專利名稱：一種分立式有源降噪通風隔聲窗的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種采用分立式有源噪聲控制技術的降噪通風隔聲窗的設計方法，尤 其涉及降噪通風隔聲窗的分立式有源控制技術。
背景技術：
隨著城市化建設進程的進一步推進，城市噪聲污染日益嚴重，嚴重影響到人們身 心健康。在人們工作、生活和活動場所中，如何有效的避免噪聲污染，是一項極其有意義的 工作，然而，現有的方式都是采用關窗等方式來避免噪聲的進一步傳播，無法得到建筑的自 然通風，同時關閉窗戶會進一步增加對空調調溫和通風功能的依賴，不利于節能環保。因 此，一種具有良好降噪性能又能自然通風的隔聲窗，對于倡導綠色節能，構建綠色和諧的人 居環境，避免噪聲對人們身心健康造成傷害等具有重大意義。對于自然通風隔聲窗，國內外相關研究已取得一定進展。首先引入的是被動降噪 技術。學者[Asdrubali F. and Contana F.，Influence of filtering system on high sound insulation ventilating windows, Proceedings of Inter-noise 2000， Nice， France.]采取的辦法是將窗戶封閉，使用裝有風機的吸聲通風單元以及相應的過濾系 統來滿足室內通風需求。通風單元中鋪設了多孔吸聲材料，以降低由風機工作帶來的氣 流噪聲等。這種通風窗的聲衰減指數達30dB，但是由于吸聲材料不是透明的，對室內的 采光有較大影響，并且所用吸聲材料為纖維絲狀，容易擴散至室內空氣中，引發呼吸道疾 病。學者[Field C. D. and Fricke F. R. , Theory and applications of quarter-wave resonators :aprelude to their use for attenuating noise entering buildings through openings,Applied Acoustics,53,pp. 117-132，1998]利用 1/4波長共振器來降低 通過通風口傳播進入室內的噪聲，在某些頻帶，獲得了大約6-7dB的額外降噪量，然而該只 對很窄頻段的噪聲有效，而實際噪聲一般是寬帶的，該方式也是無能為力。學者[Nishimura Y. , Nishimura S., Nishimura Τ., and Yano Τ. , Sound propagation insoundproofing casement windows, Applied Acoustics, 70, pp. 1160—1167，2009]等提出了一種窗扉式窗 戶的理論模型，該窗戶具有通風單元與采光單元，同時能降低噪聲的直達聲。他們從理論上 研究了聲波入射口和輸出口的最優位置，以及入射口和整個窗扉的面積比對抑制窗扉單元 內高次波傳播的作用。然而，目前該研究僅限于理論計算，缺乏實驗驗證。學者[Kang J. and BrocklesbyM. W.，Feasibility of applying micro-perforated absorbers in acoustic window systems, Applied Acoustics，66，pp. 669-689，2005]等將兩扇窗戶開 口錯置，達到 阻斷直達聲，同時又能滿足自然通風的需求，并在窗戶內部鋪上透明的微穿孔材料，在中高 頻段取得了 IOdB左右的降噪量，由于微穿孔吸聲材料對低頻聲波吸收能力很差，因此該隔 聲窗對低頻噪聲幾乎沒有效果。然而，這些研究大部分使用被動降噪的方式，以在窗戶的通風路徑上阻隔噪聲。這 種方式會帶來一些問題，如降噪使用的材料對窗戶的透光有影響，部分材料對空氣質量有 不良影響。此外，被動降噪對中高頻噪聲有較好的作用，對低頻噪聲效果有限，影響了窗戶的整體隔聲性能。有源噪聲控制是一種能夠有效控制低頻噪音的技術，在有源降噪耳罩、有 源隔聲屏障、管道的有源噪聲控制、汽車與機艙的有源噪聲控制等領域有著大量的研究與 應用。發明專利CN101220726、CN148234U CN1702286 和 CN171023 等公開的專利中均描 述了通風隔聲窗的設計方法，都是在通風的同時使用被動降噪的方法來衰減噪聲的傳入， 對隨氣流傳入的噪聲尤其是較低頻段噪聲的衰減能力有限。CN101881119A公開了一種在自 然通風的同時能有效衰減噪聲尤其是低頻寬帶噪聲傳入的有源降噪推拉窗結構，并在實際 隔聲室實現該系統，該通風窗采用耦合的有源控制系統，系統結構相對復雜，對控制系統硬 件結構要求嚴格，同時在進一步擴展上存在一定的局限性；CN101852056A公開了一種有源 通風隔聲窗概念，僅給出一些有源噪聲控制的基本原則，沒有給出具體的技術實現途徑。本發明涉及一種采用分立式有源噪聲控制技術的降噪通風隔聲窗的設計，分立式 管道設計使得系統設計靈活，擴展方便，同時控制系統結構簡單。
