一种可折叠消音通风窗结构

1.本发明涉及消音通风窗技术领域，尤其是涉及一种可折叠消音通风窗结构。


背景技术：

2.伴随着城市化的进程，各类噪声污染日趋严重，隔声窗作为一种便利且性能良好的隔音措施，越来越受到关注。消音和降噪是传统窗户中两个无法同时达到的功能，打开窗户可以进行通风，但同时噪音也会毫无阻碍的进入房间。机械式通风隔声窗多数是在封闭的窗户上安装通风管道，利用风扇等机械手段来通风换气，使用具有机械通风功能的隔音窗能够带来足够的降噪量和通风量，但是，它可能会引入新的噪声源并且还需要消耗一定的能量。
3.目前现有的消音通风窗主要采用交错窗结构。交错窗是由隔开一定距离的双层或者多层玻璃组成，玻璃的内层或者外层分别具有错开的、向内向外的开口，他们的位置是错开的，这样的设计是的声音通过“z”型的通道进入房间。为了提高交错窗的消声效果，双层玻璃间的通道可以加入吸音材料(如泡沫盒微孔板)，或者隔音屏障。也有学者将主动降噪功能与交错窗相结合，取得了一定的效果，但这些材料和设施占用了交错窗已经很狭窄的风道，而且主动降噪系统的耐用性和稳定性也无法保障。
4.有学者通过嵌入“长方体”或者“平行六面体”的谐振腔组成设计隔音窗，也有研究基于声衍射理论和声学超材料理论开发出隔音窗，通过在玻璃中嵌入三维谐振器也可以实现通风隔音的效果。此外，一些多孔材料和声学超材料也可以同时实现通风和静音，但是这些都需要较小的通风通道，从而限制了空气交换效率。
5.但是，上述现有的设计方案很难对变频噪声进行消音，也无法灵活的调整通风性能，因此，需要一种新颖的窗户设计来实现有效的通风和具有较长带宽的频率噪音的可调节降噪。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可折叠消音通风窗结构。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种可折叠消音通风窗结构，包括多个基础单元，所述基础单元为直四棱柱结构，包括两个正方形底板和四个矩形侧板；
9.所述基础单元分为第一单元和第二单元，多个基础单元行列式排布，且底板位于同一平面内，第一单元和第二单元相互交错；
10.相邻的两个基础单元之间转动连接，田字形排布的四个基础单元的侧板围成供声音和空气通过的通道，随基础单元的转动，所述通道的截面形状在闭合-菱形-正方形之间变化。
11.进一步地，所述基础单元内设有2个隔断板，所述隔断板设置在两个底板之间，与
四个侧板相连，将基础单元分隔为前腔室、中腔室和后腔室，前腔室和/或后腔室作为消音腔，前腔室和后腔室同时作为消音腔时，两个消音腔的结构相同或不同。
12.进一步地，消音腔的结构如下：第一单元中，基础单元的四个侧板中，右方的侧板中组成消音腔的部分被去除；第二单元中，基础单元的四个侧板中，上方的侧板中组成消音腔的部分被去除。
13.进一步地，消音腔的结构如下：消音腔内设有隔板，所述隔板的数量为1个，所述隔板的两端分别连接底板和隔断板，所述隔板设置在基础单元的两条侧棱形成的对角面上，且宽度等于底板对角线长度的1/2，与隔板相连的两个侧板中，第一单元中，上方的侧板中组成消音腔的部分被去除，第二单元中，下方的侧板中组成消音腔的部分被去除。
14.进一步地，消音腔的结构如下：消音腔内设有隔板，所述隔板的数量为2个，所述隔板的两端分别连接底板和隔断板，分别为第一隔板和第二隔板，宽度分别为底板边长的1/2，1/2，2个隔板顺序相连，组成l型结构；第一单元中，左侧的侧板中组成消音腔的部分被去除，第一隔板设置在左侧的侧板所在平面，第二隔板与第一隔板垂直；第二单元中，下侧的侧板中组成消音腔的部分被去除，第一隔板设置在下侧的侧板所在平面，第二隔板与第一隔板垂直。
