[发明专利]一种基于活动加筋条的抗声爆隔音窗及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种活动加筋条的抗声爆隔音窗及其设计方法。

背景技术

“声爆”是超音速飞机飞行时产生的一种巨大的噪声，会对飞机航线附近的居民带来严重的影响，是制约超音速飞机事业，尤其是制约超音速民航飞机应用和发展的重要因素之一。为了解决这一问题，近年来不断有学者和研究机构对这种特定噪声进行深入研究，试图寻求降低其影响的措施和方法。研究成果包括：从噪声源本身入手，对飞机的机身、机翼等进行优化设计；从噪声传播途径入手，对建筑结构进行优化设计，尤其是对建筑门、窗等隔声薄弱环节进行改良。例如，2011年发表于美国声学学会杂志的“The effects of elastic supports on the transient vibroacoustic response of a window caused by sonic booms”（Journal of the Acoustical Society of America,Vol.130(2),pp783-790），就是从建筑结构入手，提出了通过优化边界安装条件来提高“声爆”隔绝能力的建筑窗体设计方法。使用该设计方法，建筑窗体的抗“声爆”能力得到明显改善，但不足之处在于：计算出的边界优化参数很难在安装上精确实现；并且，窗体安装完成后，边界条件就已经固定下来，无法再针对不同类型的“声爆”噪声做出调整。

作为工程应用中常见的结构，加筋板结构的隔声性能一直受到广泛关注。加筋板结构的隔声性能与加筋条的各项参数密切相关，在设计过程中可以通过对加筋条的数量、作用位置等参数的优化来提高结构的隔声性能。例如，《Effect of Elastic Boundary Supports and Stiffening Treatments on Vibroacoustic Response of Plate-like Structures》（香港理工大学博士论文，2011年）就对加筋条的作用效果以及如何通过加筋作用来提高平板结构的隔声性能进行了深入分析。

建筑窗体结构是一种典型的平板结构，如果能引入加筋技术，并通过合理设计，使窗体结构在原有功能（如透光功能和观景功能）不受影响的基础上，获得更强的“声爆”隔绝能力，这将对建筑隔声技术以及国家航空事业的发展起到有益的作用。

发明内容

本发明的目的在于引入活动加筋条技术并结合加筋板结构的瞬态声振响应模型，提出一种抗声爆隔音窗及其设计方法，使之能指导任意边界条件下建筑窗体的优化设计，实现窗体结构在原有功能（如透光功能和观景功能）不受影响的基础上，获得更强的“声爆”隔绝能力。

一种基于活动加筋条的抗声爆隔音窗，包括窗体、边框、至少一组加筋单元和用于控制加筋单元的控制单元，其中窗体和边框组成隔音窗，一对加筋条构成一组加筋单元，该成对的加筋条夹持于窗体的内、外表面且该加筋条的轴线始终平行于窗体的底边，该控制单元根据计算结果及预设参数控制加筋单元作平行于窗体底边的上下移动。

一种基于活动加筋条的抗声爆隔音窗的设计方法，包括如下步骤：

步骤1、建立加筋板结构的瞬态声振响应方程，用于模拟任意边界条件以及任意位置加筋处理的隔音窗：

使用公式计算隔音窗的瞬态声振响应，包括振动位移、振动速度、振动加速度和透射声压，

上述公式的推导基于时域有限元法和时域瑞利积分法，其中，{U}、和为全局节点位移、节点速度和节点加速度；p(ξ,t)为瞬时透射声压；{p₀(t)}为瞬时入射声压（比如“声爆”噪声）；作为转换矩阵可将入射声压转换为等效节点力；ü为加筋板各点的法向加速度，可由节点加速度推导获得；ρ₀为空气密度；S_p为加筋板面积；σ_H为半空间的基本声压函数；{M}为加筋板结构的整体质量矩阵，由母板的单元质量矩阵{M_p}_e和加筋单元的等效单元质量矩阵{M_s}_e所组成；{K}为加筋板结构的整体刚度矩阵，由母板的单元刚度矩阵{K_p}_e、加筋单元的等效单元刚度矩阵{K_s}_e和支撑边界的等效单元刚度矩阵{K_b}_e所组成，其中：