声学智能窗 【技术领域】
本发明一般涉及窗领域，并具体涉及窗中的噪声传输、噪声减小以及声学控制。
背景技术
窗通常包括一个或多个透明面板(或嵌玻璃)，例如玻璃、塑料等。窗用于建筑物、汽车、飞机等，其用于在接纳光的同时保护其不受热损失或增益、水分损失或增益、噪声等的影响。很多窗面临的一个问题是：它们常常不能提供相对于噪声的充分保护。到最后，已经发展了用于减小通过窗的声传输的技术。
一种用于减小通过窗的声传输的技术包括双嵌玻璃窗，所述嵌玻璃的每一个具有不同的厚度，相比于具有有着相同厚度的嵌玻璃的两嵌玻璃窗，其用于阻塞更宽范围频率的噪声。另一种技术包括具有两嵌玻璃窗，所述嵌玻璃的每一个具有不同的密度，相比于具有有着相同密度地嵌玻璃的两嵌玻璃窗，其用于阻塞超过更宽范围频率的噪声。对于一些技术，在不同厚度和/或密度的两个窗玻璃之间设置振动阻尼材料，以用于阻尼任一窗玻璃的振动。用于减小通过窗的声传输的这些技术存在的一个问题是：相比较于传统的两嵌玻璃窗，它们通常需要增大的框架尺寸和更多的玻璃，这将导致增大的成本。此外，这些技术会导致相对更重的窗，并且这样安装起来会比传统的窗更困难。此外，这些技术受两嵌玻璃窗的限制。
另一种用于减小通过窗的声传输的技术包括用于减小声传输的层压窗玻璃。然而，层压窗玻璃比非层压的窗更昂贵，例如贵大约30％至60％。此外，层压的窗和具有不同密度的嵌玻璃的两嵌玻璃窗会改变窗的光学性能。
由于以上的原因，并由于基于下面的其它原因，对本领域的普通技术人员来说，基于阅读和理解给出的说明，在本领域中存在可替代的噪声抑制窗的需要是明显的。
【发明内容】
本发明的一个实施例提供了一种具有框架的窗，该框架具有设置于其中的窗玻璃。在窗玻璃和邻近窗玻璃的周边的一部分的框架之间设置第一阻抗不连续部件。临近窗玻璃的周边的另一部分设置第二阻抗不连续部件。第一和第二阻抗不连续部件具有不同的阻抗。
本发明的另一实施例提供一种具有框架的窗。在框架内部设置多个窗玻璃。多个窗玻璃的每一个基本上平行于多个窗玻璃的另一个，通过间隙将多个窗玻璃的每一个与多个窗玻璃的另一个分离。临近多个窗玻璃的每一个的周边设置第一和第二阻抗不连续部件，第一和第二阻抗不连续部件具有不同的阻抗多个窗玻璃的临近窗玻璃的第一和第二阻抗不连续部件彼此相对地交错。
本发明的另一实施例提供一种具有框架的窗，所述框架具有设置于其内部的窗玻璃。临近窗玻璃的周边的一部分设置无源阻抗不连续部件。在窗玻璃和邻近窗玻璃的周边的另一部分的框架之间设置有源阻抗不连续部件.激励有源阻抗不连续部件，以使有源和无源阻抗不连续部件具有不同的阻抗。
本发明的另一实施例提供一种具有框架的窗，所述框架具有设置于其内部的窗玻璃。在窗玻璃和临近窗玻璃的周边的框架之间设置致动器。在窗玻璃和临近窗玻璃的周边的框架之间设置传感器。窗也包括控制器，该控制器具有电耦合至传感器的输入和电耦合至致动器的输出。
【附图说明】
图1是说明了依据本发明的实施例的窗的部分的透视图。
图2是说明了依据本发明的另一实施例在图1的窗的窗玻璃周围的阻抗不连续部件分布的透视图。
图3示出了依据本发明的另一实施例在窗玻璃周围分布的离散阻抗不连续部件。
图4示出了依据本发明的又一实施例在窗玻璃周围分布的离散阻抗不连续部件。
图5示出了本发明的阻抗不连续性部件的实施例的横截面图。
图6示出了本发明的阻抗不连续性部件的另一实施例的横截面图。
图7A、7B和8说明了本发明的阻抗不连续性部件的其它实施例。
图9是说明了本发明的阻抗不连续性部件的另一实施例的横截面图。
图10说明了依据本发明的另一实施例的控制设备。
图11A和11B分别说明了传统的窗玻璃和依据本发明的实施例具有阻抗不连续性的窗玻璃内部的振动能量分布。
图12是依据本发明的另一实施例用于控制来自窗的声辐射的方法的流程。
【具体实施方式】
