CN111719451A - 结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，包括固定底板(1)、地脚螺栓（2）、连接系梁（3）、散射吸声体(4)及岩棉介质（5）；连接系梁（3）连接及固定相邻散射吸声体(4)；固定底板(1)连接、支撑并固定散射吸声体(4)；固定底板(1)与地面直接接触，并采用地脚螺栓（2）连接。本发明的散射吸声体采用高度不同的钢立柱，其呈正方形晶格布置；声屏障从正面看呈波浪状，逐层增高；散射吸声体内部填充岩棉介质吸声，在Bragg干涉消声机制和共振腔吸声机制的共同作用下，声子晶体的声屏障结构能最大程度地对高速公路主要噪声频段0‑500Hz、800‑1250Hz的交通噪声进行有效衰减，从而降低受声点处的声压级，使声屏障的降噪效果更有效，更具有针对性。

Description

结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声 屏障

技术领域

本发明涉及高速公路交通噪声控制技术领域，具体涉及一种结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障。

背景技术

高速公路建设在给社会带来巨大便利的同时也给公路沿线的居民带来了严重的噪声污染，我国交通干线中，路侧环境噪声白天高于70dB(A)噪声水平，夜间高于55dB(A)噪声水平的占80%。日益严重的公路噪声污染问题已经成为公路建设中万万不可轻视的环境问题。声屏障是解决高速公路噪声污染问题最有效的控制手段，然而传统声屏障多属于均匀介质结构，增加材料的面密度会带来材料成本以及施工难度的增大，周期性声子晶体结构提供了一种新思路。

声屏障的原理是把噪音的传播过程，即从噪声源到接收点可以看成一条直线，当我们把声屏障放置在噪声源和接收点之间时，该声屏障可以将噪音的传播路径阻断。一部分传输的声能被反射或散射回噪声源，而其他部分通过障碍物，从障碍物的边缘衍射或被材料吸收，声屏障使噪声在传播过程中有明显的附加衰减，一般可降噪5dB-15dB。

根据声屏障结构、材料以及声学特性等可分为不同种类。根据声屏障外观形状的差异，可以归类为直立型、折臂型、倾斜型、封闭型等。折臂型包括了圆弧、逆L型等；倾斜型包括了内倾和外倾；封闭型包括了全封闭型与半封闭型；部分声屏障还包括了单独的顶部装置，利于Y 型顶、多重边缘型顶、鹿角型顶、T 型顶等。根据材料差异能够归纳为混凝土、金属、亚克力等。根据降噪特性差异性能够归纳成吸收噪声与反射噪声型。

传统的声屏障所用材料种类繁多，目前金属板、复合板材及木板等的使用率相对较高，但这些材料多为均匀介质材料，降噪效果依靠质量密度定理，也就是材料的隔声性能和材料的面密度成正相关，研究显示，面密度增加一倍，降噪效果增加6dB。因此，想得到更高的降噪效果，只能够提高声屏障材料的密度，但在材料成本以操作难度水平上都有很大的提高，因此传统声屏障材料应用具有一定局限性。为在噪声传播过程中对噪声进行更高效的降噪，当前已经采用了一些新的隔声技术，如智能材料的引入。但智能材料费用昂贵，使用中也存在不同程度的困难，尚未广泛使用。

现有技术中，声屏障的常见结构如图2所示。此外，公开号为CN111270621A的中国发明专利提供了一种二维声子晶体声屏障结构，它包括立方体声子晶体元胞和固定板，立方体声子晶体元胞采用普通钢材料，固定板将立方体声子晶体元胞有规则的布置固定；该声子晶体声屏障结构主要用于铁路线路降噪，拆卸安装方便，对工作环境要求低，对由于铁路线路不平顺引起的轮轨振动和噪声起到减振降噪效果，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。

