采用主被動控制技術的自然通風隔聲窗研究

劉　丹，陳自勇，脫曉冰

采用主被動控制技術的自然通風隔聲窗研究

劉丹，陳自勇，脫曉冰

（武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063）

現有自然通風隔聲窗無法有效解決中低頻噪聲問題，將有源控制技術應用于自然通風隔聲窗上，結合聚氨酯吸聲棉、微穿孔板，驗證了主被動控制系統分別在100 Hz～400 Hz，400 Hz以上范圍內可以有效降噪，且整窗隔聲性能等同于普通窗全關狀態，并在出風口降噪量可以達到32.6 dB（A）。

聲學；主動控制；被動控制；自然通風；隔聲窗

城市交通發展帶來便捷的同時也引發了大量環境問題，大量研究表明城市環境噪聲平均水平在72 dB（A）左右，且有70%來自于交通噪聲［1-2］。我國室內環境監測委員會主任宋廣生指出，室內90%的噪聲是從窗戶傳進來的，為降低進入室內的噪聲，目前常用方法是在道路兩側設置聲屏障，但一般只能降低5 dB～10 dB［3］，且對高層建筑、中低頻噪聲幾乎沒有作用［4］。近年來既能實現自然通風，又能有效降低進入室內噪聲的自然通風隔聲窗越來越受到研究者的關注。對于交錯的管道結構國內外早有很多研究，并證明這種交錯結構在保證通風的同時也能很好地起到降噪作用。Kang等設計的通風隔聲窗由兩扇內外交錯的窗戶構成，并在通風路徑鋪設微穿孔板進行吸聲，在0.5 kHz～8 kHz頻段內，窗戶進出風口降噪量可達30 dB，但其對低頻效果有限［5］。

本文在原有交錯結構的基礎上增加聚氨酯吸聲棉與微穿孔板，并將有源控制系統應用于通風道內，實現了較好的全頻帶降噪并能滿足自然通風。有源控制系統具有體積小、低頻降噪效果好、對被控系統物理特性影響小、能適應未知擾動的特點［6］，可以很好地彌補被動降噪在低頻效果差的不足。

1　窗戶設計

本文所研究的自然通風隔聲窗如圖1所示，該窗由上部自然通風消聲通道與下部普通平開窗構成，窗戶整體框架選用斷橋鋁合金材質，并安裝5+ 9+5雙層鋼化玻璃起到較好的隔聲效果。依據《室內空氣質量標準》，室內新風量為30 m3/h?p［7］，窗戶整體尺寸設計為1 500 mm×150 mm×1 200 mm，上部自然通風消聲通道為1 500 mm×150 mm×200mm。自然通風消聲通道進風口處采用上懸窗，尺寸為200 mm×200 mm；室內采用一體式下懸窗，尺寸為1 500 mm×200 mm，便于日常維護，其余時間處于關閉狀態；出風口位于消聲通道內右下方，并在出風口處安裝復合濾網（活性炭層和靜電駐極濾層）實現空氣凈化功能；自然通風消聲通道內上下左右均貼有聚氨酯吸聲棉，并在通道內布放穿孔率為2%，背腔厚度為60 mm的微穿孔板。下部采用平開窗，整窗密封性較好，所有窗戶關閉狀態下總隔聲量可以達到35.6 dB（A）。

圖1　自然通風隔聲窗

2　窗戶性能實驗

2.1實驗方案設計

本實驗在混響室中進行并依據《環境噪聲監測技術規范結構傳播固定設備室內噪聲》HJ707-2014進行監測點布置。實驗時選用前饋自適應單通道有源控制系統，參考傳聲器選用單指向性傳聲器，觀測點1、2、3、誤差傳聲器選用全指向性傳聲器，B&K Pulse 3510 A和3520 B各一臺。各器件具體布放位置俯視圖如圖2所示。觀測點1、2分別用于進出風口噪聲信號采集，觀測點3用于室內距離窗戶兩米處噪聲信號采集。

實驗時，利用B&K Pulse 3520 B在聲源室發出0～1.6 kHz頻寬的白噪聲，分別記錄觀測點1、2、3處噪聲信號用于實驗分析。

2.2實驗數據分析

表1為窗戶不同開啟情況下的整窗隔聲量，分別為關外窗、關內窗（實驗時關內窗是將出風口密封）、全關窗、全開窗（有源開）、全開窗（有源關），單位dB（A）。觀測點2、3（出風口、2 m）處降噪量指其噪聲與觀測點1（進風口）處噪聲聲壓級的差值。

