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环境噪声与振动北京市重点实验室简介
发布时间:2022-06-15 15:19

01.简介与研究方向

环境噪声与振动北京市重点实验室依托北京市科学技术研究院城市安全与环境科学研究所(原北京市劳动保护科学研究所)建立,于 2008 年通过市科研院评估并获批为市科研院环境噪声与振动重点实验室,于 2011 年通过市科委认定并获批为环境噪声与振动北京市重点实验室,是专门从事环境噪声与振动的评估、监测与防治技术研究的机构。

实验室目前重点开展先进声学材料和装备、结构声振监测技术、电场噪声控制技术和低频隔振技术研究等方向的研究。承担了包括国家重点研发计划、国家和北京市自然科学基金等 60 余项。现拥有一批具有自主知识产权的声学材料研发成果,具备良好的环境噪声控制技术研发能力、现场测试评估能力及行业标准制定经验,可以针对具体噪声振动问题,提出优化的解决方案,并进行研发设计等。获得2021年环保产业协会环境技术进步奖(二等奖),2021年中国交通运输协会科学技术奖(一等奖), 2018年科学技术部火炬高技术产业开发中心和北京市科学技术委员会颁发的中国创新挑战赛(北京)最具实用价值奖,2019年第十三届北京创新发明大赛金奖。

实验室与中科院声学所、中科院电子所、大连理工大学、上海交通大学、同济大学、西北工业大学、北京工商大学、北京工业大学、重庆大学、浙江大学、江南大学纺织学院、北京邮电大学、中国铁道科学研究院等高校及科研院所建立长期合作关系,实现优势互补和资源的高效利用。

02.研究进展与成果

声学功能材料及结构设计研究

重点研究噪声控制中声学材料和结构的作用机理,建模分析方法和设计技术,完成了基于微穿孔技术的新型吸隔声结构理论及应用设计研究,空间吸声体理论及设计技术研究以及先进的声学超材料技术研究。形成了一系列成熟的具有自主知识产权的声学降噪材料成果。

声振监测及控制技术研究

重点研究了轨道、建筑、设备等振动特性及声纹特性,开展了结构声振智能感知技术研究,基于声振智能感知的特性信号,实现结构健康监测及状态评估。同时开展了结构的振动控制技术研究,包括双稳态吸隔振技术、准零刚度隔振技术等。

输变电噪声振动控制技术研究

针对变电站、换流站高压变电设备噪声污染问题,开展了变电站设备的噪声特性检测及控制技术研究,摸索出一套切实有效的变压器振动与噪声控制技术方法,并与电力行业各单位合作编制了中华人民共和国电力行业标准《户内配电变压器振动与噪声控制工程技术规范》(DL/T 5829-2021)。

近年来,实验室承担承担了包括国家重点研发计划、国家和北京市自然科学基金等 60 余项。发表论文百余篇,其中SCI/EI检索60余篇。授权专利38项,制定标准5部。出版专著《噪声控制工程学》,建立了噪声控制工程学学科理论,完成了噪声控制工程学学科体系的建立,具有较高的科学性、综合性、新颖性、实用性和权威性。编写《噪声污染防护手册》,是广大居民群众了解噪声及其危害防治的科普用书。

说明: 图示

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出版书籍

承担/参与省部级以上项目

n  国家自然科学基金“复杂结构中频声振分析的尺度变换理论和自适应算法研究”

n  国家自然科学基金“微穿孔薄板耦合共振吸声机理研究与宽带吸声结构优化”

n  国家自然科学基金“带轮耦合粘弹性传动带系统的非线性动力学研究”

n  国家自然科学基金“含共振单元微穿孔板型周期结构材料的声学性能研究”

n  国家自然科学基金“磁力负刚度薄膜结构吸声机理研究及优化设计”

n  北京市自然科学基金“Helmholtz 型声学超材料的通风隔声性能研究与优化设计”

n  北京市自然科学基金“非线性薄膜声学超材料声波调控机理研究及优化”

n  北京市自然科学基金“宽带微穿孔软膜天花空间吸声体的建模理论和优化设计”

n  北京市自然科学基金“屈曲梁复合谐振器低频吸声机理与优化设计”

n  北京市自然科学基金“薄层纺织纤维材料的吸声机理与应用研究”

n  北京市自然科学基金“负刚度声学超材料吸声机理研究与优化设计”

n  北京市自然科学基金“准零刚度轨道隔振系统的非线性动力学与实验研究”

n  北京市自然科学基金“噪声地图源强快速建模方法和动态修正技术研究”

n  北京市自然科学基金“双稳态非线性轨道隔振系统的性能研究”

