CN113107335A - 吸声频段可调的隔音玻璃及隔音方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸声频段可调的隔音玻璃，包括腔体层，所述腔体层的两侧分别设有孔洞层和调节层；所述腔体层上阵列设有通孔，所述孔洞层上与所述通孔一一对应设有颈孔，所述调节层上与所述通孔一一对应设有调节块；所述调节块与对应的所述通孔之间滑动配合，所述调节块、通孔和所述孔洞层之间构成体积可调节的吸声腔，所述颈孔与对应的所述吸声腔相连通并构成亥姆霍兹共振结构；还包括用于驱动所述调节层相对于所述腔体层移动进而调节所述吸声腔的体积的吸声频段调节机构。本发明还公开了一种采用如上所述吸声频段可调的隔音玻璃的隔音方法。本发明利用亥姆霍兹共振器原理，可无级调节吸声频率以匹配不同的噪音，从而达到更好的吸声降噪效果。

Description

吸声频段可调的隔音玻璃及隔音方法

技术领域

本发明涉及一种玻璃，具体的为一种吸声频段可调的隔音玻璃及隔音方法。

背景技术

噪声污染和水污染、大气污染、固体废弃物污染是破坏环境的主要因素，被并列为现代世界的四大公害。噪音污染防治作为保护声环境不可或缺的一项工程，具有鲜明的节能减排意义。市场上主要采用双层真空玻璃或中空玻璃来隔音降噪,对中低频段的噪音的隔音效果较差。因此，如何实现高效全频段隔音降噪成为重要问题。

目前常见的降噪方式主要有传播源降噪和传播途径降噪。传播源降噪主要是通过减缓设备振动等方式降低噪音，而对传播途径隔音降噪的研究主要集中在吸声材料和吸声结构两方面。吸声材料主要为泡沫状、颗粒状的有机纤维材料或金属纤维材料，这些材料性能受温度、湿度影响较大，易损坏和污染环境，因此难以运用于降噪玻璃的制造。常用的吸声结构有穿孔共振吸声结构、薄膜共振吸声结构和吸声劈尖等。其中，亥姆霍兹共振器作为最典型的穿孔共振吸声结构，能够通过共振将入射声能转换为热能耗散。其结构简单、流体阻力小、在特定的频带内对噪声有良好的衰减能力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种吸声频段可调的隔音玻璃及隔音方法，利用亥姆霍兹共振器原理，可无级调节吸声频率以匹配不同的噪音，从而达到更好的吸声降噪效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明首先提出了一种吸声频段可调的隔音玻璃，包括腔体层，所述腔体层的两侧分别设有孔洞层和调节层；

所述腔体层上阵列设有通孔，所述孔洞层上与所述通孔一一对应设有颈孔，所述调节层上与所述通孔一一对应设有调节块；

所述调节块与对应的所述通孔之间滑动配合，所述调节块、通孔和所述孔洞层之间构成体积可调节的吸声腔，所述颈孔与对应的所述吸声腔相连通并构成亥姆霍兹共振结构；

还包括用于驱动所述调节层相对于所述腔体层移动进而调节所述吸声腔的体积的吸声频段调节机构。

进一步，所述腔体层的中部设有用于保证可视性的中空区，所述通孔设置在所述中空区的四周。

进一步，所述孔洞层背向所述腔体层的一侧侧面上设有用于增强隔热效果并防止灰尘进入所述颈孔的隔热膜。

进一步，所述隔热膜采用PET聚酯薄膜。

进一步，所述调节块与对应的所述通孔之间密闭配合。

进一步，所述通孔的横截面为圆形或正多边形。

进一步，还包括用于检测噪音的声强和频率的噪音检测单元。

进一步，还包括窗框，所述腔体层和孔洞层固定安装在所述窗框内，且所述调节层滑动配合安装在所述窗框内，所述吸声频段调节机构设置在所述窗框与所述调节层之间。

进一步，所述吸声频段调节机构包括滑动配合安装在所述窗框内的齿条和与所述齿条啮合的齿轮，所述齿条与所述调节层固定连接，所述窗框内设有用于驱动所述齿轮转动的调节电机。

