CN111501594A - 一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，包括依次层叠的隔音层I、阻尼层及隔音层II；隔音层I由上至下依次分为弧形边缘区、孔状吸声区及消声百叶区；弧形边缘区和孔状吸声区连成一向远离隔音层II方向弯曲的弧形板状结构，消声百叶区为一平板状结构；弧形边缘区远离孔状吸声区的边缘呈流线型的波浪状；孔状吸声区开有多个大小不一的盲孔结构；消声百叶区远离隔音层II侧安装有百叶结构，百叶结构靠近孔状吸声区的百叶呈波浪形分布。本发明的基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，结构设计合理，整体结构较为简单，成本较低，降噪效果突出，极具应用前景。

Description

一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构

技术领域

本发明属于降噪隔声技术领域，涉及一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构。

背景技术

隔音墙主要用于高速公路、高架复合道路和其它噪声源的隔声降噪，指的是为减轻行车噪声对附近居民的影响而设置在铁路和公路侧旁的墙式构造物，也称为声屏障。其主要是通过在声源和接收者之间插入一个设施，使声波传播有一个显著的附加衰减，从而减弱接收者所在的一定区域内的噪声影响。

声波在传播过程中遇到声屏障时，就会发生反射、透射和绕射三种现象。通常屏障能够阻止直达声的传播，并使透射声有足够的衰减，而透射声的影响可以忽略不计。因此，声屏障的隔声效果一般可采用减噪量表示，它反映了声屏障上述两种屏蔽透声的本领。在声源和接收点之间插入一个声屏障，设屏障无限长，声波只能从屏障上方绕射过去，而在其后形成一个声影区，就像光线被物体遮挡形成一个阴影那样。在这个声影区内，人们可以感到噪声明显地减弱了，这就是声屏障的减噪效果。

对高速铁路而言，噪声源分布在列车车身所有高度且主要频谱范围为200～5000Hz，其噪声为宽频噪声。同时，由于列车与声屏障距离较近，必须考虑二者之间的多重反射。而现有声屏障的设计忽略了声源分布及其频谱特性对声屏障降噪效果的影响。

声屏障降噪是一个非常复杂的声学问题，其受到众多因素的影响。比如，当列车通过时，声屏障不仅要受到列车发动机发出的噪声作用及轮轨摩擦发出的噪声作用，还受到受电弓受电及空气脉动所发出的噪声作用，这些声源发出的噪声因其声源频率不一样，声屏障对其降噪效果也不一样，这些可以统称为声源频率对声屏障降噪作用的影响因素；其次，声屏障的结构和构造也对声屏障的降噪效果产生很大的影响，目前的声屏障多为直立型声屏障，其降噪效果不佳，存在较大的提升空间。

CN 104894991 A公开了一种声屏障，其通过在两层隔音板间布置吸音板，采用了隔—吸—隔结构形式消除噪音，虽然相比于传统单一的隔音或吸音结构形式一定程度上提高了降噪效果，但是隔—吸—隔结构的连接部因为加工和装配的问题容易导致贴合不紧密，这将极大地影响降噪效果。

CN 204959627 U公开了一种声屏障，其通过弧形隔音板反射噪声，改变噪声的传播路径，同时隔音板内设有的吸音棉能够吸附噪声，虽然其能够一定程度上实现降噪，但是弧形隔音板的固定牢靠性不佳，容易产生疲劳破坏，同时其降噪能力越来越无法满足当前的需求。

CN 208934166 U公开了一种基于仿生学耦合吸声的变电站噪声控制新型声屏障，虽然其一定程度上能够解决电力噪声污染、扰民等问题，但其降噪能力主要针对特定波段，其降噪能力无法满足高速铁/公路的使用需求，同时其外缘过于锋利，容易造成安全事故。

因此，开发一种成本低廉、降噪效果好、适用范围广且耐久性好的声屏障极具现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术降噪效果不佳、耐久性差且适用范围较窄的缺陷，提供一种成本低廉、降噪效果好、适用范围广且耐久性好的声屏障。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，包括依次层叠的隔音层I、阻尼层及隔音层II(两侧的隔音层起到了隔音的作用，中间的阻尼层可以起到吸声隔振的作用)；

