声屏障顶部降噪结构

1.本发明属于环境工程专业噪声控制领域，尤其是涉及一种声屏障顶部降噪结构。


背景技术：

2.随着城市规模的扩大和人民生活水平的提高，环境噪声污染问题尤其是交通噪声污染问题是近年来社会各界广泛关心的热点问题。这是由于近几十年来，机动车和非机动车拥有量急剧增加，交通拥挤现象日趋严重；同时，随着城市城区面积大幅度扩张、城市区位功能布局的调整以及居住区与道路位置关系等问题，导致城市交通噪声问题日益严重。在毗邻道路的居住生活区，为降低交通噪声的影响，目前最常用和有效的措施是设立声屏障。然而，部分声屏障设计不合理，设置后仍无法满足降噪要求，为此对其提质增效的改造成为难点。而声屏障顶部降噪结构通过在已有声屏障顶部针对性设置降噪结构，可降低声屏障顶部的绕射声能，减少对声屏障后方的声辐射，从而有效提高现有屏障的降噪效果，对已有声屏障的提质增效改造和未来声屏障的降高设计和效果提升具有很好的应用参考。
3.声屏障是采用吸声材料和隔声材料制造出的特殊结构，设置在噪声源与受声点之间，是阻止直达声传播，隔离透射声，并使绕射声有足够的衰减的设备。屏障后面会形成“声影区”，在声影区内噪声声级明显下降。声屏障的建造阻断了直达声的传播，将噪声源和保护目标隔开，使保护目标落在声影区内，最终达到降低噪声的目的。在空气中传播的声波通常碰到声屏障时将产生反射、透射和衍射等现象，其中频率较高的噪声部分在传播过程中容易衰减，而低频噪声在传播过程中较难衰减，容易通过声屏障顶部和侧向绕射传播，又由于声屏障长度一般较长，侧向绕射可以忽略，从而顶部绕射成为低频噪声传播的主要途径，这大大限制了声屏障降噪效果的提高。
4.中国专利cn201221058y公开了一种声屏障分叉型顶部降噪装置,其呈v字型,由v型框架和设于v型框架上的吸声材料盖板组成,v型框架由两个外围薄板和两个内薄板组成,两个内薄板设于其中外围薄板上,其中两侧薄板中较长的一侧薄板设于一较短的侧薄板的前端,侧薄板与外围薄板和侧薄板与侧薄板顶部之间固设盖板,这样就会形成空腔。但是该专利主要是利用声波在边缘的多次绕射来提高降噪效果，仍然无法针对性降低绕射的主要频段声能，从而最大程度地减少对声屏障后方的声辐射。
5.中国专利申请2018102454187公开了一种低频防绕射声屏障顶部降噪结构，公开了一种低频防绕射声屏障顶部降噪结构，由护面板、腔体、扩散体结构构成，护面板与所述的扩散体连结形成复合结构，腔体开设在所述的扩散体结构内，扩散体结构连接在声屏障屏体的顶部。该结构由于扩散体结构和穿孔共振结构的复合作用，不仅在中低频率范围内仍能保持良好的扩散性能，扩散系数在0.8到0.95之间，而且该结构降噪效果优良，置于声屏障顶部后在100-500hz的频率范围内的插入损失平均提高5-9db，整体插入损失提高3～7db，但是其效果主要集中在低频范围(即500hz以下的频率范围)，因为其结构尺寸较大，相对于长波长的低频声比较容易进入，而对于短波长高频率的声音则难以有效进入，而且结构的均匀扩散性能不佳，而对于声屏障措施主要作用的交通噪声，其噪声主要频段范围在
200-2000hz，因此作用效果不能完全覆盖噪声主要范围，作用效果因此会有所降低。


