CN106223222A - 基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板，属于环境噪声控制技术领域，包括吸声体和隔声背板，吸声体包括微穿孔面板及不等深度腔体组；隔声背板包括背面板和上下两个侧面板，隔声背板左右两侧采用封头板进行封闭；不等深度腔体组排列在隔声背板的背面板之上，不等深度腔体组开口侧面向微穿孔面板。本发明还公开了其设计方法。本发明具有绿色环保、结构简单、强度高、且耐候性强等优点，该吸声单元板的降噪系数不低于0.8，在公路噪声能量集中频段吸声性能优越：125Hz‑2500Hz的1/3倍频程中心频率无规入射吸声系数均高于0.5，160Hz‑2000Hz的1/3倍频程中心频率无规入射吸声系数平均值为0.85，同时计权隔声量Rw达到31dB。

Description

基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板及其设计方法

技术领域

本发明属于环境噪声控制技术领域，具体涉及基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板及其设计方法。

背景技术

城市主干道、高速公路及铁路会产生大量的噪声污染，降低人们的生活质量并威胁人体健康。在道路或铁路两侧设置相应的声屏障是阻断噪声传播的有效途径，实际使用的很多声屏障单元板是由彩钢夹芯板制作而成，成本低且具有一定的结构强度和隔声性能，但是不具备吸声作用，在道路两侧平行设置或在高密度城市道路旁使用时，由于屏障间或屏障和建筑立面间噪声的反复反射而明显降低了噪声掩蔽效果。针对这一问题，集吸声、隔声为一体的声屏障单元板得到发展，CN103603277A公开了一种高速铁路用复合型声屏障，主要结构包括基座和面板，基座中间设有内凹的吸声腔，吸声腔内填充岩棉、离心玻璃棉或聚酯纤维吸音棉等吸声材料。CN205348018U公开了一种非金属声屏障单元板，包括背面板和正面板，背面板和正面板的上下两端通过企口连接，中间形成一空腔层，空腔层内填充材料为玻璃棉、岩棉、聚酯纤维、珍珠岩或陶粒中的一种或几种。以上专利所采用的吸声材料均属传统的纤维或多孔类吸声材料，长期使用，特别是在户外恶劣环境下，极易粉化和吸潮霉变，吸声性能大幅下降的同时还可能污染环境。

CN1332096C公开了一种双面吸声啮合空腔无棉声屏障，主要由两侧的铝纤维薄板，微穿孔板和中间的折叠式隔板组成，不采用天然棉、人造棉、玻璃棉、岩棉等纤维材料。CN100523385C公开了一种渐变空腔微穿孔宽频吸声型声屏障屏体，由微穿孔面板以及单层的深度呈线性变化的倾斜背腔组成，虽然比等深度的单层微穿孔板吸声体的吸声频带较宽，但是提升效果相对有限。原因在于这些设计中采用的微穿孔板吸声体的吸声频带宽度有限，单独用于吸收实际频谱宽泛的交通噪声显得困难。

以上背景表明：当前吸声性能优良且无尘、环保、耐潮的声屏障单元板还比较缺乏；其中引入宽频带微穿孔板吸声体将具有很大的应用潜力。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板，本发明的另一目的在于提供基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板的设计方法。

基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板，包括吸声体和隔声背板，吸声体包括微穿孔面板及不等深度腔体组；所述的隔声背板包括背面板和上下两个侧面板，隔声背板左右两侧采用封头板进行封闭；所述的不等深度腔体组排列在隔声背板的背面板之上，不等深度腔体组开口侧面向微穿孔面板；所述的不等深度腔体组包括多个周期，每个周期内的子腔体数量大于2个，相邻子腔体深度不相等，不等深度腔体组并联排列。