然而，近年来随着声屏障的大量采用，其存在的问题也逐渐显露。第一，现有的声屏障降噪缺乏针对性，不同种类的路段噪音产生的主导因素不同，特征噪声频谱也不相同，目前没有针对性的设置。第二，连续的声屏障阻碍了空气的流动，车辆在高速行驶过程中产生的持续脉动风压、以及自然环境中的风荷载会导致声屏障的使用寿命减短，无法满足安全性与稳定性，同时还可能造成声泄露。第三，高大封闭的声屏障会阻碍光线，影响驾驶员的视觉，造成孤立感，从美学角度来看，也不利于与沿线景观的交融。

声子晶体是具在弹性波带隙特征的周期性复合材料，它的基本特征是，带隙频率范围内的弹性波在声子晶体中传播时会被抑制因此，声子晶体常被用于特定频率范围内的减振降噪。

声子晶体型声屏障克服了传统声屏障的三大缺陷，可以根据具体交通噪声特征频谱进行带隙设计，更具有针对性；透风可以减少受风面积，延长使用寿命，透光有利于驾驶员的视觉；外观设计灵活多变，具有较高的艺术设计潜力，可以与沿线景观交融。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，实现最大程度地对高速公路主要噪声频段0-500Hz、800-1250Hz的交通噪声进行有效衰减，降低受声点处的声压级，使声屏障的降噪效果更有效、更具有针对性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明的结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，包括固定底板、地脚螺栓、连接系梁、散射吸声体及岩棉介质；所述岩棉介质填充于散射吸声体内部；所述连接系梁连接及固定相邻散射吸声体；所述固定底板连接、支撑并固定散射吸声体；所述固定底板与地面直接接触，并采用地脚螺栓实现与地面的连接。

优选的是，所述固定底板采用平直硬质塑料板或金属板。

在上述任一技术方案中优选的是，所述散射吸声体焊接于固定底板上，并在散射吸声体两侧加焊加劲板。

在上述任一技术方案中优选的是，所述连接系梁位于散射吸声体中部。

在上述任一技术方案中优选的是，所述散射吸声体采用高度不同的钢立柱，呈正方形晶格布置。

本发明的声子晶体声屏障，将开口钢立柱作为散射吸声体，内附多孔吸声介质，使得声屏障从正面看呈波浪状设计，逐层增高。

在上述任一技术方案中优选的是，所述散射吸声体采用的钢立柱由不锈钢管加工制成，钢管外径R为0.085m，内径r为0.075m，壁厚T为0.01m，散射吸声体开口角度β为60°。

本发明的声子晶体声屏障，散射吸声体采用不锈钢管加工制成，声波通过开口进入共振腔，与腔内空气剧烈摩擦，消耗声能，起到降噪的作用。

在上述任一技术方案中优选的是，所述散射吸声体内壁粘结岩棉介质：在散射吸声体内部沿圆周填充t=0.03m厚的2号纤维平均直径玻璃棉，憎水率不小于98%，容重为50kg/m³,使用热固性树脂作为粘结剂。

本发明的声子晶体声屏障，在散射吸声体内部填充纤维玻璃棉介质，这种多孔吸声介质起到吸收声波的作用。

在上述任一技术方案中优选的是，所述散射吸声体为开口垂直于道路走向布置。

在上述任一技术方案中优选的是，所述散射吸声体按照正方形晶格进行布置，晶格常数为a，即相邻散射吸声体水平与垂直中心间距为a=0.2m。

在上述任一技术方案中优选的是，所述散射吸声体采用4排设计。

本发明的声子晶体声屏障，散射吸声体可以采用4排设计，散射吸声体的开口方向正向道路。

在上述任一技术方案中优选的是，高度不同的散射吸声体在安装时，采用中间高、两边低的波浪型布置结构，先从第一排开始依次布置，且后排高度应高于前排，形成层次。本发明的声子晶体声屏障，采用这种安装布置结构，可有效减少声屏障的顶端绕射声，增强声屏障的降噪能力。

与现有技术相比，本发明的上述技术方案具有如下有益效果：

由于声子晶体具有的带隙特性，针对高速公路的主要噪声频段进行设计，更具有针对性，同时考虑将腔体共振、多孔吸声介质与Bragg散射的相消干涉原理相结合，实现了多重降噪机理相结合的声子晶体型声屏障，有效增强了声屏障的降噪性能。

