CN108611997A - 一种复合型声屏障 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合型声屏障，包括声屏障单元，其特征在于：所述声屏障单元包括，声屏障单元顶部、声屏障单元中部、声屏障单元底部以及底座，其中，声屏障单元顶部包括两个呈Y型分布的单边开口空心金属板，开口朝向噪声源方向。

Description

一种复合型声屏障

技术领域

本发明属于高速铁路降噪设备技术领域，具体涉及一种基于三维准声子晶体的高速铁路复合型声屏障。

背景技术

随着我国经济建设的迅猛发展，轨道交通行业，尤其是高速铁路运输行业得到了快速的发展，高速铁路车辆的运行速度也日益增加。随着列车速度的提高，高速铁路车辆运行时所产生的噪声对沿线环境的干扰越来越大。为降低列车运行时所产生的噪音对铁路沿线周围居民的影响，在线路两侧常常设置一定数量的声屏障，可使列车在运行过程中产生的噪音在传至居民的过程中受到阻碍，从而达到消音降噪的效果。

目前，声屏障是防治铁路沿线噪声污染的最有效的措施之一。现今在我国铁路建设项目中使用的声屏障以隔声式居多，这一类型材质的声屏障吸声性能较差，在以中低速运行的列车中可以使用。但对于时速超过300km/h的高速列车，现有声屏障的材质和结构都很难满足铁路降噪的要求。同时，由于高速列车运行以及自然风的影响，声屏障将会长期受到脉动风荷载的影响，而传统声屏障的下部基本设计较为薄弱，难以保证声屏障在风荷载作用下的稳定性和长期服役性能。因此亟需提出一种既能满足吸声降噪要求又能满足风荷载作用下稳定性要求的新型声屏障结构。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，针对现有铁路声屏障降噪性能和稳定性较差等问题，本发明提供了一种基于三维准声子晶体的高速铁路复合型声屏障，该复合型声屏障通过采用三维准声子晶体、微穿孔板和共振吸声腔等多种吸声措施实现了吸声降噪的技术目的。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种复合型声屏障，其特征在于：包括，声屏障单元顶部、声屏障单元中部、声屏障单元底部以及底座，其中，声屏障单元顶部包括两个呈Y型分布的单边开口空心金属板，开口朝向噪声源方向。

进一步地，其特征在于：每个单边开口空心金属板中均包括填充材料、若干个微穿孔空心圆柱板和若干个三维准声子晶体，所述若干个三维准声子晶体设置在若干个微穿孔空心圆柱板内。

进一步地，其特征在于：所述三维准声子晶体呈五棱柱形。

进一步地，其特征在于：每个三维准声子晶体包括至少两种声子晶体单元，这两种声子晶体单元具有不同的声阻抗。

进一步地，其特征在于：每个第一种声子晶体单元和每个第二种声子晶体单元在三维准声子晶体的轴向、径向以及圆周方向均交替排列。

进一步地，其特征在于：声屏障单元中部设置有透明玻璃，高度为整体1/3～2/3。

进一步地，其特征在于：声屏障单元底部包括平行布置的开孔实心金属板、微穿孔板以及空气层、多孔吸声材料和实心金属板。

进一步地，其特征在于：所述开孔实心金属板开孔率优选为50％-60％，微穿孔板的穿孔率为1％-6％。

进一步地，其特征在于：所述声屏障还包括梯形混凝土底座，所述声屏障单元的底部与梯形混凝土底座之间通过U型螺栓和金属垫板进行连接。

进一步地，其特征在于：多个声屏障单元通过H型钢金属立柱首尾相连构成复合型声屏障。

本发明的优点在于：

1)多孔吸声材料对中高频的噪声具有良好的吸声效果，微穿孔共振空腔对中低频噪声具有良好的吸声效果，共振吸声腔对低频噪声具较好的吸声效果，而单边开口空心金属板内的三维准声子晶体具有弹性波禁带的特性，能够有效地抑制噪声的传递。因此本发明对低、中、高频范围内的噪声均具有较好的降噪效果。

