CN107245964B - 一种基于Bragg散射声子晶体的吸声型声屏障顶部结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Bragg散射声子晶体的声屏障顶部吸声结构，包括直立屏体(1)、固定底板(3)、第一散射吸声体(4)和第二散射吸声体(5)，其特征在于：固定底板(3)是一块平直硬质塑料板或金属板，用来连接散射吸声体和直立屏体(1)并起着支撑第一散射吸声体(4)和第二散射吸声体(5)的作用；第一散射吸声体(4)和第二散射吸声体(5)底部安装在固定底板(3)上，固定底板(3)安装在直立屏体(1)顶端并关于屏体(1)前后对称；在干涉消声机制和多种吸声机制的共同作用下，本发明设计的基于声子晶体的声屏障顶部吸声结构能够最大程度地对绕射声波进行有效衰减，从而降低受声点处的声压级，从整体上提高声屏障的降噪效果。

Description

一种基于Bragg散射声子晶体的吸声型声屏障顶部结构

技术领域

本发明涉及交通降噪领域，特别涉及一种Bragg散射声子晶体的吸声型声屏障顶部结构。

技术背景

噪声污染己成为继大气污染和水污染之后的世界第三大污染，在众多的噪声种类中，交通噪声日益突出，危害严重。随着我国高速公路、铁路网建设的突飞猛进，城市道路和车流量的迅速发展，交通噪声的危害越来越大。

声屏障作为防治道路交通噪声污染的有效途径，在道路交通噪声污染防治中得到广泛的应用。如图1所示，噪声通过声屏障到达受声点有三条路径：绕射、透射以及反射。其中顶部绕射是最主要的路径，除少部分声波通过透射和多次反射到达受声点外，大部分声波通过声屏障顶部绕射到受声点。一个性能优异的声屏障，需要对顶部绕射声有足够大的衰减才能取得不错的降噪效果。

实际使用的道路声屏障以“直立型”为主，绕射衰减效果明显不足。为了改进这个缺点，常用的方法是在“直立型”声屏障的基础上增加顶部结构。这些顶部结构按照功能可以分成两大类：一类是改变声屏障顶端的角度和形状，增加声屏障的等效高度，如常见的“T型”“倒L型”“折臂型”等，图2是它们的结构简图。这种类型的顶部结构是目前我国应用最为普遍的声屏障结构类型，但存在附加降噪效果不理想，降噪能力有限的缺点。另一类是利用纤维吸声材料和共振吸声结构对顶部绕射声进行吸收衰减，常见的做法是在顶部添加纤维类吸声材料、将顶部设计成特殊的声波共振腔室结构。将纤维类吸声材料添加到顶部结构中可以增强声屏障的降噪效果，然而纤维类吸声材料容易受到自然的侵蚀，吸声效果逐渐变差，最终还会反过来对环境造成污染。目前共振吸声型顶部结构发展还不完善，共振频率范围有限，只能针对很窄的频率范围有较好的降噪效果。不同的噪声环境，频率特性可能相差很大，比如城市主干道和城市轻轨。但传统的声屏障在设计时，没有考虑根据具体的噪声环境做出调整，而在所有的噪声环境中使用一模一样的声屏障，导致声屏障的降噪性能在有些环境中明显不足。此外，传统声屏障顶部结构的增加使得声屏障整体高度变高，从而降低声屏障的透光性，影响自然光线条件下的行车视线，间接增大高速行车的危险系数。现有声屏障顶部结构存在如下问题：

1、目前已有的声屏障顶部结构对绕射声衰减有限，附加降噪效果不理想，导致声屏障整体降噪能力不足，不能满足降噪需求；

2、添加纤维类吸声材料的声屏障顶部结构，由于纤维类材料易被逐渐侵蚀，不但降噪效果变差，最终还会反过来污染环境；共振吸声型声屏障顶部结构只能针对很窄的频率范围有较好的降噪效果。

3、传统声屏障在设计时，没有考虑根据具体的噪声环境做出调整，而在所有的噪声环境中使用一模一样的声屏障，不能与具体噪声环境的频率特性相适应，达到最好的噪声衰减效果；

