自然风的1/f紊动特性的研究现状与展望

摘要：通风是人们乐于接受的通风方式，便其中的原因还没有得到全面、彻底的解释。有学者发现1/f紊动特性是自然界普遍存在的信号紊动，人类的许多生理信号都具有1/f紊动特性，而且人体视觉、听觉对1/f紊动信号也有很好的认同感。日本的学者在80年代初就发现室外自然风同样具有1/f紊动特性，并提出这很可能是自然通风带给人舒适性的一个重要原因。近年来国内外的学者在研究气流紊动特性的描述方法，研制能产生1/f紊动特性气流的机械送风装置等方面进行了尝试。本文综述了该方面相关课题的国内外的研究进展，并指出还有不少有关气流紊动的基础性机理问题有先进于进一步的研究。

关键词：自然风  舒适性能  1/f紊动特性

1 引言
　　
　　自然通风是人们乐于接受的通风方式，除了能减少传统空调制冷系统的使用，降低能耗外，其更有利于人的生理和心理健康也是其中一个重要原因。各国的研究者在调查时均发现，人们对室外的自然风有着更好的接受性。1992年，Fujii Haruyuki 和Lutzenhiser Loren [1] 在公款空调住宅的居民行为进行调查时发现，尽管许多家庭都配备有完善的空调装置，但大部分人都更喜欢打开窗户，依靠自然通风来保持室内物理环境，只有当自然通风无法保证室内环境时，人们才会使用空调设备，同年，Busch[2]对泰国曼保的两种类型（自然通风和空调）办公房间热舒适进行了实地调查，发现对于自然通风建筑，让人觉得舒适的环境温度明显高于通常的空调设计温度，其它学者在利比亚、等地的调研也得到了类似的结论[3][4][5]。另一方面在实践中人们也发现人体对较高风速的自然风的长时间的耐受程度远远好于相同平均风速的机械风，以上的研究成果均表明在自然通风条件下，人体的热感觉要比温度相同的机械空调通风控制的环境来得舒适。但是，其中的原因至今还没有得到一个被普遍接受的解释。
　　人体周围的气流的流动对人体的热感觉有着极为敏感的影响，关于自然风的风速脉动特征，日本的研究者们在80年代就发现其具有所谓1/f紊动特性（1/fluctuation）[6]并试图生产能够产生这种特征气流的空调设备。1/f紊动特性（1/fluctuation）是自然界普遍存在的规律，其最早发现于直流电流充入管产生的信号中[7]。1/f紊动特性形成拨乱反正物理机制引起了物家和工程师们的极大兴趣，从1977年开始，多学科参加的关于1/f紊动特性的国际会议每两年举行一次，但至今还没有形成一个被广泛接受的理论。近年来的研究不断发现，1/f紊动特性大量存在于生物系统中，而且与人的愉悦感受密切相关[8]。人体许多生理信号也具有明显的1/f紊动规律，而且人体视觉、听觉对1/f紊动信号也有很好的认同感。自然风同样具有1/f紊动特性，这可能为自然通风带给人的舒适性提供了一个合理的解释。
　　
2．1/f紊动特性与人体的舒适性
　　
　　自然界有许多随机的信号（噪声），功率谱密度函数是描述这些信号数据牲最重要的参数，不同频率f对应的功率谱密度的大小反映了某一周期的信号的强弱。利用快速傅立叶变化（FFT），即可得到离散信号的功率谱密度函数s(f)。根据s(f)和频率f在双对数坐标上的图象，自然界中的信号（噪声）通常可以划分为3种（如图1所示），对数功率谱为水平直线的白噪声，即s(f)=1/f0；s(f)=1/f2的是褐色噪声（布朗噪声）；s(f)=fβ，β介于0～2之间的称I/f的噪声。I/f0噪声处于完全随机变化中，不存在自相关性，I/f2噪声有很强的自相关性，噪声处于以上二者之间，存在一定的自相关性[9]。

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图１　三种典型紊动功率谱密度函数

　人们发现，人体很多的生理信号均属于1/f噪声，具有1/f的紊动特性，而且当人体处于松弛愉悦状态时，生理信号的功率谱指数β（即1/f的负生产率）十分接近于1。1982年，日本的Kobayshi M.等[10]对人体心跳周期的研究中发现心跳信号具有1/f紊动规律。1993，calcagnini，G。Jr.[11]对正常人和高血压人的心跳速率频谱分析表明，正常人心跳信号的功率谱指数β为1.12±0.14，而高血压患者为1.24±0.15。人们还发现心脏收缩产生的血压信号和婴儿的呼吸速率等信号都同样符合1/f紊动分布规律[12，13]。1997年，日本的武者利光（T.Musha）等[14]了在生物系统中存在的1/f紊动特性，列举了人们在细胞、器官和行为三个层次的生理信号发现的1/f紊动规律。
　　美妙的具有明显的1/f紊动特性，这点早在1975年R.F.vossd等就已发现[15，16]；1998年，Jeong JS, Joung MK等研究了人们对音乐情感响应如何在反射在大脑电信号上，研究结果再次证实了具有1/f紊动规律的音乐能带给人愉悦的响应[17]。
　　1991年，日本茨城大学教授安久正紘（M.Agu）等[18]发现自然光与人造光在紊动特性是不同的，让人体感到舒适的自然光线（如经过树叶撒向地面的阳光）的照度脉动具有1/f紊动特性，白炽灯的功率谱比较接近自然光，即β值接近1，而荧光休的功率谱却有一部分具有白噪声的特点。他们指出，通过控制变极器输出电压的脉冲宽度，可以使荧光粉具有1/f的紊动特性。

