复合声子晶体降噪窗口

1.本发明涉及复合晶体技术领域，尤其是涉及一种复合声子晶体降噪窗口。


背景技术：

2.近年来，随着城市化进程的不断加快，噪声污染已经成为城市环境污染问题的主要来源，噪声被认为是令人不愉快的声音，危害着公众的身心健康。在现代社会中出现了各种技术(主动降噪技术和被动降噪技术)对噪声进行控制，其中使用最为广泛的降噪技术为被动降噪技术，例如安装隔音屏障，阻止直达声的传播，并衰减足够的绕射声，在声屏障后侧形成一个声影区以获得良好的降噪性能，其隔音屏障主要应用于铁路和高速公路等公共场合。但是，对于声能量集中在中低频(630-1000hz)的交通噪声而言，声波波长较长，隔音屏障需要大的安装空间和占地面积才能对该频段的声音进行衰减以达到降噪效果，同时隔音屏障还存在自然通风和自然采光等缺陷，限制了其在民用建筑中的推广。因此，目前亟需解决隔声屏障在对交通噪声声能量集中频率范围内的声音进行降噪时，存在所需的空间大和占地面积大且通风性能差等问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种复合声子晶体降噪窗口，旨在解决现有技术中的上述问题。
4.本发明提供一种复合声子晶体降噪窗口，包括：窗口主体和设置在所述窗口主体内的n排复合声子晶体阵列，其中，每排复合声子晶体阵列具体包括：三个不同结构尺寸的局域共振声子晶体和黏附于所述局域共振声子晶体内外壁的吸声材料，其中，所述n为正整数。
5.优选地，所述局域共振声子晶体为矩形环状结构，所述局域共振声子晶体沿所述窗口主体厚度方向依次排列设置，所述局域共振声子晶体的开口设置在所述窗口主体靠近声源侧的一侧。
6.优选地，同一排复合声子晶体阵列内的三个局域共振声子晶体的开口大小依次增大，具体为6mm、8mm和20mm；同一排复合声子晶体阵列内的三个局域共振声子晶体宽度沿所述窗口主体方向依次减小，具体为66mm，43.5mm和40.4mm。
7.优选地，所述矩形环状结构的侧壁厚度相等，均为3mm；同一排复合声子晶体阵列内的三个局域共振声子晶体高度相同，均为63.5mm，所述三个局域共振声子晶体在同一水平线上。
8.优选地，相邻的局域共振声子晶体之间存在间隙，所述相邻的局域共振声子晶体的竖轴中线间距沿所述窗口主体方向依次为90.75mm和76.05mm；所述相邻两排的复合声子晶体阵列存在间隙，所述相邻两排复合声子晶体阵列的横轴中心间距为140mm。
9.优选地，所述吸声材料具体包括以下至少之一：毛毡、密胺泡沫、eva泡沫、泡沫铜和泡沫镍，每种吸声材料厚度的选择有1mm、3mm和5mm，其中，所有吸声材料的吸声系数均是
通过阻抗管法测量获得的，所述吸声性能最优的吸声材料黏附于所述的局域共振声子晶体里组成复合声子晶体。
10.优选地，所述吸声材料黏附于所述局域共振声子晶体上组成两类不同的复合声子晶体，其中，第一类复合声子晶体为在局域共振声子晶体内壁黏附吸声性能最优的吸声材料，第二类复合声子晶体为在所述的局域共振声子晶体外壁黏附吸声性能最优的吸声材料。
11.优选地，所述第一类复合声子晶体的制作方法包括：
12.通过ab胶将所述吸声材料粘在制成所述局域共振声子晶体的铝板上；
13.通过折弯机将所述铝板折成所述矩形环状结构，获得所述第一类复合声子晶体。
14.优选地，所述第二类复合声子晶体的制作方法包括：
15.通过折弯机将所述铝板折成所述矩形环状结构；
16.通过ab胶将所述吸声材料粘在所述矩形环状结构的外壁上，获得所述第二类复合声子晶体。
17.优选地，所述窗口主体的厚度范围为：220-230mm。
18.采用本发明实施例，通过声子晶体，亥姆霍兹共振腔以及吸声材料产生的声散射、声谐振和声吸收的共同作用衰减声能量以达到降噪效果，其中声散射是声子晶体之间产生布拉格散射从而获得一个声禁带来衰减声音，声谐振是矩形环状结构形成的亥姆霍兹共振器通过声波在开口和共振腔之间来回运动产生共振衰减声音，声吸收是声波通过吸声材料后，材料的内摩擦和粘滞力的作用使声振动能转化成热能而消散掉。复合声子晶体窗口与传统隔声屏障比较而言，能够获得良好的降噪效果同时，占地面积小，且具有良好的通风和采光性能。
19.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本发明实施例的第一类复合声子晶体降噪窗口结构的示意图；
22.图2是本发明实施例的第二类复合声子晶体降噪窗口结构的示意图；
23.图3是本发明实施例的5种吸声材料不同厚度吸声系数比较示意图；
24.图4是本发明实施例的5种吸声材料5mm厚度下吸声系数比较示意图；
25.图5是本发明实施例的制作第一类复合声子晶体窗口的操作步骤示意图；
26.图6是本发明实施例的制作第二类复合声子晶体窗口的操作步骤示意图；
