一种结合Bragg散射和腔体共振的声屏障顶端加强降噪装置

一种结合bragg散射和腔体共振的声屏障顶端加强降噪装置
技术领域
1.本实用新型属于公路交通噪声控制技术领域，尤其涉及一种结合bragg散射和腔体共振的声屏障顶端加强降噪装置。


背景技术：

2.人类在一、二百年前就对噪声问题有所察觉，在二战之后，噪声对人类的伤害开始引起医学界的注意。二十世纪六十年代以来，噪声引起的听力受损等问题引起重视，一系列关于"噪声病"的调查报告和研究报告不断发表。噪声不仅会让人烦躁、睡眠质量变差、头晕，更会引发心脏病、学习障碍和耳鸣等疾病，严重影响人们生活舒适度。随着近代工业以及交通行业的发展，噪声污染问题越来越严重，已成为仅次于空气污染的影响人体健康的环境因素。
3.综合来看，道路交通噪声是目前需要着力进行解决的问题。汽车噪声是公路噪声中最主要的部分，降低声源噪声是控制噪声最有效的方式，为此，各国都制订了较为严厉的汽车噪声标准。同时，噪声、振动、舒适性等因素已经成为汽车产品质量的重要指标，因此，降低车辆运行噪声也是各个汽车制造商不断努力的方向。但是，汽车技术发展到现阶段，许多降噪技术已经被应用，发动机噪声、排气噪声等已有大幅度下降，在此基础上再要求降低几db比原来开始时降低10db还要难的多。对于轨道交通来说，声源产生机理和组成复杂，其声源包括轮轨噪声、气动噪声、牵引噪声等。当列车在高速行驶时，气动噪声和轮轨噪声占主导地位，降噪措施包括优化车轮设计、优化铁轨阻尼特性、优化车体外形、改良优化转向架结构等。从降噪措施中可知，轨道交通噪声声源控制涉及到车-线-气流强耦合的复杂系统，要考虑较多因素，具有较大技术难度。针对此种情况，为对道路两侧的区域进行噪声防护，可采用另一种解决交通噪声问题的方法，采用声屏障阻断噪声的传播。
4.声屏障作为防治道路交通噪声污染的有效途径，在道路交通噪声污染防治中得到广泛的应用。如图1所示，噪声通过声屏障到达受声点有三条路径：绕射、透射以及反射。其中顶部绕射是最主要的路径，除少部分声波通过透射和多次反射到达受声点外，大部分声波通过声屏障顶部绕射到受声点。直立型声屏障的降噪效果与其高度联系紧密，为提高降噪效果就必须增加其高度，而增加声屏障高度又会带来经济性、安全性等方面的影响。为了降低对声屏障高度的依赖，声学工作者和技术人员开发出了顶端降噪装置，顶端降噪装置置于直立型声屏障的顶部，可在不显著增加声屏障高度的条件下提高声屏障的降噪效果。
5.实际使用的道路声屏障以“直立型”为主，绕射衰减效果明显不足。为了改进这个缺点，常用的方法是在“直立型”声屏障的基础上增加顶部结构。这些顶部结构主要是改变声屏障顶端的角度和形状，增加声屏障的等效高度，如常见的“t型”、“倒l型”、“折臂型”等，图2是它们的结构简图。这种类型的顶部结构是目前我国应用最为善遍的声屏障结构类型，但存在附加降噪效果不理想，降噪能力有限的缺点。不同的噪声环境，频率特性可能相差很大，比如城市主干道和城市轻轨。但传统的声屏障在设计时，没有考虑根据具体的噪声环境做出调整，而在所有的噪声环境中使用一模一样的声屏障，导致声屏障的降噪性能在有些
环境中明显不足。此外，传统声屏障顶部结构的增加使得声屏障整体高度变高，从而降低声屏障的透光性，影响自然光线条件下的行车视线，间接增大高速行车的危险系数。现有声屏障顶部结构存在如下问题∶
6.1、目前已有的声屏障顶部结构对顶部绕射声衰减有限，附加降噪效果不理想，导致声屏障整体降噪能力不足；
