一种基于Bragg散射声子晶体的声屏障的制作方法

本发明涉及交通降噪领域，特别涉及一种一种基于bragg散射声子晶体的声屏障。

技术背景

噪声污染己成为继大气污染和水污染之后的世界第三大污染，据统计，近年来环保部门接到的污染投诉事件中噪声污染的比例已上升到第一位。而在众多的噪声种类中，交通噪声日益突出，危害极其严重。随着我国交通网络建设的突飞猛进，城市道路车流量迅速增多，噪声问题越来越突出，严重影响了人们的休息和正常生活。高速公路、城市高架和轻轨两侧的居民对噪声污染表现出强烈不满。与此同时，生活水平的不断提高促进了整个社会的环保意识迅速加强，因此控制交通噪声污染己成为一个亟待解决的问题。

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了广泛的应用。图1描述了现有声屏障降噪的主要原理，即在声源和受声点之间插入阻隔屏体，阻止噪声直接到达受声点。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。插入的阻隔屏体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。

1、目前使用的道路声屏障以直立型声屏障为主，降噪性能明显不足。为了改善这个缺点，对普通直立型声屏障进行改进，得到了改型的声屏障结构，这些结构按照功能可以分成两大类：一类是通过增加顶部结构来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。另一类是添加纤维类吸声材料或设计特殊的声波共振腔室对声波进行吸收。这些改型结构并没有改变声屏障降噪的主要原理，只是起到了辅助附加降噪的作用，在一定程度上提高了声屏障的降噪效果，但降噪能力依然有限。目前传统声屏障主要具有以下几个突出的缺点：1、在声学层面，目前使用的声屏障结构对噪声衰减能力有限，降噪效果不理想，无法完全满足降噪需求；2、在结构强度层面，传统声屏障迎风面积大，在某些特定的场合，如高速列车经过的区域和自然风较强的地区，屏体容易因为长期受到脉动风载荷的作用而遭受破坏。3、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，不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。4、传统声屏障受到自身降噪原理的限制，往往需要在声源和受声点之间插入足够高、足够长和十分厚实的屏体来阻隔声波，这一方面在人口密集的城市道路两旁造成了人群之间的地理隔离，另一方面隔断了城市风景的连续性和观赏性，非常不方便。5、由于传统声屏障透光性差，影响自然光线条件下的行车视线，长时间接触会增加驾驶员的视觉疲劳和精神疲劳，间接增加高速行车的危险系数。

技术内容

针对现有声屏障结构噪声衰减能力不足的问题，本发明提供了一种基于bragg散射声子晶体的声屏障结构，利用声子晶体禁带产生机理的多重散射效应和多种吸声机制共同作用，在获得较好降噪效果的同时克服传统声屏障的缺点。

本发明的技术方案是一种基于bragg散射声子晶体的声屏障结构，包括：第一散射吸声体、第二散射吸声体和阵列散射体，第一散射吸声体、第二散射吸声体和阵列散射体底部通过固定基座安装在地面上，构成基于bragg散射声子晶体的声屏障结构，

在靠近道路的第一行和远离道路的最后一行只安装第一散射吸声体和第二散射吸声体，且第一散射吸声体、第二散射吸声体依次间隔排列；

第二行和第三行中只安装第二散射吸声体和阵列散射体，且每安装2个第二散射吸声体后再安装一个阵列散射体；

同时，以每个阵列散射为中心，均有6个临近的第一散射吸声体或第二散射吸声体。

进一步地，6个第一散射吸声体或第二散射吸声体中心的连线构成第一正六边形，第一正六边形的中心处缺省了一个散射吸声体，因此，这6个第一散射吸声体或第二散射吸声体构成了存在点缺陷的三角晶格排列，晶格常数为a，即中心间距为a。

进一步地，所有第一散射吸声体、第二散射吸声体和阵列散射体的高度均为h，中心间距均为a。

进一步地，第一散射吸声体包括带缺口的微穿孔圆柱薄板、带缺口的正三棱柱板、吸声材料层；带缺口的微穿孔圆柱薄板由微穿孔板加工而成；带缺口的正三棱柱板由正三棱柱板在每条边的中心加工出一定大小的缺口得到；带缺口的微穿孔圆柱薄板与带缺口的三棱柱板外接，带缺口的微穿孔圆柱薄板与带缺口的三棱柱板缺口长度相等且正好相对。

