CN115262439B - 一种降噪护栏及用于城市快速路的主动降噪屏障 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降噪护栏，从下到上依次包括反射段、吸音段以及控制段，通过反射段和吸音段消除中高频段的声波（或者噪音），通过反相声波对冲消除低频声波。在降噪护栏的外侧还设有一对麦克风和扬声器，根据第二麦克风收集的声波信号产生反相声波信号并通过第二扬声器播放，与逃逸到降噪护栏外的噪音声波对冲，以此来消除逃逸声波。本申请还提出了一种用于城市快速路的主动降噪屏障，形成于城市快速路左右两侧，主动降噪屏障由多个降噪护栏前后相错或是呈周期性弧线排列而成，相邻降噪护栏之间互相连接，在降噪屏障内形成声波的不规则传播路径，使得噪音信号尽可能在降噪屏障内多次反射，以消除噪音，减弱其向外逃逸的可能。

Description

一种降噪护栏及用于城市快速路的主动降噪屏障

技术领域

本申请涉及道路降噪领域，特别涉及一种降噪护栏及用于城市快速路的主动降噪屏障。

背景技术

城市道路分四个等级，快速路（城市快速路）、主干道、次干道、支路，主要的区别是速度，以及涉及的车速和断面的布置。城市快速路的一个重要特点是它只服务于城市内部。如果一条快速路已连接着其他城市，则不能叫城市快速路，应该叫城际快速路。现有的声屏障存在以下问题：（1）一般较多的关注对于屏障内快速路的消音，但是难以避免的会有部分噪音经过声屏障的反射从上方逃逸到声屏障外，对位于声屏障外侧的高层建筑或是行人车辆产生噪音影响，常见的用于高速公路的声屏障，因为四周没有住户和行人，或是住户行人稀少，在设计时无需考虑噪声逃逸的问题，故不适用城市快速路；（2）在进行消音时，首先收集A时刻某场景下的噪声信号，根据该噪声信号生成或是在存储器中调取对应的反相声波信号再释放到噪声区，用于消除噪声，这一处理流程需要一定的时间，难免造成反相声波信号与当前噪声信号的错位，无法收到预期的消声效果；（3）一般快速路两边的隔音栏设置为直立状，道路噪声经过隔音栏表面的拦截或反射后很容易从上方逃逸出去，不利于噪音的消除。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本申请提出了一种降噪护栏及用于城市快速路的主动降噪屏障。

本发明是通过以下技术措施来实现的：一种降噪护栏，降噪护栏的工作区从下到上依次包括反射段、吸音段以及控制段；吸音段内表面为多孔板，内部安装有消音组件，外表面设有太阳能板；反射段内外两侧均为凹凸不平的不光滑表面，分别设有第一麦克风和第二麦克风；控制段位于吸音段的上方，包括筒状外壳和位于筒状外壳内部的控制组件；筒状外壳表面上设有两组相对的穿透区，分别位于筒状外壳的左右两侧；控制组件包括电池组、电路板以及分别朝向两个穿透区的第一扬声器和第二扬声器，电池组与太阳能板连接，为电路板、两个麦克风以及两个扬声器供电；电路板输入端与第一麦克风、第二麦克风连接，输出端与第一扬声器、第二扬声器连接，电路板配置为根据第一麦克风或第二麦克风收集的声波信号生成反相声波信号并通过对应的扬声器播放。

本申请中，通过反射段和吸音段消除中高频段的声波（或者噪音），通过反相声波对冲消除低频声波，中高频段的声波经过反射段的不光滑表面时发生漫反射，加上消音组件的作用可以做到基本消除，而低频声波波长相对较长，容易绕过降噪护栏或是遇到降噪护栏后偏离原来直线传播从边缘的夹缝中继续传播，对位于降噪护栏外侧的行人车辆或是建筑物产生噪音干扰，因此在降噪护栏的外侧还设有一对麦克风和扬声器，可根据第二麦克风收集的声波信号产生反相声波信号并通过第二扬声器播放，与逃逸到降噪护栏外的噪音声波对冲，以此来消除逃逸声波。