2)本发明的顶部、中部、底部和底座相互之间均通过螺栓和角钢固定，结构的整体性较好，且易于现场拼装。声屏障底部和下部混凝土底座之间采用U型螺栓连接，加强了声屏障的稳定性，能够有效的抵抗风荷载的影响。同时，声屏障所采用材料均具有较好的耐高温、低温和抗腐蚀等优良性能。因此本发明具有制造工艺简单、安装方便、稳定性好和经久耐用等优点，能够在服役期内更好地达到吸声降噪的目的。

附图说明

图1为复合型声屏障结构整体剖视图；

图2为复合型声屏障结构整体示意图；

图3为复合型声屏障结构侧视图；

图4为复合吸声体结构示意图；

图5为三维准Bragg型声子晶体侧视图；

图6为H型钢侧视图；

图中标记如下：1-单边开口空心金属板、2-填充材料、3-微穿孔空心圆柱板、4-三维准声子晶体、5-角钢、6-螺栓、7-螺母、8-透明玻璃、9-开孔实心金属板、10-微穿孔板、11-微穿孔板后空气层、12-多孔吸声材料、13-实心金属板、14-U型螺栓、15-金属垫板、16-混凝土底座、17-第一声子晶体材料、18-第二声子晶体材料、19-空腔、20-开口、21-H型钢。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

实施例1：

如图1-5所示，本实施例具体涉及一种利用三维准声子晶体和多种吸声原理的复合型声屏障单元，该声屏障单元的整体高度优选为3.5m～4.5m；该声屏障单元包括声屏障单元顶部、声屏障单元中部、声屏障单元底部以及底座，各部分相互之间均通过机械结构连接固定(例如采用角钢5、螺栓6和螺母7固定)。

所述声屏障单元顶部安放有两个呈Y型分布的单边开口空心金属板1，Y型结构是申请人的独创设计，研究发现，Y型结构较一块板能够非常有效的减小声音沿声屏障顶部的绕射，从而提高显著声屏障结构的吸声效率，而且试验发现，采用3片更多片金属板结构相比于Y型结构效果差不多，成本却高很多，因此，本发明采用Y型结构。声屏障单元中部安放有透明玻璃8，高度为整体1/3～2/3；声屏障单元底部包括：平行布置的开孔实心金属板9、微穿孔板10以及空气层11、多孔吸声材料12和实心金属板13，各部件之间机械连接在一起(例如通过螺栓和螺母连接)，底部高度占整体高度的1/3～1/2；所述底座优选为混凝土底座16，其中底座可以是声屏障单元的一部分或者为之外的部分。

其中，所述单边开口空心金属板的材质为轻质金属材料例如铝或铝合金，且单边开口空心金属板的开口方向均朝向靠近铁路一侧，优选地，所述开孔率为40％-50％；每个单边开口空心金属板1中均包括填充材料2、若干个微穿孔空心圆柱板3和若干个三维准声子晶体4，并按一定周期进行排布；微穿孔空心圆柱板3由微穿孔板制成，板厚小于1mm，开孔率为1％-6％；微穿孔空心圆柱板3内安装有三维准声子晶体4，从而杜绝了三维准声子晶体4与外部雨水和空气直接接触，从而避免了三维准声子晶体4被侵蚀，增加了三维准声子晶体4的寿命。微穿孔空心圆柱板3和其与三维准声子晶体4所夹的空腔构成共振吸声腔，当声波传递至共振吸声腔内时，将会引起共振吸声腔内的空气强烈共振，从而吸声一部分声能。

如图4、5所示，本实施例中三维准声子晶体4为Bragg型声子晶体，呈五棱柱形，其具有弹性波禁带的特性，因此三维准声子晶体4可有效的抑制噪声的传播。

本实施例中，三维准声子晶体4由至少两种声子晶体单元拼接构成，图中示出了两种，包括第一声子晶体单元17和第二声子晶体单元18；第一声子晶体单元17和第二声子晶体单元18具有不同的声阻抗，本实施例中第一声子晶体单元17的声阻抗大于第二声子晶体单元18的声阻抗，从而形成了一个声阻抗梯度，更加有利于抑制噪声的传播。