进一步地，第一散射吸声体在安装时使带缺口的正三棱柱板的一条边与道路中心线平行；吸声材料层以一定的厚度附着在带缺口的正三棱柱板内侧；微穿孔圆柱薄板与带缺口的正三棱柱板外壁构成微穿孔吸声腔，吸声材料层和带缺口的正三棱柱板内腔构成赫姆霍兹共振腔吸声腔。

进一步地，第二散射吸声体包括带缺口的微穿孔圆柱薄板、带缺口的正三棱柱板、多孔吸声材料层，带缺口的微穿孔圆柱薄板由微穿孔板加工而成；带缺口的正三棱柱板由正三棱柱板在每条边的中心加工出一定大小的缺口得到；带缺口的微穿孔圆柱薄板与带缺口的三棱柱板外接，带缺口的微穿孔圆柱薄板与带缺口的三棱柱板缺口长度相等且正好相对。

进一步地，第二散射吸声体在安装时使带缺口的正三棱柱板的一条边与道路中心线平行；吸声材料层以一定的厚度附着在带缺口的正三棱柱板内侧；微穿孔圆柱薄板与带缺口的正三棱柱板外壁构成微穿孔吸声腔，吸声材料层和带缺口的正三棱柱板内腔构成赫姆霍兹共振腔吸声腔。

进一步地，第一散射吸声体、第二散射吸声体和阵列散射体的高度均为h：在第一散射吸声体中：微穿孔圆柱外径r1⁺，内径r1^-；在第二散射吸声体中：微穿孔圆柱外径r2⁺，内径r2^-；其中：r1⁺>r2⁺，内径r1^->r2^-；微穿孔圆柱薄板均由厚度t，孔隙率σ，孔径d的铝合金薄板加工而成。

进一步地，阵列散射体由6个相同的正三棱柱组成，它们的中心连线构成第二正六边形；6个正三棱柱构成了存在点缺陷的三角晶格排列，晶格常数为b，即中心间距为b；正三棱柱在安装时使一条边与道路中心线平行。

进一步地，所有正三棱柱均由铝合金板加工而成，厚度为t4，边长为l；阵列散射体内部的缺陷位置起到了共振腔的作用，且与散射吸声体的点缺陷共振腔相互耦合，使部分声波能量局域在共振腔内，不能继续传播。

本发明的有益效果：

本发明设计的基于bragg散射声子晶体的声屏障在确保具有较好的降噪效果的前提下，打破了传统声屏障的局限，克服了传统声屏障的缺点。当噪声从声屏障的一侧入射时，一方面声波在声子晶体阵列中发生多重散射效应，声能由于干涉相消减小一部分，同时，一部分声能被局域在点缺陷位置；另一方面声波被各个散射吸声体在各种吸声机制的共同作用下吸收一部分，从而使得到达受声点的声压值大大降低。

1、在多重散射效应的干涉消声与声能局域机制和多种吸声机制的共同作用下，本发明设计的基于声子晶体的声屏障结构能够最大程度地对入射声波进行有效衰减，从而降低受声点处的声压值，提高声屏障的降噪效果。

2、本发明设计的基于声子晶体的声屏障由一个个柱状结构排列组成，与传统声屏障大块的连续隔声板相比，迎风面积和风阻抗大大减小，能够在高速列车经过的区域和自然风较强的地区等特殊场合充分发挥声学降噪性能的同时，避免屏体因为长期受到脉动风压的作用而遭受破坏。

3、针对传统声屏障不能与具体噪声环境的频率特性相适应的缺点，本发明设计的基于声子晶体的声屏障结构可以针对具体噪声环境的频率特性，优化设计尺寸，从而满足各种不同噪声环境下的降噪要求。

4、本发明中各个散射吸声体和阵列散射体在安装时保持着一定大小的距离，一方面在阻隔声波的同时允许光线和空气的流通，避免在人群密集的区域造成人为的地理隔离，同时确保了城市风景的连续性和观赏性；另一方面最大程度地保障了自然光线条件下的行车视线，减轻了驾驶员长时间驾驶的视觉疲劳和精神疲劳，间接增加高速行车的安全系数。

