采用主被动控制技术的自然通风隔声窗研究

刘　丹，陈自勇，脱晓冰

采用主被动控制技术的自然通风隔声窗研究

刘丹，陈自勇，脱晓冰

（武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063）

现有自然通风隔声窗无法有效解决中低频噪声问题，将有源控制技术应用于自然通风隔声窗上，结合聚氨酯吸声棉、微穿孔板，验证了主被动控制系统分别在100 Hz～400 Hz，400 Hz以上范围内可以有效降噪，且整窗隔声性能等同于普通窗全关状态，并在出风口降噪量可以达到32.6 dB（A）。

声学；主动控制；被动控制；自然通风；隔声窗

城市交通发展带来便捷的同时也引发了大量环境问题，大量研究表明城市环境噪声平均水平在72 dB（A）左右，且有70%来自于交通噪声［1-2］。我国室内环境监测委员会主任宋广生指出，室内90%的噪声是从窗户传进来的，为降低进入室内的噪声，目前常用方法是在道路两侧设置声屏障，但一般只能降低5 dB～10 dB［3］，且对高层建筑、中低频噪声几乎没有作用［4］。近年来既能实现自然通风，又能有效降低进入室内噪声的自然通风隔声窗越来越受到研究者的关注。对于交错的管道结构国内外早有很多研究，并证明这种交错结构在保证通风的同时也能很好地起到降噪作用。Kang等设计的通风隔声窗由两扇内外交错的窗户构成，并在通风路径铺设微穿孔板进行吸声，在0.5 kHz～8 kHz频段内，窗户进出风口降噪量可达30 dB，但其对低频效果有限［5］。

本文在原有交错结构的基础上增加聚氨酯吸声棉与微穿孔板，并将有源控制系统应用于通风道内，实现了较好的全频带降噪并能满足自然通风。有源控制系统具有体积小、低频降噪效果好、对被控系统物理特性影响小、能适应未知扰动的特点［6］，可以很好地弥补被动降噪在低频效果差的不足。

1　窗户设计

本文所研究的自然通风隔声窗如图1所示，该窗由上部自然通风消声通道与下部普通平开窗构成，窗户整体框架选用断桥铝合金材质，并安装5+ 9+5双层钢化玻璃起到较好的隔声效果。依据《室内空气质量标准》，室内新风量为30 m3/h∙p［7］，窗户整体尺寸设计为1 500 mm×150 mm×1 200 mm，上部自然通风消声通道为1 500 mm×150 mm×200mm。自然通风消声通道进风口处采用上悬窗，尺寸为200 mm×200 mm；室内采用一体式下悬窗，尺寸为1 500 mm×200 mm，便于日常维护，其余时间处于关闭状态；出风口位于消声通道内右下方，并在出风口处安装复合滤网（活性炭层和静电驻极滤层）实现空气净化功能；自然通风消声通道内上下左右均贴有聚氨酯吸声棉，并在通道内布放穿孔率为2%，背腔厚度为60 mm的微穿孔板。下部采用平开窗，整窗密封性较好，所有窗户关闭状态下总隔声量可以达到35.6 dB（A）。

图1　自然通风隔声窗

2　窗户性能实验

2.1实验方案设计

本实验在混响室中进行并依据《环境噪声监测技术规范结构传播固定设备室内噪声》HJ707-2014进行监测点布置。实验时选用前馈自适应单通道有源控制系统，参考传声器选用单指向性传声器，观测点1、2、3、误差传声器选用全指向性传声器，B&K Pulse 3510 A和3520 B各一台。各器件具体布放位置俯视图如图2所示。观测点1、2分别用于进出风口噪声信号采集，观测点3用于室内距离窗户两米处噪声信号采集。

实验时，利用B&K Pulse 3520 B在声源室发出0～1.6 kHz频宽的白噪声，分别记录观测点1、2、3处噪声信号用于实验分析。

2.2实验数据分析

表1为窗户不同开启情况下的整窗隔声量，分别为关外窗、关内窗（实验时关内窗是将出风口密封）、全关窗、全开窗（有源开）、全开窗（有源关），单位dB（A）。观测点2、3（出风口、2 m）处降噪量指其噪声与观测点1（进风口）处噪声声压级的差值。

由表1可知有源开关前后观测点2处降噪量，有源开比有源关降低了4.6 dB（A），图3有源开关前后进出风口频谱图，可以看到有源与被动结合时起作用的范围在100 Hz～400 Hz之间。

图3　有源开关前后进出风口频谱

由表1有源打开时观测点2处降噪量与全关窗、关外窗、关内窗比较可以看到，关外窗与全关窗效果相近，有源打开时与关内窗效果相近，且有源打开优于关内窗，图4给出了有源打开时、关内窗、关外窗、全关窗四种情况下的进出风口频谱图，可以看到有源打开时在100 Hz～400 Hz范围内可以达到全关窗的效果，在400 Hz以后，效果不及全关窗。

表1　不同窗户开启情况下的隔声量/dB（A）

图4　有源打开时、关内窗、关外窗、全关窗进出风口频谱图

图5给出了被动材料安装前后对比图，可以看到被动材料作用范围主要为400 Hz以后，这也说明整窗在400 Hz以后未达到全关窗的效果原因在于被动材料效果较差，如果可以提高被动材料降噪效果，有望使整窗隔声性能达到全关窗效果。

图5　被动材料安装前后进出风口频谱图

有源打开时观测点3处降噪量与全关窗、关外窗、关内窗比较，可以看到全关窗与关外窗效果相近，关内窗与有源打开时效果相近，效果与观测点2处相同，且3处全关窗时整窗室内降噪量可以达到41.3 dB，说明整窗隔声性能、上方通道降噪性能良好。

3　结语

该窗设计从实际需求出发，将有源控制技术应用于通风隔声窗上，用于解决噪声扰民问题。通过实验，将有源控制系统开关前后噪声信号进行对比，分析得出有源控制系统对低频作用范围在100 Hz～ 400 Hz之间；将有源控制系统工作时的出风口噪声信号与不同窗户开启情况下的进行对比，分析得出有源控制系统在100 Hz～400 Hz之间可以达到普通窗全关状态；窗户整体降噪效果在全频段内与未能达到全关窗效果原因在于被动材料效果较差，因此，若能够提高聚氨酯吸声棉和微穿孔板在400 Hz以后的降噪效果，有望使该设计整体效果达到全关窗效果。

［1］郭金姝，韩惠敏.室内噪声污染及其控制［J］.科技创新导报，2011（10）：238.

［2］陈永光，袁启慧，蔡伟明，等.声屏障声学设计与计算机仿真应用［J］.噪声与振动控制，2013，33（4）：182-184+ 211.

［3］焦大化.防治铁路噪声的声屏障［J］.铁道知识，2005（6）：38-39.

［4］吴洪洋.道路声屏障降噪理论的研究进展［J］.噪声与振动控制，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］刘小玲，王旭，郭莹，等.国外振动噪声有源控制技术发展现状［J］.舰船科学技术，2011（4）：151-155.

［7］中华人民共和国住建部.GB/T 18883-2002室内空气质量标准［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编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.046

1006-1355（2016）03-0222-03

2015-12-29

武汉理工大学国家级大学生创新创业训练计划资助（20151049705004）

刘丹（1994-），女，山西太原市人，本科生，主要研究方向为噪声与振动控制。E-mail：danliu@whut.edu.cn