4、传统声屏障由于增加顶部结构会导致整体透光性能变差，对行车视野不利，长时间接触容易产生视觉疲劳和压抑感，间接增大高速行车的危险系数。

技术内容

噪声通过声屏障到达受声点的主要路径是顶部绕射，顶部绕射声的衰减效果很大程度决定了声屏障的整体降噪效果，传统声屏障降噪性能不好的原因正在于绕射声衰减能力不足。针对现有声屏障顶部结构绕射声衰减能力不足的问题，本发明提供了一种基于Bragg散射声子晶体的吸声型声屏障顶部结构，对绕射声进行有效衰减从而提高声屏障整体的降噪性能。

本发明的技术方案是提供了一种基于Bragg散射声子晶体的声屏障顶部吸声结构，包括直立屏体、固定底板、第一散射吸声体和第二散射吸声体，其特征在于：

固定底板是一块平直硬质塑料板或金属板，用来连接散射吸声体和直立屏体并起着支撑第一散射吸声体和第二散射吸声体的作用；第一散射吸声体和第二散射吸声体底部安装在固定底板上，固定底板安装在直立屏体顶端并关于屏体前后对称；

靠近道路噪声的一行安装第一散射吸声体，中间行安装第二散射吸声体，最后一行安装第一散射吸声体；

第一散射吸声体和第二散射吸声体均按正方形晶格周期排列，中心间距为a，第一散射吸声体和第二散射吸声体的高度均为h，可以根据不同噪声环境的频率来改变a和h的值。

进一步地，第一散射吸声体包括微穿孔内圆柱薄板、带缺口的八角形棱柱板、微穿孔外圆柱薄板，微穿孔内圆柱薄板、外圆柱薄板均由微穿孔板加工而成；带缺口的八角形棱柱板由正四棱柱板在每条边的中心挤压出相等大小的直角，并对其中一个直角加工出一定大小的缺口得到；第一散射吸声体在安装时缺口朝向道路噪声一侧；微穿孔内圆柱薄板与带缺口的八角形棱柱板内接、微穿孔外圆柱薄板与带缺口的八角形棱柱板(4.2)外接。

进一步地，微穿孔外圆柱薄板与八角形棱柱外壁构成微穿孔吸声腔，微穿孔内圆柱薄板将带缺口的八角形棱柱板内腔分隔成7个小赫姆霍兹共振腔和1个大赫姆霍兹共振腔，从而构成多个微穿孔赫姆霍兹共振腔吸声器。

进一步地，第一散射吸声体和第二散射吸声体的高度均为h；第一散射吸声体和第二散射吸声体构造相同；在第一散射吸声体中：微穿孔内圆柱外径R₁ ⁺，微穿孔内圆柱内径R₁ ^-；微穿孔外圆柱外径R₂ ⁺，微穿孔外圆柱内径R₂ ^-；

在第二散射吸声体5中：微穿孔内圆柱外径R₃ ⁺，微穿孔内圆柱内径R₃ ^-；微穿孔外圆柱外径R₄ ⁺，微穿孔外圆柱内径R₄ ^-；其中R₂ ⁺>R₄ ⁺。

本发明的有益效果：

当噪声从声屏障的一侧经该顶部结构绕射到受声点时，一方面声波在声子晶体阵列中发生干涉作用，声能由于干涉相消减小一部分，另一方面声波被各个散射吸声体在各种吸声机制的共同作用下吸收一部分，从而使得通过声屏障到达受声点的声压值大大降低。

1、在干涉消声机制和多种吸声机制的共同作用下，本发明设计的基于声子晶体的声屏障顶部吸声结构能够最大程度地对绕射声波进行有效衰减，从而降低受声点处的声压级，从整体上提高声屏障的降噪效果；

2、本发明设计的基于声子晶体的声屏障顶部吸声结构避免了使用传统纤维类吸声材料，取而代之的是各种由金属材料制成的吸声结构，避免被侵蚀，吸声效果不会随着使用时间逐渐变差。各种吸声结构在不同的频率范围同时作用，克服了传统共振吸声型声屏障顶部结构只能针对很窄的频率范围有较好降噪效果的缺陷。

3、针对传统声屏障不能与具体噪声环境的频率特性相适应的缺点，本发明设计的基于声子晶体的声屏障顶部吸声结构可以针对具体噪声环境的频率特性，优化设计尺寸，从而满足各种不同噪声环境下的降噪要求；

