基于物聯網技術的公路智慧隔音屏設計

摘 要：為了減少汽車噪聲擾民，以及解決公路周邊傳感器的供電問題，提出了一種基于物聯網技術的公路智慧隔音屏設計。本設計采用兩層面板和內部中空的結構，第一層面板采用壓電原理吸收高頻噪聲（含超聲波），第二層面板采用磁電原理吸收低頻噪聲（含次聲波）。利用聲電轉換技術將吸收的噪聲轉換成電能，微弱電能經整流和穩壓后可為微型鋰電池充電，實現了公路環境監測傳感器的就地供電。此外，在光照條件優秀的路段，還可采用光電技術實現能量補充。通過ZigBee或WiFi技術組網，建立了云端傳感數據庫。實驗表明，本設計降低了傳感器和無線組網的耗電量，驗證了噪聲發電可以滿足能量供應需求。

關鍵詞：物聯網；隔音屏；聲電轉換；光電轉換；噪聲吸收；環境監測

中圖分類號：TP29；TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）06-0-05

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2025.06.021

0 引 言

截至2023年，中國高速公路里程已經達到17.71萬公里[1]。

近幾年隨著高速公路車流量的不斷增加，噪聲等環境污染問題日益突出。據生態環境部數據統計，2022年全年，我國有關生活噪聲的投訴舉報達到最高水平，約為303.8萬件。其中，交通運輸噪聲投訴約19.5萬件，與去年相比略有增加，增幅為0.1個百分點[2]。交通運輸噪聲不但會影響公路周邊居民的日常生活，還會對居民身心健康產生危害。

《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》提出環境綜合治理以及綠色可持續發展等理念[3]。《中華人民共和國環境噪聲污染防治法》第36條規定，“在建造高速公路、城市高架橋和輕軌時，若這些工程可能導致環境污染，則應安裝隔音屏障或使用其他有效手段來控制和減少環境噪音污染”[4]。《“十四五”噪聲污染防治行動計劃》中提出“強化交通運輸噪聲的污染防控，對機動車和船只發出的噪聲執行更嚴格的監督與管理措施，確保公路和市區街道的良好維護，并對城市軌道交通與鐵路的噪聲污染防治標準進行詳細規定”[5]。可見建設隔音設施是建設公路必不可少的環節。目前公路的隔音措施分為以下三種：隔音屏、綠化帶及公路隔聲窗，但上述三種隔音措施都只是將噪聲隔離，本研究擬將噪聲能量轉化為電能，變廢為寶。

《公路“十四五”發展規劃》中提出“打造智慧公路，促進建筑信息建模技術與路網傳感系統的整合，并與公路基礎建設協同進行規劃與實施，以加速推進公路基礎設施向數字化轉型”[6]。建設智慧公路需要設置大量傳感器，這些分散布置的傳感器如果采用城市電網供電，長距離線阻將造成較大電能損耗。因此，如果能將噪聲聲能轉化為電能，就地解決周邊傳感器的供電問題，將降低智慧公路運營成本。公路、高鐵噪聲轉化的能量就近為傳感器供能，同時實現了對污染物（PM2.5、粉塵等）的檢測，可據此作為未來規劃綠色智慧公路的參考指標。

1 設計方案

智慧隔音屏通過聲電轉換、光電轉換等方式采集多種能源，為污染物傳感器供電，應用ZigBee或WiFi技術實現隔音屏間的無線組網，并利用5G NB-IoT將獲取的數據上傳至云端，可實現交通環境監測、智慧公路管理。系統架構如圖1所示。

1.1 電路設計

智慧隔音屏電路結構如圖2所示。主控板為Arduino UNO開發板，傳感器包括溫濕度傳感器、光強傳感器、PM2.5傳感器、噪聲傳感器、空氣質量傳感器、污染程度傳感器，能夠實時監測溫濕度、光強、PM2.5濃度、噪聲程度等環境指標，并通過ESP8266發送至APP客戶端，實時查看。當部分指標超出閾值后，蜂鳴器將自動報警，提醒操作人員及時查看當地情況。

