CN113699907A - 一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，包括连续的物理基体相、分离设置的分散相和缺陷态填充相，分散相和缺陷态填充相均固定在物理基体相上，分散相按二维周期性阵列分布，该二维周期性阵列中设有缺陷态通道，缺陷态填充相位于该缺陷态通道内，物理基体相为轻质材料，分散相为重质材料，缺陷态填充相为声能转化收集装置。与现有技术相比，本发明具有重量轻、制备简单、成本低廉及兼具降噪和能量供给等优点，且声子晶体理论的声吸收、带隙可定制、缺陷态等特性提高了交通降噪的效率，有效解决了交通领域在500‑2000HZ频率范围内困扰居民的噪声问题。
Description
技术领域
本发明涉及降噪技术领域，尤其是涉及一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障。
背景技术
随着经济的发展，近年来城市交通及城际交通也得到了前所未有的发展，在节约人们出行时间的同时，更为人们的生活带来了极大的便利。然而，随之而来的交通噪声问题也逐渐困扰着居民的正常生活。现阶段已经成为一个世界性问题，被视为当今四大环境污染问题之一。另一方面，由车辆行驶时振动产生的道路交通噪声频谱分布范围较广，从低频到高频都有所涉及，但相对典型的交通噪声主要为低频噪声。因此，寻求一种合理的降噪结构使其降噪频率范围保持在500-2000Hz以便于其在交通领域的使用，是缓解交通噪声危害的核心问题之一。
研究表明：城市交通干线周围的夜间交通噪声达到65dB时，对周围居民的睡眠有轻微影响；当交通噪声增长到69dB时，周围所有处于轻睡眠的居民都会被惊醒；而当交通噪声达到74dB时，除了处于酣睡状态的人，其他居民均会被噪声惊醒。
日益严重的公路噪声污染问题己成为公路建设中不容忽视的环境问题。目前，国内现有的声屏障主要存在以下两个问题：一是降噪效果一般，平均处于10-20dB左右，存在脆、厚、重的缺陷；另外，材料落后，很多声屏障设计未根据降噪目标需求展开针对性设计。
传统的声电转换装置包括声能收集系统和能量转换系统两部分组成。声能收集系统主要起到将入射声波集中、放大的作用，如声子晶体共振腔可视为一种较好的声能收集器；而能量转换系统目的在于实现从声能到电能的转换，其种类较为丰富，包括压电式、电磁式和静电式三种。其中，压电式声电转换装置以压电材料为核心元件，由于声波的入射，压电材料发生形变，从而出现极化现象，两个相对表面出现正负电荷的流动，产生电动势，最终实现声能转化为电能的效果。而电磁式声电转换装置利用电磁感应原理，由于线圈振动而切割磁感线，使得机械能转化为电能。静电式声电转换装置实质是一种电容，通过电容变化，实现声电转换效果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种改善高速公路或城市道路声屏障的降噪效果的兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，缓解日益严重的公路交通噪声污染问题，进一步为居民提供舒适良好的生活环境。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，包括连续的物理基体相、分离设置的分散相和缺陷态填充相，所述分散相和缺陷态填充相均固定在物理基体相上，所述分散相按二维周期性阵列分布，该二维周期性阵列中设有缺陷态通道，所述缺陷态填充相位于该缺陷态通道内，所述物理基体相为轻质材料，所述分散相为重质材料，所述缺陷态填充相为声能转化收集装置。
进一步地，所述二维周期性阵列中还设有空缺区域，所述分散相和缺陷态填充相均分布在该空缺区域的外侧。
进一步地，所述空缺区域为点区域或线区域，所述点区域包括单点区域和多点区域。
进一步地，所述物理基体相采用硫化硅胶。
进一步地，所述分散相为亚克力柱状结构。
进一步地，所述二维声子晶体型声屏障还包括顶板和底板，所述物理基体相安装在底板上，所述顶板的一侧套有设有孔洞的吸声棉，所述孔洞与所述分散相的分布相配合，所述分散相的一端固定在所述孔洞内；所述顶板和底板均为亚克力板。
进一步地，所述声能转化收集装置为基于压电材料的振动传感器。
进一步地，所述压电材料包括偏聚氟乙烯PVDF、钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN和改性钛酸铅PT。