当所述的不等深度腔体组横向水平放置到隔声背板之上时，在隔声背板上增设短加强筋和长加强筋，组成稳定的框架结构。

所述的微穿孔面板的板厚为0.2～1.2mm，穿孔直径为0.1～1.2mm，穿孔率为0.5～10％。

当所述的微穿孔面板的穿孔直径大于0.5mm时，在微穿孔面板及不等深度腔体组之间增设无纺布，无纺布克重为10～50g/m²。

所述的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板的设计方法，包括如下步骤：

步骤1)将不等深度腔体组放置到隔声背板之上，不等深度腔体组最深的腔体底部与隔声背板通过铆钉连接，深度不足之处采用垫块进行补足；

步骤2)将封头板通过铆钉连接的方式固定在隔声背板左右两侧，以封闭保护吸声体，将微穿孔面板压覆在不等深度腔体组的开口侧并紧密触及，并保持微穿孔面板的表面平整。

步骤1)中，当不等深度腔体组横向水平放置到隔声背板之上时，在隔声背板上增设短加强筋和长加强筋，将短加强筋通过铆钉连接的方式竖直的固定在背面板之上，将隔声背板均匀的分成三段空腔；长加强筋通过铆钉连接的方式平行的固定在侧面板上；短加强筋和长加强筋与隔声背板组成稳定的框架结构。

步骤2)中，当微穿孔面板的穿孔直径大于0.5mm时，在微穿孔面板及不等深度腔体组之间增设无纺布，使无纺布平整压附在不等深度腔体组的开口侧并全部覆盖，然后将微穿孔面板压覆在无纺布之上，并与不等深度腔体组的开口侧紧密触及，保持微穿孔面板的表面平整。

在一个周期内，不等深度腔体组与微穿孔面板相耦合，并形成与腔体数量基本等同的多个不同频率的吸声峰，从而有效的拓宽吸声频带，周期性不等深度腔体组照如下方法进行设计，其中表示尺寸字母的单位均为mm：

步骤1：确定腔体的宽度和单个周期内腔体的数量；每个腔体宽度为2～30mm，单个周期内腔体的数量大于2个；

步骤2：确定单个周期不等深度腔体组的单位深度比值；基于二次剩余序列组合排列理论，各个子腔体相互之间的单位深度比值与排列方式由下式计算：

l_n＝mod(n²,N+1)

式中，l_n表示第n个腔体的单位深度比值，mod为求余函数，n依次取1,2…N，N表示一个周期内腔体的数量；

步骤3：根据声屏障单元板的厚度限值，确定不等深度腔体组的最大深度D，则腔体组的单位深度d＝D/(l_n)_max。

当不等深度腔体组横向水平放置到隔声背板之上时，根据声屏障单元板的高度H确定隔声背板之上的不等深度腔体组的周期数量m，按以下公式进行计算：

m＝H/w

式中，m截去小数后向下取整，表示不等深度腔体组的周期数量，H表示声屏障单元板的高度，w表示单个周期腔体组的宽度，确定长加强筋的宽度b＝(H-m*w)/2。

当不等深度腔体组竖向垂直放置到隔声背板之上，根据声屏障单元板的宽度L确定隔声背板之上的不等深度腔体组的周期数量m，按以下公式进行计算：

m＝L/w

式中，m截去小数后向下取整，表示不等深度腔体组的周期数量，L表示声屏障单元板的宽度，w表示单个周期腔体组的宽度。

发明原理：微穿孔板吸声体可由金属或高强塑料制作，不含纤维或多孔类吸声材料，是一种新型的环保吸声结构。基于周期性腔体组的宽频带微穿孔板吸声体，仅由表面单层微穿孔板和板后多个深度互不相等的子腔体组成，通过微穿孔板与各个不等深度腔体在不同频率的局部耦合效应，大大的提升了吸声频带宽度，具有极高的应用价值。

有益效果：与基于传统的纤维或多孔吸声材料的吸声单元板相比，本发明的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板具有绿色环保、结构简单、强度高、且耐候性强等优点；本发明的另一个有益之处在于，该吸声单元板的降噪系数不低于0.8，在交通噪声能量集中频段吸声性能优越：125Hz-2500Hz的1/3倍频程中心频率无规入射吸声系数均高于0.5，160Hz-2000Hz的1/3倍频程中心频率无规入射吸声系数平均值为0.85，计权隔声量Rw达到31dB；本发明的设计方法步骤清晰，操作性强，与技术单一的传统声屏障设计方法相比，本设计方法可设计出高吸声的声屏障单元板，同时解决了在设计吸声类声屏障时，过度依赖传统纤维和多孔吸声材料的问题。

