CN111270621A - 一种新型二维声子晶体声屏障结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于轨道交通减振降噪控制领域，其目的在于提供一种新型二维声子晶体声屏障结构,其特征在于：它包括立方体声子晶体元胞和固定板构成。立方体声子晶体元胞采用普通钢材料设计，固定板主要起到将设计好的立方体声子晶体元胞有规则的布置固定的目的。本发明整体结构简单、制造方便，拆卸安装方便，对由于铁路线路不平顺引起的轮轨振动和噪声有良好的减振降噪效果，对工作环境的要求较低，可以用于降低铁路列车车轮产生的噪声，改善铁路列车车轮的噪声、振动特性，降低对周围环境的影响，改善工人工作环境等。

Description

一种新型二维声子晶体声屏障结构

技术领域

本发明涉及的是一种新型声屏障结构，属于轨道交通减振降噪控制领域，具体涉及一 种新型二维声子晶体声屏障结构。

背景技术

轨道交通在给大家出行带来了方便的同时也带来了一系列的振动环境问题，国际上已 把振动列为七大环境公害之一。轮轨噪声主要分为摩擦噪声、撞击噪声和轮轨滚动噪声。 而当列车速度达160-250km/h范围时，轮轨噪声起主导作用，其主要能量集中在 700-2500Hz范围内。

在已有的振动控制措施中，主要通过振源控制、传递过程中的振动控制和对受振对象 进行控制。需要了解清楚的是振动吸收隔离并不能完全的将振动隔离，只能隔离或吸收部 分，使得传出的振动满足我们的使用或规范要求。尤其是在700-1100范围内的噪声并没 有很好的处理办法。

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

本发明针对现有的减振措施的不足，本发明提供了一种新型二维声子晶体声屏障结 构，其特征在于：它包括立方体声子晶体元胞和固定板构成。

进一步地，其特征在于：所述的立方体声子晶体元胞为在一立方体内开设三层嵌套 的球形空心环，每个球形空心环包括球形外表面和球形内表面，所述球形外表面和球形内 表面之间为空隙。

进一步地，其特征在于：每个球形空心环包括一个开口，所述球形空心环内部的实体部分与球形空心环外部的实体部分通过所述开口连通，所述三个球形空心环的开口方向相同。

进一步地，其特征在于：所述的立方体声子晶体元胞采用钢材制作。

进一步地，其特征在于：所述的固定板采用普通钢材制作，其主要目前是固定立方体声子晶体元胞。

进一步地，其特征在于：所述的固定板包括盖板、框架和底板，其中框架为空心网格结构，网格尺寸与立方体声子晶体元胞晶格常数相同。

进一步地，其特征在于：底板为钢片，起到约束立方体声子晶体元胞作用。

进一步地，其特征在于：在固定板边缘位置设置有螺栓用于固定盖板、框架和地板。

发明效果：

本发明整体结构简单、制造方便，拆卸安装方便，对由于铁路线路不平顺引起的轮轨振动和噪声有良好的减振降噪效果，对工作环境的要求较低，可以用于降低铁路列车车轮产生的噪声，改善铁路列车车轮的噪声、振动特性，降低对周围环境的影响，改善工人 工作环境等。

附图说明

图1是本发明的声屏障阵列示意图，左侧为主视图，右侧为侧剖视图。

图2是图1的立方体声子晶体元胞示意图，其中a为立体图；b为A-A剖面图；C为 B-B剖面图。

图3是图1的固定板示意图。

图4是声子晶体隔声板的频散曲线图。

图5是声子晶体隔声板的传输特性曲线。

图6是示例性的声屏障声障板结构。

图7是图6声屏障结构的传递损失曲线图。

图8是图6声屏障结构的反射系数图。

图9是图6声屏障结构的吸声系数图。

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。

具体实施方式一：结合图1-图5说明，本实施方式的一种新型二维声子晶体结构及声屏障结构。

其中,立方体声子晶体元胞1为在一立方体内开设三层嵌套的球形空心环11,12,13， 每个球形空心环包括球形外表面和球形内表面，所述球形外表面和球形内表面之间为空隙。 其中，每个球形空心环包括一个开口(即所述球形空环为不完全球形)，所述球形空心环 内部的实体部分与球形空心环外部的实体部分通过所述开口连通。工作时，所述开口方向 对准声源方向。

其中，所述三个球形空心环的开口方向相同，更优选地，所述三个球形空心环的开口 为圆形，并且从外到内的直径依次减小。

第一球形空心环11、第二球形空心环12、第三球形空心环13的球形外表面的半径比 值为2.25:1.5:1。

第一球形空心环11、第二球形空心环12、第三球形空心环13的球形内表面的半径比 值为2.25:1.5:1。

第一球形空心环11、第二球形空心环12、第三球形空心环13的开口高度比为2.25：1.5:1。

这样的结构构成了气-固局域共振型声子晶体构件，优选的方案中，根据轨道交通领 域中高频降噪(700-1100Hz)的需求，对晶体元胞相关参数进行了最优化处理从得出的参 数值如下：