作为优选，所述吸音段呈内扣的弧形状，朝向道路一侧。

该结构中，吸音段设计为内扣弧形状，有助于在降噪护栏的上方形成局部遮挡，使得噪音不易从降噪护栏上方逃逸出去，同时处于外侧的太阳能板也能更多的吸收太阳光。

作为优选，所述控制组件还包括LED灯和LED导光柱，LED灯位于LED导光柱的中部；LED 导光柱沿筒状外壳轴向分布，靠近穿透区。

该结构中，增加了LED灯和LED导光柱，使得降噪护栏不仅可用于道路降噪，还可兼做照明或是景观灯。

作为优选，所述第一扬声器与第一麦克风之间的距离为声波数据处理的时间延时与声速的乘积。

该结构中，兼顾到收集声波、信号传递、计算反相声波所耗费的时间造成发出的反相声波与所收集声波发生错位，无法完全对冲，难以达到预期的消音效果，故将第一扬声器与第一麦克风分离设置，并通过物理计算得到最佳的设置距离，以达到更好的消音效果。

本申请还提出了一种用于城市快速路的主动降噪屏障，形成于城市快速路左右两侧，主动降噪屏障由多个降噪护栏前后相错或是呈周期性弧线排列而成，相邻降噪护栏之间互相连接。

该结构中，多个降噪护栏之所以要前后相错或是呈周期性弧线排列是为了在降噪屏障内形成声波的不规则传播路径，使得噪音信号尽可能在降噪屏障内多次反射，以消除噪音，减弱其向外逃逸的可能。

作为优选，所述降噪护栏的控制段还包括位于筒状外壳两侧的固定罩，固定罩上设有供电接口和通信接口，相邻两个降噪护栏通过供电接口和通信接口相互连接。

该结构中，降噪护栏之间互相电性和通信连接，多个降噪护栏形成整体，有助于发挥降噪屏障在交通管理中所具有的潜在优势，例如电能共享，灯光控制或是语音提醒。

作为优选，降噪屏障与远程控制端通信连接，远程控制端远程控制降噪护栏LED灯的点亮或熄灭，通过第一扬声器和/或第二扬声器播放提示语音。

该结构中，通过降噪屏障与远程控制端的通信连接，降噪护栏之间互相或电性或通信连接，扩展了降噪屏障除了降噪功能外的其他用途，有助于挖掘屏障在交通管理中所具有的潜在优势，为道路管理提供了新途径和新可能。

该结构中，远程终端可借助降噪屏障互联互通的特点实现远程控制，包括灯光控制和语音控制。

作为优选，根据降噪护栏A上第一麦克风收集的声波信号生成的反相声波信号通过降噪护栏B上的第一扬声器播放，降噪护栏B沿车辆行驶方向位于降噪护栏A的前方，降噪护栏A上第一麦克风与降噪护栏B上的第一扬声器的距离为声波数据处理的时间延时与声速的乘积。

作为优选，所述第一扬声器与第一麦克风之间的距离为声波数据处理的时间延时与声速的乘积，降噪护栏的电路板根据第一麦克风收集的声波信号生成反相声波信号并通过第一扬声器播放。

作为优选，相邻降噪护栏电路板上的充电控制芯片相互通信连接，并与城市供电系统连接。

附图说明

附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：

图1为降噪护栏内侧图；

图2为降噪护栏外侧图；

图3为控制段结构分解图；

图4为降噪护栏外侧主动降噪的设备连接图；

图5为安装于道路一侧的降噪屏障示意图；

图6为降噪屏障内侧主动降噪的设备连接图（1）；

图7为降噪屏障内侧主动降噪的设备连接图（2）；

图8为供电系统示意图；

图9为远程控制示意图；

图10为100Hz低频噪音对应的降噪延时曲线图；

图11为5000Hz高频噪音对应的噪音延时曲线图；

图中：110、控制段，111、筒状外壳，111-1，穿透区，1101、电池组，1102、电路板，103、扬声器，1104、LED灯，1105、导光柱，112、固定罩，1121、防水接头，113、箱体， 120、吸音段， 121、太阳能板，122、多孔板，130、反射段；131、第一麦克风，132、第二麦克风，210、左支架，220、右支架，221、安装环；400、城市供电系统，500、远程控制端。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，本实施例中所述“内”“外”是相对城市快速路而言，车辆通行的一侧为内，相对的另一侧为外。