所述隔音层I由上至下依次分为弧形边缘区、孔状吸声区及消声百叶区；

所述弧形边缘区和孔状吸声区连成一向远离隔音层II方向弯曲的弧形板状结构，所述消声百叶区为一平板状结构，消声百叶区为平面结构，一方面能够避免弧形百叶结构发生变形，影响使用寿命，另一方面，弧面的百叶结构虽然一定程度上能增强降噪能力，但其对降噪能力提高有效且制造工艺复杂，成本高昂，不利于推广应用；

所述弧形边缘区远离孔状吸声区的边缘呈流线型的波浪状；

所述孔状吸声区开有多个大小不一的盲孔结构；

所述消声百叶区远离隔音层II侧安装有百叶结构，百叶结构靠近孔状吸声区的百叶呈波浪形分布。

本发明，一方面通过优化声屏障的几何结构形式提高声屏障降噪效果，上部弧形板状结构(弧形边缘区和孔状吸声区)不仅能够通过改变噪声的传播路径实现降噪，即提高了声屏障插入性损失，而且采用仿生学设计能够抑制边界噪声的产生(弧形边缘区的设计借鉴了猫头鹰翅膀的仿生学原理，流线型的波浪状边缘可以将穿过的气流和声波“过滤”成细小的部分，抑制边界噪声的产生，可以起到降噪的作用)，进一步降噪，同时孔状吸声区的孔状结构增加了曲面粗糙性，进一步提升吸声的性能；另一方面百叶结构将消声百叶区分隔成众多封闭的小室，阻止了空气流通，使声波的传递受到阻碍，提高了吸声系数。消声百叶区顶端的百叶(即靠近孔状吸声区的百叶)呈波浪形分布，使声波不均匀的通过，与弧形板状结构的原理类似，提高了降噪能力。消声百叶区能够对中高频性噪声起到显著的消声作用(消声量为5～15dB(A))，其适用条件广，气流阻力小，消声量大，外观优美。此外，位于弧形边缘区与消声百叶区之间的孔状吸声区中大小不一的盲孔结构具有较高的降噪能力，声波沿着这些孔隙可以深入材料内部，与材料发生摩擦作用将声能转化为热能，多孔吸声材料的吸声特性是随着频率的增高吸声系数逐渐增大，(即低频吸收没有高频吸收好)，它的吸声机理是亥姆霍兹共振(在某些频率上具有较大的吸声系数)，类似于暖水瓶，外部空间与内部空间通过窄的瓶颈连接，声波入射时，在共振频率上与颈部的空气及内部空间之间产生剧烈的共振作用而损失声能。孔状吸声区设置在弧形边缘区与消声百叶区之间，能够提高结构的整体性，避免出现多余装配使结构发生振动产生二次噪声。

本发明将弧形边缘区远离孔状吸声区的边缘设计成流线型的波浪状以模仿猫头鹰翅膀的仿生学原理，相比于现有技术模拟猫头鹰翅膀降噪用的锋利的锯齿状(如CN201810003394.4)，一方面流线型的波浪状与猫头鹰翅膀的形状更为贴近，其能够更好的还原猫头鹰翅膀的降噪结构，当声波通过时，声波从波浪型的分叉中穿过，可以起到降低边界层噪声的作用，另一方面，其安全性更佳，在发生碰撞时能够避免刮伤车辆或乘客。本发明的弧形边缘区远离孔状吸声区的边缘为流线型的波浪状，主要用于对人类难以忍受的尖锐交通噪声(中高频的噪声)的降噪，同时孔状吸声区的盲孔结构模拟了猫头鹰翅膀的细小羽毛结构，能够起到吸收噪声的作用，其与弧形边缘区的合理布置能够更好地模拟猫头鹰翅膀的整体降噪结构，进而显著提高声屏障的降噪效果。

