二維氣－固型聲子晶體隔聲性能

魏鳳春，張 曉，黃麗芳，張 恒

(1.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450052;2.河南中原高速公路股份有限公司，河南 鄭州450052;3.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450052)

0 前言

近年來(lái)，高速公路的快速發(fā)展對(duì)中國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)起到了促進(jìn)作用，但隨之而來(lái)的交通噪音對(duì)高速公路兩邊的城鎮(zhèn)居民生活和工作都造成了極大的干擾。在高速公路兩邊種植樹(shù)木構(gòu)成綠化帶，既有降噪功能，又可增加植被、美化環(huán)境。關(guān)于綠化帶對(duì)噪聲的影響，國(guó)內(nèi)外已有一些研究報(bào)道，但主要集中在綠化帶寬度和郁閉度對(duì)交通噪聲衰減的影響［1－3］。文獻(xiàn)［4］認(rèn)為40～60 m寬的綠化帶可滿(mǎn)足綠化帶的降噪要求。文獻(xiàn)［5］探討了林帶寬度對(duì)噪聲衰減的影響，發(fā)現(xiàn)兩者呈極顯著的線(xiàn)性關(guān)系。文獻(xiàn)［6］通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)喬灌草結(jié)合的林帶結(jié)構(gòu)降噪效果最佳，其降噪量可達(dá)6.7 dB，綠化衰減量隨寬度的增大而增加。根據(jù)目前研究結(jié)果，要想使綠化帶獲得良好的降噪效果，必須使林帶足夠?qū)挕⒃灾策_(dá)到一定的密度。但這樣不僅對(duì)樹(shù)木的成長(zhǎng)條件要求苛刻，而且增加種植成本。因此，如何使綠化帶以較低的種植成本獲得良好的降噪效果，是目前研究的重點(diǎn)。文獻(xiàn)［7］嘗試?yán)寐曌泳w理論設(shè)計(jì)綠化帶，證明按照一定排列方式構(gòu)成的綠化帶呈現(xiàn)出聲子晶體的性能，其降噪效果明顯高于一些普通的綠化帶。中國(guó)在此方面尚無(wú)相關(guān)研究報(bào)道。

聲子晶體［8－10］是具有彈性波禁帶的周期性結(jié)構(gòu)功能材料，彈性波落在它的帶隙中將被禁止。當(dāng)聲子晶體存在點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷和面缺陷時(shí)，彈性波會(huì)被局域在點(diǎn)缺陷處，或只能沿線(xiàn)、面缺陷方向傳播。因此，通過(guò)對(duì)聲子晶體周期結(jié)構(gòu)及其缺陷的設(shè)計(jì)，可以人為地調(diào)控彈性波的傳播。用二維聲子晶體理論來(lái)設(shè)計(jì)高速公路的降噪綠化帶，使公路噪音聲譜的峰值落在聲子晶體型降噪綠化帶的帶隙內(nèi)，可以最小的建設(shè)成本獲得最好的公路噪音衰減效果。本文在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并制備樹(shù)木模擬試樣，利用聲子晶體理論將樹(shù)木模擬試樣排列成周期性矩陣，研究其隔聲特性，為高速公路降噪綠化帶的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)條件

1.1 試樣特點(diǎn)

為了檢驗(yàn)規(guī)則排列的樹(shù)木能否減弱某一頻率范圍的聲音，制備了3種試樣進(jìn)行試驗(yàn)。1#試件是由金屬絲周期性橫向排列所組成的二維鋼－空氣體系聲子晶體，用以模擬樹(shù)葉;2#試件是由PVC圓管周期性排列所組成的正方形矩陣，即二維PVC圓管－空氣體系聲子晶體，用以模擬樹(shù)枝;3#試件組(3#A、3#B、3#C、3#D)是由PVC圓管周期性排列所組成的正方形或矩形矩陣，用以模擬樹(shù)干。通過(guò)試驗(yàn)具體測(cè)定二維氣－固型聲子晶體的隔聲特性，重點(diǎn)研究二維聲子晶體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)/矩陣類(lèi)型、填充率、矩陣走向等因素對(duì)其隔聲性能的影響。

1.2 儀器和試驗(yàn)方案

制備一個(gè)單向開(kāi)放的隔音箱，箱內(nèi)鋪吸聲海綿(聚氨酯泡沫塑料)，內(nèi)置TES-1350A聲級(jí)計(jì);同時(shí)制備二維氣－固型聲子晶體結(jié)構(gòu)模型。利用AX-Babyv11(AX-煲箱寶寶)音頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生單頻率音頻信號(hào)，高速公路噪音聲譜很寬，可在AX-煲箱寶寶上依次設(shè)定一系列頻率值(100～10 000 Hz)，由TES-1350A聲級(jí)計(jì)測(cè)量各單頻率音頻信號(hào)(單一方向(X)聲波)透過(guò)某二維氣－固型聲子晶體結(jié)構(gòu)模型試件(圓管或圓柱陣列結(jié)構(gòu)模型)的聲壓級(jí)，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，得到該頻率段上該試件的隔聲特性曲線(xiàn)。重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)試多種二維聲子晶體試件的隔聲性能，繪制相應(yīng)隔聲特性曲線(xiàn)，以進(jìn)行比較。試驗(yàn)總廓圖見(jiàn)圖1。