具体的，在五棱柱形的三维准声子晶体4中，每个第一声子晶体单元17和每个第二声子晶体单元18在三维准声子晶体4的轴向、径向以及圆周方向均交替排列，这种排列方式使得三维准声子晶体4具有布拉格散射型衰减域，因此衰减域范围内的弹性波将发生相消干涉，无法在三维准声子晶体4的周期性结构中进行传递，从而使得噪声无法在三维准声子晶体4内传播，使得噪声得到有效控制；因此三维准声子晶体4能够显著抑制噪声的传播。

具体的，在五棱柱形的三维准声子晶体4内部，具有五棱柱形的空腔19和五个开口20；开口20与三维准声子晶体4的五条边的中点对齐；空腔19和五个开口20构成共振吸声腔，共振吸声腔对于低频噪声具有较好的吸声效果。当声波传入开口20处时，开口内的空气柱将会产生振动和少量的变形，因此开口内的空气柱相当于质量块，而空腔19内的空气则相当于弹簧阻尼器，当入射声波的频率与共振吸声腔的固有频率相同时，共振吸声腔的吸声效果最佳。

具体的，可根据不同的噪声环境的主要频率范围来确定开口20的横截面积A和深度h以及空腔19的体积V，从而使得共振吸声腔的吸声降噪效果最佳，具体计算公式如下所示：

式中：f为共振吸声腔的固有频率；v为声速；A为开孔的面积；A_total为总面积；V为空腔19的体积；h为开口20的深度。

本实施例中，填充材料2由超细玻璃棉、矿棉或毛毡等材料制成；第一声子晶体单元17的材质为有机玻璃和空心微珠，具体地，第一声子晶体单元包括有机玻璃以及混合在所述有机玻璃内部的空心微珠，空心微珠直径为5-10μm；所述第一声子晶体单元中所述空心微珠与所述有机玻璃的体积比为1:2。

所述第二声子晶体单元18的材质为弹性材料，弹性材料可以是橡胶或环氧树脂，具体地，一个方案中，第二声子晶体单元包括空心微珠和弹性材料的混合物，空心微珠直径为5-10μm；在所述第二声子晶体单元中所述空心微珠与所述弹性材料的体积比为1:1，另一个方案中，所述第二声子晶体单元为纯铜丝和弹性材料的混合物；在所述第二声子晶体单元中所述纯铜丝与所述弹性材料的重量比为2:1。

具体的，可根据不同的噪声环境的主要频率范围来确定微穿孔空心圆柱板3和微穿孔板10的厚度、开孔率、孔径以及板厚空腔的大小，从而使得声屏障的吸声降噪效果最佳。

其中，所述开孔实心金属板9的材质优选为铝、钢或合金，开孔率优选为50％-60％，厚度为10cm-15cm。作为优选，所述微穿孔板的材质为铝、或铝合金。所述微穿孔板10的板厚优选小于1mm；所述微穿孔板所开微孔的直径小于1mm；所述微穿孔板的穿孔率为1％-6％。所述微穿孔板后空气层11厚度优选为为15-20cm。所述多孔吸声材料12优选为岩棉、氨基甲酸脂泡沫塑料或有机纤维材料；所述多孔吸声材料12的厚度为10cm-15cm。所述实心金属板13的材质为不锈钢、铝合金或铝镁合金；所述实心金属板的厚度为10cm-15cm。作为优选，所述开孔实心金属板9、微穿孔板10、微穿孔板后空气层11、多孔吸声材料12和实心金属板13通过上下两套螺栓和螺母连接成一体，从而形成了声屏障单元的底部。试验发现，上述开孔率和尺寸的设计吸声效果最好。

具体的，声屏障单元的底部与梯形混凝土底座16之间通过U型螺栓14和金属垫板15进行连接，大大增加了声屏障结构的稳定性。作为优选，所述金属垫板的材质为不锈钢或合金。作为优选，所述混凝土底座呈梯形，且其内部不设置钢筋。

具体的，多个声屏障单元通过H型钢金属立柱21首尾相连构成复合型声屏障。

下面结合附图1-5说明本实施例的工作过程：

部分噪声首先经过单边开口空心金属板1内的填充材料2进行吸收，再经过微穿孔空心圆柱板3和其与三维准声子晶体4所夹的空腔构成共振吸声腔进行吸收，最后传入三维准声子晶体4内；在每个三维准声子晶体4中的第一声子晶体单元17和第二声子晶体单元18均由有机玻璃和空心微珠组成；当噪声传入三维准声子晶体4内时，声波遇到空心微珠将会发生多重散射，使得声波能量产生耗散，从而可以有效的减小噪声的传播；剩余声波将传入开口20和空腔19内，引起空气的强烈共振，从而使得声能得到大大的消耗。