15.进一步地，消音腔的结构如下：消音腔内设有隔板，所述隔板的数量为4个，所述隔板的两端分别连接底板和隔断板，分别为第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板，宽度分别为底板边长的2/3，2/3，1/3，1/3，4个隔板顺序相连；第一单元中，左侧的侧板中组成消音腔的部分被去除，第一隔板设置在左侧的侧板所在平面，第二隔板与第一隔板垂直，第三隔板与第一隔板平行，第四隔板与第二隔板平行；第二单元中，下侧的侧板中组成消音腔的部分被去除，第一隔板设置在下侧的侧板所在平面，第二隔板与第一隔板垂直，第三隔板与第一隔板平行，第四隔板与第二隔板平行。
16.进一步地，相邻的基础单元之间通过铰链转动连接，所述铰链两端分别连接两个基础单元的侧棱。
17.进一步地，所述侧板上预留有安装孔，用于安装铰链。
18.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
19.(1)基础单元之间转动连接，相邻的基础单元组成供声音和空气通过的通道，通过折叠展开可以改变通道的形状与面积，通道面积的变化可以实现对通风性能的调节，腔室截面-通道面积比的变化，也对声音的衰减性能产生影响，从而实现通风和降噪性能的可调。
20.(2)通过隔断板将基础单元分为前腔室、中腔室和后腔室三个腔室，前腔室和/或后腔室作为消音腔，形成单层消音层结构和多层消音层结构，增加了设计的自由度并增强对低频噪音的吸收效果。
21.(3)消音腔有不同的结构，消音腔没有完全密封，在消音腔部分消除了一侧的侧板，从而连通通道，使得消音效果更好，隔板的引入可以有效的改变波导的等效长度，从而调整该窗的消音频率。
22.(4)折叠角度、消音腔尺寸以及隔板的设置形式可以调节，从而实现有效的通风和具有较长带宽的频率噪音的可调节降噪。
附图说明
23.图1为本发明的结构示意图；
24.图2为基础单元围成通道的示意图；
25.图3为铰链的结构示意图；
26.图4为可折叠消音通风窗安装在建筑物的示意图；
27.图5为基础单元及消音通风窗的二维平面图；
28.图6为单层消音层结构且消音腔结构为pf0形式时第一单元的结构示意图；
29.图7为单层消音层结构且消音腔结构为pf0形式时第二单元的结构示意图；
30.图8为单层消音层结构且消音腔结构为pf1形式时第一单元的结构示意图；
31.图9为单层消音层结构且消音腔结构为pf1形式时第二单元的结构示意图；
32.图10为单层消音层结构且消音腔结构为pf2形式时第一单元的结构示意图；
33.图11为单层消音层结构且消音腔结构为pf2形式时第二单元的结构示意图；
34.图12为单层消音层结构且消音腔结构为pf3形式时第一单元的结构示意图；
35.图13为单层消音层结构且消音腔结构为pf3形式时第二单元的结构示意图；
36.图14为双层消音层结构且消音腔结构为pf2+pf0形式时第一单元的结构示意图；
37.图15为双层消音层结构且消音腔结构为pf2+pf0形式时第二单元的结构示意图；
38.图16为双层消音层结构且消音腔结构为pf1+pf3形式时第一单元的结构示意图；
39.图17为双层消音层结构且消音腔结构为pf1+pf3形式时第二单元的结构示意图；
40.图18为消音通风窗的侧面视图；
41.图19为声音传输损失曲线随消音腔尺寸、折叠角度、隔板设置形式变化的变化示意图；
42.附图标记：1、第一单元，2、第二单元，3、铰链，4、可折叠消音通风窗，5、底板，6、侧板，7、隔断板，8、隔板。
具体实施方式
43.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
44.在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，展示各个部件之间的配合关系，附图中有些地方适当放缩了部件，并增减了部件之间的距离。