1.2 機械設計

隔音屏是該裝置的核心，其凹側用于聲波的吸收，頂部彎曲則是為了吸收從地面反射來的聲波。隔音屏采取卡扣連接，使之更加穩固。因卡扣施加力的反作用力朝外，故裝有可旋轉的壓緊扣，用于加強隔音屏與隔音屏的穩定性[7]。隔音屏里開槽，翻蓋式的開蓋結構便于傳感器的安裝檢測，隔板內放有污染程度傳感器、聲音傳感器、粉塵傳感器，隔音屏與空氣直接接觸，傳感器可檢測相應指標[8]。隔音屏后連有底座，底座中裝有Arduino單片機板、穩壓模塊、電池座及蓄電池，采用Arduino控制其工作。滑槽式的打開方式方便其控制端電路板的安裝及指標檢測。隔音屏頂部彎曲處開槽裝有太陽能板，白天吸收太陽光，供設備夜晚運行。通過雙向供電，極大減小能量（電能）損失。對于噪聲中橫波成分的吸收，裝置底部裝有橫波吸收裝置，內置磁鐵切割磁力線圈，可將低頻噪聲轉化為電能；對于噪聲中縱波成分的吸收，采用表面附置的壓電陶瓷片，吸收包括來自地面的高頻噪聲[9]。隔音屏三維結構如圖3所示，工程圖紙如圖4所示。

2 能量轉換計算

2.1 壓電陶瓷片吸收高頻噪聲能量

壓電陶瓷材料具有正壓電效應[10]。當外層氣流通過Helmholtz共鳴器環隙噴嘴時，將產生漩渦脫落，隨即轉變為穩定氣流觸碰到壓電陶瓷片并反彈。在一定范圍內，入流聲波信號與反射聲波信號疊加，正壓電效應產生的極化強度與外力呈線性關系，聲波信號可達到穩定的諧波狀態[11]。

記x為阻塞與共振腔間間距，L為共振腔長度，D為直徑。記Dm、Dn、Dp分別為壓電陶瓷材料銅片直徑、銅片支撐直徑和陶瓷片直徑，ω為腔底壓力角頻率。設換能器的總純電能為：

得到換能器的總機械能為：

式中：K為換能器等效剛度；M為等效質量；為位移分布函數。

設定v為聲波作用于壓電片的速度，n為機電轉換系數，C0為壓電片等效電容，I為電流，則換能器從聲學端和電學端吸收的能量可以分別表示為：、。

令，根據在諧振狀態下Zm→0時K=ω2M，得到線性方程組：

假設換能器維持一個恒定的速度分布，Rm代表相對于參考速度v的等效機械阻尼，并近似認為是一個常數值，那么系統的耗散功率和輻射功率可以表示為：Rmv2。

共振時，Rm和機械品質因數Qm的關系可以表示為，Qm近似為：

式中：Cs為靜態換能器所測量得到的等效電容；Cd為動態換能器所測量得到的等效電容；R1為換能器的等效電阻。

設γ=Cs/C0，則電荷量可以表示為：

將上式與線性方程聯立，可整理得到轉化電荷量為：

主控站采用邊緣計算架構，以提高微時空內的計算速度，根據實時風險因子快速改變相關區域護欄的顏色。綠色表示正常區，黃色表示預警區，紅色表示危險區，同時限速板顯示計算后的安全時速。系統利用“智慧路側單元”實現了風險因子的采集和事故風險的預警，無需在車輛上安裝車載端，便于快速推廣。

2.2 磁電傳感器吸收低頻噪聲能量

通過磁致伸縮材料與壓電材料復合[12]，外部磁場發生變化時，磁致伸縮材料會相應產生機械運動，這種運動作用于壓電材料，進而在兩者的互動中引發磁電效應[13]。對于L-T型結構而言，該效應的磁電系數可以通過理論計算得出，其數學表達式為：

式中：αME， 31為磁電傳感器在橫向的磁電系數；dm33為磁致伸縮材料在縱向的壓磁系數；sm33為磁致伸縮材料在縱向的柔順系數；g31p為壓電材料的橫向壓電常數；s11p為壓電材料在橫向的柔順系數；k31p為壓電材料在橫向的磁機電耦合系數；v為磁致伸縮材料與整體傳感器的體積之比[14]。