在下面的详细说明中，参照形成为其一部分的附图，并且其中通过其中可以实践本发明的具体实施例对其示出。以充分的细节说明这些实施例，以允许本领域的普通技术人员实践本发明，并且可以理解可以采用其它的实施例，并且可以进行逻辑、机械和电的变化，只要其不脱离本发明的精神和范围。因此下面的详细说明不限制理解。
窗玻璃上的声波碰撞引起窗玻璃振动。振动窗玻璃在随着窗玻璃的振动能量的增大而增大声压强度(SPL)处的辐射声音。此外，从窗玻璃辐射的声音取决于窗玻璃和框架结构中振动能量的分布。因此，减小振动窗玻璃的振动能量或修改振动能量分布可以减小来自窗玻璃的声辐射。振动窗玻璃中振动能量的分布取决于在窗玻璃的边界(或周边)处的环境。即，振动能量和振动窗玻璃中它的分布取决于在它的周边支持窗玻璃的方式。
本发明的实施例提供具有在窗玻璃的周边处的阻抗(或刚度)不连续性的“声学智能窗”，其用于在由于碰撞声波引起窗玻璃振动时修改窗玻璃内部的振动能量分布。在一些实施例中，阻抗不连续性效用减小了窗玻璃的振动能量。通过无源和/或有源阻抗不连续性部件可以产生在窗玻璃的周边处的阻抗不连续性，所述阻抗不连续性部件对于实施例用于减小通过能量管理的振动能量，例如重新分配窗玻璃内部的振动能量以及能量消散。在各种实施例中，阻抗不连续性部件是产生材料或结构中弹性改变的任何事物。
图1是说明了依据本发明的实施例的窗100的部件的透视图。窗100包括框架130。在框架130内部设置窗玻璃1101和1102，以使窗玻璃1101基本上与窗玻璃1102平行。通过间隙120将窗玻璃1101和1102彼此分离，例如填充气体，例如空气、氖、氩等。
在一个实施例中，框架130包括沟槽152和154。在临近窗玻璃1101和1102的每一个的周边140的沟槽152和154内部分别设置具有不同阻抗(或对动作的阻力)的阻抗不连续部件162和164。阻抗不连续部件162形成窗玻璃1101和框架130之间的界面，同时，阻抗不连续部件164形成窗玻璃1102和框架130之间的界面。阻抗不连续部件162和164分别接触临近窗玻璃1101和1102的每一个的周边140的窗玻璃1101和1102，并支持框架130内部的窗玻璃1101和1102。在实施例中，阻抗不连续部件162或164是框架130，或是由与框架130相同的材料制成。
图2是依据本发明的另一实施例的在窗玻璃1101和1102的周边140周围阻抗不连续部件162和164的分布的透视图。在窗玻璃1101的周边140的-部分周围设置阻抗不连续部件162，同时在窗玻璃1101的周边140的另一部分周围设置阻抗不连续部件164。这产生了邻近在窗玻璃1101的周边140的阻抗不连续性210。在窗玻璃1102的周边140的一部分周围也设置阻抗不连续部件162，同时在窗玻璃1102的周边140的另一部分周围设置阻抗不连续部件164。这产生了在窗玻璃1102的周边140的刚度不连续性220。在实施例中，如图1和2所述，相对于窗玻璃1102的阻抗不连续部件162和164交错窗玻璃1101的阻抗不连续部件162和164，以产生窗玻璃1101和1102之间的阻抗不连续性。同时图1说明了具有两个窗玻璃的窗，窗玻璃的数量不局限于两个。相反，窗可以具有任何数量的窗玻璃，包括单个的窗玻璃。
如图1和图2所述，阻抗不连续部件162和164不局限于连续部件。相反，在另一实施例中，阻抗不连续部件162和164是沿着窗玻璃1101和1102的每一个的周边140的一个或多个部分设置的离散部件。图3示出了用于一个实施例的情况，沿着窗玻璃110的相对边缘302和304设置一个或多个阻抗不连续部件162，并且沿着位于相对边缘302和304之间的窗110的相对边缘306和308设置一个或多个阻抗不连续部件164。图4示出了用于另一实施例的情况，沿着窗110的边界302、304、306、308的每一个设置阻抗不连续部件162，并在窗玻璃110的拐角410的每一个处设置阻抗不连续部件164。阻抗不连续部件162和164的设置不局限于在图2-4中所述的设置。例如，可以彼此相对地设置一个或多个阻抗不连续部件162和一个或多个阻抗不连续部件164。例如分别沿着相对边缘302和304等，或以其它模式。