本发明还公开了一种采用如上所述吸声频段可调的隔音玻璃的隔音方法，包括如下步骤：

1)采集噪音数据，得到影响最大噪音的声强和频率；

2)以该影响最大噪音的频率计算所述吸声腔所需的隔音体积V，得到所述调节块伸入到所述通孔内隔音深度h；

3)利用吸声频段调节机构驱动所述调节层相对于所述腔体层移动，使所述调节块伸入所述通孔的深度等于所述隔音深度h；

4)结束。

进一步，所述步骤1)中，使用灰色关联分析法获取影响最大噪音，方法如下：

11)确定比较对象和参考数列：设对应时刻的噪音比较对象为n个，评价指标为2个，分别为声强与频率；则每一个噪音比较对象均具有一组比较数列：

x_i＝{x_i(k)|k＝1,2},i＝1,2,...,n

其中，x_i表示第i个噪音比较对象的比较数列；k表示评价指标；

另外，由所有比较数列中的最低频率和最高声强组成参考数列：

x₀＝{x₀(k)|k＝1,2}

其中，x₀表示参考数列；

12)计算灰色关联系数：比较数列x_i对参考数列x₀在第k个评价指标上的关联系数的计算公式如下：

其中，

和

分别为两级最小差和两级最大差；ρ∈[0,1]为分辨系数；

13)计算灰色加权关联度：灰色加权关联度计算公式如下：

其中，r_i为第i个噪音比较对象对虚拟最大影响噪音的灰色加权关联度；w_k为第k个评价指标的权重，且满足：

14)取灰色加权关联度最大的噪音比较对象作为当前时刻的影响最大噪音。

进一步，所述步骤1)中，间隔设定时间采集一次噪音数据，若得到的当前时刻的影响最大噪音的频率与所述亥姆霍兹共振结构的共振频率之差的绝对值小于等于设定阈值，则执行步骤4)；反之，则执行步骤2)。

本发明的有益效果在于：

本发明吸声频段可调的隔音玻璃，通过在腔体层的两侧分别设置孔洞层和调节层，并在腔体层上设置通孔、在孔洞层上与通孔对应设置颈孔和在调节层上设置与通孔配合的调节块，如此，即可在颈孔、通孔和调节块之间构成亥姆霍兹共振结构；驱动调节层相对于孔洞层移动，即可无级调节吸声腔的体积，从而可无级调节亥姆霍兹共振结构的共振频率，最终可实现吸声频率的无级调节，以匹配不同噪音的吸声降噪要求，达到更好的吸声降噪效果。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明吸声频段可调的隔音玻璃实施例的爆炸图；

图2为窗框的结构示意图；

图3为内窗框的结构示意图；

图4为本实施例亥姆霍兹共振结构的结构示意图；

图5为亥姆霍兹共振结构的吸声频率范围的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明吸声频段可调的隔音玻璃实施例的爆炸图。本实施例吸声频段可调的隔音玻璃，包括腔体层1，腔体层1的两侧分别设有孔洞层2和调节层3。腔体层1上阵列设有通孔4，孔洞层2上与通孔4一一对应设有颈孔5，调节层3上与通孔4一一对应设有调节块6。调节块6与对应的通孔4之间滑动配合，调节块6、通孔4和孔洞层2之间构成体积可调节的吸声腔7，颈孔5与对应的吸声腔7相连通并构成亥姆霍兹共振结构。本实施例吸声频段可调的隔音玻璃还包括用于驱动调节层3相对于腔体层1移动进而调节吸声腔7的体积的吸声频段调节机构。

具体的，亥姆霍兹共振结构的共振吸声原理为：亥姆霍兹共振器中的空气可视为弹簧-阻尼系统，当声波入射频率与系统振动频率相同时，腔内空气发生共振，将入射声能转变成热能而消耗掉。亥姆霍兹共振器的共振频率可根据腔体结构参数变化而调节，如图4所示，共振频率计算公式为：