部分噪声将入射到透明玻璃8表面，在透明玻璃8表面声波将发生反射，从而阻断噪声的传播，最终使得传递到声屏障另一侧的噪声得到大幅度的衰减。

剩余噪声将入射到开孔实心金属板9表面，在开孔实心金属板9表面部分声波将发生反射，部分声波将通过开孔实心金属板9的开孔进入到微穿孔板10和微穿孔板后空气层11组成的微穿孔吸声腔中，入射声波将会引起微穿孔板后空气层11内的空气强烈振动，从而消耗部分声能；未被吸收声能将继续传播到多孔吸声材料12内，在多孔吸声材料12中声波发生多重反射，使得声能进一步消耗；最终剩余声波将入射到实心金属板13表面，大部分声波将发生反射，再次进入多孔吸声材料12中，使得声能几乎完全被吸收。

实施例2：如图1至6所示，本实施例中，声屏障结构、第一声子晶体单元17和第二声子晶体单元18的排列方式和实施例1相同；二者的区别在于第一声子晶体单元17和第二声子晶体单元18的结构组成。

在本实施例中，第一声子晶体单元17包括压电陶瓷芯材以及设置在压电陶瓷芯材表面的纯铜金属膜；当声波传播至第一声子晶体单元17时，压电陶瓷芯材会在声波的作用下产生振动，并将部分振动能量转化为电能，纯铜金属膜可立即将压电陶瓷表面的电荷通过电阻效应转换为热能，从而起到吸声降噪的效果。为了将第一声子晶体单元17产生的热能发散掉，在第二声子晶体单元18的弹性材料中掺入导热率较高纯铜丝，从而使得第二声子晶体单元18可以快速地将热量发散到周边环境中。

本实施例中，纯铜丝和弹性材料的重量比为2:1；弹性材料可以采用橡胶或环氧树脂。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

1.一种复合型声屏障，包括声屏障单元，其特征在于：所述声屏障单元包括，声屏障单元顶部、声屏障单元中部、声屏障单元底部以及底座，其中，声屏障单元顶部包括两个呈Y型分布的单边开口空心金属板，开口朝向噪声源方向。

2.根据权利要求1所述的复合型声屏障，其特征在于：每个单边开口空心金属板中均包括填充材料、若干个微穿孔空心圆柱板和若干个三维准声子晶体，所述若干个三维准声子晶体设置在若干个微穿孔空心圆柱板内。

3.根据权利要求2所述的复合型声屏障，其特征在于：所述三维准声子晶体呈五棱柱形。

4.根据权利要求3所述的复合型声屏障，其特征在于：每个三维准声子晶体包括至少两种声子晶体单元，这两种声子晶体单元具有不同的声阻抗。

5.根据权利要求4所述的复合型声屏障，其特征在于：每个第一种声子晶体单元和每个第二种声子晶体单元在三维准声子晶体的轴向、径向以及圆周方向均交替排列。

6.根据权利要求1所述的复合型声屏障，其特征在于：声屏障单元中部设置有透明玻璃，高度为整体1/3～2/3。

7.根据权利要求1所述的复合型声屏障，其特征在于：声屏障单元底部包括平行布置的开孔实心金属板、微穿孔板以及空气层、多孔吸声材料和实心金属板。

8.根据权利要求1所述的复合型声屏障，其特征在于：所述开孔实心金属板开孔率优选为50％-60％，微穿孔板的穿孔率为1％-6％。

9.根据权利要求1所述的复合型声屏障，其特征在于：所述声屏障还包括梯形混凝土底座，所述声屏障单元的底部与梯形混凝土底座之间通过U型螺栓和金属垫板进行连接。

10.根据权利要求1所述的复合型声屏障，其特征在于：多个声屏障单元通过H型钢金属立柱首尾相连构成复合型声屏障。