在一个实施例中，阻抗不连续部件162和164是无源阻抗不连续部件，例如阻抗不连续部件162和164可以是钢、弹性体、木材等等的固体，弹簧，比如线圈、叶片、环、板等，只要阻抗不连续部件162和164由不同的刚度制成。例如，在一个实施例中，阻抗不连续部件162是钢固体，同时阻抗不连续部件164是木材固体、弹性固体、弹簧等。在另一实施例中，阻抗不连续部件162和164不同刚度的弹簧。在一些实施例中，阻抗不连续部件162和164是在框架130的部分中的孔、沟槽、凹槽等，其用于改变框架130的各个部分中的弹性。在一个实施例中，不连续部件162和164是阻尼材料，例如粘弹性材料。
在其它的实施例中，阻抗不连续部件162和164是有源阻抗不连续部件(或致动器)。在一个实施例中，阻抗不连续部件162和164是包括铅、镁和铌酸盐(PMN)的成分，铅、锆酸盐和钛酸盐(PZT)的成分等的压电激励器。压电结构和操作对本领域的普通技术人员是熟知的。因此在此不再提供具体结构和操作的详细说明。可以理解当将电压施加至作为阻抗不连续部件162和164而配置的压电致动器时，阻抗不连续部件162和164对窗玻璃110和框架130赋予压力。在一个实施例中，压力产生窗玻璃110和框架130之间的阻抗(或对动作的阻力)。施加不同的电压至作为阻抗不连续部件162和164而配置的压电致动器引起阻抗不连续部件162和164产生不同的阻抗。
对于一个实施例，阻抗不连续部件162和164包括被电极502分离的压电层5001至500N，例如如图5所述的金属电极，图5是窗100的一部分的横截面图。对于另一实施例，如图6所述，阻抗不连续部件162和164包括具有在基底600内部设置多个压电部件650的基底600，图6是窗100的一部分的横截面图。对于一些实施例，压电部件650是压电棒、压电管、多个压电层等。
对于其它实施例，阻抗不连续部件162和164是类似于温度调节装置中的双金属片工作的压电挠曲机。对于另一实施例，作为包括平行的压电条分层的压电致动器设置阴抗不连续部件162和164。这些制动器的位移垂直于极化和电场的方向。最大路径是条带的长度的函数，并且平行条带的数量确定部件的刚度和稳定性。
在另一实施例中，一般如图7A和7B所述，阻抗不连续部件162和164包括压电传感器710和压电致动器720。在一个实施例中，压电传感器710和压电致动器720是集成的。在一些实施例中，如图7A所述，基本上平行于窗玻璃110和框架130堆叠压电传感器710和压电致动器720。即，压电传感器710和压电致动器720的每一个都接触窗玻璃110和框架130。在其它的实施例中，把压电传感器710和压电致动器720放在一起(如图7B所示，基本上垂直于堆叠的窗玻璃110和框架130)。即，在压电致动器720和框架130之间设置压电传感器710，同时在压电传感器710和窗玻璃110之间设置压电致动器720。
当将电压Vin施加至压电致动器720的时候，它对产生窗玻璃110和框架130之间的阻抗不连续性的窗玻璃110和框架130施加一个力。相反，当窗玻璃110对压电传感器710赋予振动或压力的时候，或者直接用于图7A的实施例，或者间接经过压电致动器720间接用于图7B的实施例，压电传感器710产生指示振动或压力的电压Vout。