技术实现要素：

6.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可完全覆盖噪声主要范围的声屏障顶部降噪结构，本发明利用声能扩散和吸收之间的协同关系，使得将扩散体结构和穿孔共振结构协同降噪增效，通过穿孔板结构的声阻抗和二次余数扩散结构各槽的声阻抗对应近似相等，从而保证由穿孔板组合二次余数扩散体构成的顶部降噪结构在一定频率范围内与二次余数扩散体具有近似的扩散特性，低频声和高频声均能有效进入并扩散均匀，扩大了降噪频率范围。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：声屏障顶部降噪结构，由穿孔板结构和二次余数扩散结构组合而成，所述的二次余数扩散结构由设置在穿孔板结构内部空腔中的多个槽组成，所述的穿孔板结构的声阻抗与二次余数扩散结构中各槽的声阻抗匹配；
8.所述的二次余数扩散结构中各槽的声阻抗zn为：
[0009][0010]
其中ρ0为介质的密度，c0为声波在介质中的速度，j表示虚数，dn是第n个槽的槽深，λ为入射波波长；n是二次余数扩散体阶数，fr是设计频率hz，一般根据道路噪声的主要频率确定，(n2modn)是基于二次剩余序列；
[0011]
所述的穿孔板结构的声阻抗zi为：
[0012][0013]
其中，h是穿孔板的板厚，d是穿孔直径，σ是穿孔板的穿孔率，μ为运动粘滞系数＝η/ρ，ρ0为介质的密度，j表示虚数，ω表示角频率＝2πf；
[0014]
zn＝zi。
[0015]
声阻抗通常是复数量，分成实部和虚部之和，即z＝r jx，其中实部r是声系统的声阻，虚部x是声系统的声抗，一般吸声只需考虑声阻抗的实部，声扩散只需考虑声阻抗的虚部。由于，本发明的声扩散性能对声屏障改造效果起到关键作用，为此，穿孔板结构和二次余数扩散结构各槽的声阻抗虚部将作为主要计算依据。通过上述公式计算，将两种声系统的声阻抗虚部的近似相等，从而确定本发明顶部降噪结构的相关设计尺寸，保证本发明的降噪效果提升。
[0016]
所述的穿孔板结构为顶部面板、底板、前侧板、后侧板和左右侧板封闭组成的腔体结构，其中顶部面板和前侧板均为穿孔板。
[0017]
所述的穿孔板的板厚为0.2-1.2mm，穿孔率为0.5-8％，孔径范围为0.3-2mm。
[0018]
所述的二次余数扩散结构包括多个深度不同的空腔结构，空腔结构由隔板分隔穿孔板结构内部空腔形成。
[0019]
所述的空腔结构的宽度控制在2-15cm；深度n是二次余数扩散体阶数，fr是设计频率hz，一般根据道路噪声的主要频率确定，(n
2 modn)是基于二次剩余序列。
[0020]
所述的空腔结构设置的方向平行于屏体走向。
[0021]
各空腔结构和底板的底部均设有排水孔。
[0022]
所述的降噪结构通过支架与声屏障屏体顶部联接，并用钢丝保险绳与立柱连接防止意外跌落。
[0023]
本发明充分利用了声能扩散和吸收之间的协同关系。
[0024]
其中吸声机理是，穿孔板上每一个穿孔与其相对应的空气层组成的系统类似于亥姆霍兹共振器，穿孔板共振吸声结构可理解为许多亥姆霍兹共振器的并联。当声波进入小孔后便激发空腔内空气振动，如果声波频率与该结构共振频率相同时，腔内空气便发生共振，穿孔板孔颈处空气柱往复振动，速度、幅值达最大值，摩擦与阻尼也最大，此时，使声能转变为热能最多，即消耗声能最多，从而发挥高效吸声作用。
[0025]
扩散原理是：扩散体是由一维的槽(即空腔结构)组成，通过扩散附加声能量到一个广阔的范围方向以减少声波绕射。在一个周期内，槽的深度根据二次余数序列的不同而不同，声波进入槽时会从密封的刚性槽底反弹向槽口，当反弹的声波与刚进入槽的声波相位差足够大时，这种结构就会使反射声波产生显著的散射，从而扩散到不同方向。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0027]
1.本发明利用二次余数扩散体具有良好的声学散射特性，对于任意方向的入射声波具有均匀的扩散声压，而且作用频带宽的特性，使得声能经过顶部降噪结构表面时扩散到整个空间，然后复合结构中穿孔板结构的加入容易破坏原有二次余数扩散结构的扩散性能，使得绕射的声波无法均匀扩散。为此，本发明使得穿孔板结构的声阻抗和二次余数扩散结构各槽的声阻抗对应近似相等，从而在一定程度上能保证所设计的由穿孔板组合二次余数扩散体构成的顶部降噪结构在一定频率范围内与二次余数扩散体具有近似的扩散特性，从而将扩散体结构和穿孔共振结构协同降噪增效，低频声和高频声都能有效进入，而且扩散均匀，扩大了降噪频率范围。
[0028]
2.本发明降噪结构由穿孔板结构和二次余数扩散结构协同互补，最终得到扩散吸声的声屏障顶部降噪结构，降噪效果好，在100-2000hz的频率范围，均可实现良好的降噪效果：置于声屏障顶部后在100-2000hz的频率范围内的插入损失平均提高5-9db，整体插入损失提高3～7db。
附图说明
[0029]
图1为本发明声屏障顶部降噪结构的结构示意图；
[0030]
图2为本发明声屏障顶部降噪结构的扩散吸声结构示意图；
[0031]
图3为本发明声屏障顶部降噪结构的结构背板示意图。
[0032]
图中，穿孔板结构1、顶部面板2、空腔结构3、隔板4、穿孔板结构内部空腔5、底板6、左右侧板7、前侧板8、后侧板9。
