CN213716501U - 一种多共振腔局域共振型声子晶体声屏障 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于，每个声子晶体单元体包括外层的多开口的薄壁圆柱(1)、内层的空心棱柱(2)或空心圆柱和隔板(3)，其中，隔板(3)将外层和内层连接起来；每一个外层圆柱开口对应一个共振腔；将若干声子晶体单元体按二维晶格周期排列在基体中，形成多共振腔局域共振型声子晶体声屏障。本实用新型的二维多禁带局域共振型声子晶体声屏障具有多个禁带的频率范围，并提高了衰减效果良好的频率范围；具有设计简单，制造方便，可变性强等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及声子晶体声屏障技术领域，属于轨道交通减振降噪控制领域，具体涉及具有多带隙的局域共振型声子晶体声屏障的结构设计
背景技术
交通道路在给大家的出行带来了方便的同时也带来了一系列的振动环境问题，国际上已把噪声列为七大环境公害之一。全国道路中，处在交通噪声超标问题的道路高于60％，日益严重的公路噪声污染问题己经成为公路建设中万万不可轻视的环境问题。
声子晶体是由两种或两种以上弹性介质按不同晶格周期列复合的材料。声子晶体最重要的一个特性就是带隙特性：弹性波在声子晶体中传播时，受其内部周期结构的作用，形成特殊的色散关系即能带结构，色散关系曲线之间的频率范围称为带隙，在这个频率范围内弹性波无法传播。声子晶体主要有布拉格散射和局域共振型。利用其带隙性质，可设计出全新隔振、降噪材料，所以声子晶体在工程领域有着广泛的应用前景。
局域共振机理认为，在特定频率的弹性波激励下，单个散射体产生共振，并与入射波相互作用，使其不能继续传播。禁带的产生主要取决于各个单散射体本身的结构与弹性波的相互作用。因此，对于符合局域共振机理的声子晶体，禁带与单个散射体固有的振动特性密切相关，与散射体的周期性及晶格常数关系不大，这对于声子晶体在低频波段的应用开辟了广阔的道路
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。
目前，局域共振型声子晶体声屏障多采用一个开口，结构图如图1所示。该类设计的局域共振声子晶体只会多一条较明显的禁带，且禁带的频率范围较窄。当弹性波(声波)通过此类设计的局域共振声子晶体时，一般只在禁带起始频率位置衰减效果较好，在禁带其他频率范围衰减效果较弱。单开口的局域共振声子晶体由于比较少的禁带和较弱的衰减效果难以满足在道路隔声中减振降噪的需求。
实用新型内容
本实用新型提供一种多共振腔的局域共振型声子晶体声屏障，包括外层的多开口薄壁圆柱，内层的薄壁空心棱柱或者薄壁空心圆柱，以及将它们连接起来形成多个共振腔的隔板组成的声子晶体单元结构体，多层复合的声子晶体单元结构体按二维晶格周期排列在基体(空气)中形成二维多禁带局域共振型声子晶体。
该实用新型的技术方案是提供一种多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于，每个声子晶体单元体包括外层多开口的薄壁圆柱、内层的空心棱柱和隔板，其中，隔板将外层和内层连接起来；每一个外层圆柱开口对应一个共振腔；将若干声子晶体单元体按二维晶格周期排列在基体中，形成多共振腔局域共振型声子晶体声屏障。
进一步地，所述声子晶体单元体内层棱柱的形状为正多边形空心棱柱。
进一步地，外层多开口的薄壁圆柱的开口数目和声子晶体单元体内层棱柱的边长数目保持一致。
进一步地，声子晶体单元体内层棱柱的顶点与外层圆柱通过隔板连接，且隔板均指向单元体轴心。
进一步地，二维晶格的排列形式为正方形、长方形或六边形。
该实用新型还提供了一种多共振腔的局域共振型声子晶体声屏障，每个声子晶体单元体包括外层多开口的薄壁圆柱、内层的空心圆柱和隔板，其中，隔板将外层和内层连接起来；每一个外层圆柱开口对应一个共振腔；将若干声子晶体单元体按二维晶格周期排列在基体中，形成多共振腔局域共振型声子晶体声屏障。
进一步地，当采用内层的空心圆柱时，则外层圆柱开口数目为大于2的整数。
进一步地，内层的空心圆柱与外层圆柱之间与开口数一致的隔板，开口位于两隔板的中间位置，且隔板反向延长线都经过中心，两薄板之间的夹角度数为360°除以开口数。
