CN113529598A - 一种陶粒吸声金属声屏障单元 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陶粒吸声金属声屏障单元，包括由金属壳体构成的腔体，所述腔体内设置水泥基吸声板，自所述金属壳体面向声源一侧起，腔体内依次包括：第一空气层、第一水泥基吸声板、第二水泥基吸声板、第二空气层。本发明实现了轨道交通声屏障产品声学性能的综合提升。

Description

一种陶粒吸声金属声屏障单元

技术领域

本发明属于轨道交通噪声治理技术领域，具体涉及一种耐久性好、环保性能优的水泥基吸声材料的轨道交通金属声屏障，特别涉及一种金属壳、水泥基吸声板及空腔组成的声屏障板。

背景技术

铁路、城市轨道交通等采取的主要降噪措施为在轨道旁设置声屏障。申请人经长期以来的研究，已经开发出能够替代现有金属外壳中岩棉、聚酯纤维等材料的陶粒吸声板，通过不同粒径的陶粒作为骨料、与胶凝材料、外加剂等进行制作，采用此种陶粒吸声板应用于金属外壳中获得的声屏障产品具有轻质、耐候性好以及优良的力学性能。

随着申请人的深入研究，发现不同的陶粒骨料、以及不同陶粒吸声板在金属壳中的排列方式，会对声屏障产品的声学效果产生不同的影响。从声学效果来说，吸声和隔声是两种不同的声学概念，且具有本质区别。吸声，是指利用吸声材料或吸声结构，将入射的声能吸收消耗掉，减少反射声，从而降低容积内噪声。隔声，则是利用隔声结构将声音隔挡，减弱噪声的传递，使噪声环境与需要安静的环境分隔开，如降噪箱、隔声间、隔声屏等就是常用的隔声装置，以达到保证室内环境的私密性，降低外界声音的影响。从上述概念也可以看出，吸声和隔声处理所解决的目标和侧重点不同,吸声处理所解决的目标是减弱声音在室内的反复反射,也即减弱室内的混响声,缩短混响声的延续时间，配合音质设计。隔声处理则着眼于隔绝噪声自声源房间向相邻房间的传播,以使相邻房间免受噪声的干扰也即降低背景噪声，提高需要清晰度。吸声和隔声从本质上是相互矛盾的，吸声性能优良的材料，隔声性能也可能很差，在一般声学材料中，吸声和隔声性能相互对立，但在轨道交通声屏障设计中，希望实现二者在一定优良范围内的统一，这是目前声屏障产品的设计难点。

另外，在轨道交通的金属声屏障中，由于金属壳体空间的限制、以及整体轻质化要求，陶粒吸声板不能具有较大的厚度(一般厚度在80mm以下)，这种陶粒吸声板的薄壁要求是的其隔声性能指标的提升尤为困难，计权隔声量每提升1分贝均需要在技术上付出巨大的努力。在铁路声屏障声学构件产品中，希望(计权)隔声量能够达到30dB以上。

发明内容

本发明为解决上述现有技术的问题，提供一种陶粒吸声金属声屏障单元，具有一定的吸声效果和隔声性能，实现了轨道交通声屏障产品声学性能的综合提升。

本发明提供了如下的技术方案：

一种陶粒吸声金属声屏障单元，包括由金属壳体构成的腔体，所述腔体内设置水泥基吸声板，自所述金属壳体面向声源一侧起，腔体内依次包括：第一空气层、第一水泥基吸声板、第二水泥基吸声板、第二空气层。

其中，所述金属壳体可以为铝合金壳体，包括U型主体、顶部型材和底部型材，所述U型主体顶部两侧设有向内弯折的横向折弯部，所述顶部型材包括横向腹板，横向腹板能够盖合于U型主体顶部两侧设有向内弯的横向折弯部上，所述顶部型材的横向腹板两侧竖向设有翼缘，能够匹配卡合于U型主体的横向折弯部两侧，所述顶部型材的横向腹板的下方设有若干下侧肋，能够通过U型主体的横向折弯部之间的空隙进入腔体内，用于固定水泥基吸声板，顶部型材可以通过设置于横向腹板和横向折弯部上的铆钉与U 型主体相互固定；底部型材固定于U型主体内部底面，其上设有能够与下侧肋对应的上侧肋。