进一步地，所述缺陷态通道为L型通道，该L型通道具体为，在所述二维周期性阵列中形成分别连接两边的L字形通道。
进一步地，所述缺陷态通道为Z型通道，该Z型通道具体为，在所述二维周期性阵列中形成分别连接两边的Z字形通道。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)功能上，本发明所公开的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障结合吸声和声带隙共振等声学设计中两种不同的噪声控制机制，对比研究了完整机制和缺陷态机制降噪能力。研发制备过程中，可根据实际交通噪声频谱分析，自定义设计兼具能量供给的声子晶体声屏障，具有带隙效果好、可定制、针对性强的特点。
(2)形式上，本发明所公开的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，在视觉连续性、色彩过渡和形式灵活上展现出明显的优势，具体可根据高速公路或城市道路路况及周边自然环境的特征，在降噪的同时充分考虑路域景观需求设计兼具能量供给的声屏障，使其具有美学效果好、形式灵活多样、景观价值高的特点。
(3)本发明所提供的兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障的进一步重要优势在于在降噪的同时可收集能量，可为路侧基础设施(如路灯、交通信号灯、标志标线、广告牌等)进行供电。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障的使用状态示意图；
图2为本发明中兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障声学性能原理示意图；
图3为本发明所提供的实施例1中二维声子晶体型声屏障构型图；
图4为本发明所提供的实施例1中二维声子晶体型声屏障性能测试结果图；
图5为本发明所提供的实施例1中二维L通道型声子晶体声能集中现象示意图；
图6为本发明所提供的实施例2中二维Z通道型声子晶体型声屏障构型图；
图7为本发明所提供的实施例2中二维声子晶体型声屏障声压集中实验装置图；
图8为本发明所提供的实施例2中二维声子晶体型声屏障性能测试声波变化结果；
图中，1、二维声子晶体型声屏障，2、物理基体相，3、分散相，4、缺陷态填充相，5、禁带特性分布，6、局域共振特性分布，7、智能交通设备。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
本发明所提出一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，符合传统声屏障的降噪机理。根据图2，在声波的传播受到声屏障的阻碍时，将存在三条传播路径：(1)在声屏障壁面上产生反射；(2)越过声屏障顶端绕射到达受声点；(3)穿透声屏障到达受声点。
本发明提供一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，该声子晶体型声屏障针对在高速公路或城市道路行驶的小型车、中型车和大型车等交通工具所产生的道路车辆噪声的降噪问题。降噪频率范围为500-2000Hz。
如图1和图3所示，本发明的二维声子晶体型声屏障1包括连续的物理基体相2、分离设置的分散相3和缺陷态填充相4，分散相和缺陷态填充相均固定在物理基体相上，分散相按二维周期性阵列分布，该二维周期性阵列中设有缺陷态通道，缺陷态填充相位于该缺陷态通道内，物理基体相为轻质材料，分散相为重质材料，缺陷态填充相为声能转化收集装置。
二维声子晶体型声屏障1具有：禁带特性5、局域共振特性6，以起到噪声屏蔽和声能收集的功能。
的声子晶体缺陷态强大的声能回收和电能供给作用，可为包括路灯、交通信号灯、加速度计、温度及湿度传感器等智能交通设备7供电，实现能量的可供给。
的兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，在提高降噪效率，弥补原有的声屏障体积大，吸声少的缺点方面发挥着重要作用，在智能路面领域具有广阔的应用前景。