附图说明

图1是声屏障吸声单元板的整体结构示意图；

图2是声屏障吸声单元板的隔声背板结构示意图；

图3是声屏障吸声单元板的微穿孔面板结构示意图；

图4是声屏障吸声单元板单个周期的吸声体结构示意图；

图5声屏障吸声单元板的混响室吸声系数测试结果；

图6是声屏障吸声单元板的计权隔声量测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1-4所示，附图标记为：微穿孔面板1、无纺布2、短加强筋3、不等深度腔体组4、隔声背板5、长加强筋6、垫块7和封头板8。其中，图1(a)为不等深度腔体组4横向水平排列在微穿孔面板1上的结构示意图，图1(b)为不等深度腔体组4竖向垂直排列在微穿孔面板1上的结构示意图。

基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板包括吸声体和隔声背板5，隔声背板5为金属板，如镀锌钢板，其主要作用是隔声以及保护和支撑单元板；如图4所示，吸声体包括微穿孔面板1及不等深度腔体组4。

如图2所示，隔声背板5包括背面板51和上下两个侧面板52，且上下两个侧面板52为凸凹相合的企口连接构造，隔声背板5左右两侧采用封头板8进行封闭。不等深度腔体组4排列在隔声背板5的背面板51之上，不等深度腔体组4开口端面向微穿孔面板1。不等深度腔体组4可包括多个周期，每个周期内的子腔体数量大于2个，相邻子腔体深度不相等，并联排列。

当不等深度腔体组4横向水平放置到隔声背板5之上时，在隔声背板5上增设短加强筋3和长加强筋6，组成稳定的框架结构。

微穿孔面板1的板厚为0.2～1.2mm，在提供一定表面强度的同时也能满足高吸声性能的需求，微穿孔面板1的穿孔直径为0.1～1.2mm，穿孔率为0.5～10％，穿孔的排列方式可以为矩形、三角或其他。

当微穿孔面板1的穿孔直径大于0.5mm时，在微穿孔面板1及不等深度腔体组4之间增设无纺布2，无纺布2克重为10～50g/m²。当微穿孔面板1的穿孔直径小于或等于0.5mm时，不使用无纺布2。

基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板的设计方法，包括如下步骤：

步骤1)将不等深度腔体组4放置到隔声背板5之上，不等深度腔体组4最深的腔体底部与隔声背板5通过铆钉连接，深度不足之处采用垫块7进行补足；

步骤2)将封头板8通过铆钉连接的方式固定在声屏障单元板两侧开口，以封闭保护吸声体，将微穿孔面板1压覆在不等深度腔体组4的开口侧并紧密触及，并保持微穿孔面板1的表面平整。

其中，步骤1)中，当不等深度腔体组4横向水平放置到隔声背板5之上时，将短加强筋3通过铆钉连接的方式竖直的固定在背面板51之上，将隔声背板5均匀的分成三段空腔；长加强筋6通过铆钉连接的方式平行的固定在侧面板52上；短加强筋3和长加强筋6与隔声背板5组成稳定的框架结构，保证结构具有足够的强度后，腔体组最深的腔体底部与隔声背板5通过铆钉连接，深度不足之处采用垫块7进行补足。

步骤1)中，当不等深度腔体组4竖向垂直放置到隔声背板5之上时，此时腔体组自身结构即可有效承担竖向荷载，单元板具有较高的结构强度，因此可以不采用短加强筋3和长加强筋6，腔体组最深的腔体底部与隔声背板5通过铆钉连接，深度不足之处采用垫块7进行补足。

步骤2)中，当微穿孔面板1的穿孔直径大于0.5mm时，在微穿孔面板1及不等深度腔体组4之间增设无纺布2，使无纺布2平整压附在不等深度腔体组的开口侧并全部覆盖，然后将微穿孔面板1压覆在无纺布2之上，并与不等深度腔体组4的开口侧紧密触及，保持微穿孔面板1的表面平整。

在一个周期内，不等深度腔体组4与微穿孔面板1相耦合，并形成与腔体数量基本等同的多个不同频率的吸声峰，从而有效的拓宽吸声频带，周期性不等深度腔体组4按照如下方法进行设计：