进一步，所述第一水泥基吸声板和第二水泥基吸声板平行卡装于下侧肋和上侧肋之间，并在U型主体的腔体内两侧分别形成空气层；U型主体的面向声源的一侧设置开孔，开孔率为25％-80％，优选设置为25％-30％；在水泥基吸声板与金属壳体的连接接触部位上、以及U型主体和顶部型材之间的连接接触部位上还设置减震垫。

其中，所述腔体内，各层厚度比满足第一空气层：第一水泥基吸声板：第二水泥基吸声板：第二空气层＝(5-38)：(35-50)：(5-25)：(39-72)，水泥基吸声板总厚度≤60mm。

其中，单层水泥基吸声板厚度≥10mm，优选≥15mm；水泥基吸声板总厚度≥35mm，优选≥40mm。

其中，两层水泥基吸声板厚度比满足第一水泥基吸声板：第二水泥基吸声板≥1.2。

其中，第二空气层厚度大于第一水泥基吸声板厚度，优选的大于水泥基吸声板总厚度。

其中，水泥基吸声板由轻集料和/或轻集料灰、胶凝材料、外加剂、水制成；所述轻集料为粒径1mm-3mm的陶粒，轻集料灰为陶粒灰；胶凝材料包括硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石灰、石膏、水玻璃中任选一种或多种的主料，以及粉煤灰、矿渣粉、硅灰、火山灰任选一种或多种的掺合料；外加剂包括疏水剂、减水剂、增稠剂、引气剂、纳米材料；水泥基吸声板中，轻集料和/或轻集料灰占总质量的50％以上，优选为70％以上，更优选为80％以上。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：通过对吸声板层数、厚度和空气层的综合调整，使得金属声屏障在有限空间内，达到最优的吸声和隔声性能统一，基本性能指标能够达到抗压强度≥2MPa，抗折强度≥0.7MPa，面密度不大于65kg，吸声系数≥0.77、计权隔声量≥33dB；进一步优化的性能指标达到抗压强度≥2.5MPa，抗折强度≥0.8MPa，面密度不大于65kg，吸声系数≥0.8、计权隔声量≥33dB。在达到同等吸隔声效果的前提下，较以往采用的轻集料混凝土声屏障减重20％以上。本发明轻集料选用粒径1mm-3mm的陶粒，并未采用3mm以上的粒径，一方面能够提升骨料占比，另一方面有利于陶粒的振动，更利于对声波的吸收，做到整体厚度的减薄。水泥基吸声板分两层设计，声波通过穿孔面板入射到第一水泥基吸声板内部引起陶粒间空气的振动使声能被损耗，一部分声波透过第一水泥基吸声板入射到第二水泥基吸声板内，更好的将声音吸收与隔档，更进一步的减弱噪声的传播，之后声波透过双层吸声板进入第二空气层中，使声音进一步吸收和隔档，在此过程中，声波同时在双层水泥基吸声板以及空气层之间重复不断被反射与消耗。因此，本发明的结构和布设，解决了吸声与隔声间的矛盾，达到了最佳的吸隔声效果。