声子晶体型声屏障非连续封闭型声屏障，透风减少了交通流的脉动风压影响，延长了声屏障的使用寿命；透光，有助于驾驶员行驶时的视觉，避免以往高大封闭声屏障使驾驶员产生的孤立感。

将声子晶体型声屏障按照波浪形进行设计，一是具有较高的美观性，可以与沿线的景观相融合；二是采用逐层加高的布置，可以有效减少声屏障顶端的绕射声，增强声屏障的降噪性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为声屏障降噪原理示意图；

图2为现有技术中声屏障结构的示意图；

图3为按照本发明的声子晶体声屏障的一优选实施例的声子晶体型声屏障的晶格单胞示意图；

图4为按照本发明的声子晶体声屏障的一优选实施例的声子晶体单胞能带结构示意图；

图5为按照本发明的声子晶体声屏障的一优选实施例的声子晶体型声屏障俯视图；

图6为按照本发明的声子晶体声屏障的一优选实施例的声子晶体型声屏障主视图；

图7为按照本发明的声子晶体声屏障的一优选实施例的声子晶体型声屏障侧视图；

图8为按照本发明的声子晶体声屏障的室内半消声实验布置俯视图；

图9为按照本发明的声子晶体声屏障的室内半消声实验布置侧视图。

附图标记：1、固定底板，2、地脚螺栓，3、连接系梁，4、散射吸声体，5、岩棉介质，6、加劲板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

图1所示为声屏障降噪的主要原理示意图。声屏障作为一种末端噪声控制的降噪形式，是交通领域应用最广泛，被公认为是最行之有效的措施，在声源和受声点之间插入屏障，可以阻止噪声直接传到受声点。除少部分声波通过透射和多次反射到达受声点外，大部分声波通过声屏障顶部绕射到受声点。插入的屏障改变了声波的传播路径，间接增大了衰减传播距离，起到降低受声点声压的作用。图2为现有声屏障的结构示意图。在原来直立型声屏障的基础上，在声屏障顶端增加防止声绕射结构是目前声屏障设计的主要思路，通过高度、结构形式的变化以达到增强降噪效果的目的。

在现有技术基础上，本发明实施例提出一种结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，以实现最大程度地对高速公路主要噪声频段0-500Hz、800-1250Hz的交通噪声进行有效衰减。

本实施例的声子晶体声屏障，主要包括固定底板1、地脚螺栓2、连接系梁3、散射吸声体4及岩棉介质5五部分。固定底板1是一块平直硬质塑料板或金属板，起连接、支撑并固定散射吸声体4的作用。散射吸声体4焊接在固定底板1上，并在散射吸声体4两侧加焊加劲板。固定底板1与地面直接接触，采用地脚螺栓2进行连接。连接系梁3位于散射吸声体4中部，起到连接相邻散射吸声体的固定作用，加强整体稳定性。散射吸声体采用高度不同的钢立柱进行设计，呈正方形晶格布置；声屏障从正面看呈波浪状，逐层增高。散射吸声体4内部填充岩棉介质吸声。在Bragg干涉消声机制和共振腔吸声机制的共同作用下，本实施例的声子晶体的声屏障结构能够最大程度地对高速公路主要噪声频段0-500Hz、800-1250Hz的交通噪声进行有效衰减，从而降低受声点处的声压级，使声屏障的降噪效果更有效，更具有针对性。

本实施例的声子晶体声屏障，采用开口钢立柱作为散射吸声体，内附多孔吸声介质，声屏障呈波浪形进行设计：

散射吸声体高度 3m

散射吸声体内径 0.75m

散射吸声体外径 0.85m

散射吸声体开口圆心角 60°

本实施例结合Bragg散射机理与吸声共振机理的声子晶体声屏障在保证降噪效果的同时，亦充分发挥声子晶体声屏障对路域环境景观功能提升的优势，充分优化和提升高速公路路域景观质量和视觉环境品质，延长了声屏障的使用年限。此实施例所述技术方案也为我国声子晶体声屏障声学设计提供理论指导和技术支撑。

