CN107513949A - 一种铁路隔音降噪结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路隔音降噪结构及其制备方法，由一定数量的地形单元体沿铁路噪声声波方向排列组合构成，地形单元包括土堤与下凹洼地，满足土方平衡，土堤与下凹洼地内的主要成分空气构成声子晶体原胞，声子晶体原胞周期性排列构成一维声子晶体结构，通过布拉格散射效应产生弹性波禁带，增强隔音降噪能力，土堤形成声学屏障，对声波进行反射，并利用土堤间的下凹洼形成空腔结构，促使噪声声波在空腔进行多重反射，转化成热能耗散，土堤包括绿化草坡及人行道路，绿化草坡排水至下凹洼地收集用于绿地灌溉，节约水资源，人行道路提供休闲功能，绿地草坡覆盖有草坪，形成共振单元体，控制弹性波向前传播，进一步增强隔音降噪效果。

Description

一种铁路隔音降噪结构及其制备方法

技术领域

本发明属于隔音降噪领域，涉及隔音降噪绿化地形结构，尤其是一种铁路隔音降噪结构及其制备方法。

背景技术

铁路作为社会主力交通工具快速发展，但产生的噪音污染已成为声学环境主要问题之一。时速达到250km/h的列车噪声声压级超过80分贝，时速达到350km/h的列车噪声声压级超过90分贝。铁路噪音严重影响人们的正常生活与工作，并对人的身心健康产生危害。不仅容易引起耳聋，还会对大脑神经系统、内分泌系统等产生消极影响。

现有技术中，控制铁路噪声传播途径以达到隔音降噪的主要方式为修建声屏障，如公开号为CN1550616A公开了降低铁路噪音用的陶瓷吸声装置；公开号CN102421969A公开了用于抑制烦扰交通噪音的声学屏蔽装置。另外，现有降噪绿化带通过特殊的阵列方式栽种树木，以草木作为散射体，空气为基底的隔音绿化带带隙频宽较小，因此隔音性能较弱降噪效果不佳，且草木具有一定生长周期，达到降噪隔音功能需要一定时间。

发明内容

为了避免现有铁路声屏障建造成本较高、使用寿命较短、维护费用较高等问题，以及解决现有声子绿化带设计中所存在的散射较弱、带隙频宽较小等隔音降噪缺陷并绿化带生长周期长等问题，本发明提供了一种隔音降噪设施，并辅以绿化配置，可以充分利用铁路两侧土地的性质与功能，通过合理的结构有效控制铁路噪音，并增加绿化面积、建立生态系统、增设休闲场所。

本发明所采用的技术方案是：

一种铁路隔音降噪结构，包括复数个地形单元体；所述复数个地形单元体沿铁路噪声声波方向排列；所述地形单元体包括基底、凸起、凹陷；所述凸起与凹陷不接触；所述凸起为对称结构；所述凸起的横截面不为方形结构；所述凹陷的横截面为倒梯形结构。现有技术缺少利用地形结构降噪方面的研究，本发明利用铁路两侧面积较大的土地设计新的结构，并辅以绿化措施，可以产生良好的降噪效果，相比于普通声屏障，地形降噪具有降噪效果好、建造成本低、使用寿命长、维护费用较低等特点，尤其是无需特殊地貌，除了桥架铁路外，任何铁路都可适用。

本发明还公开了一种铁路隔音降噪结构的制备方法，包括以下步骤，沿铁路噪声声波方向排列设置复数个地形单元体，制备铁路隔音降噪结构；所述地形单元体包括基底、凸起、凹陷；所述凸起与凹陷不接触；所述凸起为对称结构；所述凸起的横截面不为方形结构；所述凹陷的横截面为倒梯形结构。