实施例一：

如图1所示，降噪护栏安装于路基之上，包括左支架210和右支架220，左支架210和右支架220之间为工作区，工作区从下到上依次包括反射段130、吸音段120以及控制段110。吸音段120呈内扣的弧形状，朝向道路一侧，内表面为多孔板122，多孔板122内一层设有消音组件，用于吸收从多孔板122上各小孔传入的声波，将其转化为热量，以辐射的形式消耗掉；外表面为太阳能板121，用于吸收太阳能，将太阳能转换为电能，为控制段110供电。内扣侧弧形状结构使得两侧的降噪护栏对城市快速路的上方形成聚拢效果，声波不易从护栏上方逃逸出去。吸音段120向内倾斜的角度在20°—45°之间。

控制段110位于吸音段120的上方，如图3所示，包括筒状外壳111、位于筒状外壳111内部的控制组件以及位于筒状外壳111两侧的固定罩112，固定罩112与筒状外壳111端部通过防水接头1121连接。左支架210和右支架220的顶端均设有安装环221，分别与筒状外壳111的两端固定连接。筒状外壳111表面上设有两组穿透区111-1，分别位于筒状外壳111的左右两侧，穿透区111-1分布有多排小孔。固定罩112上设有供电接口和通信接口，相邻两个降噪护栏通过供电接口和通信接口相互连接，供电接口对内与电池组1101连接，通信接口对内与控制组件连接。筒状外壳111内部设有一箱体113，控制组件分布安装于箱体113上，包括电池组1101、电路板1102、扬声器103、LED灯以及LED导光柱1105，其中，电池组1101与太阳能板121连接，为电路板1102、扬声器以及LED灯提供电能；LED灯位于LED导光柱1105的中部，由电路板1102控制LED灯的点亮或熄灭。LED 导光柱1105位于筒状外壳111的内侧，沿筒状外壳111轴向分布，长度与筒状外壳111长度大致相同，靠近穿透区111-1，LED灯发出的光线通过LED导光柱1105向外发散，再经过穿透区111-1散射出来，使LED灯原本的发出的光束的角度及方向发生变化，具有出光角度广、光线均匀及美观的效果。扬声器朝向筒状外壳两个穿透区111-1，扬声器传出的声音通过穿透区111-1向外散播。

反射段130内外两侧均为凹凸不平的不光滑表面，反射段130的高度高于城市快速路上的车辆高度，车辆经过时产生的声波遇到反射段130，经反射段130的漫反射将声波扩散到各个方向，一部分遇到介质被吸收，另一部分反射至吸音段120被吸收，还有一部分从降噪屏障的上空逃逸到外部。如图1所示，位于反射段130内侧安装有第一麦克风131，如图2所示，位于反射段130外侧安装有第二麦克风132。右支架220的边沿处设有第一凹槽，第一麦克风131的线缆通过第一凹槽连接至控制段110的电路板1102；左支架210的边沿处设有第二凹槽，第二麦克风132的线缆通过第二凹槽连接至控制段110的电路板1102。第二麦克风132用于收集降噪屏障外的声音信号，将其转换为电信号传输至电路板1102，经电路板1102处理生成对应的反相声波通过第二扬声器1032对外播放，以消除降噪护栏外的噪声信号，如图4所示。之所以将麦克风设置于反射段上方是因为道路上的噪音经过反射面的漫反射，大部分位于底部的噪音已经被吸收，将麦克风设置于反射段上方所采样到的噪声信号更加准确。降噪护栏内侧通过反射、吸收、反相射波的方式针对声源处噪音进行首次降噪，外侧麦克风和扬声器（即第二麦克风和第二扬声器）针对逃逸和穿过降噪护栏的声音（传播过程中的噪音）进行二次降噪。

实施例二：

如图5所示，用于城市快速路的主动降噪屏障，形成于城市快速路的左右两侧，由多个降噪护栏互相连接而成。多个降噪护栏前后相错或是呈周期性弧线排列形成降噪屏障，降噪护栏之间互相电性、通信连接。