步骤1：确定腔体的宽度和单个周期内腔体的数量；每个腔体宽度为2～30mm，单个周期内腔体的数量大于2个，宜取6个或10个；

步骤2：确定单个周期不等深度腔体组4的单位深度比值；基于二次剩余序列组合排列理论，各个子腔体相互之间的单位深度比值与排列方式由下式计算：

l_n＝mod(n²,N+1)

式中，l_n表示第n个腔体的单位深度比值，mod为求余函数，n依次取1,2…N，N表示一个周期内腔体的数量；

步骤3：根据声屏障单元板的厚度限值，确定不等深度腔体组4的最大深度D，则腔体组的单位深度d＝D/(l_n)_max；

步骤4：当不等深度腔体组4横向水平放置到隔声背板5之上时，根据声屏障单元板的高度H确定隔声背板之上的不等深度腔体组4的周期数量m，可按以下公式进行计算：

m＝H/w

式中，m截去小数后向下取整，表示不等深度腔体组4的周期数量，H表示声屏障单元板的高度，w表示单个周期腔体组的宽度，确定长加强筋的宽度b＝(H-m*w)/2，以上字母单位均为mm；

当不等深度腔体组4竖向垂直放置到隔声背板5之上，根据声屏障单元板的宽度L确定隔声背板之上的不等深度腔体组4的周期数量m，可按以下公式进行计算：

m＝L/w

式中，m截去小数后向下取整，表示不等深度腔体组4的周期数量，L表示声屏障单元板的宽度，w表示单个周期腔体组的宽度。

实施例1

本实施例中，基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板，将不等深度腔体组4横向水平放置到隔声背板5之上，微穿孔面板1的穿孔直径为0.8mm，使用无纺布2。

声屏障单元板高度为500mm，宽度为1960mm，厚度为115mm；隔声背板5采用厚度为0.5mm的镀锌钢板制作，封头板8采用厚度为1.5mm的镀锌钢板制作，两者起隔声和保护内部吸声结构的作用。微穿孔面板1采用厚度为0.7mm的铝合金板加工，穿孔直径为0.8mm，穿孔排列方式为矩形排列，孔间距5.5mm，穿孔率约为1.66％。

其中，短加强筋3为两根，其长度为440mm。长加强筋6为两根，长度为1960mm。不等深度腔体组4在单个周期内共有6个子腔体，其深度从上到下依次为5mm，20mm，10mm，50mm，100mm，25mm。腔体结构采用环保塑料材质，壁厚2.5mm，单个子腔体净宽15mm。不等深度腔体组4的单个周期长度为614mm，宽度107.5mm，深度102.5mm。

已知单元板高度H为500mm，当不等深度腔体组为横向排列时，其周期数m＝500/107.5＝4个(截去小数点向下取整)，故每段隔声板空腔内平行排列了4个周期的不等深度腔体组4，三段隔声板空腔共有12个周期的腔体组。

基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板的吸声性能与隔声性能均已在具有CMA认证的权威部门进行了检测。吸声性能检测结果如图5所示，其降噪系数不低于0.8，并且在交通噪声能量集中频段的表现为：125Hz-2500Hz的1/3倍频程中心频率无规入射吸声系数均高于0.5，160Hz-2000Hz的1/3倍频程中心频率无规入射吸声系数平均值为0.85；隔声性能检测结果如图6所示，计权隔声量达到31dB；测试结果显示了本发明的声屏障吸声单元板在交通噪声防治应用方面优越的性能和广阔的前景。

Claims (10)

1.基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板，其特征在于：包括吸声体和隔声背板(5)，吸声体包括微穿孔面板(1)及不等深度腔体组(4)；所述的隔声背板(5)包括背面板(51)和上下两个侧面板(52)，隔声背板(5)左右两侧采用封头板(8)进行封闭；所述的不等深度腔体组(4)排列在隔声背板(5)的背面板(51)之上，不等深度腔体组(4)开口侧面向微穿孔面板(1)；所述的不等深度腔体组(4)包括多个周期，每个周期内的子腔体数量大于2个，相邻子腔体深度不相等，不等深度腔体组(4)并联排列。

2.根据权利要求1所述的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板，其特征在于：当所述的不等深度腔体组(4)横向水平放置到隔声背板(5)之上时，在隔声背板(5)上增设短加强筋(3)和长加强筋(6)。