3．风的1/f紊动特性

　　日本的学者在80年代初就发现室外自然风的风速脉动具有1/f紊动特性[6]，而后还有不断有研究者主实这一发现。1997年还是日本的研究者T.Hara等[19]在日本长野的一个对夜晚的室外微风进行了测量，结果分析表明风速变化具有1/f紊动特性；2000年，清华大学的朱疑秋[20]对自然风和机械风进行了多个样本的测量和频谱分析，给出了典型的自然风和机械风功率谱密度图，如图2和图3所示。结果表明，自然风功率谱密度分布符合1/f，且功率谱指数与人体生理信号指数接近，而机械风的功率谱密度分布不具有明显的1/f规律。以上研究成果可能能从一个角度说明自然风比机械风更舒适的原因。

　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图２　典型自然风功率谱密度图　　　　　　图３　典型机械风功率谱密度图
　　自然风具有1/f紊动特性这一现象的发现，促使人们开始研究和制造具有此种紊动特点的人工机械送风设备，以改善送风气流对人体的舒适性。松下电气公司的研究者们认为海滨自然风的值β接近1，因此人的感受应该最好，并努力将此成果应用到空调系统中[21][22]。鹿岛建设在1989年建成的岛（KI）大厦就宣布有采用了仿自然风的空调送风形式[23]。1988年，日本的安久正紘曾试图通过引入一个拟数字速度控制系统，控制电风扇的转速变化来模拟自然风[24]，1997年T.Hara等[19]也尝试用微机产生的混沌的信号去控制风机产生1/f紊动风，但他们均未能给出所产生气流的紊动特征参数如功率谱来证明其产生自然风的浓度是成功的。山武-Honeywell公司也曾经投入研究经费开发仿自然风的空调设备，发现在风口附近模拟出自然风就很难，更难以在房间空间模拟出自然风，因此在90年代中期停止了这项产品研究。2000年，清华大学贾庆贤[25]发现控制转速产生气流从频谱上看仍然人有普通机械风的特征。他通过自然风和机械风产生的不同机理分析，提出用转动盘控制出口流量分配来产生不同风速频谱的方法，开发出送风末端装置。利用此装置产生的四种风束变化的人体热舒适实验结果表明：接近于自然风频谱特征的风速变化模式比其它三种风速变化模式（稳定风速、正弦风速、随机风速）有更好的可接受性，有61%的受试者认为模拟自然风是最舒适的。在对模拟自然风进行的频说分析中发现，其功率谱密度曲线基本满足1/f规律[20]。
　　
4．研究展望
　　
　　室外自然风具有1/f紊动特性，目前已得到众多研究者的认可。自然通风是室外自然风进入建筑内部的过程，那么进入室内风是否还具有1/f紊动特性？不同建筑结构、节流部件对气流的紊动特征何影响？这些问题目前仍然还没有得到充分深入的研究。2001年，清华大学谭刚[26]运用湍流统计理论、随机分析方法等非线性研究工具研究了自然通风建筑对气流风紊动特性的影响，发现建筑附近的室外自然风的值β近似1.1，而由于门窗和房间空间的作用，进入到室内的气流值β逐渐加大到1.7，仍然具有1/f特征，但已经向褐色噪声偏移。热压自然通风形成的气流则具有与室外自然风类似的紊动特性，但也有一些差别。
　　国内外研究者正在努力尝试研究出能产生1/f紊动特性气流的机械送风装置，目前已有一些成功的报道；但是迄今为止，在房间较大的空间中模拟自然同非常困难，其原因正是由于室内气流紊动特征的形成和改变理与影响因素还没有完全得到揭示，也就缺乏在室内“制造”自然风环境的理论基础。调研中还发现，目前已有的对自然风的测试均是一个测试度的，对于同一测点在不同方向上的风速是否具有同样的紊动规律？这些也还需要做进一步的研究。
　　自然风和机械风在紊动特性上的区别，为人们改善机械风的送风舒适性提供了改进的方向，但要真正能在建筑室内产生人工的自然风，还有很多的研究工作需要开展。
　　
5 结论
　　
　　1．1/f紊动特性大量存在于生物系统中，并且与人的愉悦感受爱密切相关。研究表明，自然风也具有1/f紊动特性，而机械风的功率说分布密度不具有明显的1/f规律，这可能能从一个角度说明自然风比机械风更舒适的原因。 　　
　　2．自然风和机械风在紊动特性上的区别，为人们改善机械风的送风舒适性提供了改进的方向，为了在室内产生真正的自然风环境，还必须对室内气流紊动特性的形成机理研究进行研究，了解各种因素对气流紊动特性的影响。
　　
　　