以往采用的主动降噪方案是通过降噪系统产生与外界噪声频率和振幅相同、相位相反的反相声波，将噪声中和，从而实现降噪的效果，降噪系统也往往设置于噪声源处，仅对当前环境进行噪音消除。而处于城市快速路上的车辆行驶速度非常高，降噪系统在t1时刻采样噪声，生成反相声波需要△t时长，如果将降噪系统设置于噪声源处，待反相声波在t2时刻（t1时刻+△t）发出时，当前环境t1时刻的车辆已经驶离，t2时刻存留的噪声与t1时刻采样的噪声幅值、频率和相位均已不同，反相声波与t1时刻的噪声声波错位、无法与t2时刻的噪声声波相匹配，达不到预期的降噪效果。本实施例中，A处附近的第一麦克风收集当前A处周围的声波信号，将声波信号转化为电信号，传输至A处降噪护栏的电路板A，电路板A结合道路上车辆行驶速度和生成反相声波的时间，将反相声波的幅值、频率和相位发送至B处降噪护栏的电路板B，电路板B控制位于B处的扬声器发出反相声波。这样当A处附近的车辆行驶到B处时，B处发出的反相声波正好与其发出的噪声声波信号抵消中和，以此达到有效降噪的目的，实现近场收音、远处消音，克服现有技术中当前噪声信号与反相声波信号错位的问题。

进一步地，在A处（第N个降噪护栏）采集的声音信息传到B处（第N+X个降噪护栏）进行降噪解算，等第N+X个降噪护栏接收到与第N个降噪护栏相同的声波信息时控制扬声器发出反相声波，可消除声波数据处理的时间延时，从而可以达到很好的降噪效果。具体地，已知声音在空气中的传播速度是340M/S。

第一种情况下：第一麦克风和第一扬声器的横向间距为Y1，声音从同一降噪护栏的第一麦克风到第一扬声器所用的时间为h=Y1 /340；电路板芯片接收电信号并经计算处理生成反相声波的时间H通常不小于0.0025S这里取H=0.0025，只有当h=H时降噪效果最好，此时：H=Y1/340 =Y1 /340 =0.0025，可得到Y1=0.85，即同一降噪护栏的第一麦克风到第一扬声器的间距Y1满足声波数据处理的时间延时与声速的乘积，由第一麦克风收集到的噪声信号经电路板处理生成对应的反相声波通过第一扬声器对外播放，即可实现全频段的降噪，如图6所示。需要说明的是，声波数据处理的时间延时包括收集噪声信号，将噪声信号传输给电路板上的处理芯片进行处理后生成反相声波所产生的时间延时。

第二种情况下，声音从第N个降噪护栏的麦克风到N+X个降噪护栏的扬声器所用的时间为h=Y2 /340，即当降噪护栏A第一麦克风处的声音数据在降噪护栏A或降噪护栏B的电路板芯片内进行编码，通过降噪护栏B的第一扬声器对外播放时有助于能实现全频段的降噪，如图7所示，其中降噪护栏A第一麦克风与降噪护栏B的第一扬声器的距离Y2满足声波数据处理的时间延时与声速的乘积。

需要说明的是，如图10-11所示，100Hz的低频噪音周期根据公式T=1/f换算后是0.01s,而5kHz的高频噪音的周期是0.0002s，如果处理过程有0.0001秒的延迟，则100Hz的反相声波信号就会延迟1/100个周期，反相声波和噪声声波就会错开1/100个周期，降噪效果就会减弱；而5kHz的反相声波信号则会延迟半个周期，正好和原信号叠加从而完美的变成了主动升噪。所以本申请通过反相声波对冲消除的对象是低频声波，噪声频率越低，波形变化越慢，降噪效果越好。而将第一麦克风和第一扬声器分开设置，用距离抵消时间延时，有助于提升降噪效果。需要说明的是，图11中5000HZ噪音曲线与反相（声波）曲线相重合。

相邻降噪护栏电路板上的充电控制芯片相互通信连接，并与城市供电系统400连接，如图8所示，每个降噪护栏的太阳能板通过充电控制芯片为电池组充电。如有部分降噪护栏的太阳能板无法为对应的电池组充电，则可以借助其他太阳能板为其供电，例如多个降噪护栏连接后，因光照条件变化，其中第n个降噪护栏的电池组处于馈电状态，其他光照条件充足的降噪护栏电路板上的充电控制芯片，将控制太阳能板为第n个降噪护栏的电池组充电，实现各降噪护栏之间的供电平衡，再如当其他降噪护栏的电池组已经充电完成，而第n个降噪护栏的电池组还未充满时，也可以使得其他降噪护栏的太阳能板为第n个降噪护栏的电池组充电。考虑到微光环境（主要是夜晚和连续阴雨天）下，太阳能板无法持续进行电能转化，为了保证降噪屏障的正常工作，可接入AC-DC的城市供电系统做应急供电。理论上，电池组的蓄电池容量最好能保证充满电连续使用时间不小于24H且越大越好，但是实际上不可能满足无限大的要求。城市供电系统的接入为降噪屏障的持续工作提供了多一重保障，也便于实现对降噪屏障的远程控制。

