一种相位梯度声屏障及其降噪性能数值分析

作     者：叶秀杰 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：石志飞

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：声屏障 相位梯度 导波特性 插入损失 降噪效果 

摘      要：随着我国交通网络的迅猛发展,铁路与高速公路的总里程数已跃居世界第一。交通快速发展在促进经济增长和带给人们出行便利的同时,噪声污染问题也日益加剧。声屏障作为一种有效的降噪措施,自问世起便被广泛研究至今。但传统声屏障存在材料用量多、厚度大、占用空间资源等问题,因此亟待在新材料、新结构上的革新。声学超构表面因具有调控声波振幅和波阵面的特性,为新型声屏障的设计提供了思路。本文基于广义斯涅尔定律,首先设计了一款超薄的相位梯度声屏障;随后针对其存在的缺陷,在保留其原有主体结构形式不变基础上,设计出一款凹槽型相位梯度声屏障;最后选择两种橡胶作为组成材料,开发出了组合式凹槽型相位梯度声屏障,并对三者的导波特性和降噪效果进行了数值仿真模拟和计算对比分析。论文的主要研究内容如下:(1)基于广义斯涅尔定律,针对高速公路噪声主要频段设计了一种离散型相位梯度调控单元,并分析了声波在一个离散相位梯度单元宽度范围内的相位变化特征。(2)利用多个离散相位梯度单元组成相位梯度声屏障,并以空气为背景介质,构建相位梯度声屏障数值模拟模型,通过施加背景声压场分析了其对声波传播方向的调控效果;构建相位梯度声屏障降噪效果数值计算模型,通过施加线声源振动,分析了相位梯度声屏障对目标区域的降噪效果,并提出其存在的缺陷。(3)在保留离散相位调控单元结构的基础上,对其构型进行改进,设计出了凹槽型相位梯度调控单元;构建凹槽型相位梯度声屏障数值模拟模型,通过施加背景声压场,分析了其对声波传播方向的调控效果;构建凹槽型相位梯度声屏障降噪效果数值计算模型,通过施加线声源振动,分析了其对目标区域的降噪效果,并与相位梯度声屏障进行了对比。(4)研究了不同材料参数对声屏障降噪效果的影响,根据所得规律,开发了由两种橡胶共同组成的组合式凹槽型相位梯度声屏障,构建数值模拟模型,通过施加背景声压场分析了其对声波传播方向的调控效果;构建组合式凹槽型相位梯度声屏障降噪效果数值计算模型,通过施加线声源振动,分析了其对目标区域的降噪效果,并与相位梯度声屏障、凹槽型相位梯度声屏障和现有的几种声屏障进行了对比。研究发现:基于广义斯涅尔定律设计的相位梯度声屏障、改进后的凹槽型相位梯度声屏障和硬-软橡胶组合式凹槽型相位梯度声屏障,在拥有超薄的结构形式下均可有效调控目标频段范围内声波的传播方向,并具有良好的降噪效果。特别是经过两次改进后的硬-软橡胶组合式凹槽型相位梯度声屏障,在厚度仅为2.57cm的情况下相较于Bragg声子晶体声屏障,针对目标频段范围的插入损失可提高4.1d B(A),为新型声屏障的研发提供了新途径。