本发明进一步公开了上述铁路隔音降噪结构在降低噪音中的应用，尤其是在降低铁路噪音中的应用。

本发明的地形单元体为带状结构，长度不做限定，根据需要设计几公里或者十几公里，在地平上满足地形单元体内土方平衡，设置挖方形成凹陷，设置填方形成凸起，凹陷与凸起间保持一定间距设置人行道路，关键是凹陷与两侧凸起的侧壁形成空腔，空腔中的空气作为晶体材料与凸起共同构成声子晶体原胞，声子晶体原胞随着地形单元体周期性排列构成一维声子晶体结构。

上述技术方案中，所述地形单元体的数量为2～6，多个地形单元体平行相连排列，形成重复单元组成铁路隔音降噪结构，周期性结构兼顾降噪效果与建设占地面积，凸起土堤间由下凹洼地即凹陷相隔，下凹洼地与两侧土堤形成空腔，空腔内为空气，空腔两端为原始未开挖土地。本发明结构中，声子晶体原胞中心之间的距离为晶格常数，晶格常数与地形单元体宽度相同，根据用地面积与土地性质通过设计地形单元体构造设定晶格常数，既可以达到有效降噪音的效果，又能够充分利用现有闲置或者不利于利用的铁路两侧土地。

上述技术方案中，所述凸起的横截面为三角形结构或者梯形结构，本发明的横截面结构符合几何定义，梯形即上小下大、倒梯形即上大下小。地形的塑造与利用在满足现代人的需求方面发挥重要作用。通过土方工程处理地形结构可以形成丰富的竖向景观空间，同时具有增加绿化面积、提高生物多样性、组织排水等生态功能，但是现有地形结构构建通常以绿地微地形为主，例如，园路绿地微地形结构，其通过绿地微地形增加绿化面积，为人们提供休闲场所，此种地形结构针对园路微地形，起伏较小、结构孤立，隔音降噪功能较弱。本发明的结构利用凸起与凹陷结合平层形成一维声子晶体结构作为一种具有带隙特性的周期性复合结构可用于隔音与噪声控制，既提高铁路两侧地形隔音降噪效果，减少建造成本，提高使用寿命，又兼顾绿化环保要求、生态功能及休闲娱乐需求。

上述技术方案中，所述凸起的表面设有绿化层；所述凹陷的表面设有地被层；土堤凸起构成屏障物形成声学屏蔽装置，绿化层绿地草坡上覆盖有草坪形成局域共振单元体，控制弹性波传播，下凹洼地覆盖有地被层，进一步增加噪声的吸收与反射，土堤排水至下凹洼地，并收集用于绿地灌溉，同时作为凹陷的下凹洼地可作为耕地及景观建设用地。

上述技术方案中，所述凸起的坡度22°～26°；所述凹陷的坡度22°～30°；所述凹陷的深度为0.8～1.2米；所述凸起的高度为2～2.5米。本发明结构内部存在布拉格散射效应导致其具有带隙特性，产生弹性波禁带，即处于禁带频率范围内的振动或声波在周期结构中没有对应的振动模式，将被禁止在声子晶体中传播。由于布拉格散射形成的弹性波带隙对应的弹性波的波长一般与晶格常数相当，本发明通过参数设计调节晶格常数与声子原胞周期数量达到铁路噪声控制与地形结构占地面积相平衡，有效增强地形结构的隔音降噪能力。采用土堤凸起与空气作为声子晶体原胞构成材料，由于弹性常量比较大，产生弹性波禁带频率较宽。优选土堤横截面为三角形结构或者梯形结构，与空气组成声子晶体原胞，其内部材料组分比叠加，有效扩展弹性波禁带频率范围；此外，利用土堤构成屏障物形成声学屏蔽装置，对声波进行反射，所述土堤高度2～2.5m，兼顾降噪效果与建造成本；利用土堤间与土堤间的下凹洼形成空腔结构，促使噪声声波在空腔进行多重反射，转化成热能耗散，以减少噪声传播，增强降噪效果。