本发明采用轻质材料作为物理基体相，采用重质材料作为分散相，共同构成局域共振单元，由较软轻质材料包裹重核，使得重核发生共振，导致波的局域化，从而形成带隙，该带隙对应缺陷态通道，利用缺陷态通道内部存在声能集中的现象，将声能转化收集装置安装在其中，可起到将声能回收利用的目的，其声电转化效率更高。
作为一种优选的实施方式，如图3所示，二维周期性阵列中还设有空缺区域，分散相和缺陷态填充相均分布在该空缺区域的外侧。空缺区域为点区域或线区域，点区域包括单点区域和多点区域。
可进行完整结构、点空缺、线空缺等结构，研究不同结构的降噪频率及降噪效果的不同，选取最优的结构在具体场景中进行降噪。
降噪效果试验在全消声室中开展，以杜绝其他声波的干扰。消声室地面为铁丝网状，在地面上布设实验装置需要先放置地板。地板采用较为平整的木板。地板上加装底板，底板为定制的具有和亚克力柱相同尺寸的亚克力板。之上原有的亚克力柱插入底板，利用自重站立。
研究过程采用COMSOL数值模拟与消声室现场试验联合的方式，以互相验证降噪效果。
作为一种优选的实施方式，物理基体相采用硫化硅胶。
硫化硅胶(RTV)基体具有常温固化、良好的耐高低温性能、抗冲击和抗弯曲的特性.分散相的亚克力柱平均洛氏硬度达到8-9度；具有耐腐蚀性、耐磨性好、耐候性和刚度大的特点。
作为一种优选的实施方式，分散相为亚克力柱状结构，二维声子晶体型声屏障还包括顶板和底板，物理基体相安装在底板上，顶板的一侧套有设有孔洞的吸声棉，孔洞与分散相的分布相配合，分散相的一端固定在孔洞内；顶板和底板均为亚克力板。还可选择将吸声效果更好、更密实的玻璃棉紧密安放在二维声子晶体型声屏障旁。
声能转化收集装置为基于压电材料的振动传感器。压电材料包括偏聚氟乙烯PVDF、钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN和改性钛酸铅PT。
缺陷态通道可以为单直线型通道、L型通道和Z型通道等，L型通道具体为，在二维周期性阵列中形成分别连接两边的L字形通道；Z型通道具体为，在二维周期性阵列中形成分别连接两边的Z字形通道。
下面分别介绍采用L型通道和Z型通道的两个具体实施例。
实施例1
本实施例中兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障中，分散相和缺陷态填充相按二维周期性阵列分布，缺陷态填充相位于的缺陷态通道为L型通道，物理基体相采用硫化硅胶，分散相为亚克力圆柱。
具体地，单个声屏障板的平面尺寸为300×300mm，分散体以9×9的方式在正方形上阵列排布；单个圆柱形分散体直径为30mm，声屏障厚度方向为50mm。
本实施中对二维声子晶体型声屏障的性能测试实验，包括以下步骤：
将两传感器分别布置在喇叭口和声通道出口。布设传感器时扬声器管口距传声器15cm，扬声器距管口15cm。传声器贴在声子晶体表面或距离2cm，另一传声器贴在声子晶体表面，所有传声器高度设置在声子晶体高度一半的位置。确保两个传感器高度一致，不同构型间保持传感器与模型的相对位置不变。
测试过程中，由喇叭发出从0-10000Hz逐渐增长的噪声。同时，声压信息被两传感器实时返回到计算机进行数值处理。
本实施中的声强级的转换公式：
式中，p0:基准声压，取2×10-5N/m2。
考虑到声通道为L型通道的正对通道入射和斜对通道入射扬声器角度不同可能造成不同的结果。因此，实验时每个构型进行两次，即喇叭正对L通道的0°与喇叭和模型呈45°。
根据图4，完整结构与缺陷态结构均在1000-2000Hz间存在一个较宽的带隙，与需要屏蔽的低频交通噪声的范围重合，具有大约20dB左右的降噪效果，都能满足降噪需求。
本实施例的性能测试结果如表1所示。
表1本实施例带隙范围及最大降噪
| 构型 | 带隙范围(Hz) | 最大降噪(dB) |
| 完整结构 | 620-2200 | 40 |
| 缺陷态结构 | 600-2200 | 40 |
根据表1，完整结构和缺陷态结构的二维声子晶体型声屏障带隙范围均处于600-2200Hz之间，且最大降噪达到40dB。其具有良好的降噪效果。
根据图5，声子晶体的缺陷态通道内部存在声能集中的现象，在缺陷处放置具有大压电常数的PZT压电陶瓷与PVDF压电薄膜等声能转化收集装置，则可起到将声能回收利用的目的，其声电转化效率更高。电压峰值可达到18mV。
实施例2