本发明通过多重设计，显著提升了声屏障的降噪效果，同时其适用性较好，不仅能用于对高速铁/公路的降噪，也可用于电厂等噪声源的降噪，其结构较为简单，成本较低，极具应用前景。

作为优选的技术方案：

如上所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，所述弧形边缘区、孔状吸声区及消声百叶区的投影均为方形；

所述弧形边缘区远离孔状吸声区的边缘包括多个重复单元，重复单元为光滑的椭圆弧，重复单元的长高比为1:1.6，重复单元为光滑的椭圆弧避免车辆意外接触时刮伤人员，同时采用刚度较低的材料，发生碰撞时更易弯折不会戳伤他人。本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际情况对弧形边缘区、孔状吸声区及消声百叶区的形状进行设计，此处仅给出一种可行的技术方案而已，本发明的重复单元的长高比是一定的，重复单元的长高比过大，将导致边缘的间隙即波浪的空隙过大，这将极大地影响降噪效果，重复单元的长高比过小，将导致疲劳强度下降，从而导致其容易发生变形甚至断裂，这将极大地影响部件的耐久性；

所述弧形边缘区和孔状吸声区组成的弧形板状结构相对于消声百叶区所在的平板状结构的弯曲角度为20°～30°，若弯曲角度小于20°，则无法有效提高插入性损失，降噪能力下降；若弯曲角度大于40°，则非常容易弯曲变形，且加工制造困难。

所述百叶结构靠近孔状吸声区的百叶呈重复的波浪形分布，百叶的重复单元的长高比是一致的，均为1:1，长高比过小会导致百叶的数量少，吸声效果不明显；长高比过大会导致波浪形状不明显，降噪能力提升较少。

如上所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，所述隔音层II为方形，其与消声百叶区的尺寸相同；

隔音层II通过阻尼层与隔音层I的消声百叶区固定连接。本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际情况进行设计，此处仅给出一种可行的技术方案而已。

如上所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，所述阻尼层为一中部开有方形通孔的方形板，其外部尺寸与消声百叶区的尺寸相同；

所述隔音层I、阻尼层和隔音层II通过真空压实处理紧密固定连接，通过真空化处理，橡胶阻尼与吸声板紧密贴合在一起，区别于螺栓连接的方式，减少了加工精度的影响，整体性好，避免了二次振动的产生。本发明的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际情况进行设计，此处仅给出一种可行的技术方案而已。

如上所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，所述隔音层I为一体结构，即弧形边缘区、孔状吸声区及消声百叶区为一体，三者没有多余的连接工艺，保证了结构的整体性；

所述阻尼层的材质为橡胶，其他合适材质也可适用于本发明；

所述隔音层I和隔音层II的材质为轻质材料。

材料的选择，首先应从吸声特性方面来确定材料，同时还要结合防火、防潮、防蛀、强度及外观等要求综合考虑进行选择。吸声材料的选择还需要考虑后期声屏障插入损失试验测量的精度，因为吸声材料吸声数的梯度大小直接影响到插入损失试验测量的精度。

如上所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，所述隔音层I和隔音层II应满足强度、耐候性和吸声性能，它的厚度不大于80mm，抗压强度不小于1.5MPa，抗折强度不小于0.4MPa，平均吸声系数不小于0.7，密度不大于650kg/m³，还应进行抗冻融等耐候性试验，确保其使用年限不得小于25年。轻质材料可以为以膨化轻质矿石(如珍珠岩、火山岩和陶粒)为吸声骨料的水泥基吸声材料或者发泡混凝土类其它吸声材料。当然本发明的具体保护范围并不仅限于此，隔音层I和隔音层II的具体参数如厚度等可根据实际情况下进行设置，其厚度应该根据其材料的吸声性能确定，本发明仅给出一种可行的技术方案。

如上所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，所述大小不一的盲孔结构分为半径为3cm的圆孔和半径为1.3cm的圆孔这两种尺寸；