03.重点成果

成果1:基于微孔技术的新型声学材料

基于微孔技术,实验室团队对现有微孔吸声理论进行修正,提出了准确的微孔及空间体吸声设计理论。针对不同场景的声学设计需求,研发了具有自主知识产权的新型微孔材料结构及相应的解决方案。如微裂缝吸声板、微孔软膜天花吸声材料和超薄微孔纺织吸声材料。授权专利6项,获得2018年科学技术部火炬高技术产业开发中心和北京市科学技术委员会颁发的中国创新挑战赛(北京)最具实用价值奖,2019年第十三届北京创新发明大赛金奖。

说明: 图片包含 形状

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基于微孔技术的新型声学材料

微裂缝吸声结构:是一种宽频高效实用的共振吸声结构,由低流阻通透板和微裂缝金属薄膜复合而成,创新性地对支撑部件和吸声部件进行功能和空间分离,形成高效的微裂缝加工工艺,快速产生大量的微裂缝,并充分利用膜-腔共振和声涡转化的能量耗散作用,拓展结构吸声性能。该成果从理论、设计和工艺角度出发构建作用频带宽、结构强度高和加工制作易的微裂缝吸声结构,从技术上解决了共振吸声结构的规模化应用的瓶颈问题。

微孔软膜天花吸声材料:研究形成一套具有自主知识产权的低成本大批量快速软膜微孔成型工艺、微孔软膜材料及空间体设计理论、空间声场仿真技术及相关的噪声解决方案。所研发的微孔软膜吸声材料,可用于设计软膜空间体、标准吸声吊顶板、吸声灯箱、吸声画及摆件等。具备B1级以上防火、防水、防菌、抗老化、安全环保、色彩多样、造型多变及安装方便等特性,摒弃了玻璃或金属的笨重、危险以及小块拼装的缺点,能够实现大面积或模块化设计安装。

超薄微孔纺织吸声材料:为克服传统薄层纺织材料吸声性能差的缺点,团队研究了一整套纺织材料声学设计方法及编制工艺。设计实现的声学纺织材料具备重量轻、结构美观、运输安装方便、造价低廉、吸声性能可以和厚重的天鹅绒材料相当的特点。纺织材料的软装饰物在人居环境中的声学设计中起到很重要的作用,由于其相较其他多孔材料来说更加轻薄、易装卸,在建筑声学中可以针对房间的不同的用途,进行具体结构设计,如窗帘、幕布、软包等。

成果2:先进声学超材料

为攻克环境噪声高效管控关键技术,实现精准治污的目标要求,在声学超结构研究方面取得了具有国内外引领优势的一系列研究成果,包括磁力调控声学超材料(单稳态薄板声学超材料,磁力薄膜吸隔声超材料)、亥姆霍兹复合超结构(亥姆霍兹类蜂窝三明治声学结构、通风散热超结构)、可调负压式薄膜型声学超材料等。

磁力调控声学超材料,是实验室团队通过创新性地引入可调控的非线性磁力作用来实现薄膜/板结构的声学特性(吸声、隔声、声场、相位)调制的一类超材料结构。通过膜/板-磁共振耦合机理,完美解决了现有结构一旦设计成型,声学特性难以改变的难题,实现了轻薄、低频、宽带且特性可调的各类声学结构设计,能够很好地适应声学设计中的变噪声源的声场控制。突破了线性系统削弱低频声波需要可比拟声波波长的巨大尺度的限制,在实现极薄和低频可调吸声结构设计上具有强大的潜力。通过模块化设计,可快速实现大面积的安装应用。在对于空间有限且需要根据噪声源频谱变化的而调整吸隔声的场合具有良好的应用前景,如地铁、飞机、电力系统等低频噪声控制等。

亥姆霍兹复合超结构,亥姆霍兹共振器作为基础的消声原件,被广泛应用于内燃机、风机、发动机和涡轮喷气推力增强器等系统中用来吸收噪声,吸声效果好但有效作用频带较窄。为改善其声学性能,实验室团队研发了亥姆霍兹类蜂窝三明治声学结构,可用于解决实际工程中的线谱噪声。同时,还在周期排列的亥姆霍兹共振结构的基础上,结合膨胀腔结构和微穿孔板结构,设计了一种具有通风散热性能的隔声结构,解决了现有隔声结构在阻断声音的同时也隔断了流体与光的传播,无法兼顾隔声和通风散热功能的缺陷。