附图说明

图1是本发明陶粒吸声金属声屏障单元的一种整体结构示意图；

图2是本发明陶粒吸声金属声屏障单元的截面结构示意图；

图3为实施例1-2产品的吸声系数曲线；

图4为实施例1-2产品的隔声曲线；

图5为实施例3产品的隔声曲线；

图6为相同总厚度下单层和双层水泥基吸声板的吸声曲线；

图7为相同水泥基吸声板设置下，加入空气层和不设置空气层的吸声性能；

图8为相同水泥基吸声板总厚度下，设置单层吸声板和双层吸声板的隔声量对比；

图9为相同吸声板数量和厚度下，不同第二空气层厚度下的隔声曲线；

图10为相同水泥基吸声板总厚度下，设置单层吸声板和双层吸声板的隔声量对比。

其中，01-第一空气层；02-第一水泥基吸声板；03-第二水泥基吸声板；04-第二空气层；1-U型主体；11-折弯部；12-开孔；2-顶部型材；21-腹板；22-翼缘；23-下侧肋； 3-底部型材；31-上侧肋；4-减震垫。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明采用建筑弃土烧制制备水泥基吸声板，水泥基吸声板由轻集料和/或轻集料灰、胶凝材料、外加剂、水等制成。其中轻集料为粒径1mm-3mm的陶粒，轻集料灰为陶粒灰。其他材料均可选自现有产品。胶凝材料可以包括硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、石灰、石膏、水玻璃等主料，以及粉煤灰、矿渣粉、硅灰、火山灰等掺合料；外加剂可以包括疏水剂、减水剂、增稠剂、引气剂、纳米材料等。水泥基吸声板中，轻集料和/或轻集料灰占总质量的50％以上，优选为70％以上，更优选为80％以上，更高的轻集料和/或轻集料灰的占比有利于提高陶粒的密度，提高声波在吸声板内的折射和散射，同时提高板体的强度。

本发明的水泥基吸声板可以被固定于金属壳体构成的腔体中，腔体内自所述金属壳体面向声源一侧起，依次包括：第一空气层01、第一水泥基吸声板02、第二水泥基吸声板03、第二空气层04。双层吸声板可明显提高低频段的吸声系数，空气层可改善声屏障单元的隔声量和某些频率下的吸声系数。但受限于某些轨道旁的建设空间，一般金属壳体内腔体的空间有限，约在110-140mm之间，因此水泥基吸声板厚度和空气层厚度之间存在相互制约的关系，通过合理综合调整水泥基吸声板及空气层厚度来显著提升声屏障板的整体吸隔声性能，特别可以起到减轻声屏障单元重量、节约投资的作用。

图1-2为本发明陶粒吸声金属声屏障单元一种结构的示例。金属壳体可以为铝合金壳体，包括U型主体1、顶部型材2和底部型材3，所述U型主体1顶部两侧设有向内弯折的横向折弯部11，所述顶部型材2包括横向腹板21，横向腹板21能够盖合于U型主体1顶部两侧设有向内弯的横向折弯部11上，所述顶部型材2的横向腹板21两侧竖向设有翼缘22，能够匹配卡合于U型主体1的横向折弯部11两侧，所述顶部型材2的横向腹板21的下方设有若干下侧肋23，能够通过U型主体1的横向折弯部11之间的空隙进入腔体内，用于固定水泥基吸声板，顶部型材2可以通过设置于横向腹板21和横向折弯部11上的铆钉与U型主体1相互固定；底部型材3固定于U型主体1内部底面，其上设有能够与下侧肋23对应的上侧肋31。下侧肋23和上侧肋31的间距、数量、大小等可以根据需要和/或水泥基吸声板的尺寸在制造时进行调整。水泥基吸声板分为两层，可以平行卡装于下侧肋23和上侧肋31之间，并在U型主体1的腔体内两侧分别形成空气层。U型主体1的面向声源的一侧可以设置开孔12，开孔率可以为25％-80％，考虑到金属壳体整体强度以及面板的辅助吸声作用，可以将开孔率优选设置为25％-30％。为防止震动、受力应力集中、以及搬运安装等过程中对声屏障单元产生刚性破坏，在水泥基吸声板与金属壳体的连接接触部位上、以及U型主体1和顶部型材2之间的连接接触部位上还可以设置减震垫4，例如三元乙丙橡胶垫。

本发明通过对水泥基吸声板在金属壳体有限腔体空间中的不同布置方式的研究，在声屏障单元整体轻量化的要求下，达到吸声和隔声效果的协调统一。

本发明通过大量实验发现，有限空间内，各层厚度比满足第一空气层：第一水泥基吸声板：第二水泥基吸声板：第二空气层＝(5-38)：(35-50)：(5-25)：(39-72)，水泥基吸声板总厚度≤60mm时，吸声和隔声能够达到优化统一，吸声系数能够达到0.77以上，同时计权隔声量能够达到33dB以上。同时水泥基吸声板总厚度为考虑到轻量化要求而设计。

