CN108729367A - 一种基于声子晶体的复合型声屏障结构 - Google Patents

Abstract

一种基于声子晶体的复合型声屏障结构，它涉及一种声屏障，已解决现有声屏障大多数以直立型声屏障为主，降噪性能明显不足，尤其是对于中低频噪声的降噪效果不佳的问题。它包括一级吸声板、二级吸声板、三级吸声板、四级吸声板；四级吸声板与三级吸声板上连成一体，三级吸声板与二级吸声板连成一体，二级吸声板与一级吸声板连成一体。本发明噪声隔离。

Description

一种基于声子晶体的复合型声屏障结构

技术领域

本发明属于噪声防护领域，具体涉及一种基于声子晶体的声屏障结构。

背景技术

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。随着我国基础建设的发展，公路、铁路路网越来越密集，交通噪声污染对人民生活的影响也日益严重。

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，但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，而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，目前已有的声屏障顶部结构中，Y字型结构吸声效果最好；

声子晶体是由两种或两种以上弹性介质按不同晶格周期列复合的材料。在声子晶体中，密度和弹性常数不同的材料按结构周期性复合在一起，相互不连通的材料称为散射体，连通为一体的材料称为基体。声子晶体最重要的一个特性就是带隙特性：弹性波在声子晶体中传播时，受其内部周期结构的作用，形成特殊的色散关系即能带结构，色散关系曲线之间的频率范围称为带隙，在这个频率范围内弹性波无法传播。利用其带隙性质，可设计出全新隔振、降噪材料，所以声子晶体在工程领域有着广泛的应用前景。

发明内容

本发明时为解决现有声屏障结构结构单一，整体降噪能力不足，尤其是对中低频噪声的降噪效果差的问题，进而提供一种基于声子晶体的复合型声屏障结构；

具体而言，本发明提供一种基于声子晶体的复合型声屏障结构，其特征在于：它包括一级吸声板、二级吸声板、三级吸声板、四级吸声板。

进一步地，其特征在于：一级吸声板、二级吸声板、三级吸声板上上分别设置有多个圆孔，在至少部分圆孔内装有与圆孔相匹配的圆筒状Bragger型声子晶体构成的第一吸声组件、第二吸声组件、第三吸声组件；四级吸声板为Y字形结构，包括两个成角度对置的吸声板单元，其上周期均布多个通孔，用于固装管柱状局域共振型声子晶体构成的第四吸声组件和第五吸声组件。

进一步地，其特征在于：结构整体高度为3000mm-3200mm，其中一、二、三级吸声板高度为900mm-950mm，四级吸声板高度为300mm-350mm；

进一步地，其特征在于：整体结构呈Y型，顶部结构折壁角为45°，一、二、三级吸声板厚度为80mm-100mm，四级吸声板厚度为40mm-50mm；

进一步地，其特征在于：一级吸声板、二级吸声板、三级吸声板均由泡沫混凝土材料制成，各自圆孔内的Bragger型声子晶体吸声筒均由环氧树脂制成，其散射体均由铝制成；

进一步地，其特征在于：四级吸声板由环氧树脂材料制成，吸声板上周期布置的两类管柱状局域共振型声子晶体吸声组件，

进一步地，其特征在于：一级吸声板圆孔内的圆筒状Bragger型声子晶体吸声组件为单圆柱型，柱高为80mm-100mm，半径为30mm-40mm，其散射体为与圆筒上圆形通孔相匹配的环状薄片结构；

进一步地，其特征在于：二级吸声板圆孔内的圆筒状Bragger型声子晶体吸声组件为双圆柱型，柱高80mm-100mm，外圆柱半径为30mm-40mm，内圆柱半径为15mm-25mm，其散射体为与圆筒上圆形通孔相匹配的环状薄片结构；

进一步地，其特征在于：三级吸声板圆孔内的圆筒状Bragger型声子晶体吸声组件为三圆柱型，柱高80mm-100mm，圆柱半径由外到内分别为80mm-100mm、30mm-40mm、15mm-25mm，其散射体为与圆筒上圆形通孔相匹配的环状薄片结构；

进一步地，其特征在于：四级吸声板上周期均布固装的管状支柱局域共振型声子晶体吸声组件分为两类，第一类为空心圆柱型，柱高60mm-80mm，柱厚24mm-32mm，高度与厚度之比为2.5；第二类为空心双圆柱型，柱高为60mm-80mm，柱厚为30mm-40mm，高度与厚度之比为2；

进一步地，其特征在于：四级吸声板由环氧树脂材料制成，吸声板上周期布置的两类管柱状局域共振型声子晶体吸声组件，其中第一类圆柱体由铅材料制成，外涂一层橡胶体，第二类外圆柱由铅制成，内圆柱由铝制成，中间填充有橡胶材料，外涂一层的水银。

