Nieuwe ramen blokkeren ruis maar laten frisse lucht binnen

Anonim

Nieuwe ramen blokkeren ruis maar laten frisse lucht binnen

architectuur

Brian Dodson

12 juli 2013

6 afbeeldingen

Een prototype van een raamontwerp dat lucht doorlaat, maar dempt geluiden van buiten met 30-35 decibel (Foto: Mokpo National Maritime University)

Er zijn maar een paar dingen beter dan op een warme zomerdag door het huis te luieren, waarvan de geurige zephyrs spreken over pittige eilanden en hemel-ademberijke bosjes. * Tenminste, totdat de buren hun bladblazers beginnen en de stad de trottoirs moet verscheuren. Geluidsoverlast is een van de plagen van het leven in steden en voorsteden, die de melodieën van de natuur kunnen overstemmen om ergernis, stress en gehoorverlies te veroorzaken. Nu heeft een team van Zuid-Koreaanse ingenieurs echter een opmerkelijk venster uitgevonden dat de lucht binnenlaat en tegelijkertijd veel lawaai maakt.

Simpel gezegd, ruis is elk geluid dat je niet wilt horen. Gemeten in decibellen (een 10 dB toename in geluid komt overeen met een tienvoudige toename van de geluidsdruk en energie, met 0 dB de menselijke auditieve drempelwaarde), een prachtig landschap met alleen natuurlijke geluiden heeft een geluidsniveau in het bereik van 10 tot 20 dB. In een slaapkamer met geluidsniveaus van meer dan 45 dB zullen de meeste mensen aanzienlijke moeilijkheden ondervinden om in slaap te komen en te blijven slapen.

Op een afstand van 50 ft (15 m) hebben die bladblazers eerder geluidsniveaus in het bereik van 70 tot 75 dB, en de jackhammers die de trottoirs buiten openscheuren bij ongeveer 90 dB binnen in uw huis. De meesten van ons reageren door de ramen en deuren te sluiten, het gevoel dat het opsluiten van een benauwd, gesloten gevoel beter is dan het verdragen van de geluiden van een stedelijke of voorstedelijke setting.

Nu verschijnt een alternatief. Een slim gebruik van akoestische metamaterialen door professor Sang-Hoon Kim van de Mokpo National Maritime University en professor Seong-Hyun Lee van het Korea Institute of Machinery and Materials in Zuid-Korea zal het ontwerpen en bouwen van ramen mogelijk maken die lucht doorlaten, maar verminder omgevingsgeluid met ongeveer 35 dB, afhankelijk van de frequentie van het externe geluid. Dit niveau van geluidsreductie is ongeveer vijf dB beter dan dat van een standaard dubbel ruitenvenster met vinyl.

Metamaterialen zijn samengesteld uit patronen van lokaal resonante structuren. Kim en Lee hebben ontdekt hoe ze een geluidsblokkend metamateriaal kunnen bouwen dat continue paden heeft om lucht door te laten door Helmholtz-resonatoren te gebruiken. Als je ooit een kruikband hebt gehoord of gewoon lucht hebt geblazen boven een frisdrankfles om een ​​gefluit te maken, weet je over Helmholtz-resonatoren. Meer in het algemeen bestaan ​​ze uit een beperkt luchtvolume dat van buitenaf toegankelijk is via een nek of een klein gaatje.

De specifieke resonatoren die worden gebruikt voor het stille venster worden diffractie-resonatoren genoemd. Dit zijn holle dozen van 6 x 6 x 1, 6 inch (15 x 15 x 4 cm) die zijn gemaakt van acryl met een dikte van 0, 2 inch (5 mm). Er zijn twee sets van drie diffractieresonatorontwerpen, waarbij één set een centraal luchtgat met een diameter van 0, 8 inch (2 cm) en de andere set met een luchtopening van 2 inch (5 cm) heeft. Elke set heeft verschillende interne verdelers die de interne luchtruimte in één, twee of vier even grote volumes verdelen. De verdelers dienen om de resonantiefrequenties te veranderen zodat een bredere frequentieband tot zwijgen kan worden gebracht. In alle gevallen wordt een cilindrisch luchtfilter door het luchtgat gestoken om het gebruikelijke Helmholtz resonatorfluitje te voorkomen.