降噪屏障的电路板与远程控制端500通信连接，远程控制端通过电路板远程控制每个降噪护栏LED灯的点亮或熄灭，通过第一扬声器和/或第二扬声器播放提示语音，如图9所示。降噪护栏上的第一/第二扬声器除了用于输出反相声波外，也可以用于远程语音播放，当快速路上某处发生交通事故时，处于远程控制端500的控制中心可通过第一/第二扬声器向道路内外的车辆或行人进行救援喊话，提醒附近车辆或是人员采取必要的救援措施，同时借助降噪护栏内的LED灯在事故发生地后方形成灯光提醒，以提醒后续车辆注意避让或慢行，由此促进城市快速路的有效救援和管理。本申请降噪护栏之间通信连接，多个降噪护栏形成整体的声屏障，便于实现远程控制。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.用于城市快速路的主动降噪屏障，形成于城市快速路左右两侧，其特征在于，主动降噪屏障由多个降噪护栏前后相错或是呈周期性弧线排列而成；

降噪护栏的工作区从下到上依次包括反射段、吸音段以及控制段；

吸音段内表面为多孔板，内部安装有消音组件，外表面设有太阳能板；

反射段内外两侧均为凹凸不平的不光滑表面，分别设有第一麦克风和第二麦克风；

控制段位于吸音段的上方，包括筒状外壳和位于筒状外壳内部的控制组件；筒状外壳表面设有两组相对的穿透区，分别位于筒状外壳的左右两侧；控制组件包括电池组、电路板以及分别朝向两个穿透区的第一扬声器和第二扬声器，电池组与太阳能板连接，为电路板、两个麦克风以及两个扬声器供电；电路板输入端与第一麦克风、第二麦克风连接，输出端与第一扬声器、第二扬声器连接，电路板配置为根据第一麦克风或第二麦克风收集的声波信号生成反相声波信号并通过对应的扬声器播放；

每个降噪护栏的控制段设有供电接口和通信接口，相邻两个降噪护栏通过供电接口和通信接口相互连接；降噪护栏A上第一麦克风收集的声波信号生成的反相声波信号通过降噪护栏B上的第一扬声器播放，降噪护栏B沿车辆行驶方向位于降噪护栏A的前方，降噪护栏A上第一麦克风与降噪护栏B上的第一扬声器的距离为声波数据处理的时间延时与声速的乘积；

声波数据处理的时间延时包括收集噪声信号，将噪声信号传输给电路板上的处理芯片进行处理后生成反相声波所产生的时间延时。

2.根据权利要求1所述的用于城市快速路的主动降噪屏障，其特征在于，所述降噪屏障与远程控制端通信连接，远程控制端远程控制降噪护栏LED灯的点亮或熄灭，通过第一扬声器和/或第二扬声器播放提示语音。

3.根据权利要求1所述的用于城市快速路的主动降噪屏障，其特征在于，相邻降噪护栏电路板上的充电控制芯片相互通信连接，并与城市供电系统连接；每个降噪护栏的太阳能板通过充电控制芯片为电池组充电，相邻降噪护栏电路板上的充电控制芯片相互通信连接；如有部分降噪护栏的太阳能板无法为对应的电池组充电，则可以借助其他太阳能板为其供电。

4.一种应用于权利要求1-3任一所述的用于城市快速路的主动降噪屏障的降噪护栏，其特征在于，所述吸音段呈内扣的弧形状，朝向道路一侧。

5.根据权利要求4所述的一种降噪护栏，其特征在于，所述第一麦克风到第一扬声器的横向间距Y1为声波数据处理的时间延时与声速的乘积，由第一麦克风收集到的噪声信号经电路板处理生成对应的反相声波通过第一扬声器对外播放。

6.根据权利要求4所述的一种降噪护栏，其特征在于，所述控制组件还包括LED灯和LED导光柱，LED灯位于LED导光柱的中部；LED 导光柱沿筒状外壳轴向分布，靠近穿透区。