27.图7是本发明实施例的两类复合声子晶体窗口与局域共振声子晶体窗口等效声压级衰减比较示意图。
具体实施方式
28.下面将结合实施例对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
29.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，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。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.根据本发明实施例，提供了一种复合声子晶体降噪窗口，根据本发明实施例的复合声子晶体降噪窗口具体包括：
32.窗口主体和设置在所述窗口主体内的n排复合声子晶体阵列，其中，每排复合声子晶体阵列具体包括：三个不同结构尺寸的局域共振声子晶体和黏附于所述局域共振声子晶体内外壁的吸声材料，其中，所述n为正整数。
33.其中，所述局域共振声子晶体为矩形环状结构，所述局域共振声子晶体沿所述窗口主体厚度方向依次排列设置，所述局域共振声子晶体的开口设置在所述窗口主体靠近声源侧的一侧。同一排复合声子晶体阵列内的三个局域共振声子晶体的开口大小依次增大，具体为6mm、8mm和20mm；同一排复合声子晶体阵列内的三个局域共振声子晶体宽度沿所述窗口主体方向依次减小，具体为66mm，43.5mm和40.4mm。所述矩形环状结构的侧壁厚度相等，均为3mm；同一排复合声子晶体阵列内的三个局域共振声子晶体高度相同，均为63.5mm，所述三个局域共振声子晶体在同一水平线上。相邻的局域共振声子晶体之间存在间隙，所述相邻的局域共振声子晶体的竖轴中线间距沿所述窗口主体方向依次为90.75mm和76.05mm；所述相邻两排的复合声子晶体阵列存在间隙，所述相邻两排复合声子晶体阵列的横轴中心间距为140mm。所述吸声材料具体包括以下至少之一：毛毡、密胺泡沫、eva泡沫、泡沫铜和泡沫镍，每种吸声材料厚度的选择有1mm、3mm和5mm，其中，所有吸声材料的吸声系数均是通过阻抗管法测量获得的，所述吸声性能最优的吸声材料黏附于所述的局域共振声子晶体里组成复合声子晶体。所述吸声材料黏附于所述局域共振声子晶体上组成两类不同的复合声子晶体，其中，第一类复合声子晶体为在局域共振声子晶体内壁黏附吸声性能最优的吸声材料，第二类复合声子晶体为在所述的局域共振声子晶体外壁黏附吸声性能最优的吸声材料。所述第一类复合声子晶体的制作方法包括：通过ab胶将所述吸声材料粘在制成所述局域共振声子晶体的铝板上；通过折弯机将所述铝板折成所述矩形环状结构，获得所
述第一类复合声子晶体。第二类复合声子晶体的制作方法包括：通过折弯机将所述铝板折成所述矩形环状结构；通过ab胶将所述吸声材料粘在所述矩形环状结构的外壁上，获得所述第二类复合声子晶体。此外，在本发明实施例中，所述窗口主体的厚度范围为：220-230mm。
34.以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。
35.如图1和图2所示，本发明实施例提供了两种类型的复合声子晶体窗口，包括窗口主体11和12，以及在窗口主体内n排复合声子晶体阵列2和3，两种类型的复合声子晶体窗口中的每排复合声子晶体阵列均由三个局域共振声子晶体41、42和43和黏附于局域共振声子晶体内外壁的吸声材料5组成的，分别组成第一个复合声子晶体21或31，第二个复合声子晶体22或32，第三个复合声子晶体23或33，其中三个局域共振声子晶体的结构尺寸在两种类型的复合声子晶体窗口是一样的，均在此基础上黏附吸声材料获得的。
36.具体的，三个局域共振声子晶体41、42和43依次排布，忽略共振腔的影响可将其视为布拉格散射型声子晶体，可以通过布拉格干扰产生两个带隙来衰减声能量；三个局域共振声子晶体41、42和43的共振腔与外部之间形成的压强差使得空气在共振腔内来回运动形成振动进而产生三个共振频率来衰减声能量；吸声材料5通过与材料的内摩擦和粘滞力的作用使声振动能转化成热能消散掉的方法来衰减声能量，三者相结合将通过声散射、声谐振和声吸收之间的耦合作用机理获得一个降噪性能更好的窗口。
37.布拉格散射型声子晶体通过布拉格干扰产生的两个带隙的中心频率fc可由公式(1)计算得到：其中v为空气中的声速，d为两个声子晶体之间的中心间距。
38.如图1和图2所示，在具体实例中，局域共振声子晶体41和局域共振声子晶体42的中心间距d1＝90.75mm，局域共振声子晶体42和局域共振声子晶体43的中心间距d2＝76.05mm，产生的两个带隙的中心频率分别为1890hz和2255hz。
39.局域共振声子晶体产生的共振频率f1可由公式(2)计算得到：其中s为共振器开口的横截面积，v为共振器的体积，l为颈部的长度，a为开口大小。
