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寬頻通風隔聲窗

文章來源：維也納聲學    時間：2024-09-23

      傳統(tǒng)聲屏障在隔絕噪聲的同時阻斷了空氣的流通,，然而仍有許多特殊場合需同時滿足通風和降噪,。例如,，當今城市日益嚴重的環(huán)境噪聲污染下,，綠色建筑的自然通風設計不可避免地伴隨著外界噪聲的侵擾,。近日,，同濟大學的科研人員提出了一種兼具高效通風和寬帶隔聲的聲功能結構,，其基本單元由中心開孔與外圍螺旋葉片共同組成,。該通風隔聲單元厚度僅為5cm（約為工作頻帶低頻下限對應波長的1/8）,，在保證空氣流通的條件下（樣件空心部分直徑約為整體直徑的1/2）,，在900Hz–1418Hz的頻段范圍內(nèi)能有效隔絕90%的入射聲能量。該研究突破了傳統(tǒng)隔聲窗的高氣流壓力損失及現(xiàn)有超構隔聲窗的窄帶隔聲等局限,，為解決城市綠色建筑的環(huán)境噪聲難題提供了可能,。研究成果已經(jīng)于2020年4月10日以“Broadband Acoustic Ventilation Barriers”為題發(fā)表在國際物理學期刊Physical Review Applied第13卷上 [Phys. Rev. Applied 13, 044028 (2019)],。同濟大學物理科學與工程學院聲學研究所碩士研究生孫曼為第一作者，毛東興教授,、王旭副教授和李勇研究員為論文共同通訊作者,。

研究背景

      當今城市日益嚴重的環(huán)境噪聲污染下，綠色建筑的自然通風設計不可避免地伴隨著外界噪聲的侵擾,。傳統(tǒng)的通風隔聲窗[圖1(a)]在窗體的周邊或內(nèi)部設置鋪設有聲襯,、（微）穿孔板等結構的曲折氣流通道，而曲折通道帶來明顯的壓力損失,，難以保證自然通風的效果,。近年來，聲學超構材料的蓬勃發(fā)展給通風隔聲窗設計帶來了新的思路,?；诰钟蚬舱駟卧ㄈ鏗elmholtz共鳴器、薄膜以及1/4波長管）設計的超構隔聲窗實現(xiàn)了在亞波長尺度的低頻噪聲控制,；而基于類法諾干涉（Fano-like interference）的設計[圖1(b)]在進一步改善其空氣流通效果的同時保證了有效的低頻隔聲性能,。然而，這些超構設計只有在共振或者相消干涉頻率附近才能獲得理想隔聲效果,，工作頻帶往往較窄,。考慮到城市環(huán)境噪聲通常為寬頻帶,，設計一種寬帶且具有良好通風效果的隔聲屏障仍然是一項巨大的挑戰(zhàn),。

圖1. (a) 傳統(tǒng)通風隔聲窗示意圖; (b) 現(xiàn)有超構設計通風隔聲窗示意圖。

研究成果

       本研究中提出了一種利用螺旋形葉片設計的通風隔聲屏障單元[圖2(a)],，其基本結構由中心開孔與外圍螺旋葉片組成,。單元的中心開孔通道保證了足夠的空氣流通量,，外圍結構由于其螺旋葉片的變化螺距呈現(xiàn)出一個截面積連續(xù)變化的號筒狀螺旋通道,。理論和實驗結果展示了該種隔聲單元的寬頻隔聲效果，聲能量透射曲線在900Hz–1418Hz的寬頻帶內(nèi)出現(xiàn)了平坦的谷區(qū)[圖2(c)],。以基本隔聲單元為基礎,，而進一步構建的類鏤空雕花薄板狀結構，有望實現(xiàn)兼具高效通風和寬帶隔聲的通風隔聲窗設計[圖2(b)],。

       圖 2(d)說明了該通風隔聲單元的工作原理,。根據(jù)等效介質(zhì)理論，對于通風隔聲窗單元來說,，無論其具體結構如何復雜,，其整體聲學特性都可以視作其所有表面響應模態(tài)的疊加。在低頻條件下,，此時的隔聲單元的表面（即入射及出射端界面）有兩種響應模態(tài)：做同相位運動的單極子響應模態(tài)與反相位運動的偶極子響應模態(tài),。當通風隔聲單元出現(xiàn)等強度單偶極子響應的模態(tài)時 (balanced surface response from equal-strength monopolar and dipolar modes),，根據(jù)疊加原理[圖2(c)]，此時隔聲單元透射端的質(zhì)點速度和聲壓都為零,，呈現(xiàn)強隔聲的特性,。表明該條件下通風隔聲單元，盡管在設計中往往預留很大比例的開孔保證空氣流通效果,，卻表現(xiàn)為一個聲學硬邊界,，呈現(xiàn)出全反射的特點。研究人員進一步通過調(diào)節(jié)隔聲單元的結構參數(shù),，在一定頻段內(nèi)實現(xiàn)多個單偶極子響應的交點,，以保證在該頻段范圍內(nèi)單偶極子模態(tài)響應一直處于強度相近的狀態(tài)，從而實現(xiàn)了寬帶的隔聲設計,。

       實際應用中的噪聲環(huán)境往往十分復雜,，入射聲來自各個方向，因而研究人員進一步考慮了通風窗單元在不同入射角度下隔聲效果,。結果(圖3)表明該結構對于來自不同方向的斜入射聲波都具備很好的寬頻隔聲效果,，這為該設計的潛在應用提供有力保障。

       該項工作依托同濟大學“建筑-聲學一流學科共建平臺”,，研究得到了國家自然科學基金（11774265, 11704255, 11704284）,、中科協(xié)青年人才托舉工程（2018QNRC001）的支持。

圖3.不同角度聲入射條件下隔聲單元的聲壓透射曲線,。

文章來源中國聲學學會。