45.在本技术实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
46.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
47.在本技术实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
48.实施例1：
49.一种可折叠消音通风窗结构，如图1所示，包括多个基础单元，基础单元为直四棱柱结构，包括两个正方形底板5和四个矩形侧板6；基础单元分为第一单元1和第二单元2，多个基础单元行列式排布，且底板5位于同一平面内，第一单元1和第二单元2相互交错；相邻的两个基础单元之间转动连接，如图2所示，田字形排布的四个基础单元的侧板6围成供声音和空气通过的通道，随基础单元的转动，通道的截面形状在闭合-菱形-正方形之间变化。
50.图1中，通道的截面形状为菱形，供声音和空气通过。第一单元1和第二单元2周期性排布，由基础几何知识可以知道，基础单元中折叠角度相同，通过单自由度的改变折叠角度，通道的截面可以在闭合-菱形-正方形之间变化。通道面积的变化可以实现对通风性能的调节。基础单元作为消音腔室，腔室截面-通道面积比的变化，也对声音的衰减性能产生影响。根据设计需要，可以通过仿真试验确定侧板6的长度、底板5的边长等参数。
51.本实施例中，相邻的基础单元之间通过铰链3转动连接，侧板6上预留有安装孔，用于安装铰链3，铰链3如图3所示，铰链3两端分别连接两个基础单元的侧棱，即基础单元的侧板6连接处形成的棱。
52.可以理解的是，改变基础单元之间的角度，消音通风窗4会折叠或展开，从而改变通道面积，以及腔室截面-通道面积比，在通风的同时实现消音，而且通风量和消音量可以调节。实际应用时，如图4所示，消音通风窗4安装在建筑物上。
53.在基础单元与通道组成的消音通风窗4的基础上，本技术在基础单元中进一步引入消音腔的设计，以增加设计的自由度并增强对低频噪音的吸收效果。
54.本技术中，基础单元内设有2个隔断板7，隔断板7设置在两个底板5之间，与四个侧板6相连，将基础单元分隔为前腔室、中腔室和后腔室，其中，以基础单元的侧板6长度方向为前后方向，前侧的底板5与前侧的隔断板7之间形成前腔室，后侧的底板5与后侧的隔断板7之间形成后腔室，两个隔断板7之间形成后腔室。前腔室和/或后腔室作为消音腔。
55.前腔室或后腔室作为消音腔时，即单层消音层结构；前腔室和后腔室同时作为消音腔时，即双层消音层结构，两个消音腔的结构相同或不同。
56.本技术设计了四种消音腔结构，为了区分，将四种消音腔结构分别称为pf0、pf1、pf2、pf3。
57.消音通风窗4以及基础单元的二维平面如图5所示，图5中(a)、(b)、(c)、(d)分别为pf0形式、pf1形式、pf2形式和pf3形式，可以看到，菱形的通道的锐角角度θ即两个相邻基础单元的侧棱之间的夹角。图5中，阴影较深的正方形表示第一单元1，阴影较浅的正方形表示第二单元2，菱形部分为通道。需要注意的是，图5中给出了7
×
7尺寸的消音通风窗4，仅用于对消音通风窗4的结构进行说明，并未对其基础单元数量作为限制，为了保证窗户组成单元的周期性，图5中(e)、(f)、(g)、(h)在左侧和底部边界增加了二维的封闭室，用斜线阴影表示。
58.(1)pf0形式设置如下：
59.如图5所示，在二维视图中，pf0中，底板5的四条边长中消除了1条。消音腔的结构如下：第一单元1中，基础单元的四个侧板6中，右方的侧板6中组成消音腔的部分被去除；第二单元2中，基础单元的四个侧板6中，上方的侧板6中组成消音腔的部分被去除。单层消音层结构且消音腔结构为pf0形式时，第一单元1和第二单元2的结构如图6～图7所示。