水泥基吸声板优选设计为两层，在总厚度限定的情况下，三层或以上层数容易导致强度较低，单层水泥基吸声板厚度优选的≥10mm，更优选的≥15mm；水泥基吸声板总厚度≥35mm，更优选的≥40mm。本发明的产品抗压强度≥2MPa，抗折强度≥0.7MPa，面密度不大于65kg，相比于未曾优化标准(面密度70kg条件下抗压2MPa)实现了进一步的轻量化提升。

其中，第一水泥基吸声板：第二水泥基吸声板≥1.2，使得第一水泥基吸声板具有较大的厚度，首先在较大的厚度下能够有效吸声，再经过较薄的第二水泥基吸声板补充吸声但又可以进行厚度上的减薄、促进与空气层的配合隔声。第二空气层厚度优选的大于第一水泥基吸声板厚度，更优选的大于水泥基吸声板总厚度，第二空气层厚度的设计有利于有效对透过水泥基吸声板的音波进行消散，弥补对应厚度的水泥基吸声板的隔音能力不足，提高隔音效果。在层数、和厚度的优化条件下，本发明的吸声和隔声效果进一步提高，能够达到吸声系数0.8以上、计权隔声量33dB以上、抗压强度≥2.5MPa，抗折强度≥0.8MPa。

本发明金属声屏障单元的部分实施例和对比例情况列于表1中，各实施例和对比例的其他制备条件相同。

表1

图3-4分别以实施例1-2为例，显示了产品的吸声系数曲线和隔声曲线，可以看出本发明产品在不同频程下均能够产生有效的吸声和隔声效果。图5单独显示了实施例3 的隔声曲线，同实施例1-2的趋势一致，在较高频程下具有更优的隔声性能。图6显示了相同总厚度下单层和双层水泥基吸声板的吸声曲线，可以看出，在低频程下吸声系数区别不大，在较高频程下双层水泥基吸声板具有更优的吸声效果。图7显示了相同水泥基吸声板设置下，加入空气层(实施例4)和不设置空气层(空气层厚度为0)的吸声性能，可以看出，设置空气层后，能够有效提高声屏障在低频程下的吸声系数。图8显示了相同水泥基吸声板总厚度(50mm)下，设置单层吸声板和双层吸声板的隔声量对比 (未设置空气层)，可以看出，双层吸声板的设置能够有效提高隔声性能。图9显示了相同吸声板数量和厚度下，不同第二空气层厚度下的隔声曲线，可以看出，双层吸声板设计下，第二空气层厚度提高可以有效提升中频程下的隔声性能，低高频程下的隔声性能差异不大。图10显示了相同水泥基吸声板总厚度下，设置单层吸声板和双层吸声板的隔声量对比(未设置第一空气层，第二空气层厚度47.5mm)，可以看出，第二空气层的设置相对于未设置空气层而言(图8)，隔声性能均得到了提高，并且双层隔声板相对于单层隔声板设置的隔声差异性降低。综上图3-10，可以得知吸声和隔声效果同时受到吸声板层数、厚度、空气层的综合影响，特别在总的安装空间限制内，各因素的调整相互影响制约。

表1中实施例1-8显示了采用本发明各层厚度比满足第一空气层：第一水泥基吸声板：第二水泥基吸声板：第二空气层＝(5-38)：(35-50)：(5-25)：(39-72)，水泥基吸声板总厚度≤60mm的各实施方式的结果。可以看出在有限空间内，金属声屏障板的吸声系数和计权隔声量达到的目标优化指标，同时强度性能也得到了有效提升。

实施例6在包含了本发明的上述各层设计条件，同时在第一水泥基吸声板之前增设了一层10mm的水泥基吸声板(3mm～5mm陶粒)，同时适当减少了第二空气层的厚度(47.5mm)，可以看出吸声和隔声性能在本发明条件下基本维持不变，但由于10mm的水泥基吸声板厚度较薄，抗折强度有所降低(0.8MPa)。同时，由于第二空气层厚度略有下降，不大于吸声板总厚度，隔声性能也略有降低(33dB)。

实施例7提供了两层水泥基吸声板厚度的调整例，第一水泥基吸声板虽然较第二水泥基吸声板略厚，但不满足1.2倍以上差异，吸声系数略有降低，未达到优化的指标0.8以上。

实施例8提供了更小的两层水泥基吸声板总厚度(35mm)，由于板厚度不足，虽然轻量化指标得到优化，但吸声系数略有降低，未达到优化的指标0.8以上，同时抗折强度也有所降低。