所述盲孔结构均匀分布在孔状吸声区且各孔之间的间隔适度；

所述盲孔结构的深度为3～5cm，多孔吸声结构作为声波传播抑制方面最为有效的方法之一,其吸声性能强依赖于孔结构的几何特征(如孔的尺寸和形状等)，孔的深度不易过深，否则板面易发生变形，孔的深度也不宜过浅，过浅会造成吸声效果的下降。

如上所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，所述百叶结构为单层百叶结构，其由镀锌钢板制作而成。其中百叶的开口角度可以根据实际的工作环境进行调整，不同角度的开口，吸音的能力也会不同。

如上所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，还包括支撑部和底座；

所述底座为平板状结构，其安装在隔音层I、阻尼层及隔音层II远离弧形边缘区侧；

所述支撑部分别与底座和隔音层II连接，用于为声屏障结构提供支撑，保证其结构强度。

如上所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，所述支撑部为梯形板状结构，其材质为高强度钢，具体为具有足够的抗压强度、减震性和耐磨性的HW150型钢材，此处仅给出一种可行的技术方案。

有益效果：

(1)本发明的基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，结构设计合理，通过优化声屏障的几何结构形式提高声屏障降噪效果，上部弧形板状结构不仅能够通过改变噪声的传播路径实现降噪，而且采用仿生学设计能够抑制边界噪声的产生，进一步降噪；

(2)本发明的基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，百叶结构将消声百叶区分隔成众多封闭的小室，阻止了空气流通，使声波的传递受到阻碍，提高了吸声系数，能够对中高频性噪声起到显著的消声作用(消声量为5～15dB(A))；

(3)本发明的基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，孔状吸声区中大小不一的盲孔结构针对某些频率具有较高的降噪能力，进一步提高了声屏障的降噪能力；

(4)本发明的基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，结构较为简单，成本较低，降噪效果突出，极具应用前景。

附图说明

图1、2和3分别为本发明的基于仿生学原理组合型声屏障结构的结构示意图、正视图及侧视图；

图4为阻尼层的示意图；

图5为消声百叶区、阻尼层及隔音层II的侧视图；

图6为百叶结构上单个百叶的结构示意图；

图7为弧形边缘区和孔状吸声区的示意图；

其中，1-弧形边缘区，2-孔状吸声区，3-百叶结构，4-消声百叶区，5-支撑部，6-底座，a-隔音层I，b-阻尼层，c-隔音层II。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。

一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，如图1～3所示，包括依次层叠的隔音层I a、阻尼层b及隔音层II c；

隔音层I a由上至下依次分为弧形边缘区1、孔状吸声区2及消声百叶区4，弧形边缘区1、孔状吸声区2及消声百叶区4的投影均为方形，其为一体结构，隔音层I a的厚度为70mm，具体材质为以珍珠岩为吸声骨料的水泥基吸声材料；

其中，弧形边缘区1和孔状吸声区2连成一向远离隔音层II c方向弯曲的弧形板状结构(弯曲角度为30°，长为115cm，高为14cm)，消声百叶区3为一长为115cm，宽为90cm的平板状结构；

弧形边缘区1远离孔状吸声区2的边缘呈流线型的波浪状，其边缘包括多个重复单元，重复单元为光滑的椭圆弧，重复单元的长为16.5cm，重复单元的高比为1:1.6；

孔状吸声区2均匀分布有多个半径为3cm、深度为4cm的圆孔和半径为1.3cm、深度为4cm的圆孔两种尺寸的盲孔结构，其中孔与孔的间隔为2.5cm；

消声百叶区4远离隔音层II侧安装有由镀锌钢板制作而成的单层百叶结构3，百叶结构靠近孔状吸声区的百叶呈重复的波浪形分布，百叶的重复单元的长为16cm，其长高比为1:1，其上单个百叶的结构如图6所示；

隔音层II c的厚度为70mm，具体材质为以珍珠岩为吸声骨料的水泥基吸声材料，其为方形(长115cm，宽90cm)，其与消声百叶区4的尺寸相同，其通过如图4所示的阻尼层b与隔音层I a的消声百叶区4固定连接；