附图说明

图1为现有声屏障降噪的主要原理示意图；

图2为几种常见的现有声屏障结构简图；

图3为基于bragg散射声子晶体的声屏障3d模型图；

图4为图3中基于bragg散射声子晶体的声屏障的俯视示意图；

图5为图3中第一散射吸声体的俯视示意图；

图6为图3中第一散射吸声体的3d模型图；

图7为图6中带缺口的微穿孔圆柱薄板横截面的示意图；

图8为图6中附着有吸声材料的带缺口的正三棱柱板横截面的示意图；

图9为图3中阵列散射体的3d模型图；

图10为图9中阵列散射体的俯视图；

图11为图9中小三棱柱横截面的示意图；

图12为计算仿真声屏障噪声衰减的示意图；

图中：1-第一散射吸声体，2-第二散射吸声体，3-阵列散射体，1.1-带缺口的微穿孔圆柱薄板，1.2-带缺口的正三棱柱板，1.3-多孔吸声材料层，1.4-赫姆霍兹共振吸声腔，1.5-微穿孔吸声腔，1.6-第一正六边形，3.1-正三棱柱板，3.2-点缺陷空腔，3.3-第二正六边形，4-刚性地面，5-声屏障模型，6-声源，7-计算声压级的场点

具体实施方式

以下结合附图1～12对本发明的技术方案进行详细说明。

图1为现有声屏障降噪的主要原理示意图，如图所示，在声源和受声点之间插入阻隔屏体，可以阻止噪声直接传到受声点。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。插入的阻隔屏体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。

图2为几种常见的现有声屏障结构简图，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。

图3为基于bragg散射声子晶体的声屏障3d模型图。如图所示，本发明提供了一种基于bragg散射声子晶体的声屏障结构，其包括：第一散射吸声体1、第二散射吸声体2和阵列散射体3。第一散射吸声体1、第二散射吸声体2和阵列散射体3底部通过固定基座安装在地面上，并按特定规律排列，构成基于bragg散射声子晶体的声屏障结构。

图4为图3中基于bragg散射声子晶体的声屏障的俯视示意图，如图所示，散射吸声体及阵列散射体的具体安装方法为：在靠近道路的第一行和远离道路的最后一行只安装第一散射吸声体1和第二散射吸声体2，且第一散射吸声体、第二散射吸声体依次间隔排列；在剩下的第二行和第三行中只安装第二散射吸声体2和阵列散射体3，且每安装2个第二散射吸声体2后再安装一个阵列散射体3。同时，以每个阵列散射体3为中心，均有6个临近的第一散射吸声体1或第二散射吸声体2，即没有两个阵列散射体3相邻的情况。6个散射吸声体中心的连线构成第一正六边形1.6，由于在此正六边形的中心处缺省了一个散射吸声体(取而代之的是阵列散射体3)，这6个散射吸声体构成了存在点缺陷的三角晶格排列，晶格常数为a，即中心间距为a。同时，所有第一散射吸声体1、第二散射吸声体2和阵列散射体3的高度均为h，中心间距均为a。当声波通过本发明中按特定规律周期分布的散射吸声体和阵列散射体排列时，一方面发生多重散射效应，声波被不断反射，反射声波发生干涉，声波能量由于干涉作用被大大消耗，另一方面，一部分声能局域在点缺陷空腔位置，从而降低到达受声点的声压值。

图5为图3中第一散射吸声体的俯视示意图，如图所示，第一散射吸声体1由带缺口的微穿孔圆柱薄板1.1、带缺口的正三棱柱板1.2、吸声材料层组层1.3组成。带缺口的微穿孔圆柱薄板1.1由微穿孔板加工而成；带缺口的正三棱柱板1.2由正三棱柱板在每条边的中心加工出一定大小的缺口得到；带缺口的微穿孔圆柱薄板1.1与带缺口的三棱柱板1.2外接，缺口长度相等且正好相对；第一散射吸声体1在安装时使带缺口的正三棱柱板1.2的一条边与道路中心线平行；吸声材料层1.3以一定的厚度附着在带缺口的正三棱柱板1.2内侧。微穿孔圆柱薄板1.1与带缺口的正三棱柱板1.2外壁构成微穿孔吸声腔1.5，吸声材料层1.3和带缺口的正三棱柱板1.2内腔构成赫姆霍兹共振腔吸声腔1.4。