进一步地，其特征在于：四级吸声板上以及管柱状局域共振型声子晶体吸声组件上均加工有圆孔型小凹槽。

本发明的有益效果是：

1.在满足结构周期性的前提下，通过将四种不同声子晶体结构优化组合，实现了一级吸声板降噪、二级吸声板降噪、三级吸声板降噪、四级吸声板降噪四级降噪效果；

2.将三种不同的Bragger型声子晶体吸声组件优化组合，可实现更宽频范围的减振降噪；

3.通过在顶部结构管状支柱局域共振型声子晶体，可实现中低频噪声的降噪，同时第二类管柱状局域共振型声子晶体，通过引入橡胶填充体，能够解除振子的等效弹簧-质量系统的耦合，进而使得面外面内禁带能同时被调节与低频处相互重叠，从而能够打开更低频的带隙；

4.本发明结构简单，易于安装，可适用于各类公路、铁路、桥梁。

附图说明

图1是本发明的一种基于声子晶体的复合型声屏障结构的立体结构示意图；

图2是顶部结构示意图；

图3是Bragger型声子晶体吸声组件结构示意图；

图4和图5是顶部结构的管柱状局域共振型声子晶体吸声组件结构截面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

结合图1-图2说明，本实施方式的一种基于声子晶体的复合型声屏障结构包括从下至上依次连接的一级吸声板1、二级吸声板2、三级吸声板3、四级吸声板4。如此设置，在大大增加结构周期数的基础上，下面设置三级吸声板，每一级吸声板中装有一种Bragger型声子晶体吸声组件，每种Bragger型声子晶体吸声组件产生的带隙频率范围是不同的，将三种不同的Bragger型声子晶体吸声组件优化组合，可实现更宽频范围的减振降噪，

同时，设置四级吸声板4，利用管柱状局域共振型声子晶体吸声组件打开更低频率的带隙，实现更低频的减振降噪；

一级吸声板1、二级吸声板2、三级吸声板3上分别设置有多个圆孔，在圆孔内装有与圆孔相匹配的圆筒状Bragger型声子晶体构成的第一吸声组件5、第二吸声组件6、第三吸声组件7；四级吸声板4为Y字形结构，包括两个成角度对置的吸声板单元，其上周期均布多个通孔，孔内装有由管状局域共振型声子晶体构成的第四吸声组件8和第五吸声组件9；如此设置，通过引入管柱型声子晶体，与传统的柱状声子晶体结构相比，传统的柱状声子晶体结构柱高与柱厚的比值大约为3时，散射体的局域共振能够引起有效质量密度发生突变，从而打开带隙,而相关研究发现，管柱状声子晶体结构柱高与柱厚的比值大约为1.6时，由于管柱状内部结构地空隙存在，大大增强了声波地多重散射，从而能够更为容易地打开带隙，节省了材料，提高了吸声性能。

对于一级吸声板、二级吸声板以及三级吸声板的吸声量和各项参数的关系，申请人根据实验结果，现提出一个拟合公式：

其中，TL表示吸声量，ω表示吸声板的自振频率，M_i表示单位面积板的面密度，R₀和R_i分别表示声波在空气和板材中的阻抗。根据这个经验公式，可以通过选择和优化三块板的参数，能够使结构的设计非常简单，并且整体吸声效果大大提高。

其中，如图3a所示，第一吸声组件5为单圆柱型，包括一圆筒11及多个散射体10周期均布固装在圆筒上的圆形孔内；

如图3b所示，第二吸声组件6为双圆柱型，其包括两个嵌套的圆筒11，多个散射体10周期均布固装在每个圆筒11上的圆形孔内；

如图3c所示，第三吸声组件7为三个嵌套的圆筒11，多个散射体10周期均布固装在每个圆筒11上的圆形孔内；

第五吸声组件9为空心单圆柱型；第四吸声组件8为空心双圆柱型。

其中，四种吸声板之间为固定连接，优选采用螺钉连接或者焊接等。

本实施方式的一级吸声板上圆筒状Bragger型声子晶体散射体10与相应圆筒上的圆形孔的数量相一致；

本实施方式的二级吸声板上圆筒状Bragger型声子晶体散射体10与相应圆筒上的圆形孔的数量相一致；

本实施方式的三级吸声板上圆筒状Bragger型声子晶体散射体10与相应圆筒上的圆形孔的数量相一致；如此设置，在保证组成完整的周期性声子晶体吸声结构的同时，大大增加了结构的周期数。

具体实施方式二：结合图1说明，一级吸声板1、二级吸声板2、三级吸声板3上圆孔内装有与圆孔相匹配的圆筒状Bragger型声子晶体吸声组件5、6、7；四级吸声板4上周期均布固装管状柱型局域共振声子晶体吸声组件8、9。如此设置，连接方便可靠，方便使用。