晶体元胞1的四方体边长为80mm，即晶体元胞1的晶格常数a＝80mm，第一球形空心环11的形外表面半径R1＝35mm，球形内表面半径R2＝31mm。第二球形空心环12的形外表 面半径R3＝23.3mm，球形内表面半径R4＝20.6mm。第三球形空心环13的形外表面半径 R5＝15.5mm，球形内表面半径R6＝13.7mm。第一球形空心环11的开口高度是dh1＝10mm，第 二球形空心环12的开口高度是dh2＝6.6mm，第三球形空心环13的开口高度是dh3＝4.4mm。

下面对该元胞的带隙特性与传输特性对其进行仿真分析，以普通结构钢材料和空气组 成的二维局域共振型声子晶体隔声板为例(基体材料为普通结构钢材料，散射体材料为空 气即方形板上)计算得到的频散曲线和传输特性曲线如图4-5所示。

由图4可以看出设计的声子晶体结构能够在700Hz附近成功打开带隙，带隙宽度为450Hz(650-1100Hz)，另外在1100-2000Hz附近还有两条带隙宽度很窄的带隙，在 2000-2500Hz存在第四条带隙。由图5可以看出在700Hz-1100Hz有个明显的衰减(最 大到250dB)，在1200-2500Hz也有一个比较明显的衰减(最大达到100dB)。在这几条 带隙范围内，弹性波是没法传播的，进而证明本发明提出的二维声子晶体结构在吸收 700-1000Hz的中高频噪声有很好的效果。

下面对由立方体声子晶体元胞1组成的声屏障结构的吸声性能进行分析，具体地，立 方体声子晶体元胞1平铺在固定板2上，共铺设三层，如图6所示。入射压力场p0＝1Pa,中间位置布置有声屏障结构，两端固定约束(用于模拟固定在地面)这里为了简化计算， 取9个元胞结构组成了声屏障声障板结构。计算所述声屏障结构的传递损失以及反射系数、吸声系数如图7-9示。可以看出：可以看出在700-950Hz频率范围内传声量有一个明显的 衰减，最大达到65dB。吸声系数是吸声系数等于被材料吸收的声能(包括透射声能在内) 与入射到材料的总声能之比。在700-950Hz带隙范围内，声屏障结构的吸声系数呈现出一 个很大的增幅(最大达到1)，而反射系数则出现了很大的衰减，说明了声屏障结构在 700-950Hz的频率范围内的吸声性能很好。

所述声屏障结构包括多个立方体声子晶体元胞1和固定板2，其中，固定板2采用普通钢材制作，其主要目前是固定立方体声子晶体元胞。主要有盖板2-1、框架2-2和底板 2-3构成。框架2-2为空心网格结构，网格尺寸与立方体声子晶体元胞晶格常数相同，底 板2-3为钢片，起到支承作用，盖板起到扣压作用。盖板2-1和底板2-3覆盖框架2-2 两侧，为了方便相互之间的连接，在其边缘位置设置有螺栓2-4方便连接。

本发明声屏障的工作过程如下：

列车在轨道上运行时，产生的噪声辐射到新型声屏障上，由于设计的立方体声子晶体 元胞的带隙作用及按照设计排列，使得改激扰在一定的频带范围内无法传播，从而大大减 少噪声向外的辐射。从而达到降噪的作用。

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 (8)

1.一种新型二维声子晶体声屏障结构，其特征在于：它包括立方体声子晶体元胞和固定板构成。

2.根据权利要求1所述的一种新型二维声子晶体声屏障结构，其特征在于：所述的立方体声子晶体元胞为在一立方体内开设三层嵌套的球形空心环，每个球形空心环包括球形外表面和球形内表面，所述球形外表面和球形内表面之间为空隙。

3.根据权利要求2所述的一种新型二维声子晶体声屏障结构，其特征在于：每个球形空心环包括一个开口，所述球形空心环内部的实体部分与球形空心环外部的实体部分通过所述开口连通，所述三个球形空心环的开口方向相同。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种新型二维声子晶体声屏障结构，其特征在于：所述的立方体声子晶体元胞采用钢材制作。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种新型二维声子晶体声屏障结构，其特征在于：所述的固定板采用普通钢材制作，其主要目前是固定立方体声子晶体元胞。

6.根据权利要求5所述的一种新型二维声子晶体声屏障结构，其特征在于：所述的固定板包括盖板、框架和底板，其中框架为空心网格结构，网格尺寸与立方体声子晶体元胞晶格常数相同。

7.根据权利要求6所述的一种新型二维声子晶体声屏障结构，其特征在于：底板为钢片，起到约束立方体声子晶体元胞作用。

8.根据权利要求6所述的一种新型二维声子晶体声屏障结构，其特征在于：在固定板边缘位置设置有螺栓用于固定盖板、框架和地板。

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