由表1可知有源開關前后觀測點2處降噪量，有源開比有源關降低了4.6 dB（A），圖3有源開關前后進出風口頻譜圖，可以看到有源與被動結合時起作用的范圍在100 Hz～400 Hz之間。

圖3　有源開關前后進出風口頻譜

由表1有源打開時觀測點2處降噪量與全關窗、關外窗、關內窗比較可以看到，關外窗與全關窗效果相近，有源打開時與關內窗效果相近，且有源打開優于關內窗，圖4給出了有源打開時、關內窗、關外窗、全關窗四種情況下的進出風口頻譜圖，可以看到有源打開時在100 Hz～400 Hz范圍內可以達到全關窗的效果，在400 Hz以后，效果不及全關窗。

表1　不同窗戶開啟情況下的隔聲量/dB（A）

圖4　有源打開時、關內窗、關外窗、全關窗進出風口頻譜圖

圖5給出了被動材料安裝前后對比圖，可以看到被動材料作用范圍主要為400 Hz以后，這也說明整窗在400 Hz以后未達到全關窗的效果原因在于被動材料效果較差，如果可以提高被動材料降噪效果，有望使整窗隔聲性能達到全關窗效果。

圖5　被動材料安裝前后進出風口頻譜圖

有源打開時觀測點3處降噪量與全關窗、關外窗、關內窗比較，可以看到全關窗與關外窗效果相近，關內窗與有源打開時效果相近，效果與觀測點2處相同，且3處全關窗時整窗室內降噪量可以達到41.3 dB，說明整窗隔聲性能、上方通道降噪性能良好。

3　結語

該窗設計從實際需求出發，將有源控制技術應用于通風隔聲窗上，用于解決噪聲擾民問題。通過實驗，將有源控制系統開關前后噪聲信號進行對比，分析得出有源控制系統對低頻作用范圍在100 Hz～ 400 Hz之間；將有源控制系統工作時的出風口噪聲信號與不同窗戶開啟情況下的進行對比，分析得出有源控制系統在100 Hz～400 Hz之間可以達到普通窗全關狀態；窗戶整體降噪效果在全頻段內與未能達到全關窗效果原因在于被動材料效果較差，因此，若能夠提高聚氨酯吸聲棉和微穿孔板在400 Hz以后的降噪效果，有望使該設計整體效果達到全關窗效果。

［1］郭金姝，韓惠敏.室內噪聲污染及其控制［J］.科技創新導報，2011（10）：238.

［2］陳永光，袁啟慧，蔡偉明，等.聲屏障聲學設計與計算機仿真應用［J］.噪聲與振動控制，2013，33（4）：182-184+ 211.

［3］焦大化.防治鐵路噪聲的聲屏障［J］.鐵道知識，2005（6）：38-39.

［4］吳洪洋.道路聲屏障降噪理論的研究進展［J］.噪聲與振動控制，2006，26（3）：85-88+95.

［5］KANG J，BROCKLESBY M W.Feasibility of applying micro-perforated absorbers in acoustic window systems［J］. AppliedAcoustics，2005（6）：669-689.

［6］劉小玲，王旭，郭瑩，等.國外振動噪聲有源控制技術發展現狀［J］.艦船科學技術，2011（4）：151-155.

［7］中華人民共和國住建部.GB/T 18883-2002室內空氣質量標準［S］.

Natural Ventilation and Sound Insulation Windows Based on Active and Passive Control

LIUDan1，CHEN Zi-yong1，TUO Xiao-bing1
（School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）

The existing natural ventilation and sound insulation windows are unlikely to solve the problem of lowfrequency noise effectively.In this paper，the active control technology is applied to the natural ventilation and the sound insulation windows.The polyurethane sound-absorbing cotton and micro-perforation panel are used.It is proved that the active control technology can effectively reduce the noise in 100 Hz-400 Hz frequency range，the passive control works well in the frequency range above 400 Hz，the sound insulation performance of the sound insulation window is nearly the same as that of closed window，and the noise at the outlet is reduced by 32.6 dB（A）.

acoustics；active noise control；passive noise control；natural ventilation；sound insulation window

TU112.59+2

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.046

1006-1355（2016）03-0222-03

2015-12-29

武漢理工大學國家級大學生創新創業訓練計劃資助（20151049705004）

劉丹（1994-），女，山西太原市人，本科生，主要研究方向為噪聲與振動控制。E-mail：danliu@whut.edu.cn