2 試驗(yàn)

測(cè)試空氣傳聲(0#)、1#聲子晶體傳聲(模擬樹(shù)葉)、2#聲子晶體傳聲(模擬樹(shù)枝)、3#聲子晶體(3#A試件)傳聲(模擬樹(shù)干)，以比較其隔聲特性。

研究同矩陣類(lèi)型下，填充率對(duì)氣－固型二維聲子晶體(二維PVC圓管－空氣體系聲子晶體)隔聲降噪性能的影響。

固定填充率不變，比較分析矩陣類(lèi)型、矩陣走向?qū)猓绦投S聲子晶體隔音性能的影響。固定填充率f=0.422 2不變，分別測(cè)定3#A(正方形矩陣)、4#A(三角形矩陣)，繪制相應(yīng)的隔聲性能曲線(xiàn)。

其中，1#試件是由直徑為18 mm、長(zhǎng)度為180 mm金屬絲周期性橫向排列組成二維鋼－空氣體系聲子晶體結(jié)構(gòu);2#試件是由外徑25 mm、壁厚9 mm、長(zhǎng)320 mm的PVC圓管周期性排列所組成的正方形矩陣(二維PVC圓管－空氣體系聲子晶體結(jié)構(gòu))。

圖1 試驗(yàn)總廓圖

圖2 不同模擬試件的隔聲特性曲線(xiàn)

圖3 3#試樣排列示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2為所測(cè)得的3種不同聲子晶體試件隔聲性能曲線(xiàn)與在空氣中傳播所得到的性能曲線(xiàn)圖。由圖2可知:對(duì)于不同的頻率段，聲子晶體結(jié)構(gòu)有不同的隔音性能。在500 Hz以下，各聲子晶體結(jié)構(gòu)隔聲性能幾乎相同。分析其原因，可能是由于消聲箱的共振，測(cè)試誤差較大，因此數(shù)據(jù)不易采用。高于500 Hz，模擬樹(shù)干的3#A試件整體的隔音效果明顯優(yōu)于模擬樹(shù)葉的1#試件和模擬樹(shù)枝的2#試件，說(shuō)明試驗(yàn)中模擬樹(shù)干試樣的隔音效果較好。

3#試件組(3#A、3#B、3#C、3#D)是外徑110 mm，壁厚3.2 mm，長(zhǎng)約50 mm 的 PVC 圓管周期性排列所組成的正方形或矩形矩陣，如圖3所示。

取3#A試樣矩陣類(lèi)型，改變其填充率，測(cè)定不同填充率下的隔聲性能。a、b、c、d的填充率分別為fa=0.785 0、fb=0.508 5、fc=0.356 0、fd=0.263 1。試驗(yàn)所得相應(yīng)隔聲特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。由圖4可看出:a試件整體隔音性能較好;b試件與a試件隔音性能相近;c試件隔音性能比a試件略差，說(shuō)明填充率對(duì)試件隔音性能有影響，填充率大的試件隔聲性能較好。4#試件組是由外徑110 mm，壁厚3.2 mm，長(zhǎng)約50 mm的PVC圓管周期性排列所組成的三角形矩陣(見(jiàn)圖5)。試驗(yàn)所得相應(yīng)隔聲特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。由圖6可看出:4#A、4#C試件隔聲性能接近，4#C試件隔音性能略?xún)?yōu)于4#A試件，說(shuō)明聲子晶體走向?qū)ζ涓袈曅阅苡幸欢ǖ挠绊懀绊懖淮?4#A和4#C試件隔聲性能明顯優(yōu)于4#B試件，再次說(shuō)明填充率對(duì)聲子晶體隔聲性能有影響。

圖4 3#A試件組的隔聲特性曲線(xiàn)

圖5 4#試樣排列示意圖

4 結(jié)論

采用二維聲子晶體理論來(lái)設(shè)計(jì)高速公路的降噪綠化帶，使公路噪音聲譜的峰值落在聲子晶體型降噪綠化帶的帶隙內(nèi)，可以最小的建設(shè)成本獲得最好的公路噪音衰減效果。本文根據(jù)聲子晶體理論在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并制備了不同的二維氣－固型聲子晶體，通過(guò)對(duì)其隔聲性能的測(cè)定，為高速公路綠化帶的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(1)二維聲子晶體，尤其是模擬樹(shù)干試樣，其隔音性能優(yōu)于模擬樹(shù)枝和模擬樹(shù)葉試樣。

(2)同一矩陣類(lèi)型，聲子晶體的填充率越大，聲子晶體隔聲性能越好。

(3)聲子晶體走向?qū)ζ涓袈曅阅苡幸欢ǖ挠绊懀绊懗潭炔淮蟆?/p>

(4)試件厚度對(duì)試件隔音性能有一定的影響，故在實(shí)際應(yīng)用中需綜合考慮降噪目標(biāo)音頻段、成本等因素，選擇聲子晶體的最佳排列方式和厚度。

圖6 4#試件組的隔聲特性曲線(xiàn)

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