60.基础单元中，消音腔没有完全密封，在消音腔部分消除了一侧的侧板6，从而连通通道，使得消音效果更好。
61.可以理解的是，由于基础单元的每个侧板6分别对应构成一个通道，因此，实际应用时可以选择一个侧板，消除其组成消音腔的部分即可，如将所有第一单元1中下侧的侧板6对应消除消音腔部分，将所有第二单元左侧的侧板6对应消除消音腔部分等。
62.(2)pf1形式设置如下：
63.如图5所示，在二维视图中，相较于pf0，pf1增加了从菱形通道钝角顶点到底板5中心的一条线段，其长度为正方形底板5对角线的一半。消音腔的结构如下：消音腔内设有隔板8，隔板8的数量为1个，隔板8的两端分别连接底板5和隔断板7，隔板8设置在基础单元的两条侧棱形成的对角面上，即隔板8与其相邻的两个侧板6成45
°
夹角，且宽度等于底板5对角线长度的1/2，与隔板8相连的两个侧板6中，第一单元1中，上方的侧板6中组成消音腔的部分被去除，第二单元2中，下方的侧板6中组成消音腔的部分被去除。单层消音层结构且消音腔结构为pf1形式时，第一单元1和第二单元2的结构如图8～图9所示。
64.基础单元中，消音腔没有完全密封，在消音腔部分消除了一侧的侧板6，从而连通通道，使得消音效果更好，隔板8的引入可以有效的改变波导的等效长度，从而调整该窗的消音频率。
65.本实施例中，第一单元1和第二单元2中，隔板8设置在左下角，第一单元1右侧的侧板6对应消音腔的部分被去除，第二单元2下侧的侧板6对应消音腔的部分被去除。可以理解的是，第一单元1和第二单元2结构不同，但是通过翻转或镜像等操作可以一致。在其他实施方式中，根据实际需要，可以调整隔板8的宽度以及位置设置等，如设置在第一单元1的右上角、第二单元2的左上角等，对应调整需要消除的侧板6。
66.(3)pf2形式设置如下：
67.如图5所示，在二维视图中，相较于pf0，pf2引入了一条从正方形底板5与菱形的共同边到正方形中心的“l”形折线，其每条线段长度均为正方形边长的一半。消音腔的结构如下：消音腔内设有隔板8，隔板8的数量为2个，隔板8的两端分别连接底板5和隔断板7，分别为第一隔板和第二隔板，宽度分别为底板5边长的1/2，1/2，2个隔板8顺序相连，组成l型结构；第一单元1中，左侧的侧板6中组成消音腔的部分被去除，第一隔板设置在左侧的侧板6所在平面，第二隔板与第一隔板垂直；第二单元2中，下侧的侧板6中组成消音腔的部分被去除，第一隔板设置在下侧的侧板6所在平面，第二隔板与第一隔板垂直。单层消音层结构且消音腔结构为pf2形式时，第一单元1和第二单元2的结构如图10～图11所示。
68.同样的，第一单元1和第二单元2结构不同，但可以通过结构翻转等变为一致，在其他实施方式中，根据实际需要，可以改变两个隔板8的位置，对应调整需要消除的侧板6。
69.(4)pf3形式设置如下：
70.如图5所示，在二维视图中，相较于pf0，pf3引入了一条由四条线段构成的螺旋状
的折线，从菱形的锐角开始，然后转入腔室内部，绕正方形底板5中心旋转。消音腔的结构如下：消音腔内设有隔板8，隔板8的数量为4个，隔板8的两端分别连接底板5和隔断板7，分别为第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板，宽度分别为底板5边长的2/3，2/3，1/3，1/3，4个隔板8顺序相连；第一单元1中，左侧的侧板6中组成消音腔的部分被去除，第一隔板设置在左侧的侧板6所在平面，第二隔板与第一隔板垂直，第三隔板与第一隔板平行，第四隔板与第二隔板平行；第二单元2中，下侧的侧板6中组成消音腔的部分被去除，第一隔板设置在下侧的侧板6所在平面，第二隔板与第一隔板垂直，第三隔板与第一隔板平行，第四隔板与第二隔板平行。单层消音层结构且消音腔结构为pf3形式时，第一单元1和第二单元2的结构如图12～图13所示。