在另一个实施例中，阻抗不连续部件162和164是从形状记忆合金(SMAs)形成的致动器。SMAs是通过减小SMA材料中的热量具有能够通过发生相位转换返回至原始形状的能力的材料。当SMA低于它的转换温度，它具有非常低的屈服强度，并能够容易地变形成新的形状(它将保持的形状)。然而，当在它的转换温度之上加热SMA，它将返回至它的原始形状。如果在该转换过程中SMA遇到任何阻力，它能够产生大的压力。最公共和有用的形状存储器材料是被称为镍钛诺(Nickel Titanium Naval Ordance Laboratory)的镍钛合金。
在一个实施例中，如图8所述，阻抗不连续部件162和164是以相对大的冲程从SMA金属薄片810和820形成的叶片弹簧。在一个实施例中，夹子例如在每平方英寸40叶片弹簧的包装密度中终止SMA金属薄片810和820。当将控制电流IC施加至叶片弹簧，控制电流产生加热SMA金属薄片810和820的热量，在一个实施例中其大于它们的转换温度。在一个实施例中，这引起金属薄片810和820在通过图8中的箭头850示出的方向上移动。在另一实施例中，通过直接接触传导加热SMA金属薄片810和820，例如利用被加热的材料接触SMA金属薄片810和820，比如抗热金属等。在一个实施例中，通过对流加热SMA金属薄片810和820，例如将SMA金属薄片810和820曝光于被加热的气流等。
在另一实施例中，如图9所示，阻抗不连续部件162和164是设置于窗110和框架130之间的SMA线圈弹簧900。在一个实施例中，施加控制电流至SMA线圈弹簧900，例如用于加热SMA线圈弹簧900，通过大约10的因数增大弹簧常数。在另一实施例中，通过直接接触传导加热SMA线圈弹簧900，例如利用被加热的材料接触SMA金属薄片810和820，比如抗热金属等。在一个实施例中，通过对流加热SMA线圈弹簧900，例如将SMA线圈弹簧900曝光于被加热的气流等。
在各种实施例中，阻抗不连续部件162可以包括压电致动器，并且阻抗不连续部件164能够包括SMA致动器，并且反之亦然。在一些实施例中，阻抗不连续部件162可以包括无源阻抗不连续部件，并且阻抗不连续部件164可以包括有源阻抗不连续部件，比如压电和/或SMA致动器，并且反之亦然。例如，在一个实施例中，阻抗不连续部件162是SMA线圈弹簧，并且阻抗不连续部件164是无源线圈弹簧。当没有电流供给至SMA线圈弹簧的时候，无源和SMA线圈弹簧具有相同的刚度。另一方面，当电流供给至SMA线圈弹簧，增大了SMA弹簧的刚度，例如大至10的因数，并且无源和SMA弹簧具有不同的刚度。
图10说明了依据本发明的另一实施例用于控制来自窗的声辐射的控制设备1000。在该实施例中，阻抗不连续部件162和/或164是致动器，例如压电和/或SMA致动器。控制器1010的输出耦合至阻抗不连续部件162和/或164的每一个。控制器1010的输入耦合至振动传感器1020，例如压电传感器，比如图7A和7B的压电传感器710等。在一个实施例中，如图10所示，振动传感器1020连接至临近周边140的窗玻璃110。在另一实施例中，如图10进一步示出的，在窗玻璃110和框架130之间设置振动传感器1020。对于一些实施例，阻抗不连续部件162和/或164是如所述用于图7A或7B的，并包括传感器和致动器。
控制器1010接收被发送至振动传感器1020来自指示临近窗玻璃110的周边140的振动的振动传感器1020的信号(例如被传感的电压Vsense)。控制器1010产生并发送信号至阻抗不连续部件162和/或164，例如用于压电致动器的控制电压VC或用于SMA致动器的控制电流IC，以调节窗玻璃110和框架130之间的阻抗。
在各种实施例中，调节阻抗以产生由于声波在其上碰撞而引起的振动的临近单个窗玻璃110的周边140的阻抗不连续性。刚度不连续性用于修改窗玻璃110内部的振动能量分布。对于各种实施例，刚度不连续性用于减小窗玻璃110的振动能量以及从其中的声辐射。在另一实施例中，临近窗玻璃110的周边140的阻抗不连续性重新定向或限定振动能量至窗玻璃110或框架130的预定部分。在一些实施例中，无源阻抗不连续性部件用于消散被重新定向或被确定的振动能量。
