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声学前沿动态 | 宽频通风隔声窗

发布时间:2020/05/10 声学技术 浏览次数:449

导读

传统声屏障在隔绝噪声的同时阻断了空气的流通,然而仍有许多特殊场合需同时满足通风和降噪。例如,当今城市日益严重的环境噪声污染下,绿色建筑的自然通风设计不可避免地伴随着外界噪声的侵扰。近日,同济大学的科研人员提出了一种兼具高效通风和宽带隔声的声功能结构,其基本单元由中心开孔与外围螺旋叶片共同组成。该通风隔声单元厚度仅为5cm(约为工作频带低频下限对应波长的1/8),在保证空气流通的条件下(样件空心部分直径约为整体直径的1/2),在900Hz–1418Hz的频段范围内能有效隔绝90%的入射声能量。该研究突破了传统隔声窗的高气流压力损失及现有超构隔声窗的窄带隔声等局限,为解决城市绿色建筑的环境噪声难题提供了可能。研究成果已经于2020年4月10日以“BroadbandAcoustic Ventilation Barriers”为题发表在国际物理学期刊Physical Review Applied第13卷上 [Phys.Rev. Applied 13, 044028 (2019)]。同济大学物理科学与工程学院声学研究所硕士研究生孙曼为第一作者,毛东兴教授、王旭副教授和李勇研究员为论文共同通讯作者。


研究背景


当今城市日益严重的环境噪声污染下,绿色建筑的自然通风设计不可避免地伴随着外界噪声的侵扰。传统的通风隔声窗[图1(a)]在窗体的周边或内部设置铺设有声衬、(微)穿孔板等结构的曲折气流通道,而曲折通道带来明显的压力损失,难以保证自然通风的效果。近年来,声学超构材料的蓬勃发展给通风隔声窗设计带来了新的思路。基于局域共振单元(如Helmholtz共鸣器、薄膜以及1/4波长管)设计的超构隔声窗实现了在亚波长尺度的低频噪声控制;而基于类法诺干涉(Fano-like interference)的设计[图1(b)]在进一步改善其空气流通效果的同时保证了有效的低频隔声性能。然而,这些超构设计只有在共振或者相消干涉频率附近才能获得理想隔声效果,工作频带往往较窄。考虑到城市环境噪声通常为宽频带,设计一种宽带且具有良好通风效果的隔声屏障仍然是一项巨大的挑战。


图1. (a) 传统通风隔声窗示意图; (b) 现有超构设计通风隔声窗示意图。


研究成果

本研究中提出了一种利用螺旋形叶片设计的通风隔声屏障单元[图2(a)],其基本结构由中心开孔与外围螺旋叶片组成。单元的中心开孔通道保证了足够的空气流通量,外围结构由于其螺旋叶片的变化螺距呈现出一个截面积连续变化的号筒状螺旋通道。理论和实验结果展示了该种隔声单元的宽频隔声效果,声能量透射曲线在900Hz–1418Hz的宽频带内出现了平坦的谷区[图2(c)]。以基本隔声单元为基础,而进一步构建的类镂空雕花薄板状结构,有望实现兼具高效通风和宽带隔声的通风隔声窗设计[图2(b)]。       图 2(d)说明了该通风隔声单元的工作原理。根据等效介质理论,对于通风隔声窗单元来说,无论其具体结构如何复杂,其整体声学特性都可以视作其所有表面响应模态的叠加。在低频条件下,此时的隔声单元的表面(即入射及出射端界面)有两种响应模态:做同相位运动的单极子响应模态与反相位运动的偶极子响应模态。当通风隔声单元出现等强度单偶极子响应的模态时 (balancedsurface response from equal-strength monopolar and dipolar modes),根据叠加原理[图2(c)],此时隔声单元透射端的质点速度和声压都为零,呈现强隔声的特性。表明该条件下通风隔声单元,尽管在设计中往往预留很大比例的开孔保证空气流通效果,却表现为一个声学硬边界,呈现出全反射的特点。研究人员进一步通过调节隔声单元的结构参数,在一定频段内实现多个单偶极子响应的交点,以保证在该频段范围内单偶极子模态响应一直处于强度相近的状态,从而实现了宽带的隔声设计。       实际应用中的噪声环境往往十分复杂,入射声来自各个方向,因而研究人员进一步考虑了通风窗单元在不同入射角度下隔声效果。结果(图3)表明该结构对于来自不同方向的斜入射声波都具备很好的宽频隔声效果,这为该设计的潜在应用提供有力保障。      该项工作依托同济大学“建筑-声学一流学科共建平台”,研究得到了国家自然科学基金(11774265, 11704255, 11704284)、中科协青年人才托举工程(2018QNRC001)的支持。

图2. (a) 宽带通风隔声基本单元;(b) 由基本单元构建的通风隔声窗整体;(c)隔声单元的声能量透射曲线;(d)基于系统表面响应模态耦合的隔声机理示意图。

图3.不同角度声入射条件下隔声单元的声压透射曲线。