其中，f为共振频率，c为声速，S为颈孔5的横截面面积，l为颈孔5的长度，也即孔洞层2的厚度，d为颈孔5的直径，V为吸声腔7的体积。

由此可知，亥姆霍兹共振结构的共振频率与三个结构参数相关：颈孔5的直径d、颈孔5的长度l和吸声腔7的体积V。本实施例通过驱动调节层3相对于腔体层1移动，从而能够控制调节块6伸入通孔4内的长度，进而调节吸声腔7的体积V，从而可以改变亥姆霍兹共振结构的共振频率，达到吸声频段可无级调节的效果。

进一步，腔体层1的中部设有用于保证可视性的中空区8，通孔4设置在中空区8的四周。具体的，根据我国建筑行业现行规范标准，综合考虑窗户的采光需求以及通风效果，我们选取900×1500mm作为基本窗户尺寸。为确保窗户的可视性，我们将腔体层1设计为框架结构，即在腔体层1的中部设有中空区6，通孔4分布在腔体层1的边缘。同时为了提升使用者的交互感受以及符合窗户的外观美学，本实施例的中空区6尺寸为600×1200mm。也即腔体层1中用于设置腔体4的面积占比为：宽度方向占比不超过33.3％，高度方向占比不超过20.0％，并设计其沿窗户边缘均匀分布。

进一步，孔洞层2背向腔体层1的一侧侧面上设有用于增强隔热效果并防止灰尘进入颈孔5的隔热膜9。本实施例的隔热膜9采用PET聚酯薄膜。提高了隔热效果，同时又能够避免灰尘进入到颈管内。

优选的，本实施例的调节块6与对应的通孔4之间密闭配合，避免噪音通过调节块6与通孔4之间缝隙穿入，提高吸声降噪效果。通孔4的形状可以任意设置，如通孔4的横截面可以为圆形或正多边形，本实施例的通孔4的横截面为正方形。

进一步，本实施例吸声频段可调的隔音玻璃还包括用于检测噪音的声强和频率的噪音检测单元，能够实时检测噪音的声强和频率，进而得到亥姆霍兹共振结构的吸声腔7的体积V，并进一步计算得到调节块6伸入通孔的距离，即可针对检测到的噪音的频率来实时调节隔音玻璃的吸声频段，以满足更好的吸声降噪效果。

进一步，本实施例吸声频段可调的隔音玻璃还包括窗框，腔体层1和孔洞层2固定安装在窗框内，且调节层3滑动配合安装在窗框内，吸声频段调节机构设置在窗框与调节层2之间。具体的，吸声频段调节机构包括滑动配合安装在窗框内的齿条10和与齿条10啮合的齿轮11，齿条10与调节层3固定连接，窗框内设有用于驱动齿轮11转动的调节电机。当然，吸声频段调节机构还可以采用现有的多种可以驱动调节层3相对于腔体层1移动的机构来实现，不再累述。具体的，本实施例的窗框包括外窗框12和内窗框13，腔体层1和孔洞层2固定安装在外窗框12内，内窗框13上设有滑轨14，调节层3滑动配合安装在内窗框13内。

本实施例吸声频段可调的隔音玻璃，通过在腔体层的两侧分别设置孔洞层和调节层，并在腔体层上设置通孔、在孔洞层上与通孔对应设置颈孔和在调节层上设置与通孔配合的调节块，如此，即可在颈孔、通孔和调节块之间构成亥姆霍兹共振结构；驱动调节层相对于孔洞层移动，即可无级调节吸声腔的体积，从而可无级调节亥姆霍兹共振结构的共振频率，最终可实现吸声频率的无级调节，以匹配不同噪音的吸声降噪要求，达到更好的吸声降噪效果。