發明內容
本發明的目的，是提供一種分立式有源降噪通風隔聲窗設計方法，該設計方法采 用中間固定窗，兩端活動窗的結構，并將窗戶結構分割成多條獨立隔聲窗管道，并對分立隔 聲窗管道分別加入有源隔聲系統，以確保在兩端活動窗開啟時，確保窗外噪聲尤其是低頻 噪聲傳入室內。窗戶整體結構如圖1所示，整個窗戶由完全一致的內外兩層窗戶組成，單層窗戶 由平開窗4、中間固定窗組成，其中內外層的中間固定窗夾層分割成分立的獨立管道，如圖 Ia所示根據窗戶高度分割成獨立管道5，其他結構單元由參考信號條件模塊、誤差信號條 件模塊、控制信號單元模塊及自適應有源控制系統組成。結構單元模塊是通用模塊，目前 市場上可以方便得到，如參考信號條件模塊可采用市場上通用傳聲器單元及其前置放大模 塊，控制信號單元模塊可采用市場上通用小型揚聲器及其功率放大模塊等。本發明的參考傳聲器條件模塊3是一組單指向性傳聲器，固定于各個獨立管道口 內窗一側，指向性正方向斜指向外窗開窗處，用于拾取室外的外部噪聲情況；控制信號單元 模塊2為一組音箱，通過自適應有源控制器系統實時產生能與進入該窗戶分立管道的外部 噪聲干涉抵消的控制聲場；誤差信號條件單元1是一組全指向性傳聲器，用于實時監測各 個獨立管道中的噪聲控制情況并將其信息饋給自適應有源控制系統，以實現各個獨立管道 的噪聲的自適應控制，其位置均放置于各個獨立管道的室內通風口一側的側壁面；自適應 有源控制系統6是一套前饋式自適應有源控制電路，用于接收參考傳聲器的拾取信號(待 控制信號)和誤差傳聲器的誤差信號(控制偏差信號)，使用多通道獨立的自適應最小均方 算法，實時提供能在各個誤差傳聲器處干涉抵消傳入噪聲的聲信號給控制源，整個控制系 統安裝在窗下部的設備包絡盒中。本發明通過以下技術方案來實現的A)確定有源降噪通風隔聲窗的控制頻率fmax通過測量確認入室噪聲的頻率范圍，并確定合適的待控制入室噪聲頻帶和最大頻 率fmax°B)控制源單元選擇
控制源單元的直徑在滿足以下條件下盡可能小放音頻率范圍覆蓋有源管道噪聲 控制頻段，且保持該頻段內的頻響盡可能平坦，自由共振頻率&應低于有源管道噪聲控制 的最低頻率；有源管道噪聲控制頻段的非線性失真小于5%。C)確定內外窗間距W通過實際建筑物需求，確定雙層窗之間的間距W，使得其滿足W彡cA2fmax)，其中c 是空氣中的聲波聲速，一般取344m/s。并根據實際控制源的大小盡可能縮小內外窗的間距 W,同時能保證控制器單元放置其中。D)有源管道分割數m選擇根據窗戶高度Hw和有源降噪通風隔聲窗的控制頻率fmax確定有源降噪通風隔聲窗 的獨立管道分割數m，使得分立管道高度H滿足條件H彡c/ (2ffflax)，其中H = Hw/m。Ε)參考信號條件單元選擇參考傳聲器3應單指向性盡可能明顯，發明實例中選擇的參考傳聲器3指向性正 反比(正向和背向1米測點處聲壓級)大于12dB。F)確定控制源2的位置控制源2放置于內外窗中間夾層各個獨立管道中，其保持與參考信號條件單元至 少距離40cm并保持揚聲器正方向與氣流方向一致。H)平開窗4結構優先選擇鋁鈦合金窗框且氣密性優良的平開窗，每層窗戶玻璃選用浮法中空 玻璃(5+9A+5)，即雙層玻璃厚度分別為5cm，而中空空氣層為9cm;完全密閉時隔聲性能 Rw ^ ^dB。本發明的有益效果是通過設計一種兩端平開、中間固定的雙層平開窗，并將雙層 窗中間夾層進行獨立管道分割，各個分立管道分別采用獨立的有源管道噪聲控制系統，實 現了窗戶的自然通風且降低了室外噪聲尤其是低頻噪聲的傳入，改善了人居環境。
四
圖1是本發明的窗戶結構示意圖，其中圖Ia是室內的內層窗戶平視圖；圖Ib是窗 戶結構的俯視圖，其中以一層獨立管道為例；圖Ic是窗戶的側視圖，其中包含了系統控制單元。圖2是本發明在陽光房具體實施時的有源降噪通風隔聲窗照片。圖3是本發明的測試結果，為帶寬200Hz至800Hz窄帶噪聲控制實驗等效噪聲級 分布圖，其中曲線1是未開啟有源降噪系統時，室內一側的誤差傳聲器采集的等效噪聲級 分布圖，曲線2是開啟有源降噪系統后的等效噪聲級分布圖。