对比例1提供了两层相等的空气层厚度(41.5mm)，结合图9可知，第二空气层厚度过低，无法对声波进行有效消散，同时影响隔声效果，吸隔声性能均降低。

对比例2和对比例3均采用了单层水泥基吸声板，两层空气层厚度有所区别。从对比例2可以看出，在第二空气层厚度优化的情况下，虽然吸隔声性能均较空气层未有优化的对比例3有所改善，但依然不及双层水泥基吸声板的性能指标，隔声性能不能满足指标要求(32dB)。

对比例4提供了三层厚度相同的水泥基吸声板，虽然在总厚度上未有改变，吸声性能区别不大，但由于分层较多，第一水泥基吸声板厚度降低，使得隔声性能也不能满足指标要求(32dB)，强度指标也明显降低。

对比例5在两层水泥基吸声板之间增设了一层空气层10mm，同时增加第二水泥基吸声板厚度，虽然吸声系数有所提高，但在隔声性能方面却进一步降低，说明即使在中部增设空气层，依然不能改善第二水泥基吸声板厚度过大以及第二空气层厚度不足的问题。

本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易先到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种陶粒吸声金属声屏障单元，包括由金属壳体构成的腔体，所述腔体内设置水泥基吸声板，自所述金属壳体面向声源一侧起，腔体内依次包括：第一空气层(01)、第一水泥基吸声板(02)、第二水泥基吸声板(03)、第二空气层(04)；

各层厚度比满足第一空气层：第一水泥基吸声板：第二水泥基吸声板：第二空气层＝(5-38)：(35-50)：(5-25)：(39-72)。

2.根据权利要求1所述的陶粒吸声金属声屏障单元，其特征在于，所述金属壳体可以为铝合金壳体，包括U型主体(1)、顶部型材(2)和底部型材(3)，所述U型主体(1)顶部两侧设有向内弯折的横向折弯部(11)，所述顶部型材(2)包括横向腹板(21)，横向腹板(21)能够盖合于U型主体(1)顶部两侧设有向内弯的横向折弯部(11)上，所述顶部型材(2)的横向腹板(21)两侧竖向设有翼缘(22)，能够匹配卡合于U型主体(1)的横向折弯部(11)两侧，所述顶部型材(2)的横向腹板(21)的下方设有若干下侧肋(23)，能够通过U型主体(1)的横向折弯部(11)之间的空隙进入腔体内，用于固定水泥基吸声板，顶部型材(2)可以通过设置于横向腹板(21)和横向折弯部(11)上的铆钉与U型主体(1)相互固定；底部型材(3)固定于U型主体(1)内部底面，其上设有能够与下侧肋(23)对应的上侧肋(31)。

3.根据权利要求2所述的陶粒吸声金属声屏障单元，其特征在于，所述第一水泥基吸声板(02)和第二水泥基吸声板(03)平行卡装于下侧肋(23)和上侧肋(31)之间，并在U型主体(1)的腔体内两侧分别形成空气层；U型主体(1)的面向声源的一侧设置开孔(12)，开孔率为25％-80％，优选设置为25％-50％；在水泥基吸声板与金属壳体的连接接触部位上、以及U型主体(1)和顶部型材(2)之间的连接接触部位上还设置减震垫(4)。

4.根据权利要求1所述的陶粒吸声金属声屏障单元，其特征在于，水泥基吸声板总厚度≤60mm。

5.根据权利要求1所述的陶粒吸声金属声屏障单元，其特征在于，单层水泥基吸声板厚度≥10mm，优选≥15mm；水泥基吸声板总厚度≥35mm，优选≥40mm。

6.根据权利要求1所述的陶粒吸声金属声屏障单元，其特征在于，第一水泥基吸声板：第二水泥基吸声板≥1.2。

7.根据权利要求1所述的陶粒吸声金属声屏障单元，其特征在于，第二空气层厚度大于第一水泥基吸声板厚度，优选的大于水泥基吸声板总厚度。

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