本实施例中提供二维Z通道型声子晶体声屏障，以探索Z通道型的声子晶体声屏障的声波传递和声能撷取效果。
如图6所示，本实施例中兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障中，分散相和缺陷态填充相按二维周期性阵列分布，缺陷态填充相位于的缺陷态通道为Z型通道，物理基体相采用硫化硅胶，分散相为亚克力圆柱，本实施例中的其他结构尺寸与实施例1相同。
本实施例中，二维Z通道型声子晶体声屏障声压集中实验装置如图7。实验步骤及参数设置包括：
在消声试验台上放置声子晶体共振腔模型，采用吸音棉确保装置周围200×200mm范围内无外界干扰；
扬声器放置在适当的位置，高度为180mm，与共振腔中心的距离为345mm。
扬声器发射不同频率的声波，分别在高度为180mm的距扬声器口20mm处、距扬声器口180mm处、共振腔处测量声压级并记录。测量声压的方法如下：
直径为15mm的麦克风与示波器连接，将麦克风分别放置在测点处，从示波器上读取电压，即可得到测点处的声压。
不放置声子晶体，重复上述实验步骤。
根据图8，声波在通过声屏障前具有较大的声压，经过声屏障的降噪吸能作用，声压迅速降低。且在Z通道处出现了明显的声能集中现象，声音在此聚集，验证了Z通道置换型的二维声子晶体型声屏障的吸能功能。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，其特征在于，包括连续的物理基体相、分离设置的分散相和缺陷态填充相，所述分散相和缺陷态填充相均固定在物理基体相上，所述分散相按二维周期性阵列分布，该二维周期性阵列中设有缺陷态通道，所述缺陷态填充相位于该缺陷态通道内，所述物理基体相为轻质材料，所述分散相为重质材料，所述缺陷态填充相为声能转化收集装置。
2.根据权利要求1所述的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，其特征在于，所述二维周期性阵列中还设有空缺区域，所述分散相和缺陷态填充相均分布在该空缺区域的外侧。
3.根据权利要求2所述的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，其特征在于，所述空缺区域为点区域或线区域，所述点区域包括单点区域和多点区域。
4.根据权利要求1所述的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，其特征在于，所述物理基体相采用硫化硅胶。
5.根据权利要求1所述的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，其特征在于，所述分散相为亚克力柱状结构。
6.根据权利要求5所述的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，其特征在于，所述二维声子晶体型声屏障还包括顶板和底板，所述物理基体相安装在底板上，所述顶板的一侧套有设有孔洞的吸声棉，所述孔洞与所述分散相的分布相配合，所述分散相的一端固定在所述孔洞内；所述顶板和底板均为亚克力板。
7.根据权利要求1所述的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，其特征在于，所述声能转化收集装置为基于压电材料的振动传感器。
8.根据权利要求7所述的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，其特征在于，所述压电材料包括偏聚氟乙烯PVDF、钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN和改性钛酸铅PT。
9.根据权利要求1所述的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，其特征在于，所述缺陷态通道为L型通道，该L型通道具体为，在所述二维周期性阵列中形成分别连接两边的L字形通道。
10.根据权利要求1所述的一种兼具能量供给的二维声子晶体型声屏障，其特征在于，所述缺陷态通道为Z型通道，该Z型通道具体为，在所述二维周期性阵列中形成分别连接两边的Z字形通道。
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