上述技术方案中，绿化层的高度小于30cm，避免水土流失同时防止过高的绿化层不易种植会改变土堤结构，影响噪音阻隔等问题；尤其是克服了绿化层对空气作为晶体材料与凸起共同构成的声子晶体原胞的影响。

上述技术方案中，所述凸起与凹陷之间的距离为0.8～1m，地形单元体的宽度根据作为凹陷的下凹洼地深度与作为凸起的土堤覆土厚度在满足土方平衡要求下设置，之间间隔0.8～1m既可以满足人行需求，又能够节约施工，最主要是符合一维声子晶体产生弹性波禁带频率，提高防噪效果。

上述技术方案中，所述铁路隔音降噪结构为土质材料，这样可以直接在铁路保护区外侧设置铁路隔音降噪结构连接铁轨基底，增强声波布拉格散射效应，避免声波未经过降噪而扩散。

本发明在地面地形结构上设计由一定数量的地形单元体沿铁路噪声声波方向并与铁轨方向平行排列构成一维声子晶体构造的铁路隔音降噪绿化地形结构，地形单元体为带状结构，在地平的基础上，满足地形单元体内土方平衡，通过设置挖方形成下凹洼地作为凹陷，设置填方形成土堤作为凸起，凸起的底面与凹陷的顶面在同一水平面，挖方与填方间保持一定间距设置人行道路并作为禁带频率结构，下凹洼地与两侧土堤形成空腔，空腔中的空气作为晶体材料与土堤共同构成声子晶体原胞，声子晶体原胞周期性排列构成一维声子晶体结构，通过布拉格散射效应产生弹性波禁带，控制铁路噪声传播，土堤包括绿化草坡，其上覆盖有草坪形成局域共振单元体，控制铁路噪声传播方向，下凹洼地覆盖有地被。

本发明的共振单元还包括土堤上的绿地草坡，绿地草坡覆盖有草坪构成绿化层，形成声子晶体构造中的局域共振单元体，当声子晶体中传播的弹性波的频率接近共振单元的共振频率时，共振结构单元将与弹性波发生强烈的耦合作用，使弹性波不能向前传播，沿土堤平行方向传播，产生带隙，限制与空腔结构中，并转化为热能，进一步增强隔音降噪效果。

本发明还公开了一种地形单元体；所述地形单元体包括基底、凸起、凹陷；所述凸起与凹陷不接触；所述凸起为对称结构；所述凸起的横截面不为方形结构；所述凹陷的横截面为倒梯形结构。

上述技术方案中，所述凸起的横截面为三角形结构或者梯形结构。

上述技术方案中，所述凸起的表面设有绿化层；所述凹陷的表面设有地被层。

上述技术方案中，所述凸起的坡度22°～26°，所述凹陷的坡度22°～30°，即凸起中斜面的倾角角度与凹陷中斜面的倾角角度做限定，并且可以相同也可不同，最大程度满足布拉格散射效应产生宽弹性波禁带；所述凹陷的深度为0.8～1.2米；所述凸起的高度为2～2.5米。

上述技术方案中，所述凸起与凹陷之间的距离为0.8～1m。

本发明的有益效果是，本发明首次采用绿化地形作为隔音屏障，通过结构设计，形成布拉格散射效应产生宽弹性波禁带，避免了普通声屏障建造成本高、使用寿命短、维护费用高等问题；本发明构造的铁路隔音降噪绿化地形结构，在铁路两侧沿声波方向切与铁轨平行方向布置，相比于普通地形结构，具有特殊的带隙特性且禁带频率较宽，并构成共振结构单元，提高其隔音降噪能力；本发明公开的结构满足场内土方平衡，减少工程量；通过绿化地形结构设计控制铁路噪音，减少了建造成本，提高使用寿命，丰富了竖向景观层次，改善绿化环境，形成小型生态系统，为行人提供休闲场所。