7.2、现有的声屏障降噪缺乏针对性，由于不同道路噪声产生的主导因素不同，其主要噪声频段也不尽相同，现有的声屏障没有对此进行针对性的降噪设置。
8.3、道路两侧连续的高大声屏障会对车辆驾驶者以及乘客造成压迫感，影响光线，不利于行车安全以及乘车舒适，而且从美学的角度看，也不利于与沿线的交通景观相融合。
9.声子晶体是具在弹性波带隙特征的周期性复合结构，它的基本特征是，带隙频率范围内的弹性波在声子晶体中传播时会被抑制。因此，声子晶体常被用于特定频率范围内的降噪。
10.声子晶体型声屏障顶端结构克服了传统声屏障顶端结构的三大缺陷，有效提升声屏障整体降噪性能；可以根据道路过往车辆具体情况得出主要交通噪声特征频谱，以此进行带隙设计，对降噪更具有针对性；声子晶体声屏障外观设计灵活多变，具有较高的艺术设计潜力，可以与沿线交通景观交融。


技术实现要素：

11.(一)要解决的技术问题
12.针对现有存在的技术问题，本实用新型提供一种结合bragg散射和腔体共振的声屏障顶端加强降噪装置，能够实现最大程度地对公路噪声频段400-2500hz的噪声进行控制，尤其是对主要噪声频段600-1250hz的交通噪声进行显著降低，可以降低受声点处的声压级，使声屏障的降噪效果更有效、更具有针对性。
13.(二)技术方案
14.为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：
15.一种结合bragg散射和腔体共振的声屏障顶端加强降噪装置，包括：直立屏体、固定底板、第一散射吸声体、第二散射吸声体和第三散射吸声体；
16.所述固定底板固定安装在所述直立屏体的顶端；
17.所述第一散射吸声体、所述第二散射吸声体和所述第三散射吸声体依次并排固定设置在所述固定底板上；
18.所述第一散射吸声体、所述第二散射吸声体和所述第三散射吸声体均由多个结构相同的声子晶体单胞并排组成；
19.所述第一散射吸声体的声子晶体单胞的长度＞第二散射吸声体的声子晶体单胞的长度＞第三散射吸声体的声子晶体单胞的长度。
20.优选地，所述固定底板的材质为金属板或塑料板。
21.优选地，所述第一散射吸声体、所述第二散射吸声体和所述第三散射吸声体均呈正方形晶格布置在所述固定底板上；
22.所述声子晶体单胞均为pvc管体立柱结构。
23.优选地，所述声子晶体单胞的横截面均为不闭合圆环形；
24.所述声子晶体单胞的吸声腔为圆柱形。
25.优选地，所述声子晶体单胞的内壁粘结岩棉介质：
26.内壁粘结岩棉介质的粘结剂为热固性树脂；
27.所述声子晶体单胞的吸声腔内部空心部分填充纤维玻璃棉介质；
28.所述纤维玻璃棉介质的憎水率不小于98％；
29.所述纤维玻璃棉介质的容重为50kg/m3；
30.所述纤维玻璃棉介质的流阻率为23000pa
·
s/m2。
31.优选地，所述声子晶体单胞的开口方向均垂直于道路方向布置。
32.优选地，所述第一散射吸声体的声子晶体单胞、第二散射吸声体的声子晶体单胞和第三散射吸声体的声子晶体单胞按照正方形晶格进行布置；
33.晶格常数为a，即相邻锥形散射体水平与垂直中心间距均为a＝0.2m。
34.优选地，所述第一散射吸声体、所述第二散射吸声体和所述第三散射吸声体距道路由近到远进行布置。
35.优选地，所述声子晶体单胞的半径为8cm，开口圆心角为60
°
，管壁厚度为1cm，岩棉介质的半径为6.5cm。
36.(三)有益效果
37.本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种结合bragg散射和腔体共振的声屏障顶端加强降噪装置，具有以下有益效果：