4、本发明中各个散射吸声体在安装时保持着一定大小的距离，并不会影响自然光线的透过，具有良好的透光性，克服了传统声屏障由于增添顶部结构而造成透光性降低的缺陷。

附图说明

图1为声源通过声屏障到达受声点的示意图；

图2为几种常见的声屏障结构简图；

图3为带有声子晶体顶部结构的声屏障3D模型图；

图4为图3中声子晶体声屏障顶部结构的俯视示意图；

图5为图3中第一散射吸声体的俯视示意图；

图6为图3中第一散射吸声体的3D模型图；

图7为图6中微穿孔圆柱薄板横截面的示意图；

图8为图6中带缺口的八角形棱柱板横截面的示意图；

图9为计算机仿真声屏障噪声衰减的示意图；

图中：1-直立屏体，2-基于Bragg散射声子晶体的吸声型声屏障顶部结构，3-固定底板，4-第一散射吸声体，4.1-微穿孔内圆柱薄板，4.2-带缺口的八角形棱柱板，4.3-微穿孔外圆柱薄板，4.4-小赫姆霍兹共振腔，4.5-大赫姆霍兹共振腔，4.6-微穿孔吸声腔，5-第二散射吸声体，6-刚性地面，7-声屏障模型，8-声源，9-计算声压级的场点。

具体实施方式

以下结合附图1～9对本发明的技术方案进行详细说明。

图1为声源通过声屏障到达受声点的示意图，如图所示，噪声通过声屏障到达受声点有三条路径：绕射、透射以及反射。其中顶部绕射是最主要的路径，除了少部分声波透射和经过多次反射到达受声点外，大部分声波通过声屏障顶部绕射到受声点。

图2为几种常见的声屏障结构简图，它们通过改变声屏障顶端的角度和形状，增加声屏障的等效高度，从而提高声屏障的降噪效果。

图3为带有声子晶体顶部结构的声屏障3D模型图。如图所示，本发明提供了一种基于Bragg散射声子晶体的声屏障顶部吸声结构，其包括：包括直立屏体1、固定底板3、第一散射吸声体4和第二散射吸声体5。固定底板3、第一散射吸声体4和第二散射吸声体5共同组成基于Bragg散射声子晶体的吸声型声屏障顶部结构2。优选地，直立屏体1为现有普通直立型声屏障，其结构可以为现有的普通直立型声屏障结构。优选地，固定底板3是一块平直硬质塑料板或金属板(但不限于)，用来连接散射吸声体和直立屏体1并起着支撑散射吸声体的作用。各个散射吸声体底部安装在固定底板3上，固定底板3安装在直立屏体1顶端并关于屏体1前后对称，从而形成基于Bragg散射声子晶体的吸声型声屏障顶部结构。

图4为图3中声子晶体声屏障顶部结构的俯视示意图，如图所示，散射吸声体具体安装方法为：靠近道路噪声的一行安装第一散射吸声体4，中间行安装第二散射吸声体5，最后一行安装第一散射吸声体4。散射吸声体按正方形晶格周期排列，中心间距为a，所有散射吸声体的高度均为h，可以根据不同噪声环境的主要频率来改变a和h的值，从而改变声子晶体的理论禁带频率范围，以达到最优的声学效果。优选地，第一、三行第一散射吸声体4的中心离固定底板3前后边缘留有少量距离便于安装。当声波通过本发明中按特定规律周期分布的散射吸声体时，被不断反射，反射声波发生干涉，声波能量由于干涉作用被大大消耗，从而降低绕射到受声点的声压值。

图5为图3中第一散射吸声体的俯视示意图，如图所示，第一散射吸声体由微穿孔内圆柱薄板4.1、带缺口的八角形棱柱板4.2、微穿孔外圆柱薄板4.3组成。微穿孔内圆柱薄板4.1、外圆柱薄板4.3均由微穿孔板加工而成；带缺口的八角形棱柱板4.2由正四棱柱板在每条边的中心挤压出相等大小的直角，并对其中一个直角加工出一定大小的缺口得到。散射吸声体在安装时缺口朝向道路噪声一侧。微穿孔内圆柱薄板4.1与带缺口的八角形棱柱板4.2内接、微穿孔外圆柱薄板4.3与带缺口的八角形棱柱板4.2外接。微穿孔外圆柱薄板4.3与八角形棱柱4.2外壁构成“微穿孔吸声腔”4.6，微穿孔内圆柱薄板4.1将带缺口的八角形棱柱板4.2内腔分隔成7个小赫姆霍兹共振腔4.4和1个大赫姆霍兹共振腔4.5，构成多个“微穿孔赫姆霍兹共振腔吸声器”。