阻尼层b为一中部开有方形通孔的方形板，其外部尺寸与消声百叶区4的尺寸相同，其材质为橡胶，隔音层I a、阻尼层b和隔音层II c通过真空压实处理紧密固定连接；

隔音层I a、阻尼层b及隔音层II c远离弧形边缘区1侧安有平板状结构的底座6，底座6和隔音层II c之间通过梯形板状且材质为HW150钢材的支撑部5连接。

安装本发明的基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构后平均隔声量高于65dB，远高于目前35dB的行业标准。

经验证，本发明的基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，结构设计合理，通过优化声屏障的几何结构形式提高声屏障降噪效果，上部弧形板状结构不仅能够通过改变噪声的传播路径实现降噪，而且采用仿生学设计能够抑制边界噪声的产生，进一步降噪；百叶结构将消声百叶区分隔成众多封闭的小室，阻止了空气流通，使声波的传递受到阻碍，提高了吸声系数，能够对中高频性噪声起到显著的消声作用(消声量为5～15dB(A))；孔状吸声区中大小不一的盲孔结构针对某些频率具有较高的降噪能力，进一步提高了声屏障的降噪能力；结构较为简单，成本较低，降噪效果突出，极具应用前景。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。

Claims (10)

1.一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，其特征在于，包括依次层叠的隔音层I、阻尼层及隔音层II；

所述隔音层I由上至下依次分为弧形边缘区、孔状吸声区及消声百叶区；

所述弧形边缘区和孔状吸声区连成一向远离隔音层II方向弯曲的弧形板状结构，所述消声百叶区为一平板状结构；

所述弧形边缘区远离孔状吸声区的边缘呈流线型的波浪状；

所述孔状吸声区开有多个大小不一的盲孔结构；

所述消声百叶区远离隔音层II侧安装有百叶结构，百叶结构靠近孔状吸声区的百叶呈波浪形分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，其特征在于，所述弧形边缘区、孔状吸声区及消声百叶区的投影均为方形；

所述弧形边缘区远离孔状吸声区的边缘包括多个重复单元，重复单元为光滑的椭圆弧，重复单元的长高比为1:1.6；

所述百叶结构靠近孔状吸声区的百叶呈重复的波浪形分布，百叶的重复单元的长高比为1:1；

所述弧形边缘区和孔状吸声区组成的弧形板状结构相对于消声百叶区所在的平板状结构的弯曲角度为20°～30°。

3.根据权利要求2所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，其特征在于，所述隔音层II为方形，其与消声百叶区的尺寸相同；

隔音层II通过阻尼层与隔音层I的消声百叶区固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，其特征在于，所述阻尼层为一中部开有方形通孔的方形板，其外部尺寸与消声百叶区的尺寸相同；

所述隔音层I、阻尼层和隔音层II通过真空压实处理紧密固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，其特征在于，所述隔音层I为一体结构；

所述阻尼层的材质为橡胶；

所述隔音层I和隔音层II的材质为轻质材料。

6.根据权利要求5所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，其特征在于，所述隔音层I和隔音层II的厚度不大于80mm，抗压强度不小于1.5MPa，抗折强度不小于0.4MPa，平均吸声系数不小于0.7，密度不大于650kg/m³。

7.根据权利要求1所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，其特征在于，所述大小不一的盲孔结构分为半径为3cm的圆孔和半径为1.3cm的圆孔这两种尺寸；

所述盲孔结构均匀分布在孔状吸声区；

所述盲孔结构的深度为3～5cm。

8.根据权利要求1所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，其特征在于，所述百叶结构为单层百叶结构，其由镀锌钢板制作而成。

9.根据权利要求1所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，其特征在于，还包括支撑部和底座；

所述底座为平板状结构，其安装在隔音层I、阻尼层及隔音层II远离弧形边缘区侧；

所述支撑部分别与底座和隔音层II连接。

10.根据权利要求9所述的一种基于仿生学原理的交通噪声防治声屏障结构，其特征在于，所述支撑部为梯形板状结构，其材质为高强度钢。

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