本发明设计了大小不同的带点缺陷的三角晶格散射体排列，声波将在大小缺陷共振腔的耦合共振作用下被大大耗散。在金属/空气系统中，最低声波禁带的中心频率可由基体声速c(空气声速为340m/s)和晶格常数a(散射体之间的距离)近似确定，即c/2a。因此，可根据不同噪声环境的主要频率范围确定不同的晶格常数a、b，以适应特定的噪声环境。此外，由于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和空气的流通，因此本发明所设计的基于bragg散射声子晶体的声屏障结构具有良好的透光效果和较小的风阻抗。

其次，如图5所示，本发明在散射吸声体中设计了微穿孔吸声腔，当声波通过按特定规律周期分布的散射吸声体和阵列散射体排列时，被不断反射，引起微穿孔外圆柱薄板与三棱柱外壁之间空腔内空气的强烈共振，一部分声能被吸收。以第一散射吸声体为例，微穿孔外圆柱薄板与正三棱柱板外壁构成微穿孔吸声腔，对入射声波进行吸收。微穿孔吸声腔是由穿孔直径小于1mm的薄板和板后空腔组成的共振吸声结构，利用微孔自身的声阻吸声。由微穿孔结构吸声理论可知，吸声频率主要由穿孔率σ、孔径d、板厚t及板后空腔大小决定，因此可根据不同噪声环境的主要频率范围确定这些参数，使该结构具有最佳的吸声效果。

同时，如图5所示，除了微穿孔吸声腔，本发明在散射吸声体中还设计了赫姆霍兹共振腔吸声腔，当声波通过按特定规律周期分布的散射吸声体和阵列散射体排列时，被不断反射，反射声波通过正三棱柱板的缺口进入赫姆霍兹共振腔吸声腔，一部分声能被吸收。以第一散射吸声体为例，如图5所示带缺口的三棱柱板内腔附有一定厚度的多孔吸声材料，构成赫姆霍兹共振腔吸声腔。研究表明，赫姆霍兹共振腔在低频范围具有较好的吸声效果，当与多孔吸声材料结合时一方面可以扩宽吸声频率范围，另一方面可以增强吸声效果。由古典赫姆霍兹理论可知，赫姆霍兹共振吸声频率主要由缺口尺寸和共振腔体积决定，所以当目标噪声环境的主要频率范围确定时，可通过优化正三棱柱板的缺口尺寸和共振腔体积以及多孔吸声材料层的厚度获得最佳的吸声效果。此外，由于多孔吸声材料层附着在带缺口的正三棱柱板内侧，可以有效避免与环境中雨水和空气等直接接触，从而避免被侵蚀，以确保吸声效果长期有效。

最后，为了在更宽的声波频带范围充分发挥作用，本发明还设计了尺寸不同的第一散射吸声体、第二散射吸声体，形成了多组不同尺寸的微穿孔吸声腔和赫姆霍兹共振腔吸声腔。这些吸声结构在不同的频率范围同时作用，可以在更宽的频率范围对入射声波吸收，以达到最好的吸声效果。

第二散射吸声体2同样由带缺口的微穿孔圆柱薄板、带缺口的正三棱柱板、多孔吸声材料层组成。第二散射吸声体2与第一散射吸声体1除了在尺寸上有差别外，其他结构完全相同。当声波通过本发明中按特定规律周期分布的散射吸声体和阵列散射体排列时，被不断反射到各个吸声结构，所有吸声结构同时作用，吸收一部分声能。

