文章來源：維也納聲學(xué) 時(shí)間：2024-09-23
傳統(tǒng)聲屏障在隔絕噪聲的同時(shí)阻斷了空氣的流通,，然而仍有許多特殊場(chǎng)合需同時(shí)滿足通風(fēng)和降噪,。例如，當(dāng)今城市日益嚴(yán)重的環(huán)境噪聲污染下，綠色建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)不可避免地伴隨著外界噪聲的侵?jǐn)_,。近日,，同濟(jì)大學(xué)的科研人員提出了一種兼具高效通風(fēng)和寬帶隔聲的聲功能結(jié)構(gòu),，其基本單元由中心開孔與外圍螺旋葉片共同組成,。該通風(fēng)隔聲單元厚度僅為5cm（約為工作頻帶低頻下限對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)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(gòu)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(guó)際物理學(xué)期刊Physical Review Applied第13卷上 [Phys. Rev. Applied 13, 044028 (2019)],。同濟(jì)大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院聲學(xué)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(dāng)今城市日益嚴(yán)重的環(huán)境噪聲污染下，綠色建筑的自然通風(fēng)設(shè)計(jì)不可避免地伴隨著外界噪聲的侵?jǐn)_,。傳統(tǒng)的通風(fēng)隔聲窗[圖1(a)]在窗體的周邊或內(nèi)部設(shè)置鋪設(shè)有聲襯,、（微）穿孔板等結(jié)構(gòu)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(fēng)的效果,。近年來，聲學(xué)超構(gòu)材料的蓬勃發(fā)展給通風(fēng)隔聲窗設(shè)計(jì)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(zhǎng)管）設(shè)計(jì)的超構(gòu)隔聲窗實(shí)現(xiàn)了在亞波長(zhǎng)尺度的低頻噪聲控制,；而基于類法諾干涉（Fano-like interference）的設(shè)計(jì)[圖1(b)]在進(jìn)一步改善其空氣流通效果的同時(shí)保證了有效的低頻隔聲性能,。然而，這些超構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)一種寬帶且具有良好通風(fēng)效果的隔聲屏障仍然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn),。
圖1. (a) 傳統(tǒng)通風(fēng)隔聲窗示意圖; (b) 現(xiàn)有超構(gòu)設(shè)計(jì)通風(fēng)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(shè)計(jì)的通風(fēng)隔聲屏障單元[圖2(a)],，其基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由于其螺旋葉片的變化螺距呈現(xiàn)出一個(gè)截面積連續(xù)變化的號(hào)筒狀螺旋通道,。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(chǔ),，而進(jìn)一步構(gòu)建的類鏤空雕花薄板狀結(jié)構(gòu),，有望實(shí)現(xiàn)兼具高效通風(fēng)和寬帶隔聲的通風(fēng)隔聲窗設(shè)計(jì)[圖2(b)]。
圖 2(d)說明了該通風(fēng)隔聲單元的工作原理,。根據(jù)等效介質(zhì)理論,，對(duì)于通風(fēng)隔聲窗單元來說，無論其具體結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜,，其整體聲學(xué)特性都可以視作其所有表面響應(yīng)模態(tài)的疊加,。在低頻條件下，此時(shí)的隔聲單元的表面（即入射及出射端界面）有兩種響應(yīng)模態(tài)：做同相位運(yùn)動(dòng)的單極子響應(yīng)模態(tài)與反相位運(yùn)動(dòng)的偶極子響應(yīng)模態(tài),。當(dāng)通風(fēng)隔聲單元出現(xiàn)等強(qiáng)度單偶極子響應(yīng)的模態(tài)時(shí) (balanced surface response from equal-strength monopolar and dipolar modes),，根據(jù)疊加原理[圖2(c)]，此時(shí)隔聲單元透射端的質(zhì)點(diǎn)速度和聲壓都為零,，呈現(xiàn)強(qiáng)隔聲的特性,。表明該條件下通風(fēng)隔聲單元，盡管在設(shè)計(jì)中往往預(yù)留很大比例的開孔保證空氣流通效果,，卻表現(xiàn)為一個(gè)聲學(xué)硬邊界,，呈現(xiàn)出全反射的特點(diǎn)。研究人員進(jìn)一步通過調(diào)節(jié)隔聲單元的結(jié)構(gòu)參數(shù),，在一定頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)單偶極子響應(yīng)的交點(diǎn),，以保證在該頻段范圍內(nèi)單偶極子模態(tài)響應(yīng)一直處于強(qiáng)度相近的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了寬帶的隔聲設(shè)計(jì),。
實(shí)際應(yīng)用中的噪聲環(huán)境往往十分復(fù)雜,，入射聲來自各個(gè)方向，因而研究人員進(jìn)一步考慮了通風(fēng)窗單元在不同入射角度下隔聲效果,。結(jié)果(圖3)表明該結(jié)構(gòu)對(duì)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(shè)計(jì)的潛在應(yīng)用提供有力保障,。
該項(xiàng)工作依托同濟(jì)大學(xué)“建筑-聲學(xué)一流學(xué)科共建平臺(tái)”，研究得到了國(guó)家自然科學(xué)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(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì),。
熱線電話
掃一掃關(guān)注我們