散射吸声体由不锈钢管加工制成，钢管外径为R=0.085m，内径为r=0.075m,壁厚为T=0.01m，散射吸声体开口角度β=60°。声波通过开口进入共振腔，与腔内空气剧烈摩擦，消耗声能，起到降噪的作用。

在散射吸声体内部沿圆周填充t=0.03m厚2号纤维平均直径玻璃棉，憎水率不小于98%，容重为50kg/m³,使用热固性树脂作为粘结剂。多孔吸声介质起到吸收声波的作用。

同时，安装散射吸声体4时需要注意，散射吸声体开口垂直于道路走向布置。

散射吸声体4按照正方形晶格进行布置，晶格常数为a，即相邻散射吸声体水平与垂直中心间距为a=0.2m。

在安装高度h不同的散射吸声体时，按照中间高两边低的波浪型进行布置，先从第一排开始依次布置，且后排高度应高于前排，形成层次，并可有效减少声屏障的顶端绕射声，增强声屏障的降噪能力。

在各散射吸声体中部安装系梁，起到增强声屏障整体稳定性的作用。

以下结合图3至9详细说明本发明实施例具体采用的技术方案及其特点，以及实现方式和测试效果。

图3为开口型吸声散射体的单胞结构示意图。如图3所示，本发明实施例将Bragg散射机理与吸声局域共振机理相结合，散射吸声体4内部结构由钢散射体壁与岩棉介质5组成，由于钢的声阻抗要远远大于空气，所以当声波从空气基体中传播到钢散射体壁上时，会在界面上发生全反射，在声子晶体内部发生相消干涉，因而一部分特定频率的声波无法传播，起到特定频率的降噪作用；同时，在散射吸声体4上进行开口处理，使声波通过开口进入散射吸声体4内，与腔内空气摩擦、振动，从而使声能转换为热能，局域在腔体内，起到降噪作用；在钢散射体内壁粘结岩棉介质5，岩棉是多孔吸声介质，在声波被局域在腔体内时，可以起到吸声的作用，起到进一步地降噪作用。

图4是此开口型声子晶体单胞能带结构示意图。由图4可知在高速公路主要噪声频段0-500Hz、800-1250Hz,该声子晶体型声屏障均可以产生相应的完全禁带，在完全禁带内，声波将无法继续传播，起到了特定频率降噪的作用，更具有针对性。

图5是该声子晶体型声屏障的结构俯视图。如图5所示，厚度t=0.03m岩棉介质5通过热固树脂粘结在钢散射体内壁4，散射吸声体4通过焊接与固定底板1相连接，固定底板1再通过地脚螺栓2与地面相连接，进一步地在散射吸声体4两侧与固定底板1间焊接高0.2m，厚0.02mm的加劲板，进一步地，直径为0.06m的连接系梁3将相邻的散射吸声体4连接起来，增加整体的稳定性。由图5可知，散射吸声体4呈正方形晶格进行排布，相邻散射吸声体4之间水平、垂直距离为晶格常数a=0.2m。

图6为声子晶体声屏障的主视图。由图6可知，声子晶体型声屏障呈波浪型高低错落，且逐排升高，第一排散射吸声体高度h=2.5-3.2m，共8种高度散射吸声体，由图中从左往右依次为2.8m、2.7m、2.6m、2.5m、2.5m、2.6m、2.7m、2.8m、2.9m、3.0m、3.1m、3.2m、3.2m、3.1m、3.0m、2.9m。第二排散射吸声体高度h=2.6-3.3m,共8种高度散射吸声体，由图中从左往右依次为3.0m、3.1m、3.2m、3.3m、3.3m、3.2m、3.1m、3.0m、2.9m、2.8m、2.7m、2.6m、2.6m、2.7m、2.8m、2.9m。第三排散射吸声体高度h=2.9-3.6m，共8种高度散射吸声体，由图中从左往右依次为3.2m、3.1m、3.0m、2.9m、2.9m、3.0m、3.1m、3.2m、3.3m、3.4m、3.5m、3.6m、3.6m、3.5m、3.4m、3.3m。第四排散射吸声体高度h=3.1-3.7m，共8种高度散射吸声体，由图中从左往右依次为3.4m、3.5m、3.6m、3.7m、3.7m、3.6m、3.5m、3.4m、3.3m、3.2m、3.1m、3m、3m、3.1m、3.2m、3.3m。

