[发明专利]一种道路声屏障降噪装置及其结构设计方法

说明书

本发明提供了一种道路声屏障降噪装置及其结构设计方法。该装置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，降噪单胞由两个“外凹内凸”型薄壁结构反向组合而成，降噪单胞在平面内中心对称，由内外两块薄板结构构成“外凹内凸复合结构”，“外凹内凸复合结构”的外层薄板呈“凹”型，内层薄板呈“凸”型，外层薄板与内层薄板之间构成宽度相同的两个声波通道，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。改变“外凹内凸复合结构”的尺寸可有效调整降噪单胞的声学性能以适应多种目标降噪范围。本发明提出的道路声屏障降噪装置具有双面高效降噪性能，减少道路对外界的噪声影响以及外界对道路的干扰。

技术领域

本发明涉及道路交通降噪技术领域，尤其涉及一种道路声屏障降噪装置及其结构设计方法。

背景技术

随着我国机动车保有量的增加，公路交通噪声对道路沿线声环境的影响日趋严重。长期接触噪音会引起严重的生理和心理症状，如恶心、头痛、疲劳和失眠等，特别是交通噪音中的低频声波在传播过程中穿透力强且难以衰减，甚至易与人体器官发生共振，对身体造成更加严重的危害。因此研究开发公路环境降噪技术具有重要的应用价值。

针对道路降噪，传统的隔声材料多属于线性材料，即使附加阻尼，其低频吸声能力仍然比较微弱，且受到质量作用定律的限制，在实际应用中难以同时满足轻质量与有效降噪的性能要求。专利CN108978504A提出一种复合隔声屏障，该结构具有良好的吸隔声效果，同时在施工应用中具有机械强度高、密度低质量轻和切割粘附施工性能好等特性，并且不含任何重金属等有害物质。但该复合隔声屏障所需的吸声材料颗粒较为复杂，材料制作的要求较为严格，实际应用效果受限。为了削弱声屏障对材料声学性能的依赖，从声屏障结构构型出发，有学者们提出了声学超材料结构。

声学超材料利用亚波长厚度结构的局域共振获得高能量密度，表现出负有效体积模量、负有效折射率和波操纵等特点，在低频噪声衰减方面具有巨大的潜力。常用的声学超材料降噪结构需要反射器，即将铝板或其他刚性板置于吸声结构之后以减少声音的传播，一旦反射板被移除，则吸声结构的吸声性能将大大降低。同时其声学性能与通风效率之间的冲突限制了其在多种环境中的应用潜力。

为实现声屏障通风功能和隔音功能的协调，学者们进一步提出了通风型超材料。通风型结构在某些特定频带中具有较高的降噪特性，同时可允许空气的流动。专利CN105845121A提出了一种涉及隔声通流且强化传热的声学超材料结构单元，该结构单元在宽频带内具有优于普通穿孔板或微穿孔板的隔声能力，同时其保证足量热流、气流或液流能够顺利通过。但这种结构对于低频声波(例如100Hz)，传声损失效果不佳。专利CN110822206A提出了一种超开放式高效通风吸声单元，包括两个前后并排对称设置的第一、第二分裂管谐振腔，每个分裂管谐振腔由内框、外框构成，整体呈“回”字形，每个吸声单元构成一个类似于弹簧的刚性的损耗振荡器，吸声器用于安装在开放式气流通道内，能实现低频(1000Hz)的高效吸收(95％)和通风(80％的风速比)。但该结构对低频噪音(100Hz)，降噪效果不佳。

总之，现有技术中的道路声屏障降噪结构的缺点为：

1.针对道路降噪，传统的隔声材料大多属于线性材料，即使附加阻尼，低频吸声能力仍然比较微弱，而且受到质量作用定律的限制，在实际应用中难以同时满足轻质量与有效降噪的性能要求。

2.大多数声学超材料降噪结构需要反射器，即将铝板或其他刚性板置于吸声结构之后以减少声音的传播，一旦反射器被移除，则吸声结构的吸声性能将大大降低，声学性能与通风效率之间的冲突限制了它们在多种环境中的应用潜力，从而实际意义受到限制。

3.对于目前少数已实现通风的超材料降噪结构，高效率吸收通常只适用于一侧，而对于另一侧，吸收通常被最小化，无法满足声屏障双侧降噪的要求，且针对城市道路上低频的声波，通风超材料结构的最佳吸声系数较小，共振频率难以精确控制。

发明内容