　　
　　1．Fujii,Haruyuki; Lutzenhiser, Loren Japanese residential air-conditioning; natural cooling and intelligent systems, Energy and Buildings v 18 n 3-4 1992 p 221-233 0378-7788.
　　2. Busch, John F., Tale of two populations :thermal comfort in air-conditioned and naturally ventilated offices in Thailand, Source: Energy and Buildings v 18 n 3-4 1992 p 221-233 0378-7788.
　　3. Ealiwa MA. Taki AH, Howarth AT, Seden MR, An investigation into thermal comfort in the summer season of Ghadames , Libya , Building and environment 36 (2): 231-237 FEB 2001
　　4.吕方、涂光备、李景广，空调与非空调房间舒适度的区别分析，全国暖通空调制冷2000年学术文集，pp208-212
　　5 夏一哉、赵荣义、江亿,北京市住宅环境热舒适研究，暖通空调，1999年第2期
　　6 根子哲明，安久正紘，“自然微风のゃぃきにぉけ”スベクトルとそのモデル，第29回物春季予稿集，2T-X-5，1982。
　　7.J.B.Johson, The schottky effect in low frequency, Physics Review, Vo1.26, pp 71, 1925.
8 武者利光,ぃきの世界,东京,日本:讲谈社,1980年
　　9 刘式达、刘式适，孤波和湍流，上海科技出版社，1994
　　10  Kobayashi M., Musha T.: 1/f fluctuation of heartbeat period. IEEE Trans. Biomed. Eng. BME-29:456-457,1982
　　11 1/f spectrum slope of 24 hour heart rate variability signal in normal and hypertensive subjects G. Jr, Calcagnini., Computers in Cardiology Sep 5-8 1993 1993 Sponsored by : IEEE Computer Society Pub1 by IEEE p 543-545 0276-6574)
　　12 1/f spectrum slope of 24 hour heart rate variability signal in normal and hypertensive subjects G. Jr, Calcagnini., Computers in Cardiology Sep 5-8 1993 1993 Sponsored by : IEEE Computer Society Pub1 by IEEE p 543-545 0276-6574)
　　13 1/f fluctuations in fetal breathing rates, Noguchi, Y,; Cheng, P.; Dwyer, G.; Szeto, H.H., Engineering in Medicine and Biology Society, 1989. Images of the Twenty-First Century., Proceedings of the Annual International conference of the IEEE Engineering in ,1989 Page(s):328-329 vol.1
　　14 Musha, T.; Yamamoto, M., 1/4 fluctuations in biological systems, Engineering in Medicine and Biology Society, 1997. Proceedings of the 19th Annual International Conference of the IEEE, Volume: 6, 1997, Page(s):2692-2697 vol1.6
　　15 R.F.Voss, J. Clarke, ‘1/f Noise’ in music and speech, Nature 258 (1975) 317-318
　　16 R.F.Voss, J. Clarke, 1/f Noise in music: music from 1/f Noise, J. Acoust. Soc. Amer. 63 (1978) 258-263
　　17 Jeong JS, Joung MK, Kim SY, quantification of emotion by nonlinear analysis of the chaotic dynamics of electroencephalograms during perception of 1/f music, BIOLOGICAL YCYBERNETICS 78 (3): 217-225 MAR 1998
　　18 K.Oguchi, H. Tsukamoto, H.Seki, M. Agu. 1/f fluctuation control of illuminance environment, IEEE Industry Application society annual Meeting, 1991, p1870-1875
　　19 T. Hara, M. Shimizu, K. Iguchi & G. Odagiri · Chaostic Fluctuation in Natural Wind and Its Application to Thermal Amenty ·Nonlinear analysis, Theory, Mechods &Application 1997·30(5)·2803-2813
　　20 朱颖秋，自然风与机械风的紊动特性研究，硕士学位，北京清华大学，2000
　　21 Takeda, Masaaki, et al., Search for amenity by ‘1/f’ fluctuation of electric fan, National Technical Report (Matsushita Electric Industry Company ) v 35 n 6 Dec 1989 p 101-107, In Japanese
　　22 H. Ichinose, Air Conditioning of 1/f fluctuation, National Technical Report ( Matsushita electric Co. Ltd.), v 38 n 1, Feb. 1992, In Japanese.
　　23 A. Okamoto, T. Hasegawa, S. Togari, Air-conditioning system of the KI Building, ASHRAE Journal, Aug. 1992, pp 32-37
　　24 K. Oguchi, H. Adachi, T. Kusakabe, M. Agu, Digital system for 1/f fluctuation-speed control of a small-fan motor, Proceedings of IEEE, Vo1.76, Issue:3, March 1988, pp299-300
　　25 贾庆贤，送风末端装置的动态化研究，博士学位论文，北京清华大学，2000
　　26 谭刚，自然通风建筑气流紊动特性研究，硕士学位论文，北京清华大学，2001年