优选地，散射体10为与各自圆筒11上圆形通孔相匹配的环状薄片结构。如此设置，方便加工的同时，周期材料散射体的周期数也大大增加，带隙内的吸声效果显著提高。

优选地，第四吸声组件8和第五吸声组件9柱高和柱厚的比值均大于1.6，更优选地，在第四吸声组件8中的两圆柱中间添加了橡胶填充材料15。如此设置，可以顺利打开其完全带隙，同时通过引入橡胶填充体15，能够解除振子的等效弹簧-质量系统的耦合，进而使得面外面内禁带能同时被调节与低频处相互重叠，从而能够打开更低频的完全带隙。

优选地，一级吸声板1、二级吸声板2、三级吸声板3均由泡沫混凝土材料制成，各自圆孔内的Bragger型声子晶体吸声筒11均由环氧树脂制成，其散射体10均由铝制成。

优选地，四级吸声板4由环氧树脂材料制成。第四吸声组件8的外圆柱由铅16制成，内圆柱由铝14制成，中间填充有橡胶材料15，外涂一层水银17。第五吸声组件9的圆柱体13由铅材料制成，外涂一层橡胶体12。试验发现这样的组合结构吸声效果非常优异。

优选地，本发明的的一种基于声子晶体的复合型声屏障结构整体高度为3000mm-3200mm，其中一、二、三级吸声板1、2、3高度为900mm-950mm，四级吸声板4高度为300mm-350mm；整体结构呈Y型，顶部结构折壁角为45°，一、二、三级吸声板1、2、3厚度均为80mm-100mm，四级吸声板4厚度为40mm-50mm。

优选地，第一吸声组件5柱高为80mm-100mm，半径为30mm-40mm；第二吸声组件6为柱高80mm-100mm，外圆柱半径为30mm-40mm，内圆柱半径为15mm-25mm；第三吸声组件7柱高80mm-100mm，圆柱半径由外到内分别为30mm-40mm、15mm-25mm、5mm-10mm。

优选地，第四吸声组件8的高度厚度之比约为2，柱高为60mm-80mm，柱厚为30mm-40mm；第五吸声组件9的高度与厚度之比约为2.5，柱高60mm-80mm，柱厚24mm-32mm。

优选地，四级吸声板4上以及管柱状局域共振型声子晶体吸声组件8和9上均加工有圆孔型小凹槽。如此设置，便于结构排水，减缓雨水对结构的侵蚀。

实际使用时应考虑以下几种因素：

(1)结构尺寸的设置。一级吸声板、二级吸声板以及三级吸声板的高度和厚度均设置为一致；一级吸声板、二级吸声板、三级吸声板以及四级吸声板高度之和不能超过规定的结构总高度。

(2)Bragger型声子晶体第一、第二以及第三吸声组件的周期数。根据该发明的使用环境内的噪声频率范围可以调整散射体的几何尺寸和声子晶体的周期数目。

(3)管柱状局域共振型声子晶体吸声组件的结构尺寸以及周期数。根据该发明的使用环境内的噪声频率范围可以调整组件的几何尺寸以局域共振单元的周期数目。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于声子晶体的复合型声屏障结构，其特征在于：它包括一级吸声板、二级吸声板、三级吸声板、四级吸声板。

2.根据权利要求1所述的一种基于声子晶体的复合型声屏障结构，其特征在于：一级吸声板、二级吸声板、三级吸声板上上分别设置有多个圆孔，在至少部分圆孔内装有与圆孔相匹配的圆筒状Bragger型声子晶体构成的第一吸声组件、第二吸声组件、第三吸声组件；四级吸声板为Y字形结构，包括两个成角度对置的吸声板单元，其上周期均布多个通孔，用于固装由管柱状局域共振型声子晶体构成的第四吸声组件和第五吸声组件。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于声子晶体的复合型声屏障结构，其特征在于：结构整体高度为3000mm-3200mm，其中一、二、三级吸声板高度为900mm-950mm，四级吸声板高度为300mm-350mm。

4.根据权利要求3所述的一种基于声子晶体的复合型声屏障结构，其特征在于：整体结构呈Y型，顶部结构折壁角为45°，一、二、三级吸声板厚度均为80mm-100mm，四级吸声板厚度为40mm-50mm。

5.根据权利要求4所述的一种基于声子晶体的复合型声屏障结构，其特征在于：一级吸声板、二级吸声板、三级吸声板均由泡沫混凝土材料制成，各自圆孔内的Bragger型声子晶体吸声筒均由环氧树脂制成，其散射体均由铝制成。

6.根据权利要求5所述的一种基于声子晶体的复合型声屏障结构，其特征在于：四级吸声板由环氧树脂材料制成，吸声上周期均布固装的两类管状支柱局域共振型声子晶体吸声组件。