附图说明

图1为本发明铁路隔音降噪结构三维结构示意图；

图2为本发明地形单元体横截面结构示意图；

图中，地形单元体1、基底2、凸起3、凹陷4、绿化层5、地被层6、人行道路7。

具体实施方式

为了解决铁路噪声污染严重，铁路两侧土地利用率低，普通声屏障建造成本高、使用寿命低、维护成本高，绿化面积少，景观效果差等问题，现提供一种铁路隔音降噪绿化地形结构。

下面将结合本发明的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

一种铁路隔音降噪结构，包括四个地形单元体1，沿铁路噪声声波方向排列；地形单元体包括基底2、凸起3、凹陷4；凸起与凹陷之间的距离为0.8m；凹陷的横截面为倒梯形结构，凸起为对称结构，凸起的横截面为三角形结构；凸起的表面设有绿化层5，为植草层，凹陷的表面设有地被层6，为灌木层和藤本植物。

凸起的坡度为26°，凹陷的坡度为26°，避免坡度过大导致水土流失，凹陷的深度1米，凸起的高度2米；凸起中斜面的倾角角度与凹陷中斜面的倾角角度一致，为26度，土堤为对称结构，避免高度与坡度设置不合理致使水土流失，引发土堤滑塌等情况发生，导致资源浪费及行人财产安全与生命安全受损。

在地平的基础上，通过挖方与填方形成地形单元体，满足场内土方平衡，通过挖方形成下凹洼地作为凹陷，通过填方形成土堤作为凸起，土堤包括绿化草坡，绿化草坡具有一定坡度，方便排水至下凹洼地，且排水可收集，在进行绿地灌溉利用，节约水资源，挖方与填方间设置间隙作为人行道路7，宽度0.8m，行人可在人行道路散步并观赏绿地景观，由地形单元体构成的整体地形结构包括数个平行排列的土堤，土堤作为声学屏蔽装置将部分铁路噪声反射，相邻的土堤之间设置有下凹洼地，下凹洼地与两侧土堤形成空腔，噪声声波在空腔进行多重反射，转化成热能耗散，空腔中的空气作为晶体材料与土堤共同构成声子晶体原胞，通过布拉格散射形成弹性波带隙，土堤设置有人行道路与绿地草坡，绿地草坡上设置有草坪，增大绿化面积并形成共振单元体，控制弹性波传播，下凹洼地设置有地被，增加绿化面积与消音效果。

声子晶体原胞周期性排列构成一维声子晶体结构，声子晶体原胞中心之间的距离为晶格常数，晶格常数与地形单元体宽度相同，根据用地面积及土地性质调节地形单元体，设置土堤覆土高度、绿化坡地坡度、下凹洼地深度，以此调节地形单元体宽度，有针对性的设置晶格常数，增强降噪能力。下凹洼地覆盖有地被，可以种植多年生低矮草本植物及适应性较强的低矮、匍匐型的灌木和藤本植物，作为景色供行人欣赏；也可以作为景观用地，提供休闲与娱乐场所，成为小型公园；甚至可以作为农业用地种植蔬菜等农作物。因土堤与下凹洼地形成空腔，使铁路噪音在内部反射成为热能耗散。地被有利于吸收及反射噪音，增强整体地形结构隔音降噪能力。铁路噪音在声子晶体原胞周期性排列的声子晶体构造的地形结构中逐渐减弱。为了提高土地利用率，可以根据下凹洼地声环境进行不同用地类型建设。

实施例二

一种铁路隔音降噪结构，包括三个地形单元体，沿铁路噪声声波方向排列；地形单元体包括基底、凸起、凹陷；凸起与凹陷之间的距离为1m；凹陷的横截面为倒梯形结构，凸起为对称结构，凸起的横截面为三角形结构；凸起的表面设有绿化层，为植草层，凹陷的表面设有地被层，为植草层和藤本植物。