进一步地，二维晶格的排列形式为正方形、长方形或六边形。
该实用新型的有益效果在于：
依据上述实施例的局域共振型声子晶体，通过多共振腔结构设计实现更多的局域共振模式，从而实现多禁带，在每一个禁带的起始频率附近，衰减效果均较好，实现了多频段的高衰减效果。
本实用新型的局域共振型声子晶体的禁带受外层薄壁空心圆柱、内层薄壁空心六棱柱，二维晶格常数的尺寸以及内部正多边形棱柱边数的影响，通过改变相关结构尺寸和相关结构的形状可以实现满足特定频率的要求。
本实用新型的二维多禁带局域共振型声子晶体具有多个禁带，扩展了禁带的频率范围，并提高了衰减效果良好的频率范围；具有设计简单、可变性强、经济性好等优点；其具有多个衰减效果良好的禁带频率范围，可以为道路两旁的低频噪声控制提供良好的衰减效果，运用范围较广。
附图说明
图1为声屏障降噪原理示意图；
图2为一般单开口局域共振型声子晶体声屏障单元结构图；
图3为本实用新型的多开口且内部单元为六棱柱的局域共振型声子晶体声屏障单元结构图；
图4为本实用新型的多开口且内部单元为空心圆柱的局域共振型声子晶体声屏障单元结构图；
图5为本实用新型的多开口且内部单元为六棱柱的局域共振型声子晶体声屏障结构图；
图6为本实用新型的多开口且内部单元为空心圆柱的局域共振型声子晶体声屏障结构图；
图7为一般单开口局域共振型声子晶体能带结构图；
图8为本实用新型的多开口内部单元为六棱柱的局域共振型声子晶体能带结图；
图9为本实用新型的多开口内部单元为空心圆柱的局域共振型声子晶体能带结图；
图10为本实用新型的多开口局域共振型声子晶体声屏障传递损失图。
其中：1-薄壁圆柱，2-空心棱柱2，3-隔板，4-共振腔，5-空心圆柱；
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明
如图3所示，该实施例提供了一种多开口多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，包括外层的六个开口的薄壁圆柱1，内层的空心棱柱2，该实施例中为薄壁六棱柱，以及它们之间的六个隔板组成的声子晶体声屏障单元体，每两个隔板3之间有一个共振腔，从而形成多个共振腔4的局域共振模式，实现多禁带。
这样的结构构成了气-固局域共振型声子晶体声屏障，根据道路交通领域中降噪(400-2000Hz)的需求，对晶体元胞相关参数进行了优化得到了参考数值如下：
晶体元胞中晶格常数a＝300mm,外层薄壁圆柱1半径为r＝130mm,内层薄壁六棱柱正六边形边长b＝80mm。每一个圆弧开口对应的角度为10度。
下面对该元胞的带隙特性进行仿真分析，以聚氯乙烯和空气组成的二维局域共振型声子晶体，计算得到的能带结构图如图8所示。
由图8可以看出设计的声子晶体结构能够在400Hz附近开始打开带隙，同时在520-620Hz，650-820Hz，820-1100Hz,1100-1450Hz，1800-1920Hz这5个区域都有非常明显的带隙。在这几条带隙内，声子晶体是不能传播的。进而证明本实用新型的声子晶体在400-2000Hz有很好的隔绝噪声的效果。
如图4所示，该实施例还提供了一种多开口多共振腔4局域共振型声子晶体声屏障，包括外层的六个开口的薄壁圆柱1，内层的薄壁空心圆柱5，以及它们之间的六个隔板3组成的声子晶体声屏障单元体。
根据道路交通领域中降噪(400-2000Hz)的需求，对晶体元胞相关参数进行了优化得到了参考数值如下：
晶体元胞中晶格常数a＝300mm,外层薄壁圆柱1半径为r＝130mm,内层薄壁空心圆柱5的半径r＝80mm，每一个圆弧开口对应的角度为10度。
下面对该元胞的带隙特性进行仿真分析，以聚氯乙烯和空气组成的二维局域共振型声子晶体，计算得到的能带结构图如图9所示。
由图9可以看出设计的声子晶体结构能够在480Hz附近开始打开带隙，同时在580-680Hz，700-860Hz，860-1100Hz,1200-1420Hz，1800-1820Hz这几个区域都有非常明显的带隙。
如图5所示，接下来对晶体元胞组成的声子晶体声屏障结构的隔声性能进行分析，该实施例中，声子晶体声屏障的材料为聚氯乙烯，我们选择3×6的声子晶体声屏障。入射平面波为1Pa，中间位置布置有声屏障结构，同时我们使用了Virtual.lab中特有的障板功能，防止结构边缘的衍射对实验结果产生影响。计算得到的隔声量如图10所示，即声屏障前后声压级之差。