图6～8具体描述了第一散射吸声体1各组成部分的结构特点及尺寸，值得注意的是第二散射吸声体2与第一散射吸声体1除了在尺寸上有差别外，其他结构完全相同。图6为图3中第一散射吸声体的3d模型图，第一散射吸声体、第二散射吸声体和阵列散射体的高度均为h。带缺口的微穿孔圆柱薄板1.1横截面的示意图如图7所示，值得说明的是，所有微穿孔圆柱薄板除了尺寸有差别外，结构完全相同。r⁺表示微穿孔圆柱薄板外径大小，r^-表示微穿孔圆柱薄板内径大小，t表示微穿孔圆柱薄板的厚度大小，三者的关系为：r⁺＝r^-+t。微穿孔圆柱薄板直径共有两种尺寸规格，在第一散射吸声体中：微穿孔圆柱1.1外径r1⁺，内径r1^-；在第二散射吸声体2中：微穿孔圆柱外径r2⁺，内径r2^-。所有微穿孔圆柱薄板均由厚度t，孔隙率σ，孔径d的铝合金薄板加工而成。附着有吸声材料的带缺口的正三棱柱板横截面的示意图如图8所示，值得说明的是，所有带缺口的正三棱柱板除了尺寸有差别外，结构完全相同。在实际使用时，吸声材料层表面覆盖有一层保护膜但不影响其声学吸声性能。吸声材料层的厚度有两种规格：在第一散射吸声体1中，吸声材料层厚度为t1，第二散射吸声体2中，吸声材料层厚度为t2。缺口长度也有两种尺寸规格：在第一散射吸声体1中，缺口长度为l1，第二散射吸声体2中，缺口长度为l2。所有正三棱柱板均由铝合金板加工而成，厚度为t3。由几何关系可知，在带缺口的微穿孔圆柱薄板1.1尺寸给定的情况下，带缺口的正三棱柱板1.2尺寸也是唯一确定的。上述尺寸可以根据具体噪声环境的主要频率特点来调整，从而改变吸声结构起作用的主要频率范围，以达到最优的吸声效果。当噪声声波通过周期性分布的散射吸声体和阵列散射体排列时，一方面声波在各种吸声机制的共同作用下吸收一部分，另一方面由于干涉和声能局域现象，声能减小一部分，从而使得受声点的声压值大大降低。

图9～11具体描述了阵列散射体3各部分的结构特点及尺寸。图9为图3中第一散射吸声体3的3d模型图，阵列散射体的高度与第一散射吸声体、第二散射吸声体的高度相等，均为h。图10为图9中阵列散射体3的俯视图，如图所示，阵列散射体3由6个相同的正三棱柱3.1组成，它们的中心连线构成第二正六边形。由于在此正六边形的中心处缺省了一个正三棱柱，这6个正三棱柱构成了存在点缺陷的三角晶格排列，晶格常数为b，即中心间距为b。正三棱柱3.1在安装时使一条边与道路中心线平行。图11为图9中小三棱柱横截面的示意图，所有正三棱柱3.1均由铝合金板加工而成，厚度为t4，边长为l。阵列散射体内部的缺陷位置起到了共振腔的作用，与散射吸声体的点缺陷共振腔相互耦合，使部分声波能量局域在共振腔3.2内，不能继续传播。

图12为计算仿真声屏障噪声衰减的示意图，其包括：刚性地面4、声屏障模型5、声源6、场点7。值得说明的是，仿真计算通过专业的振动噪声分析软件virtual.lab完成，且此仿真模型得出的声屏障插入损失计算结果已被实践证明是准确有效的。

仿真对比计算了2组声屏障模型在相同外界条件下的平均插入损失(il)：

模型1:基于bragg散射声子晶体的声屏障；

模型2:相同尺寸大小的普通直立型声屏障；

具体实验条件：声源幅值1pa，距离声屏障的水平距离是3m，距地面高度1.5m，频率范围选取50hz～2500hz频段；声屏障长度为18.2m；在声屏障后方18m、24m、30m的距离上分别取高度为5m、8m、11m、14m、17m、20m的6个场点，分别计算两个声屏障模型在这18个场点上的插入损失。取这18个场点的a记权声压级插入损失的平均值评价声屏障的降噪效果，并比较二者的降噪性能。

模型1为高度3m的基于bragg散射声子晶体的声屏障。在模型2中，普通直立型声屏障的长度、宽度和高度均与模型1相同，“声子晶体”声屏障的具体尺寸大小根据仿真实验条件中声源的频率范围确定。

仿真实验中用到的具体参数为：a＝0.28m，b＝0.11m，h＝3m，r1⁺＝145mm，r1^-＝144.2mm，r2⁺＝111mm，r2^-＝110.2mm，t＝0.8mm，σ＝2％，d＝0.8mm，t1＝25mm，t2＝15mm，l1＝35mm，l2＝30mm，t3＝t4＝3mm，l＝40mm。

计算结果：模型2比模型1的平均降噪量高2.58db(a)，即安装了“声子晶体”顶部的声屏障降噪效果提高了2.58db(a)。计算机仿真结果证明，本发明提供的基于bragg散射声子晶体的声屏障结构，能够对绕射声进行有效衰减从而提高声屏障整体的降噪性能。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细的介绍，但应理解的是，这些描述仅仅用具体的个例对原理及实施方式进行了阐述，并非用来限制本发明专利的应用。本发明专利的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明专利保护范围和精神的情况下针对发明专利所作的各种变型、改型及等效方案。