凸起的坡度为26°，有利于草坪种植，凹陷的坡度为30°，可以避免坡度过大水土流失，避免坡度过大导致水土流失，凹陷的深度1米，凸起的高度2米。

实施例三

一种铁路隔音降噪结构，包括五个地形单元体，沿铁路噪声声波方向排列；地形单元体包括基底、凸起、凹陷；凸起与凹陷之间的距离为0.8m；凹陷的横截面为倒梯形结构，凸起为对称结构，凸起的横截面为梯形结构；凸起的表面设有绿化层，为植草层，凹陷的表面设有地被层，为灌木层。

凸起的坡度与凹陷的坡度一致，为22度，避免坡度过大导致水土流失，凹陷的深度0.8米，凸起的高度2.5米。

本发明将挖方的土堆到一边形成填方作为凸起，挖方作为凹陷，两者之间存留人行道，从而构成地形单元体，在铁路噪声声波方向排列若干地形单元体即组成降噪结构，可以再设置绿草植被，提供降噪，防止结构形变，增加稳定性。

由上述可知，本发明的优点有：利用地形设计，有效控制铁路噪音传播，地形单元体结构简单且便于土方量计算，以土堤为主要结构，降低建造成本、减少维护费用，反射弹性波起到阻隔铁路噪音的作用，经过实际验证，实施例一、实施例二、实施例三的降噪率分别达到98%、96%、95%，利用绿地草坪增大绿化面积，设置草坪与地被，改善绿化环境质量，建立小型生态系统，下凹洼地用于排水与集水，并可作为耕地与景观建设用地，节约了水资源与土地资源，并为行人提供休闲娱乐场所与观赏景色的人性道路。

Claims (10)

1.一种铁路隔音降噪结构，包括复数个地形单元体；所述复数个地形单元体沿铁路噪声声波方向排列；所述地形单元体包括基底、凸起、凹陷；所述凸起与凹陷不接触；所述凸起为对称结构；所述凸起的横截面不为方形结构；所述凹陷的横截面为倒梯形结构。

2.根据权利要求1所述铁路隔音降噪结构，其特征在于，所述地形单元体的数量为2～6；所述凸起的横截面为三角形结构或者梯形结构。

3.根据权利要求1所述铁路隔音降噪结构，其特征在于，所述凸起的表面设有绿化层；所述凹陷的表面设有地被层；所述凸起的坡度为22°～26°；所述凹陷的坡度为22°～30°；所述绿化层的高度小于30厘米。

4.根据权利要求1所述铁路隔音降噪结构，其特征在于，所述凹陷的深度为0.8～1.2米；所述凸起的高度为2～2.5米；所述凸起与凹陷之间的距离为0.8～1m。

5.根据权利要求1所述铁路隔音降噪结构，其特征在于，所述铁路隔音降噪结构为土质材料。

6.一种铁路隔音降噪结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，沿铁路噪声声波方向排列设置复数个地形单元体，制备铁路隔音降噪结构；所述地形单元体包括基底、凸起、凹陷；所述凸起与凹陷不接触；所述凸起为对称结构；所述凸起的横截面不为方形结构；所述凹陷的横截面为倒梯形结构。

7.根据权利要求6所述铁路隔音降噪结构的制备方法，其特征在于，所述地形单元体的数量为2～6；所述凸起的横截面为三角形结构或者梯形结构。

8.根据权利要求6所述铁路隔音降噪结构的制备方法，其特征在于，所述凸起的表面设有绿化层；所述凹陷的表面设有地被层；所述凸起的坡度为22°～26°；所述凹陷的坡度为22°～30°；所述绿化层的高度小于30厘米；所述凹陷的深度为0.8～1.2米；所述凸起的高度为2～2.5米；所述凸起与凹陷之间的距离为0.8～1m。

9.根据权利要求6所述铁路隔音降噪结构的制备方法，其特征在于，所述铁路隔音降噪结构为土质材料。

10.权利要求1所述铁路隔音降噪结构在降低噪音中的应用。