40.如图1和图2所示，在本发明的一个实例中，三个局域共振声子晶体均为矩形环状结构，在窗口主体左侧即声源侧设有开口，且在局域共振声子晶体高度方向上的中心位置，三个局域共振声子晶体41、42和43的开口沿窗口主体方向依次增大，即局域共振声子晶体41的开口大小a1＝6mm，局域共振声子晶体42的开口大小a2＝8mm，局域共振声子晶体43的开口大小a3＝20mm。
41.如图1和图2所示，在本发明的一个实例中，三个局域共振声子晶体41、42和43的环状结构的侧壁厚度相等且为l1，其中l1＝3mm。
42.如图1和图2所示，在本发明的一个实例中，三个局域共振声子晶体41、42和43高度相等且为d3，并且三个局域共振声子晶体在沿窗口主体方向的中心线在同一水平线上，其中d3＝63.5mm，相邻两排复合声子晶体阵列的横轴中心间距为d4＝140mm。
43.如图1和图2所示，在本发明的一个实例中，三个局域共振声子晶体41、42和43在沿窗口主体方向上的宽度依次减小分别为b1、b2和b3，即局域共振声子晶体41的宽度b1＝66mm，局域共振声子晶体42的宽度b2＝43.5mm，局域共振声子晶体43的宽度b3＝40.4mm。
44.具体的，根据公式(2)可以计算出三个局域共振声子晶体41、42和43依次可获得的共振频率为713hz、920hz和1052hz。其中在计算共振频率时，由于共振器开口的横截面积s，共振器的体积v存在相同的参数，因此在计算时将公式(2)转变成如公式(3)所示：
45.进一步实施方式，测试5种吸声材料不同厚度的吸声系数，吸声材料分别为毛毡、密胺泡沫、eva泡沫、泡沫铜和泡沫铝，5种材料的厚度分别为1mm、3mm和5mm，测试实验在声阻抗管内进行，获得5种吸声材料不同厚度的吸声系数如下图3所示。
46.如图3所示，在本发明的一个实例中，越厚的吸声材料的吸声系数整体更好，因此选择5mm的吸声材料，比较5种吸声材料在5mm厚度下的吸声性能如图4所示，获得的低中高频的平均吸声系数如表1所示。
47.表1：5中吸声材料的平均吸声系数
[0048][0049][0050]
具体的，低中高频的划分如下，低频范围为63-630hz，中频范围为630-2000hz，高频范围为2000-6300hz。
[0051]
如图4所示，在本发明的一个实例中，吸声材料选择5mm的毛毡材料，即图1和图2中l2＝5mm，将其黏附于局域共振声子晶体中形成一种复合声子晶体。
[0052]
如图5所示，在本发明的一个实例中，第一类复合声子晶体的制作如下，首先将可以制作成局域共振声子晶体41的铝板按照尺寸加工成如图5(a)所示41的形状，其次吸声材料5裁剪成如图5(a)所示形状，中间用ab胶6将41和5粘合起来；最后用数控折弯机将图5(a)所示的材料折成图5(b)所示形状，制成第一种在局域共振声子晶体内部黏附吸声材料的第一个复合声子晶体21。第二个复合声子晶体22和第三个复合声子晶体23按照上述方法制成。复合声子晶体21、22和23依次排列成厚度d1＝220mm的第一类复合声子晶体窗口。
[0053]
如图6所示，在本发明的一个实例中，第二类复合声子晶体的制作如下，首先将可以制作成局域共振声子晶体41的铝板按照尺寸加工成如图6(a)所示41的形状，其次用数控折弯机将图6(a)所示的材料折成图6(b)所示形状获得局域共振声子晶体41；最后将图6(b)所示的吸声材料5通过ab胶6依次黏附于41上，形成如图6(c)所示的第二种在局域共振声子晶体外部黏附吸声材料的第一个复合声子晶体31。第二个复合声子晶体32和第三个复合声子晶体33按照上述方法制成。复合声子晶体31、32和33依次排列成厚度d2＝230mm的第二类复合声子晶体窗口。
[0054]
如图7所示，在本发明的一个实例中，两种类型的复合声子晶体与没有黏附吸声材料的局域共振声子晶体窗口进行比较，三个窗口测试环境一致，且获得的等效声压级衰减均是与同一个基准窗口做差值获得的，对于各个窗口在630-1000hz频段等效声压级衰减如表2所示，参考图7和表2可以得出，两种类型的复合声子晶体窗口的降噪性能均有所提高，
且第二类复合声子晶体窗口的降噪性能更好。
[0055]
表2：三种窗口的等效声压级衰减
[0056]
窗口类型630-1000hz局域共振声子晶体窗口3.53dba第一类复合声子晶体窗口5.64dba第二类复合声子晶体窗口6.56dba
[0057]
以上所述仅为本文件的实施例而已，并不用于限制本文件。对于本领域技术人员来说，本文件可以有各种更改和变化。凡在本文件的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本文件的权利要求范围之内。