下面对本发明的隔音方法的具体实施方式进行说明。

噪音的主要性质参数有声强和频率。对于声强，人在休息时的最佳环境声强为0-20分贝，而人在日常生活中噪音超过50分贝就会对人类日常生活产生有害影响。对于频率，人体内器官固有频率基本上在低频和超低频范围内，很容易与低频声音产生共振，所以人很容易受到低频噪声影响从而感到烦恼、感觉不适；同时低频噪声递减得很慢，声波又较长，能轻易穿越障碍物、长距离传播并穿墙透壁直人人耳。因此调节的基本思想是优先屏蔽高分贝、低频率的噪音。

根据这一思想，本实施例的隔音方法，包括如下步骤：

1)采集噪音数据，得到影响最大噪音的声强和频率。

具体的，本实施例使用灰色关联分析法获取影响最大噪音，方法如下：

11)确定比较对象和参考数列：设对应时刻的噪音比较对象为n个，评价指标为2个，分别为声强与频率；则每一个噪音比较对象均具有一组比较数列：

x_i＝{x_i(k)|k＝1,2},i＝1,2,...,n

其中，x_i表示第i个噪音比较对象的比较数列；k表示评价指标；

另外，由所有比较数列中的最低频率和最高声强组成参考数列：

x₀＝{x₀(k)|k＝1,2}

其中，x₀表示参考数列。

12)计算灰色关联系数：比较数列x_i对参考数列x₀在第k个评价指标上的关联系数的计算公式如下：

其中，

和

分别为两级最小差和两级最大差；ρ∈[0,1]为分辨系数，分辨系数越大，分辨率一般也越大。

13)计算灰色加权关联度：灰色加权关联度计算公式如下：

其中，r_i为第i个噪音比较对象对虚拟最大影响噪音的灰色加权关联度；w_k为第k个评价指标的权重，且满足：

权重w＝[w₁,w₂]，其中w₁,w₂分别为声强与频率的权重系数。为将噪音的频率与声强统一比较，需要首先确定频率与声强的权重。对于不同地区，不同人群的要求，不同预期的目标，权重的设置也有不同。根据具体的使用情景，制造者或者用户可以自行修改权重。本实施例的权重设置为w＝[0.8,0.2]，因为相比于频率人类往往对于声音的强度更加敏感，所以我们令权重具有更大占比。

14)取灰色加权关联度最大的噪音比较对象作为当前时刻的影响最大噪音。根据灰色加权关联度的大小，对各噪音比较对象进行排序。关联度越大，该噪音比较对象越接近虚拟最大影响噪音，即该噪音比较对象的影响最大。

具体的，间隔设定时间采集一次噪音数据，若得到的当前时刻的影响最大噪音的频率与亥姆霍兹共振结构的共振频率之差的绝对值小于等于设定阈值，则执行步骤4)；反之，则执行步骤2)。本实施例每隔1min对接收到的噪音数据进行一次分析。根据COMSOL仿真结果，亥姆霍兹共振腔的降噪效率在峰值处200hz范围内保持高效。因此为了避免过频繁的调节，如果得到的调节频率与上一次分析的调节频率相差不超过100hz，则保留上一次的调节频率不做更改，执行步骤4)；如果得到的调节频率与上一次分析的调节频率相差超过100hz，则对调节频率进行更新，执行步骤2)。

2)以该影响最大噪音的频率计算吸声腔7所需的隔音体积V，得到调节块6伸入到通孔4内隔音深度h；

3)利用吸声频段调节机构驱动调节层3相对于腔体层1移动，使调节块6伸入通孔4的深度等于隔音深度h；

4)结束。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种吸声频段可调的隔音玻璃，其特征在于：包括腔体层(1)，所述腔体层(1)的两侧分别设有孔洞层(2)和调节层(3)；

所述腔体层(1)上阵列设有通孔(4)，所述孔洞层(2)上与所述通孔(4)一一对应设有颈孔(5)，所述调节层(3)上与所述通孔(4)一一对应设有调节块(6)；

所述调节块(6)与对应的所述通孔(4)之间滑动配合，所述调节块(6)、通孔(4)和所述孔洞层(2)之间构成体积可调节的吸声腔(7)，所述颈孔(5)与对应的所述吸声腔(7)相连通并构成亥姆霍兹共振结构；