71.同样的，第一单元1和第二单元2结构不同，但可以通过结构翻转等变为一致，在其他实施方式中，根据实际需要，可以改变两个隔板8的位置，对应调整需要消除的侧板6。
72.除二维平面尺寸以外，消音通风窗4的腔室具有一定的厚度，即基础单元侧板6的长度，如果选择前腔室或后腔室为消音腔，则消音通风窗4具有单层消音层，如图6～图13所示；如果前腔室和后腔室同时作为消音腔，则消音通风窗4具有双层消音层。
73.需要注意的是，单层消音层结构下，所有的消音腔结构设置形式应保持一致，双层消音层结构下，同一层的消音腔结构设置形式应保持一致，不同层的消音腔结构设置形式可以完全相同，也可以不同，如pf2+pf2、pf0+pf1、pf1+pf2、pf3+pf3等等。双层消音层结构且消音腔结构为pf2+pf0结构时，第一单元1和第二单元2的结构如图14～图15所示，双层消音层结构且消音腔结构为pf1+pf3结构时，第一单元1和第二单元2的结构如图16～图17所示。
74.消音通风窗4模型的侧面视图如图18所示，图中(a)表示具有单层消音层的消音通风窗4模型，w表示消音腔的厚度，l1表示声音的入射场到消音腔的距离(即底板5的厚度)，l2为消音腔到声音出射面的距离。图中(b)表示具有双层消音层的消音通风窗4模型，w1表示第一层消音腔的厚度，w2表示第二层消音腔的厚度，l1表示声音的入射场到第一层消音腔的距离(即底板5的厚度)，l2为两个消音腔之间的距离，l3为第二层消音腔到声音出射面的距离。
75.消音通风窗4的一侧为入射域，一侧为出射域，定义传输损耗tl用于评估入射面入射波功率与出射球面出射波功率之差，即：tl＝10log
10
(w
in
/w
out
).，其中w
in
为入射波功率，w
out
为出射波功率，如传输损耗大于10db，则声波能量衰减超过90％，本文中将tl≥10db时的频率范围定义为声禁带。
76.以单层消音层结构为例，不同参数、不同隔板8设置形式下可折叠消音窗的声音传输损失曲线如图19所示，可以看出声音传输损失曲线随消音腔的厚度w、消音腔边长a(即底板5的边长)以及折叠角度和隔板8设置形式这些参数变化的变化规律。
77.在所关注区域内，相同折叠角度、相同消音腔厚度w时，随着消声腔边长a的增大，tl曲线的峰值位置逐步向低频移动。保持折叠角度和消音腔边长a不变，随着消声腔厚度w的增加，tl曲线峰值及其所处频率位置发生变化较小，但是声禁带宽度逐步增加。保持消音腔尺寸不变，折叠角度对消声主频影响较小，但是声禁带宽度随角度的增大而减小。在消音腔尺寸和折叠角度不变的情况下，内部分区设置隔板8对传输损失曲线的峰值和有效带宽都有显著影响，通过内部分区，可以改变的腔室的等效长度，使tl峰值向低频移动。综上，实
际应用时，可以通过设计参数对tl传输损失进行调节，例如通过调整腔室的边长和厚度来调整峰值频率和带宽，也可以通过隔板8的变化来调节频率，根据需要确定基础单元的尺寸、数量、隔板8的位置等。
78.图1为本实施例中以a＝60,w1＝60,w2＝60(mm)为参数，设计了一款双层消音层结构的可折叠消音通风窗4。经过仿真计算，该消音通风窗4可以在折叠角度为15度时实现470-1300hz的宽频消音，随着折叠角度的增加，通风效果增加，消音效果降低，在90度时，仍然能在490-520hz，930-1060hz具有10db的消音效果。其对应的通风性能，以图4所示的单人宿舍(房间尺寸为：2.43m
×
2.72m
×
2.67m)为例，空气经过窗户以1m/s的速度流入房间，并从门流出，当窗户折叠角度为15度时，其平均空气龄为444.20s，当折叠角度张开至90度，平均空气龄减小到118.87s。
79.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。