38.本技术提供的顶端装置能够实现最大程度地对公路噪声频段400-2500hz的噪声进行控制，尤其是对主要噪声频段600-1250hz的交通噪声进行显著降低，可以降低受声点处的声压级，使声屏障的降噪效果更有效、更具有针对性。
附图说明
39.图1为声屏障降噪的主要原理示意图；
40.图2为常见声屏障顶端结构示意图；
41.图3为一优选实施例的声子晶体单胞示意图；
42.图4为一优选实施例的声子晶体单胞能带结构示意图；
43.图5为一优选实施例的声子晶体型声屏障3d示意图；
44.图6为一优选实施例的声子晶体型声屏障顶端装置的俯视图；
45.图7为一优选实施例的声子晶体型声屏障顶端装置的侧视图；
46.图8为一优选实施例的声子晶体型声屏障顶端装置的插入损失曲线图。
47.【附图标记说明】
48.1：直立屏体；2：固定底板；3：第一散射吸声体；4：第二散射吸声体；5：第三散射吸声体；6：岩棉介质。
具体实施方式
49.为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。
50.如图3-图8所示：本实施例中公开了一种结合bragg散射和腔体共振的声屏障顶端
加强降噪装置，包括：直立屏体1、固定底板2、第一散射吸声体3、第二散射吸声体4和第三散射吸声体5；所述固定底板2固定安装在所述直立屏体1的顶端。
51.具体地，所述第一散射吸声体3、所述第二散射吸声体4和所述第三散射吸声体5依次并排固定设置在所述固定底板2上；所述第一散射吸声体3、所述第二散射吸声体4和所述第三散射吸声体5均由多个结构相同的声子晶体单胞并排组成；所述第一散射吸声体3的声子晶体单胞的长度＞第二散射吸声体4的声子晶体单胞的长度＞第三散射吸声体5的声子晶体单胞的长度。
52.本实施例中所述的固定底板2的材质为金属板或塑料板。
53.本实施例中所述的第一散射吸声体3、所述第二散射吸声体4和所述第三散射吸声体5均呈正方形晶格布置在所述固定底板2上；所述声子晶体单胞均为pvc管体立柱结构。
54.本实施例中所述声子晶体单胞的横截面均为不闭合圆环形；所述声子晶体单胞的吸声腔为圆柱形。
55.本实施例中所述声子晶体单胞的内壁粘结岩棉介质：内壁粘结岩棉介质的粘结剂为热固性树脂；所述声子晶体单胞的吸声腔内部空心部分填充纤维玻璃棉介质；所述纤维玻璃棉介质的憎水率不小于98％；所述纤维玻璃棉介质的容重为50kg/m3；所述纤维玻璃棉介质的流阻率为23000pa
·
s/m2。
56.本实施例中所述声子晶体单胞的开口方向均垂直于道路方向布置。
57.本实施例中所述第一散射吸声体3的声子晶体单胞、第二散射吸声体4的声子晶体单胞和第三散射吸声体5的声子晶体单胞按照正方形晶格进行布置；晶格常数为a，即相邻锥形散射体水平与垂直中心间距均为a＝0.2m。
58.本实施例中所述第一散射吸声体3、所述第二散射吸声体4和所述第三散射吸声体5距道路由近到远进行布置。
59.本实施例中所述声子晶体单胞的半径为8cm，开口圆心角为60
°
，管壁厚度为1cm，岩棉介质的半径为6.5cm。
60.图1所示为声屏障降噪的主要原理示意图。声屏障作为一种控制噪声传播的降噪形式，是交通领域应用最广泛，被公认为是最行之有效的措施，在声源和受声点之间插入屏障，可以阻止噪声直接传到受声点。除少部分噪声通过透射和多次反射到达受声点外，大部分噪声会通过声屏障顶部绕射到受声点。插入的声屏障改变了声波的传播路径，间接增大了衰减传播距离，起到降低受声点声压的作用。
