用于建筑通风管道噪声控制的亥姆霍兹共鸣器及其周期性阵列的声学特性与优化设计研究

Noise control in a ventilation ductwork system is of significance to maintain good indoor environmental quality of the modern ‘Healthy Building’. However, the adopting of the weighted sound pressure level method in current noise assessment leads to an underestimate of low-frequency effects. Besides, there are relatively little technology and research about the low-frequency noise control of a ventilation ductwork system. Since the Helmholtz resonator (HR hereafter) and its periodic array have obvious advantages in low-frequency broadband noise control, it will be a possible way for noise control of a ventilation ductwork system. Theoretical analysis, numerical simulation and experiment will be conducted in this research. This research aims at formulating a new index based on the transmission loss to evaluate HR’s acoustic performance, and investigating feasible optimization design method for the HR with a spiral neck or an extended neck in limited space through the distributed parameter model. The theoretical prediction of the acoustic performance of a ventilation ductwork loaded with a periodic HR array will be established in this research by further understanding the effects of the geometries of the periodic ducted HR system on its noise attenuation band, as are as optimization design principles. The achievements of this research will contribute to the improvement of indoor acoustic comfort, and support the development of evaluation standards related to low-frequency noise in building engineering and other aspects.

建筑通风管道噪声控制对维持现代“健康建筑”室内环境品质具有重要的现实意义。然而，现行的频率计权的环境噪声评估方式往往忽视了“低频噪声”，建筑通风管道低频噪声控制的相关技术和研究也比较缺乏。本项目引入在低频宽带噪声控制中具有明显优势的亥姆霍兹共鸣器及其周期性阵列作为建筑通风管道的降噪技术手段，采取理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法：①提出基于传递损失的亥姆霍兹共鸣器声学性能评价的新指标；②构建螺旋颈部和延伸颈部亥姆霍兹共鸣器分布参数模型，形成受限空间条件下亥姆霍兹共鸣器构造设计方法；③阐明周期性共鸣器管道系统的物理参数对噪声衰减频带特征的作用机理,建立多参数影响下的噪声衰减频带预测模型以及优化设计原则。研究成果不仅对建筑室内声环境的改善有着重要的实践指导意义，同时为建筑及其他领域中低频噪声相关环境标准的制定及评估提供基础和依据。

随着我国建筑行业的高速发展，国家和民众的环保意识显著提高，人们对绿色建筑的要求不断拓展及细化，使用者的身心健康、舒适程度及 其生活、工作的高效性成为当下绿色建筑领域的研究热点，“健康建筑”的概念应运而生，而相关的评价标准研究、建设工程实践以及绿色产业支撑也随之兴起。建筑物中的振动和噪声问题，不仅会会影响人们居住的舒适性，甚至会影响到人们的心理和生理健康。因此，采取有效措施降低环境振动与噪声带来的危害，具有重要的实际意义与理论研究价值。随着近年来声子晶体这一具有弹性波带隙特性的周期性结构的理论发展，当弹性波在声子晶体中传播时，受到内部周期性结构的作用，只能允许某些频率范围内的弹性波传播，抑制弹性波传播的频率范围。本研究在人工周期结构理论的基础上，将工程结构设计为特殊的人工周期性结构，使其具有带隙特性，利用带隙特性抑制结构中的波传播，进而达到减振降噪的目的。首先，基于声子晶体和赫姆霍兹共鸣器理论提出一种新型风声屏障，然后通过边界元及数值方法验证其降噪效果，最后通过风洞试验对安装风声屏障时的车-桥系统气动特性展开研究，探明风声屏障对车桥气动特性的影响机理。结果表明：新型风声屏障具有较好的降噪效果，同时由于具有空气流通通道，使其更有利于桥梁结构及屏障自身结构安全。其次：利用周期性理论，根据地面振动的主频以及当地的地层参数，设计了一种周期性复合波屏障，来减轻地面的振动。所提出的周期性复合波屏障能够有效地改善单一材料波屏障的隔振效果，在一定的尺寸及频率范围下，隔振效果好于周期性单波屏障，能有效控制振动波的传播。本项目共发表SCI期刊论文4篇，中文期刊3篇，培养硕士毕业生1人，实现了项目的原定计划。

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