具体实施方式
[0033]
本发明声屏障顶部降噪结构，如图1-3所示，该降噪结构由穿孔板结构和二次余数扩散结构组合而成。
[0034]
其中穿孔板结构1为顶部面板2、底板6、前侧板8、后侧板9和左右侧板7封闭组成的腔体结构，其中顶部面板2和前侧板8均为穿孔板，覆盖在整个降噪结构的上表面和前表面。
[0035]
所述的穿孔板的板厚为0.2-1.2mm，穿孔率为0.5-8％，孔径范围为0.3-2mm。
[0036]
所述的二次余数扩散结构包括多个深度不同的空腔结构3，空腔结构3由隔板4分隔穿孔板结构内部空腔5形成。所述的空腔结构3的宽度控制在2-15cm；深度尺寸不超过30cm。所述的空腔结构3设置的方向平行于屏体走向。
[0037]
各空腔结构3和底板6的底部均设有排水孔。
[0038]
其中穿孔板结构和二次余数扩散结构的设计由穿孔板结构的声阻抗与二次余数扩散结构中各槽的声阻抗确定，即穿孔板结构和二次余数扩散结构各槽的声阻抗虚部将作为主要计算依据。
[0039]
二次余数扩散结构的单槽入口处的局部声阻抗zn由下式得到：
[0040][0041]
其中ρ0为介质的密度，c0为声波在介质中的速度，j表示虚数，dn是第n个槽的槽深，λ为入射波波长；
[0042]
所述的穿孔板结构的声阻抗zi为：
[0043][0044]
其中，h是穿孔板的板厚，d是穿孔直径，σ是穿孔板的穿孔率，μ为运动粘滞系数＝η/ρ，ρ0为介质的密度，j表示虚数，ω表示角频率＝2πf；
[0045]
根据上面的计算公式，将两种声系统的声阻抗虚部的近似相等即zn＝zi，从而确定本发明顶部降噪结构的相关设计尺寸，保证本发明的降噪效果。
[0046]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0047]
实施例1
[0048]
为吸收100-1000hz的频率范围的道路噪音，其主要设计频率500hz。
[0049]
在本实施例中上述屏障顶部降噪结构置于空气中吸收100-1000hz的频率范围的噪音，因此，ρ0＝1.29kg/m3，c0＝343m/s，j是虚数i，λ根据计算频率来确定。
[0050]
最终计算得出：本发明声屏障顶部降噪结构的空腔结构3呈7阶结构，槽宽6cm，深度依次为0，6cm，24cm，12cm，12cm，24cm，6cm，并且空腔结构为空腔。
[0051]
然后通过穿孔板结构的声阻抗zi计算公式：
[0052]
zn＝zi
[0053][0054]
其中，h是穿孔板的板厚，d是穿孔直径，σ是穿孔板的穿孔率，μ为运动粘滞系数＝η/ρ。
[0055]
以500～2000hz为设计频率范围，不同槽深情况下的二次余数扩散结构声阻抗和阻抗匹配的穿孔板参数如下：
[0056]
槽深cm61224声阻抗191.0i216.6i320.9i穿孔板厚mm0.80.80.8穿孔板孔径mm0.30.40.8穿孔板穿孔率8％4％2％作用频率hz1800950500
[0057]
板厚0.8mm，孔径0.8mm，穿孔率2％，正方形排列。经测试，该发明结构设置前后，距离声屏障30m的受声点在离地4.5m高度，在100-1000hz的频率范围内的插入损失差值，数据如下所示：
[0058]
中心频率/hz1001251602002503154005006308001000插入损失差值/db5.45.65.46.36.16.26.27.36.86.97.7
[0059]
可以看出，通过上述阻抗匹配，设计的声屏障顶部降噪结构可吸收100-1000hz的频率范围的噪音，且插入损失差值不小于5.4db。
[0060]
声屏障顶部降噪结构的扩散系数
[0061]
中心频率/hz1001251602002503154005006308001000扩散系数0.880.880.860.850.970.870.900.820.840.850.85
[0062]
经声学实验室测试，在100-1000hz的频率范围段，声屏障顶部降噪结构的扩散系数基本在0.8以上。
[0063]
本发明降噪结构通过支架与声屏障屏体顶部联接，并用钢丝保险绳与立柱连接防止意外跌落。
[0064]
实施例2
[0065]
本发明可对已有道路屏障的降噪效果提质增效，例如，
[0066]
道路现有屏障高3米，插入损失降噪量大约10db。屏障后20米处，测得的声级为57-59dba，无法满足所在区域的声质量环境标准。
[0067]
声屏障顶部降噪结构的空腔结构3呈7阶结构，槽宽8cm，深度依次为0，8cm，32cm，16cm，16cm，32cm，8cm，并且空腔结构为空腔。以400～1500hz为设计频率范围，不同槽深情况下的二次余数扩散结构声阻抗和阻抗匹配的穿孔板参数如下：
[0068]
槽深cm81632
声阻抗320.8i230.8i432.5i穿孔板厚mm0.80.80.8穿孔板孔径mm0.50.62穿孔板穿孔率5.6％3.9％2％作用频率hz1500700400
[0069]
原有道路声屏障顶部经安装本发明的降噪结构后，屏障后侧20米处的声级降为50.5dba左右，达到了相应的声质量环境标准。由此可见，本发明的声屏障顶部降噪结构有助于原有声屏障的降噪性能提升。