还包括用于驱动所述调节层(3)相对于所述腔体层(1)移动进而调节所述吸声腔(7)的体积的吸声频段调节机构。

2.根据权利要求1所述吸声频段可调的隔音玻璃，其特征在于：所述腔体层(1)的中部设有用于保证可视性的中空区(8)，所述通孔(4)设置在所述中空区(8)的四周。

3.根据权利要求1所述吸声频段可调的隔音玻璃，其特征在于：所述孔洞层(2)背向所述腔体层(1)的一侧侧面上设有用于增强隔热效果并防止灰尘进入所述颈孔(5)的隔热膜(9)。

4.根据权利要求3所述吸声频段可调的隔音玻璃，其特征在于：所述隔热膜(9)采用PET聚酯薄膜。

5.根据权利要求1所述吸声频段可调的隔音玻璃，其特征在于：所述调节块(6)与对应的所述通孔(4)之间密闭配合。

6.根据权利要求1-7任一项所述吸声频段可调的隔音玻璃，其特征在于：还包括用于检测噪音的声强和频率的噪音检测单元。

7.根据权利要求1-7任一项所述吸声频段可调的隔音玻璃，其特征在于：还包括窗框，所述腔体层(1)和孔洞层(2)固定安装在所述窗框内，且所述调节层(3)滑动配合安装在所述窗框内，所述吸声频段调节机构设置在所述窗框与所述调节层(2)之间；所述吸声频段调节机构包括滑动配合安装在所述窗框内的齿条(10)和与所述齿条(10)啮合的齿轮(11)，所述齿条(10)与所述调节层(3)固定连接，所述窗框内设有用于驱动所述齿轮(11)转动的调节电机。

8.一种采用如权利要求1-7任一项所述吸声频段可调的隔音玻璃的隔音方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)采集噪音数据，得到影响最大噪音的声强和频率；

2)以该影响最大噪音的频率计算所述吸声腔(7)所需的隔音体积V，得到所述调节块(6)伸入到所述通孔(4)内隔音深度h；

3)利用吸声频段调节机构驱动所述调节层(3)相对于所述腔体层(1)移动，使所述调节块(6)伸入所述通孔(4)的深度等于所述隔音深度h；

4)结束。

9.根据权利要求8所述的隔音方法，其特征在于：所述步骤1)中，使用灰色关联分析法获取影响最大噪音，方法如下：

11)确定比较对象和参考数列：设对应时刻的噪音比较对象为n个，评价指标为2个，分别为声强与频率；则每一个噪音比较对象均具有一组比较数列：

x_i＝{x_i(k)|k＝1,2},i＝1,2,...,n

其中，x_i表示第i个噪音比较对象的比较数列；k表示评价指标；

另外，由所有比较数列中的最低频率和最高声强组成参考数列：

x₀＝{x₀(k)|k＝1,2}

其中，x₀表示参考数列；

12)计算灰色关联系数：比较数列x_i对参考数列x₀在第k个评价指标上的关联系数的计算公式如下：

其中，

和

分别为两级最小差和两级最大差；ρ∈[0,1]为分辨系数；

13)计算灰色加权关联度：灰色加权关联度计算公式如下：

其中，r_i为第i个噪音比较对象对虚拟最大影响噪音的灰色加权关联度；w_k为第k个评价指标的权重，且满足：

14)取灰色加权关联度最大的噪音比较对象作为当前时刻的影响最大噪音。

10.根据权利要求9所述的隔音方法，其特征在于：所述步骤1)中，间隔设定时间采集一次噪音数据，若得到的当前时刻的影响最大噪音的频率与所述亥姆霍兹共振结构的共振频率之差的绝对值小于等于设定阈值，则执行步骤4)；反之，则执行步骤2)。

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