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工程与应用技术研究院仿生结构与机器人实验室在《Building and Environment》发表学术论文
发布时间:2022-11-28        浏览次数:10


近日,复旦大学工程与应用技术研究院(简称工研院)仿生结构与机器人实验室(BSRL)博士生靳小尨为第一作者的题为《Reconfigurable origami-inspired window for tunable noise reduction and air ventilation》(折纸启发的可重构消音通风窗)的学术论文在国际学术期刊《Building and Environment》(中科院工程技术1TOPJCR Q1)上发表。复旦大学工研院方虹斌青年研究员为通讯作者。


论文简介

随着城市的发展,噪音对人类生产生活的影响愈发凸显,舒适的声学环境可以提高生活质量,促进生理和心理健康。关闭窗户可以有效的降低噪音,但是这样阻止了空气的自然流通。环境噪声通常组成复杂,具有较宽的频带,主要噪声频率呈现出潮汐特性。同时,窗户的主要功能在一天的不同时间段内也不尽相同。例如,白天噪音较大,窗户的主要作用是降噪;而在夜间,噪音显著降低,加强空气流通则成为保持舒适睡眠的重要要求。由于结构的限制,传统的消音窗缺乏处理可变噪声和根据需要调整通风性能的灵活性。这就需要提出全新的窗户设计,以实现有效、可调的通风和宽带降噪。

折纸科学的发展为工程设计提供了丰富的灵感,折纸结构的可调性在包括声学在内的许多科学领域得到广泛关注。复旦大学工研院方虹斌青年研究员、徐鉴教授、靳小尨同学与香港理工大学成利院士、余翔助理教授合作,提出了一种新型的基于模块化折纸的可重构消音窗,通过利用折叠特性实现了噪音抑制和空气流通的平衡。


本文主要工作

具体而言,通风-降噪这两种相互制约的功能间的平衡来源于独特的“瓦片-空隙”模块化折纸结构(图1),而可调性则是单自由度折叠机制的结果。

1 模块化折纸窗的设计

为使消音窗在保持基本尺寸不变的情况下改变消音频率,本研究进一步提出三种腔室的分隔形式(图1)。折纸结构的几何参数与腔室的分隔形式决定了消音的频率范围,折叠所引发的管道开口面积以及腔室与管道之间的面积比的变化可以有效调节声音衰减带宽和通风效果。

通过全面考察折纸结构几何设计(包括折纸结构的几何尺寸、内部分隔形式和折叠角度)与窗户声学特性之间联系,我们可以通过优化实现特定目标频段声音的按需衰减(图2)。对于宽带噪音的抑制可以通过堆叠多个折纸层来实现,折纸层的设计可以通过直观的频谱叠加原理来构思(图3)。

2 折叠角度为15°时,以[800,1000]Hz为目标频带的优化结果


3 目标频带为[500,1200]Hz的双层折纸消音窗降噪性能

本研究以复旦大学某博士生宿舍为例,通过数值模拟,评估了折纸窗在不同折叠角度下的空气交换率,并与传统滑动窗在降噪和通风性能方面进行了比较,证明了对于不同的工作场景,只需要折叠消音窗就可以实现声音衰减和空气流通的平衡(图4)。

4 通风与降噪性能随折叠角度变化关系


折纸消音窗的设计优点体现在三个方面:(1)由于单自由度的折叠,窗户的管道面积以及腔室和管道之间的面积比将显著变化,这可以有效调整声音衰减带宽和通风效果。(2)腔室的几何形状和内部分区可进行大幅度的设计,这显著丰富了单个折纸层的传输损失频率特性。(3)针对目标频带的降噪,可以利用离散数值优化来确定实现最大平均传输损失所对应的最优设计;为了满足宽带降噪的要求,还可以根据单层的有效频带特性来选择和堆叠多层折纸窗。

窗户的“折叠-展开”(动图,gif


结论

本文研究了模块化折纸的折叠运动学和声学特性,设计出一种新的折纸消音窗,用于调节降噪和空气通风的平衡。本研究揭示了折纸解决方案的非凡设计性、可重构性、可优化性和可扩展性,这将为模块化声学设备的设计和开发提供一条新途径。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109802


延伸阅读:

仿生结构与机器人实验室(BSRL)隶属于复旦大学工程与应用技术研究院智能机器人研究院,由徐鉴教授和方虹斌青年研究员领导,主要研究方向为:

 *具有超常规静力学、运动学和动力学性能的仿生结构和仿生机器人开发。

*基于可变结构和多驱动器的仿生多模态、模块化机器人的协同驱控。

*仿生移动机器人对可变工作环境的自适应与共融动力学。

*基于数据驱动技术的仿生机器人系统建模、在线辨识和最优化控制。

*基于可变拓扑结构的仿生机械超材料力---声多场耦合动力学。

实验室围绕“仿生结构与机器人”这一主题开展了交叉创新研究,相关学术成果发表在Advanced MaterialsIEEE TransactionsJournal of Sound and Vibration、《力学学报》等国内外顶级期刊与国际学术会议。