如从有限部件计算机模拟获得的，图11A和11B分别说明了传统的窗玻璃内部的振动能量分布以及依据本发明的实施例具有临近窗玻璃的周边的阻抗不连续性的窗玻璃。可以看出阻抗不连续性用于修改窗玻璃内部的振动能量分布。此外，对于该实施例，可以看出修改振动能量分布用于减小振动能量，例如大约三个级别的振幅。
在另一实施例中，调节阻抗产生连续的窗玻璃的周边之间的阻抗不连续性，比如窗玻璃1101和1102之间，以及邻近窗玻璃的每一个的周边的阻抗不连续性。例如，对于窗玻璃1101和1102，当声波在窗玻璃1101上碰撞，邻近窗玻璃1101的周边140的阻抗不连续性用于修改窗玻璃1101内部振动能量分布。对于各种实施例，邻近窗玻璃1101的周边140的阻抗不连续性用于减小窗玻璃1101的振动能量。此外，窗玻璃1101和1102之间阻抗不连续性用于减小从窗玻璃1101至窗玻璃1102的振动能量的传导。邻近窗玻璃1102的周边140的阻抗不连续性用于修改窗玻璃1102内部振动能量分布。对于各种实施例，邻近窗玻璃1102的周边140的阻抗不连续性用于减小窗玻璃1102的振动能量以及这样其中的声辐射。
在另一实施例中，邻近窗玻璃1101和1102的每一个的周边140的阻抗不连续性重新定向或限定振动能量至每一窗玻璃1101和1102或框架130的预定部分。在一些实施例中，无源阻抗不连续性部件用于消散被限定或重新定向的振动能量。
图12是依据本发明的另一实施例用于控制来自窗的声辐射的方法1200的流程。在方块1210，振动传感器1020检测由于声波碰撞于其上而振动的临近窗100的窗玻璃110的周边140的振动。从振动传感器1020发送表示振动的信号至控制器1010。在方块1220，控制器1010确定窗玻璃110内部的振动能量分布以及这样来自窗玻璃100的声辐射。在一个实施例中，控制器1010从如通过来自振动传感器1020的信号表示的周边140处的振动计算窗玻璃110中的振动能量分布以及这样来自窗玻璃100的声辐射。在另一实施例中，控制器1010比较来自振动传感器1020的信号和历史振动数据(通常被本领域的熟练技术人员称为“基线数据”)，以确定窗玻璃110中的振动能量分布以及这样来自窗玻璃100的声辐射。
当在决定方块1230处振动能量超过预定水平，控制器1010确定在周边140处的刚度分布，例如从与基线数据的计算和比较，以用于减小低于预定水平的振动能量，从而修改窗玻璃110内部的振动能量分布，或重新分布或限定振动能量至窗玻璃110的预定部分。随后，在方块1250，控制器1010发送信号至阻抗不连续性部件162和/或164，以调节窗玻璃110和框架130之间的阻抗，从而获得临近周边的上面确定的刚度分布。方法1200然后返回至方块1210。在决定方块1230处，当振动能量小于或等于预定值，方法1200终止于方块1260。
在一个实施例中，阻抗不连续性部件162和/或164感应与在应用点处的结构的空间衍生物(也就是张力、剪力)成比例的一组压力。在另一实施例中，阻抗不连续性部件162和/或164感应通过涡流功率通量(VPF)限定的一组压力，例如如于2000年11月28日申请的名称为SMART SKIN STRUCTRUES、序列号为No.09/724,369的美国专利(未决的)所述，于此将该申请参考结合。
结论
尽管于此已经说明和描述了具体实施例，本领域的普通技术人员可以理解，被计算以获得相同的用途的任何设置都可以替代示出的具体实施例。本发明的多种修改对本领域的普通技术人员是明显的。因此，该申请试图覆盖本发明的任何修改和变化。很明显，本发明试图仅被下面的权利要求和其等价物限定。