本发明设计了多种声学策略共同作用，以获得最优的声学效果。具体声学原理如下：

首先，当声波通过按特定规律周期分布的散射吸声体时，被各个散射吸声体不断反射，反射声波发生干涉，声波能量由于干涉作用被大大消耗，从而降低绕射声。如图3和图4所示，本发明利用了声子晶体禁带产生机理来设计散射吸声体。相关研究表明，声子晶体的理论禁带宽度与散射体的对称性密切相关，且当散射体的对称性与排列晶格的第一Brillouin区对称性相同时理论禁带宽度最大，此时声波发生干涉相消的频率范围最大。本发明中晶格排列方式是正方形，即排列晶格的第一Brillouin区为正方形，在本发明所设计的散射吸声体中，带缺口的八角形棱柱板承担着声子晶体中散射体的作用，与排列晶格的第一Brillouin区具有相同的对称性，所以能够获得最大的禁带宽度。在金属/空气系统中，最低声波禁带的中心频率可由基体声速c(空气声速为340m/s)和晶格常数a(散射体之间的距离)近似确定，即c/2a。因此，可根据不同噪声环境的主要频率范围确定不同的晶格常数，以适应特定的噪声环境。此外，由于各个散射吸声体之间保持着安装距离，并不会妨碍自然光线的透过，因此本发明所设计的基于Bragg散射声子晶体的声屏障顶部结构具有良好的透光效果。

其次，如图5所示，本发明在散射吸声体中设计了“微穿孔吸声腔”，当声波通过按特定规律周期分布的散射吸声体时，被不断反射，引起微穿孔外圆柱薄板与八角形棱柱外壁之间空腔内空气的强烈共振，一部分声能被吸收。以第一散射吸声体为例，微穿孔外圆柱薄板与八角形棱柱板外壁构成微穿孔吸声结构，对入射声波进行吸收。微穿孔吸声结构是由穿孔直径小于1mm的薄板和板后空腔组成的共振吸声结构，利用微孔自身的声阻吸声，无须填充多孔吸声材料，因此吸声效果不会随使用年限逐渐变差。由微穿孔结构吸声理论可知，吸声频率主要由穿孔率σ、孔径d、板厚t及板后空腔大小决定，因此可根据不同噪声环境的主要频率范围确定这些参数，使该结构具有最佳的吸声效果。

进一步地，如图5所示，除了“微穿孔吸声腔”，本发明在散射吸声体中还设计了“微穿孔赫姆霍兹共振腔吸声器”，当声波通过按特定规律周期分布的散射吸声体时，被不断反射，反射声波通过八角形棱柱板的缺口进入“微穿孔赫姆霍兹共振腔吸声器”，一部分声能被吸收。以第一散射吸声体为例，如图5所示微穿孔内圆柱薄板将带缺口的八角形棱柱板内腔分隔成7个小赫姆霍兹共振腔(微穿孔内圆柱薄板和八角形棱柱板之间的空腔)和1个大赫姆霍兹共振腔(微穿孔内圆柱薄板自身的空腔)，构成多个“微穿孔赫姆霍兹共振腔吸声器”。研究表明，赫姆霍兹共振腔在低频范围具有较好的吸声效果，当与微穿孔吸声结构结合时可以扩宽吸声频率范围。由古典赫姆霍兹理论可知，赫姆霍兹共振吸声频率主要由缺口尺寸和共振腔体积决定，所以大、小赫姆霍兹共振腔可在不同的频率范围起作用。当目标噪声环境的主要频率范围确定时，可通过优化八角形棱柱板的缺口尺寸及共振腔体积获得最佳的吸声效果。由于大、小赫姆霍兹共振腔的同时作用以及微穿孔吸声结构的扩频作用，“微穿孔赫姆霍兹共振腔吸声器”能够在较宽的频率范围起到很好的吸声效果。