图7为声子晶体型声屏障的侧视图。由图7可知，散射吸声体高度逐排升高，连接系梁位于散射吸声体高度1.5m处。

图8、图9为测试该声子晶体型声屏障降噪效果的室内实验布置图，在半消声实验室中模拟半自由场条件，进行室内半消声波动实验。在距离声屏障前1.5m、高1.2m处利用MHY-14324型12面体声源及HA12-AWA5870A型功率放大器连续发射70dB(A)的白噪声，由LMSVirtual.Lab™噪声测试分析系统测定接收端的噪声声压级，接收端的位置分别布置在声屏障后d=1.5m、3m、6m、12m、24m、30m，高1.2m处记录相关数据，分别记录声屏障布置前后的接收端声压级，并计算相应的插入损失，取6个场点的A计权声压级插入损失的平均值作为评价标准。

实验结果显示，在完全禁带内，该声子晶体型声屏障具有良好的降噪性能，0-500Hz内平均降噪量为17.1dB,800-1250Hz内20.2dB。

本实施例的声子晶体型声屏障通过将Bragg散射与吸声共振相结合的方式，针对高速公路主要噪声频段，进行了有针对性的宽频降噪。采用波浪型的外观设计，一是有效减少了声屏障的顶端绕射声，二是又起到了美化沿线景观的作用，实验证明该声子晶体型声屏障具有良好的降噪性能。

以上所述仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非是对本发明的范围进行限定；以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围；在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的任何修改、等同替换、改进等，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，包括固定底板(1)、地脚螺栓（2），其特征在于，它还包括连接系梁（3）、散射吸声体(4)及岩棉介质（5）；所述岩棉介质（5）填充于散射吸声体(4)内部；所述连接系梁（3）连接及固定相邻散射吸声体(4)；所述固定底板(1)连接、支撑并固定散射吸声体(4)；所述固定底板(1)与地面直接接触，并采用地脚螺栓（2）实现与地面的连接。

2.如权利要求1所述的结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，其特征在于，所述固定底板(1)采用平直硬质塑料板或金属板。

3.如权利要求1所述的结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，其特征在于，所述散射吸声体(4)焊接于固定底板(1)上，并在散射吸声体(4)两侧加焊加劲板（6）。

4.如权利要求1所述的结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，其特征在于，所述连接系梁（3）位于散射吸声体(4)中部。

5.如权利要求3所述的结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，其特征在于，所述散射吸声体(4)采用高度不同的钢立柱，呈正方形晶格布置。

6.如权利要求5所述的结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，其特征在于，所述散射吸声体(4)采用的钢立柱由不锈钢管加工制成，钢管外径R为0.085m，内径r为0.075m，壁厚T为0.01m，散射吸声体(4)开口角度β为60°。

7.如权利要求6所述的结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，其特征在于，所述散射吸声体(4)内壁粘结岩棉介质（5）：在散射吸声体(4)内部沿圆周填充t=0.03m厚的2号纤维平均直径玻璃棉，憎水率不小于98%，容重为50kg/m³,使用热固性树脂作为粘结剂。

8.如权利要求7所述的结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，其特征在于，所述散射吸声体(4)为开口垂直于道路走向布置。

9.如权利要求8所述的结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，其特征在于，所述散射吸声体(4)按照正方形晶格进行布置，晶格常数为a，即相邻散射吸声体水平与垂直中心间距为a=0.2m。

10.如权利要求9所述的结合Bragg散射与吸声共振的波浪形高速公路声子晶体声屏障，其特征在于，所述散射吸声体(4)采用4排设计。

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