在諧振狀態下，即磁電系數最大時，縱向諧振頻率為：

彎曲諧振頻率為：

式中：l為磁電傳感器長度；ρ為平均密度；s11為柔順系數；d為磁電傳感器厚度。

設激勵磁場表示為Hccos（ωct+θc），則磁電傳感器受到的總磁場為：

得到磁電系數與待測磁場的關系為：

式中：k為比例因子，近似為常數。

當交流激勵磁場幅值不變，激勵磁場產生的輸出表示為：

式中：k1為常系數。在磁電傳感器的信號處理電路中，電荷放大器是關鍵組成部分。其功能是將磁電傳感器產生的交變電荷信號轉換成適宜幅度的輸出電壓[15]，如圖5所示。

2.3 太陽能傳感器采集太陽能

就模型而言，1 m2的太陽能電池板功率約為140～150 W，這是相對固定的量，但每天光照情況是變量，下雨、陰天、早晨、傍晚光照強度不同，都影響著發電量，理論情況下，本文裝置等比例放大了0.4倍后，采用0.64 m2的太陽能電池板，10 h可產生0.9～1 kW·h的電能。福州市2022年日均光照時長如圖6所示（4.507 h），而一塊0.64 m2的太陽能電池板日均產生0.406～0.451 kW·h的電能。

2.4 創新點

本裝置主要有以下創新點：

（1）組合式采集新能源。采用壓電、磁電、光電的方式從環境中獲得能量。

（2）多頻段吸收噪聲能量。低頻噪聲能量采用磁電原理吸收，中高頻噪聲能量采用壓電原理吸收。

（3）能量自給自足。利用從噪聲中吸收的能量實現對高速公路交通微環境污染物的檢測，特別是可以解決隧道內無陽光照射區域的傳感器供電問題。

3 效用分析

3.1 公路噪聲特性分析

公路交通噪聲主要由汽車行駛產生，影響噪聲頻率與強度的因素主要包括：汽車的運行狀態、車型、輪胎種類、行駛速度以及道路表面特性等[16]。在車速低于50 km/h的情況下，汽車的主要噪聲源為其動力系統；而當車速超過50 km/h時，噪聲則主要由輪胎與路面相互作用產生。隨著車速的提高，輪胎與路面接觸造成的噪聲顯著增加，導致交通噪聲中高頻成分的比例上升[17]。公路車輛噪聲頻率分布見表1。

3.2 隔音屏噪聲吸收分析

本文設計的隔音屏采用磁電與壓電組合吸噪技術，頻率電壓特性曲線如圖7所示，吸收噪聲頻率范圍主要為20～20 000 Hz。頻率為40～125 Hz的噪聲主要由磁電元件吸收，頻率為550 Hz左右的噪聲主要由壓電元件吸收。通過仿真模擬與室內實驗相結合的方式驗證了隔音屏的降噪特性，隔音屏在帶隙范圍內具有良好的降噪性能，本裝置總體吸收噪聲效果如圖8所示。

3.3 噪聲能量的應用

公路智慧隔音屏上可內置噪聲、有害氣體、車流量光電計數、機器視覺傳感器，其耗電量小，隔音屏之間采用ZigBee或WiFi組網技術將傳感器數據逐級發送至云端。實驗表明，智慧公路的傳感器及無線組網耗電量小，噪聲發電可以滿足智慧公路的能量供應需求，同時在光照條件優秀的公路區域，還可以采用光電技術實現能量補充。

4 結 語

本文設計的智慧隔音屏吸收公路噪聲，通過壓電、磁電技術將收集到的噪聲轉變為電能，為交通環境污染物檢測傳感器供能，并為隔音屏的ZigBee或WiFi模塊供能。云端接收到智慧公路大數據后，通過繪制公路污染圖（含噪聲污染和空氣污染）指導路政部門改善交通環境，為建設綠色智慧交通提供交通基礎大數據。本設計響應了“十四五”規劃提出的建設低碳綠色城市號召，推動了智慧公路的建設和普及。

注：本文通訊作者為林宇洪。

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作者簡介：葉芷藝（2000—），女，在讀碩士研究生，研究方向為物聯網工程。

朱文軍（2002—），男，在讀碩士研究生，研究方向為交通運輸工程。

湯建民（2001—），男，在讀碩士研究生，研究方向為森林工程。

林宇洪（1976—），男，碩士，高級實驗師，研究方向為物聯網工程。

收稿日期：2024-04-09 修回日期：2024-05-10