最后，为了在更宽的声波频带范围充分发挥作用，本发明还设计了尺寸不同的第一散射吸声体4和第二散射吸声体5，形成了多组不同尺寸的“微穿孔吸声结构”和“微穿孔赫姆霍兹共振腔吸声器”。这些吸声结构在不同的频率范围同时作用，可以在更宽的频率范围对入射声波吸收，以达到最好的吸声效果。

第二散射吸声体同样由微穿孔内圆柱薄板、带缺口的八角形棱柱板、微穿孔外圆柱薄板组成。第二散射吸声体与第一散射吸声体除了在尺寸上有差别外，其他结构完全相同。当声波通过本发明中按特定规律周期分布的散射吸声体时，被不断反射到各个吸声结构，所有吸声结构同时作用，吸收一部分声能。

图6～8具体描述了第一散射吸声体各部分的结构特点及尺寸，值得注意的是第二散射吸声体与第一散射吸声体除了在尺寸上有差别外，其他结构完全相同。图6为图3中第一散射吸声体的3D模型图，第一散射吸声体4和第二散射吸声体5的高度均为h。微穿孔圆柱薄板横截面的示意图如图7所示，值得说明的是，所有微穿孔内、外圆柱薄板除了尺寸有差别外，结构完全相同。R⁺表示微穿孔圆柱薄板外径大小，R^-表示微穿孔圆柱薄板内径大小，t表示微穿孔圆柱薄板的厚度大小，三者的关系为：R⁺＝R^-+t。微穿孔圆柱薄板直径共有四种尺寸规格，在第一散射吸声体中：微穿孔内圆柱4.1外径R₁ ⁺，内径R₁ ^-；微穿孔外圆柱4.3外径R₂ ⁺，内径R₂ ^-。在第二散射吸声体5中：微穿孔内圆柱外径R₃ ⁺，内径R₃ ^-；微穿孔外圆柱外径R₄ ⁺，内径R₄ ^-。所有微穿孔圆柱薄板均由厚度t，孔隙率σ，孔径d的铝合金薄板加工而成。

带缺口的八角形棱柱板横截面的示意图如图8所示，值得说明的是，所有带缺口的八角形棱柱板除了尺寸有差别外，结构完全相同。缺口长度有两种尺寸规格，在第一散射吸声体4中，缺口长度为L₁，第二散射吸声体5中，缺口长度为L₂。所有八角形棱柱板均由厚度为T的铝合金板加工而成。由几何关系可知，在微穿孔内圆柱薄板、外圆柱薄板尺寸给定的情况下，带缺口的八角形棱柱板尺寸也是唯一确定的。上述尺寸可以根据具体噪声环境的主要频率特点来调整，从而改变吸声结构起作用的主要频率范围，以达到最优的吸声效果。当噪声声波通过周期性分布的散射吸声体时，一方面声波在各种吸声机制的共同作用下吸收一部分，另一方面声波在声子晶体阵列中发生干涉作用，声能由于干涉相消减小一部分，从而使得受声点的声压值大大降低。

图9为声屏障噪声衰减计算仿真模型，其包括：刚性地面6、声屏障模型7、声源8、场点9。值得说明的是，仿真计算通过专业的振动噪声分析软件Virtual.lab完成，且此仿真模型得出的绕射声插入损失计算结果已被实践证明是准确有效的。

仿真对比计算了2组声屏障模型在相同外界条件下的平均插入损失(IL)：

模型1:普通直立型声屏障；

模型2:直立屏体+“声子晶体”顶部

具体实验条件：声源幅值1Pa，距离声屏障的水平距离是3m，距地面高度1.5m，频率范围选取交通噪声主要集中的中低频段50Hz～500Hz；声屏障长度为18.2m；在声屏障后方18m、24m、30m的距离上分别取高度为5m、8m、11m、14m、17m、20m的6个场点，分别计算两个声屏障模型在这18个场点上的绕射声插入损失。取这18个场点的A记权声压级插入损失的平均值评价声屏障的降噪效果，并比较二者的降噪性能。