3.根据权利要求1所述的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板，其特征在于：所述的微穿孔面板(1)的板厚为0.2～1.2mm，穿孔直径为0.1～1.2mm，穿孔率为0.5～10％。

4.根据权利要求3所述的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板，其特征在于：当所述的微穿孔面板(1)的穿孔直径大于0.5mm时，在微穿孔面板(1)及不等深度腔体组(4)之间增设无纺布(2)，无纺布(2)克重为10～50g/m²。

5.权利要求1所述的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1)将不等深度腔体组(4)放置到隔声背板(5)之上，不等深度腔体组(4)最深的腔体底部与隔声背板(5)通过铆钉连接，深度不足之处采用垫块(7)进行补足；

步骤2)将封头板(8)通过铆钉连接的方式固定在隔声背板(5)左右两侧，以封闭保护吸声体，将微穿孔面板(1)压覆在不等深度腔体组(4)的开口侧并紧密触及，并保持微穿孔面板(1)的表面平整。

6.根据权利要求5所述的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板的设计方法，其特征在于：步骤1)中，当不等深度腔体组(4)横向水平放置到隔声背板(5)之上时，在隔声背板(5)上增设短加强筋(3)和长加强筋(6)，将短加强筋(3)通过铆钉连接的方式竖直的固定在背面板(51)之上，将隔声背板(5)均匀的分成三段空腔；长加强筋(6)通过铆钉连接的方式平行的固定在侧面板(52)上；短加强筋(3)和长加强筋(6)与隔声背板(5)组成稳定的框架结构。

7.根据权利要求5所述的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板的设计方法，其特征在于：步骤2)中，当微穿孔面板(1)的穿孔直径大于0.5mm时，在微穿孔面板(1)及不等深度腔体组(4)之间增设无纺布(2)，使无纺布(2)平整压附在不等深度腔体组(4)的开口侧并全部覆盖，然后将微穿孔面板(1)压覆在无纺布(2)之上，并与不等深度腔体组(4)的开口侧紧密触及，保持微穿孔面板(1)的表面平整。

8.根据权利要求5所述的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板的设计方法，其特征在于：在一个周期内，不等深度腔体组(4)与微穿孔面板(1)相耦合，并形成与腔体数量基本等同的多个不同频率的吸声峰，从而有效的拓宽吸声频带，周期性不等深度腔体组(4)照如下方法进行设计：

步骤1：确定腔体的宽度和单个周期内腔体的数量；每个腔体宽度为2～30mm，单个周期内腔体的数量大于2个；

步骤2：确定单个周期不等深度腔体组(4)的单位深度比值；基于二次剩余序列组合排列理论，各个子腔体相互之间的单位深度比值与排列方式由下式计算：

l_n＝mod(n²,N+1)

式中，l_n表示第n个腔体的单位深度比值，mod为求余函数，n依次取1,2…N，N表示一个周期内腔体的数量；

步骤3：根据声屏障单元板的厚度限值，确定不等深度腔体组(4)的最大深度D，则腔体组的单位深度d＝D/(l_n)_max。

9.根据权利要求8所述的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板的设计方法，其特征在于：当不等深度腔体组(4)横向水平放置到隔声背板(5)之上时，根据声屏障单元板的高度H确定隔声背板之上的不等深度腔体组(4)的周期数量m，按以下公式进行计算：

m＝H/w

式中，m截去小数后向下取整，表示不等深度腔体组(4)的周期数量，H表示声屏障单元板的高度，w表示单个周期腔体组的宽度，确定长加强筋(6)的宽度b＝(H-m*w)/2。

10.根据权利要求8所述的基于宽频带微穿孔板吸声体的声屏障单元板的设计方法，其特征在于：当不等深度腔体组(4)竖向垂直放置到隔声背板(5)之上，根据声屏障单元板的宽度L确定隔声背板之上的不等深度腔体组(4)的周期数量m，按以下公式进行计算：

m＝L/w

式中，m截去小数后向下取整，表示不等深度腔体组(4)的周期数量，L表示声屏障单元板的宽度，w表示单个周期腔体组的宽度。