自然风的1-f紊动特性的研究现状与展望

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1、自然风的1/f紊动特性的研究现状与展望摘要：自然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规律，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

2、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，FujiiHaruyuki和LutzenhiserLoren[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，

3、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、中国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

4、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电子管产生的信号中[7]。1/f紊动特性形成拨乱反正物理机制引起了物理学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

5、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

6、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Ko

7、bayshiM.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]总结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。　　美妙的音乐具有明显的1/

8、f紊动特性，这点早在1975年R.F.vossd等就已发现[15，16]；1998年，JeongJS,JoungMK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