61.图2为几种常见的声屏障结构简图，由图可知，它们通过改变声屏障顶端的角度和形状，增加声屏障的等效高度，从而提高声屏障的降噪效果。
62.图3为开口型散射吸声体的单胞结构示意图。本发明实施例将bragg散射机理与腔体共振机理相结合，散射吸声体材料为pvc，由于pvc的声阻抗要远远大于空气，所以当声波从空气基体中传播到pvc散射体壁上时，会在界面上发生全反射，与相邻声子晶体发生相消干涉，针对特定频率起到降噪作用；同时，散射吸声体有一个共振腔，声波通过开口进入共振腔内，与腔内空气摩擦，从而使声能转换为热能，同时声波局域在腔体内共振，起到降噪作用。由图可知，散射吸声体按照正方形晶格进行布置，晶格常数为a，即相邻锥形散射体水平与垂直中心间距均为a＝0.2m。
63.图4是此开口型声子晶体单胞能带结构示意图。由图可知，在公路主要噪声频段
800-1250hz，该声子晶体型声屏障均可以产生相应的禁带，声波在禁带内将无法继续传播，起到了特定频率降噪的作用，更具有针对性。
64.图5为声子晶体型声屏障3d示意图，直立屏体1、固定底板2、第一散射吸声体3、第二散射吸声体4、第三散射吸声体5以及岩棉介质6，固定底板2是一块平直硬质塑料板或金属板，用来连接散射吸声体和直立屏体1并起着支撑第一散射吸声体3、第二散射吸声体4和第三散射吸声体5的作用；第一散射吸声体3、第二散射吸声体4和第三散射吸声体5的底部安装在固定底板2上，固定底板2安装在直立屏体1顶端。本发明的散射吸声体呈正方形晶格排布；散射体内部填充岩棉介质，在bragg干涉消声机制、腔体共振以及多孔介质吸声机制的共同作用下，能够最大程度地对顶端绕射进行有效控制，从而降低受声点处的声压级，可有效提高声屏障的降噪效果。
65.图6为声子晶体声屏障的俯视图。由图可知，散射吸声体横截面均为圆形，半径为8cm，开口圆心角为60
°
，pvc管壁厚度为1cm，所填充岩棉介质6的半径为6.5cm。
66.图7为声子晶体型声屏障的侧视图。由图可知，散射吸声体呈三排布置，高度从靠近道路侧到远离道路侧由高到低，第一散射吸声体3高度为50cm，第二散射吸声体4高度为40cm，第三散射吸声体5高度为30cm。
67.图8为声子晶体声屏障有无顶端结构传输损失对比曲线图。由图可知，在直立屏体顶端布设声子晶体声屏障顶端结构均对50-2500hz的全部频段噪声的整体降噪效果有一定的提高作用，平均降噪量高约4.8～9db(a)。
68.本实施例中通过多种声学策略共同作用，有效控制顶端绕射声，加强了声屏障整体降噪效果，以获得最优的声学效果。具体声学原理如下：第一，当声波通过按特定规律周期分布的散射吸声体时，被各个散射吸声体不断反射，反射声波发生相消干涉，声波能量由于干涉作用被大大消耗，从面降低绕射声。如图3和图4所示，本实施例中利用了声子晶体禁带机理来设计散射吸声体，可针对特定噪声频段进行降噪。此外，由干各个散射吸声体之间保持着安装距离，并不会妨碍自然光线的透过，因此本实施例中的基于bragg散射声子晶体的声屏障顶端装置具有良好的透光效果。
69.第二，声波通过散射吸声体开口进入共振腔内，与腔内空气摩擦，从而使声能转换为热能，同时声波局域在腔体内共振，降低道路噪声，对相消干涉降噪起到增强作用。
70.以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理，这些描述只是为了解释本实用新型的原理，不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型的保护范围之内。