可调负压式薄膜型声学超材料,针对低频线谱噪声设计了可调负压式薄膜型声学超材料。薄膜型声学超材料在负压背腔的作用下表现出明显的几何非线性。借助几何非线性引起的几何刚度变化来调节结构的吸声峰值。利用PET膜代替常规软膜(如:乳胶、橡胶)作为基材,增强了薄膜型声学超材料的耐用性。该结构具备了低频吸声可调且无需额外的阻尼调节便能实现近完美吸声的优点。

说明: 图示

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先进声学超材料

相关的研究成果获批18项实用新型专利,"Journal of the Acoustical Society of America"、 "Ap¬ plied Acoustics"   和"声学学报"等国内外重要的学术期刊发表和录用。

成果3:电场噪声控制技术

电力行业噪声污染问题日益突出,其噪声往往以低频成分为主。低频声的声波波长大、穿透力强,对人体影响也较为显著,目前已成为环保投诉的焦点问题。传统降噪技术在解决电力行业低频噪声问题时,存在诸多问题,如变电设备低频噪声及声振耦合放大效应难以控制、常规辅助降噪材料低频降噪效果差、低频降噪材料在施工验收等环节缺乏有效的耐候耐久性评价方法等。如何降低电力行业低频噪声问题,已成为当前急待解决的突出问题。

项目组经过近十年的研发,针对噪声传播引发的环境问题,对变电装备本体低频噪声控制技术攻关,开发了多种低频降噪材料、结构和适型产品,完成了多项变电设备低噪声器身和复合油箱降噪技术、变电站低频降噪装置的研发和工程应用,有效控制了该领域低频噪声污染。形成了一整套的电力低频噪声治理综合解决方案。上述产品及技术方案已应用于中石化热电厂、电力变电站厂区内部降噪改造,通过应用于上述厂区内部材料结构,厂区噪声下降20 dB以上,有效解决了电力设备低频隔声的瓶颈问题。

说明: 图形用户界面, 工程绘图

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电力行业噪声治理

成果获得浙江省科技进步二等奖,国家电网全球能源互联网研究院科技进步二等奖,发表论文5篇,授权专利3项,制定标准4项。

成果3:弹性元件应变监测系统

弹性元件减振产品已普遍应用于轨道交通中钢轨、道床、扣件、结构基础等各个环节中。由于车辆的运行工况复杂,这些弹性减振元件在工作中承受交变应力作用,尤其是与钢轨直接接触的轨下橡胶垫板,其使用状态直接关系到整车的安全性和可靠性。因此,判断弹性元件的刚度特性及疲劳行为,进而完成刚度性能分析和寿命预测、获取钢轨受力及扣件松紧状态等信息,具有重大的使用价值和现实意义。

实验室团队与企业合作研发的弹性元件应变监测系统,拥有专利3项,结合物联网和嵌入式传感器,可实现轨下橡胶垫板应力应变实时监测,监测垫板在实际使用过程中各应力的分布及其大小,研究轨下橡胶垫板在长期机械载荷作用下的实际应力应变状态,实现长期跟踪测试。系统可分别基于串口的应变有线传输检测技术、应变无线检测技术实现数据传输,同时配有离线检测存储系统,具有高集成度、体积小、功耗低、实时监测的特点,且无线传感器网络技术成熟,系统元器件性能可靠。

成果4:基于负刚度的低频隔振技术在轨道中的应用研究

近年来我国各大城市地铁建设空前高速发展,但路网优化后不可避免地需穿越居民密集区、医院、古建筑等对隔振要求较高振动敏感区域,对轨道结构采取各种必要减振降噪措施的市场需求与日俱增。轨道交通引起的环境振动频率范围在几赫兹到约30赫兹之间,传统线性刚度隔振器在隔离轨道低频振动时面临大变形的问题。鉴于此,引入负刚度机构,采用正刚度原件与负刚度结构并联来实现低频隔振,正负刚度并联使得系统具有高静刚度低动刚度特性,能兼顾高承载和低频隔振,弥补传统线性刚度隔振器的不能兼顾高承载和低频隔振的不足。

正负刚度并联隔振技术为低频隔振提供了新的技术参考和解决途径,并将成为提升低频隔振器产业发展速度的重要产品。该技术能够用于解决精密仪器、柔性结构、大型动力机组、环境振动等领域的低频振动问题。具有一定的成果转化显示度,潜在经济效益明显。目前实验室基于负刚度的低频隔振技术已拥有发明专利和实用新型专利各1顶、发表论文5篇、研制隔振器实验模型1台。

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