五具體實施例方式下面通過實例對本發明進行詳細說明。如圖3所示，本實施例中在玻璃陽光房中實際安裝雙層平開窗，并根據實際噪聲 特點，將中間固定窗夾層分割成兩個獨立管道，通過開啟室內左側平開窗、關閉右側平開窗 和關閉室外左側平開窗和開啟右側平開窗的方式實現自然通風，并開啟有源降噪系統，以 評價使用分立式有源管道噪聲控制系統來增加對窗戶的噪聲衰減量的可行性與效果。
整個有源隔聲窗尺寸為寬X高=1. 1mXO. 6m，兩層窗間距W為0. lm，內外窗兩側 的平開窗為寬度為0. 25m的180°平開窗。整個窗戶玻璃均采用雙層中空玻璃，外包不銹鋼， 內襯木質隔音。采用雙通道獨立的ANC系統，控制聲源分別放置于各個獨立管道靠近室內通風口 一側，并保持與參考傳聲器距離在0. 4m ；該控制源音箱的自由共振頻率f0約等于150Hz， 200 800Hz的非線性失真小于5% ；實施例中選擇的參考傳聲器3指向性正反比(正向和背向1米測點處聲壓級)大 于12dB ；選擇的誤差傳聲器1為全向傳聲器，正反比小于ldB。本實施例在開放陽光房內置窗戶中測試，并采用室外放置音箱模擬室外噪聲，通 過測試得到ANC系統控制前后，窗戶的室內側通風口(誤差傳聲器位置)帶寬200Hz至 800Hz窄帶噪聲控制實驗等效噪聲級分布圖，如圖4。可見，采用分割式有源降噪通風隔 聲窗系統的雙層平開窗可以在自然通風的同時在200 800Hz得到A計權噪聲衰減量為 12dBA的衰減量總值，能有效衰減寬帶低頻噪聲的傳入。以上發明僅為本發明的較佳實施例，并不以限制本發明，凡在本發明的權利和原 則中作的任何修改、等同替代和改進等，均包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種多通道分立式的有源降噪通風隔聲窗內外兩層窗，內外窗均有兩個1800平開 窗、中間固定窗，雙層窗夾層的固定窗結構可任意分割為多個單通道管道有源噪聲控制系 統，有源噪聲控制系統電子設備的設備盒放置于隔聲窗底部。
2.如權利要求1所述的有源降噪通風隔聲窗，其特征在于固定窗夾層任意分割的分 立式通風管道系統，有源噪聲控制系統由控制器、參考傳聲器、控制源和誤差傳聲器組成。
3.如權利要求1所述的有源降噪通風隔聲窗，其特征在于固定窗夾層為分立式通風 管道系統。
4.如權利要求2所述的有源降噪通風隔聲窗，其特征在于控制器為獨立的多個單通 道前饋自適應控制電路。
5.如權利要求2所述的有源降噪通風隔聲窗，其特征在于每個控制源為一個低頻響 應優良、尺寸適中的揚聲器音箱并布放在隔聲窗中固定窗分割管道的托架中。
6.如權利要求2所述的有源降噪通風隔聲窗，其特征在于每個參考傳聲器為一個單 指向性傳聲器并指向隔聲窗管道中的室外進風口方向。
7.如權利要求2所述的有源降噪通風隔聲窗，其特征在于每個誤差傳聲器為一個全 指向性傳聲器并布放在內側窗窗梃內或內側窗扇靠近窗梃側的豎直窗框內。
8.如權利要求1和2所述的通風有源降噪通風隔聲窗，其特征在于預設三種工作狀 態窗戶完全密閉的密閉隔聲狀態(有源噪聲控制系統不工作)；外側窗的參考傳聲器側平 開窗開啟，內側窗的誤差傳聲器側平開窗開啟的有源降噪通風隔聲窗(有源噪聲控制系統 工作)；其他開窗方式下的自由通風狀態(有源噪聲控制系統不工作)。
全文摘要
本發明公開了一種分立式有源降噪通風隔聲窗結構，窗體分成內外兩層，每層窗戶由兩扇平開窗和中間固定窗組成，固定窗部分可根據降噪要求分割成多個分立的有源噪聲控制管道；控制系統包括控制器、參考傳聲器、控制源和誤差傳聲器；控制源安裝在各個分立式管道中間夾層中靠近室內通風口處，參考傳聲器安裝在內窗靠近室外進風口的分立管道口，誤差傳聲器放置在靠近室內通風口的窗框上。本發明能在自然通風的同時在200～800Hz得到12dBA的新增噪聲衰減量，有效衰減寬帶低頻噪聲的傳入。同時可以根據居家要求控制頻率上限提升分立管道數目，進一步提升自然通風條件下的有效控制頻帶。并能提供多種工作狀態，滿足居家生活的多種需求。
文檔編號E06B5/20GK102146766SQ20111003962
公開日2011年8月10日 申請日期2011年2月17日 優先權日2011年2月17日
發明者盧晶, 吳海全, 吳訓, 師瑞文, 彭久高, 曾榮源, 李寧榮, 林志斌, 耿錫年, 董家富, 邱小軍, 鄒海山, 陳家興, 陳鍇, 陶建成 申請人:南京大學, 深圳市冠旭電子有限公司