声学超构材料应用场景之新风系统

新风系统是一种空气处理系统，具有净化室内空气、调节干湿度等功能，能显著提高居住环境的舒适度。然而，系统运行时产生的噪声却让部分人难以忍受，甚至影响到日常作息。如何降低新风系统噪声已成为此行业亟待解决的重要问题。

如图1，新风系统的噪声主要是主机内部风机工作时产生的气动噪声，并通过机壳及进出风口的管道向外传播。气动噪声拥有频带宽，能量大等特点，其治理也相对困难。同时新风系统作为净化空气的设备，对内部吸声材料的使用有着严苛的要求。传统多孔吸声材料如岩棉、玻璃棉等，容易粉化，造成新风系统的二次污染；甚至岩棉还被认为是致癌物质，是万万不能用于新风系统中的。

图1 新风主机噪声传播示意图

综上，新风系统降噪存在以下难点：

●气动噪声频率范围广，低频成分突出；

●材料环保要求高，传统吸声材料无法适用。

传统机壳隔声效果一般，特别是对于低频噪声，传统材料在有限的空间内基本无能为力，从而导致低频噪声由机壳向外辐射。声学超构材料能够在较小的空间尺度下，实现低频噪声的高效率吸收，是新风系统隔声机壳的完美选择。

图2 声学超构材料FP2及其吸声性能

如图2为我院自研的声学超构材料FP2，具有中低频吸声效果好、结构强度高、防火性能突出、材料无污染等优点。图3是针对FP2设计的隔声实验。基础隔声样件为：40mm铝型材+50mm岩棉+22mm铝蜂窝板；超构隔声样件为：40mm铝型材+38mmFP2+22mm铝蜂窝板，其中FP2代替了同样重量的岩棉。超构隔声样件在200Hz以上频段都有着较好的隔声效果，整体计权隔声量提高了近3dB。

图3 基础隔声样机与超构隔声样件试验对比

超构材料可以显著提升部件的隔声性能，新风系统的隔声机壳亦可基于声学超构材料制作，以求获得更高的隔声量，抑制主机内部噪声通过机壳向外辐射。

消声管道（消声器）是新风系统中使用最广泛的降噪部件。目前常用的消声器多为阻性消声器，且为减少压力损失，多采用直管形消声器，如图4为新风系统中最常见的圆形直管式消声器的二维剖面图。然而其内部填充的多孔吸声材料多为岩棉、玻璃棉等容易粉化的致癌物质，严重违背了新风系统健康的初衷。

图4 圆柱形直管消声器

声学超构材料基于特殊结构吸声，不拘于基材形式，选择稳定、安全、清洁的材料制作，能够满足新风系统安全、健康的要求。同时，利用超构材料在中低频段的吸声优势，还可以解决传统消声器中低频性能不足的缺点。

图5 超构消声风管

如图5为研究院基于声学超构材料设计的超构消声风管。消声管外形尺寸250*250*700mm，管道内径100mm，内部未填充任何多孔吸声材料。图5管道分为两节，可根据实际需求灵活调整消声管道节数，节数越多管道越长，相应的消声效果也越好。图6是实测插入损失，经实验测试表明超构风管在125Hz-5000Hz都有着理想的插入损失，整体消声量可达35dB。

图6 超构消声风管插入损失

新风系统的噪声问题是个亟待解决的重要问题，传统声学材料存在低频性能欠佳，材料本身安全、环保性堪忧等重大缺陷，并不适用于新风系统这类人居健康设备的降噪。

声学超构材料健康、环保、无毒，相比传统声学材料更有着难以匹敌的声学性能。基于超构材料设计的隔声机壳和消声管道，不但声学性能卓越，且不存在吸声材料粉化、致癌等潜在风险，是新风系统降噪领域中声学材料的不二选择。 

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