模型1为2.7m普通直立型声屏障。在模型2中，直立屏体部分与模型1完全相同，“声子晶体”声屏障顶部的具体尺寸大小根据仿真实验条件中声源的频率范围确定。

仿真实验中用到的具体参数值为：a＝0.28m，h＝0.3m，R₁ ⁺＝111mm，R₁ ^-＝110.2mm，R₂ ⁺＝145mm，R₂ ^-＝144.2mm，R₃ ⁺＝80mm，R₃ ^-＝79.2mm，R₄ ⁺＝105mm，R₄ ⁺＝104.2mm，t＝0.8mm，σ＝2％，d＝0.8mm，L₁＝40mm，L₂＝30mm，T＝3mm。

计算结果：模型2比模型1的平均降噪量高2.1dB(A)，即安装了“声子晶体”顶部的声屏障降噪效果提高了2.1dB(A)。计算机仿真结果证明，本发明提供的基于Bragg散射声子晶体的吸声型声屏障顶部结构，可以对绕射声进行有效衰减从而提高声屏障整体的降噪性能。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细的介绍，但应理解的是，这些描述仅仅用具体的个例对原理及实施方式进行了阐述，并非用来限制本发明专利的应用。本发明专利的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明专利保护范围和精神的情况下针对发明专利所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (3)

1.一种基于Bragg散射声子晶体的声屏障顶部吸声结构，包括直立屏体(1)、固定底板(3)、第一散射吸声体(4)和第二散射吸声体(5)，其特征在于：

固定底板(3)是一块平直硬质塑料板或金属板，用来连接散射吸声体和直立屏体(1)并起着支撑第一散射吸声体(4)和第二散射吸声体(5)的作用；第一散射吸声体(4)和第二散射吸声体(5)底部安装在固定底板(3)上，固定底板(3)安装在直立屏体(1)顶端并关于屏体(1)前后对称；

靠近道路噪声的一行安装第一散射吸声体(4)，中间行安装第二散射吸声体(5)，最后一行安装第一散射吸声体(4)；

第一散射吸声体(4)和第二散射吸声体(5)均按正方形晶格周期排列，中心间距为a，第一散射吸声体(4)和第二散射吸声体(5)的高度均为h，可以根据不同噪声环境的频率来改变a和h的值；第一散射吸声体(4)包括微穿孔内圆柱薄板(4.1)、带缺口的八角形棱柱板(4.2)、微穿孔外圆柱薄板(4.3)，微穿孔内圆柱薄板(4.1)、外圆柱薄板(4.3)均由微穿孔板加工而成；带缺口的八角形棱柱板(4.2)由正四棱柱板在每条边的中心挤压出相等大小的直角，并对其中一个直角加工出一定大小的缺口得到；第一散射吸声体(4)在安装时缺口朝向道路噪声一侧；微穿孔内圆柱薄板(4.1)与带缺口的八角形棱柱板(4.2)内接、微穿孔外圆柱薄板(4.3)与带缺口的八角形棱柱板(4.2)外接；第一散射吸声体(4)和第二散射吸声体(5)构造相同。

2.根据权利要求1所述的基于Bragg散射声子晶体的声屏障顶部吸声结构，其特征在于：微穿孔外圆柱薄板(4.3)与八角形棱柱(4.2)外壁构成微穿孔吸声腔(4.6)，微穿孔内圆柱薄板(4.1)将带缺口的八角形棱柱板(4.2)内腔分隔成7个小赫姆霍兹共振腔(4.4)和1个大赫姆霍兹共振腔(4.5)，从而构成多个微穿孔赫姆霍兹共振腔吸声器。

3.根据权利要求1所述的基于Bragg散射声子晶体的声屏障顶部吸声结构，其特征在于：第一散射吸声体(4)和第二散射吸声体(5)的高度均为h；在第一散射吸声体(4)中：微穿孔内圆柱(4.1)外径R₁ ⁺，微穿孔内圆柱(4.1)内径R₁ ^-；微穿孔外圆柱(4.3)外径R₂ ⁺，微穿孔外圆柱(4.3)内径R₂ ^-；

在第二散射吸声体5中：微穿孔内圆柱外径R₃ ⁺，微穿孔内圆柱内径R₃ ^-；微穿孔外圆柱外径R₄ ⁺，微穿孔外圆柱内径R₄ ^-；其中R₂ ⁺>R₄ ⁺。