如图10所示，在图8得到的每一个带隙频率内，隔声量曲线都能达到一个峰值，表示在每个带隙范围内，由于声子晶体声屏障的作用。隔声量都有非常明显的增加。最大能达到45dB。与图6的结果非常吻合。说明声屏障结构在400-2000Hz的频率范围内有着较好的隔声性能。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于，每个声子晶体单元体包括外层多开口的薄壁圆柱(1)、内层的空心棱柱(2)和隔板(3)，其中，隔板(3)将外层和内层连接起来；每一个外层圆柱开口对应一个共振腔(4)；将若干声子晶体单元体按二维晶格周期排列在基体中，形成多共振腔局域共振型声子晶体声屏障。
2.如权利要求1所述的多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于：所述声子晶体单元体内层棱柱的形状为正多边形空心棱柱(2)。
3.如权利要求2所述的多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于，外层多开口的薄壁圆柱(1)的开口数目和声子晶体单元体内层棱柱的边长数目保持一致。
4.如权利要求2所述的多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于，声子晶体单元体内层棱柱的顶点与外层圆柱通过隔板(3)连接，且隔板(3)均指向单元体轴心。
5.如权利要求2所述的多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于，二维晶格的排列形式为正方形、长方形或六边形。
6.一种多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于，每个声子晶体单元体包括外层多开口的薄壁圆柱(1)、内层的空心圆柱和隔板(3)，其中，隔板(3)将外层和内层连接起来；每一个外层圆柱开口对应一个共振腔(4)；将若干声子晶体单元体按二维晶格周期排列在基体中，形成多共振腔局域共振型声子晶体声屏障。
7.如权利要求6所述的多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于，当采用内层的空心圆柱时，则外层圆柱开口数目为大于2的整数。
8.如权利要求6所述的多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于，内层的空心圆柱与外层圆柱之间与开口数一致的隔板(3)，开口位于两隔板(3)的中间位置，且隔板(3)反向延长线都经过中心，两薄板之间的夹角度数为360°除以开口数。
9.如权利要求6所述的多共振腔局域共振型声子晶体声屏障，其特征在于，二维晶格的排列形式为正方形、长方形或六边形。
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| CN202022965711.6U CN213716501U (zh) | 2020-12-10 | 2020-12-10 | 一种多共振腔局域共振型声子晶体声屏障 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115748528A (zh) * | 2022-11-23 | 2023-03-07 | 兰州交通大学 | 一种基于四复合夹隔板原胞的轨道交通声屏障 |
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2020
- 2020-12-10 CN CN202022965711.6U patent/CN213716501U/zh active Active
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| CN115748528A (zh) * | 2022-11-23 | 2023-03-07 | 兰州交通大学 | 一种基于四复合夹隔板原胞的轨道交通声屏障 |
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