文章來源：維也納聲學(xué) 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(fēng)和降噪。例如，當(dāng)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(fēng)設(shè)計不可避免地伴隨著外界噪聲的侵擾。近日，同濟大學(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應(yīng)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(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)表在國際物理學(xué)期刊Physical Review Applied第13卷上 [Phys. Rev. Applied 13, 044028 (2019)]。同濟大學(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)今城市日益嚴重的環(huán)境噪聲污染下，綠色建筑的自然通風(fēng)設(shè)計不可避免地伴隨著外界噪聲的侵擾。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)計帶來了新的思路。基于局域共振單元（如Helmholtz共鳴器、薄膜以及1/4波長管）設(shè)計的超構(gòu)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(shè)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(gòu)設(shè)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?？紤]到城市環(huán)境噪聲通常為寬頻帶，設(shè)計一種寬帶且具有良好通風(fēng)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(fēng)隔聲窗示意圖; (b) 現(xiàn)有超構(gòu)設(shè)計通風(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)出一個截面積連續(xù)變化的號筒狀螺旋通道。理論和實驗結(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)，而進一步構(gòu)建的類鏤空雕花薄板狀結(jié)構(gòu)，有望實現(xiàn)兼具高效通風(fēng)和寬帶隔聲的通風(fēng)隔聲窗設(shè)計[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)：做同相位運動的單極子響應(yīng)模態(tài)與反相位運動的偶極子響應(yīng)模態(tài)。當(dāng)通風(fēng)隔聲單元出現(xiàn)等強度單偶極子響應(yīng)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(fēng)隔聲單元，盡管在設(shè)計中往往預(yù)留很大比例的開孔保證空氣流通效果，卻表現(xiàn)為一個聲學(xué)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(jié)構(gòu)參數(shù)，在一定頻段內(nèi)實現(xiàn)多個單偶極子響應(yīng)的交點，以保證在該頻段范圍內(nèi)單偶極子模態(tài)響應(yīng)一直處于強度相近的狀態(tài)，從而實現(xiàn)了寬帶的隔聲設(shè)計。
實際應(yīng)用中的噪聲環(huán)境往往十分復(fù)雜，入射聲來自各個方向，因而研究人員進一步考慮了通風(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)計的潛在應(yīng)用提供有力保障。
該項工作依托同濟大學(xué)“建筑-聲學(xué)一流學(xué)科共建平臺”，研究得到了國家自然科學(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。
文章來源中國聲學(xué)學(xué)會。
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