[发明专利]一种道路声屏障降噪装置及其结构设计方法

权利要求书

1.一种道路声屏障降噪装置，其特征在于，由降噪单胞在空间中沿道路走向重复布置同时沿垂直道路走向方向布置两层而成，所述降噪单胞由两个外凹内凸复合结构反向组合而成，所述降噪单胞在平面内中心对称；每个外凹内凸复合结构由两块凹型薄板结构相互反向套置构成；位于外层的所述凹型薄板结构沿道路宽度方向一侧朝所述外凹内凸复合结构内部凹陷，另一侧敞开；位于内层的所述凹型薄板结构沿道路宽度方向一侧朝所述外凹内凸复合结构外部凸出，另一侧敞开；每个所述外凹内凸复合结构的凹边与道路走向一致，每个所述外凹内凸复合结构的凸边两侧分别设置一个宽度相同的裂口；所述外层的凹型薄板结构与所述内层的凹型薄板结构之间具有间隙，构成以所述两个裂口为起点，沿所述外层的凹型薄板结构内侧边缘延伸的两个声波通道，该声波通道宽度与所述裂口宽度相等；所述声波通道的终点对应于所述外层的凹型薄板结构的凹边两端；

根据气流耦合以及声波传输损耗设置两个声波通道入口的间距，所述外凹内凸复合结构在增加声波通道长度的同时延长斜入射声波在复合结构外表面的反射距离，通过改变外凹内凸复合结构的尺寸调整降噪单胞的声学性能；所述外凹内凸复合结构的尺寸包括：降噪单胞二分之一宽度a、降噪单胞厚度b、同排降噪单胞间隙c、层间距d、声波通道宽度w、声波通道入口间距L₁、内凹长度L₂。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置安装在道路两侧，所述复合结构的内外薄板底部固定在混凝土/钢结构防护栏。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述降噪单胞的制作材料选用聚碳酸酯。

4.一种基于权利要求1～3的任一所述道路声屏障降噪装置的结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)城市道路交通噪声的集中在200-250Hz，确定降噪单胞构型优化的两个降噪目标：a)中心频率225Hz处吸声系数尽可能大；b)吸声系数在50％以上的频段尽可能宽；

(2)建立二维有限元模型，考虑声—热粘性相互作用，数值模拟研究声波入射下双层声屏障的降噪效果；以背景压力场作为声源，声波沿在平面内垂直方向入射；平面内另一方向施加Floquet周期边界条件，入射方向上应用完美匹配层；设置声波在空气中的传播速度、密度、动力粘度、本体粘度、导热系数和恒压热容；

(3)基于蒙特卡罗法对单胞构型进行初始优化，取声波入射角度为0°，内外薄板厚度t为2mm常数，以中心频率处吸声系数最大为优化目标，以降噪单胞二分之一宽度a、降噪单胞厚度b、同排降噪单胞间隙c、层间距d、声波通道宽度w、声波通道入口间距L₁、内凹长度L₂为控制变量，并设置各变量的取值范围以及基于罚函数的几何约束条件，优化一次得到初始优化模型，围绕初始优化模型的参数a和b，上下浮动一定范围，其他控制变量的取值范围保持不变；

(4)设置声波入射角度为0°、15°、30°、45°和60°进行参数化扫描，以5种不同声波入射情况下的中心频率225Hz对应的吸声系数之和最大化为目标函数，应用蒙特卡罗法随机选择相对优值，多次优化后得到参数a和b的平均优化值，同时对其他参数的平均最优值上下浮动一定范围，得到其他参数的初始取值范围；

(5)将频域设置改为200Hz-250Hz范围，入射角度参数化扫描设置保持不变，以吸声系数大于50％的频率带宽为目标函数，取步骤(4)得到的a和b为固定值，其他参数的初始取值范围为变量取值范围，进行多次优化得到各参数最优值取平均为相对优化解，得到降噪效果较为优异的声屏障的几何尺寸。