突变随频率的变化曲线，若在设计频率附近出现180°的相位突变，则进入步骤(4)，否则调整结构参数直至满足该条件，其中参数调整原则是若相位变化180°的频率低于设计频率则减小a，高于设计频率则增大a；
(4)建立自然通风交错隔声窗的三维声学有限元模型，入口和出口外均为半无限大空间，出口附近评价点的声压级记为SPLwithout；在其侧壁引入步骤(3)中设计的折叠管道单元，考察相同点的声压级，记为SPLwith，计算折叠管道引起的降噪量NR＝SPLwithout-SPLwith，观察降噪量峰值频率是否出现在设计频率附近，若发生偏移，则调整结构参数，调整原则同步骤(3)；
(5)观察步骤(4)中的降噪量随频率变化曲线，选取降噪量小的频率作为新的设计频率，重复步骤(3)，直到得到合适的结构参数，然后进入步骤(4)，在先前建立的自然通风交错隔声窗有限元模型中增加新设计的折叠管道单元，观察降噪量随频率变化曲线，根据情况调整结构参数，调整原则同步骤(3)；
(6)重复步骤(5)，直到自然通风交错窗通风路径侧壁没有空间放置更多的折叠管道结构，此时的组合结构确定为最终的宽带降噪结构。
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