Waarom geven de diffractie-resonatoren lucht maar geen geluid? Een deel van het antwoord is dat wanneer geluid door de luchtgaten gaat, de geluidsgolven sterk worden afgebogen in het hele volume van de diffractieresonator, zodat heel weinig van het geluid direct door de luchtgaten kan gaan.

Het andere deel van het antwoord is dat de diffractieresonatoren ervoor zorgen dat de lucht een negatieve samendrukbaarheid heeft over een vrij grote frequentieband. Normale geluidsgolven in lucht bestaan ​​uit een reeks gecomprimeerde en geëxpandeerde gebieden. De energie van de perslucht drijft dat materiaal uit om uit te zetten en omgekeerd. Wanneer de samendrukbaarheid echter negatief is, is gecomprimeerde lucht minder dicht dan lucht met lagere druk. Als gevolg hiervan expandeert perslucht niet, wat het mechanisme is dat normaal gesproken geluidsgolven door materialen laat reizen. In plaats daarvan worden geluidsgolven sterk verzwakt als ze door een materiaal met negatieve samendrukbaarheid reizen.

De combinatie van deze twee effecten definieert een frequentieband waarbinnen geluid dat door het venster valt sterk verzwakt is.

Prototype ramen werden gemaakt door het combineren van de diffractie resonatoren in een drielaagse dikte, vier resonatoren breed en drie resonatoren hoog, met een afmeting van 24 x 18 x 5 in (61 x 46 x 13 cm) dik. Eén venster was gemaakt van resonatoren met de 0, 8-inch luchtgaten en de andere met 2-in-luchtgaten. Zoals te zien is in de bovenstaande afbeelding, hadden de lagen één, twee of vier resonantiekamers per luchtgat om te proberen geluidsdemping over een breed bereik van frequenties te bereiken.

De testresultaten toonden aan dat het venster met de 0, 8-inch luchtgaten de geluidsoverdracht met meer dan 30 dB verminderde bij frequenties van 200 tot bijna 5.000 Hz, met een verzwakking van meer dan 20 dB, zelfs bij zeer lage frequenties. Het venster met 2-in luchtgaten was bedoeld als een compromis tussen geluidsdemping en luchtpassage. Dit venster produceerde een soortgelijke verzwakking als die van het 0, 8-inch venster voor frequenties tussen ongeveer 700 en 2000 Hz, met een verzwakking van meer dan 15 dB voor frequenties van 600 en 5000 Hz.

De testvensters zijn bedoeld als bewijs van het principe, omdat de uiteindelijke prestaties in vele richtingen kunnen worden verbeterd. Veel van de algemene eigenschappen kunnen worden verbeterd door complexere interne structuren te introduceren. De dikte van het venster kan worden verminderd door ervoor te zorgen dat de lucht die door het venster passeert een gekromd pad volgt, dat ook kan worden gebruikt om een ​​verhoogde geluidsdemping te verkrijgen samen met een verhoogde luchtstroom. Bovendien zijn de vorm en afmeting van de diffractieresonatoren momenteel niet optimaal en kunnen ze worden verbeterd om een ​​gunstiger venstergrootte en -prestatie te geven.

De onderzoekers hebben het potentieel van hun ramen aangetoond om de stedelijke leefomgeving in de voorsteden te verbeteren. De stille vensters hebben principes en een structuur die zo eenvoudig zijn dat het niet lang meer duurt voordat ze op de markt komen - en mijn raamkozijnen.

* Excuses aan Percy Shelley

Bron: arXiv (PDF)

Geluiddemping als functie van de frequentie voor de twee prototype stille vensters (Afbeelding: Mokpo National Maritime University)

Een verscheidenheid aan Helmholtz-resonatoren werd gebruikt om de testvensters te fabriceren (Afbeelding: Mokpo National Maritime University)

Een combinatie van twee verschillende akoestische effecten resulteert in een frequentieband waarin het geluid sterk wordt verzwakt (Afbeelding: Mokpo National Maritime University)

Een prototype van een raamontwerp dat lucht doorlaat, maar dempt geluiden van buiten met 30-35 decibel (Foto: Mokpo National Maritime University)

Resonant gedrag van een Helmholtz-resonator die resulteert in een regio met negatieve dynamische samendrukbaarheid (Afbeelding: Mokpo National Maritime University)

Prototype raamontwerpen voor het testen van geluiddempende eigenschappen. Deze hebben drie lagen diffractieresonatoren, met één, twee of vier partities per resonator (afbeelding: Mokpo National Maritime University)