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，高速公路的快速發(fā)展對中國的經(jīng)濟增長起到了促進作用，但隨之而來的交通噪音對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)于綠化帶對噪聲的影響，國內(nèi)外已有一些研究報道，但主要集中在綠化帶寬度和郁閉度對交通噪聲衰減的影響［1－3］。文獻［4］認為40～60 m寬的綠化帶可滿足綠化帶的降噪要求。文獻［5］探討了林帶寬度對噪聲衰減的影響，發(fā)現(xiàn)兩者呈極顯著的線性關(guān)系。文獻［6］通過試驗檢測發(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_到一定的密度。但這樣不僅對樹木的成長條件要求苛刻，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。文獻［7］嘗試利用聲子晶體理論設(shè)計綠化帶，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。中國在此方面尚無相關(guān)研究報道。

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。當聲子晶體存在點缺陷、線缺陷和面缺陷時，彈性波會被局域在點缺陷處，或只能沿線、面缺陷方向傳播。因此，通過對聲子晶體周期結(jié)構(gòu)及其缺陷的設(shè)計，可以人為地調(diào)控彈性波的傳播。用二維聲子晶體理論來設(shè)計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。本文在實驗室設(shè)計并制備樹木模擬試樣，利用聲子晶體理論將樹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)計提供試驗數(shù)據(jù)。

1 試驗條件

1.1 試樣特點

為了檢驗規(guī)則排列的樹木能否減弱某一頻率范圍的聲音，制備了3種試樣進行試驗。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，用以模擬樹干。通過試驗具體測定二維氣－固型聲子晶體的隔聲特性，重點研究二維聲子晶體的拓撲結(jié)構(gòu)/矩陣類型、填充率、矩陣走向等因素對其隔聲性能的影響。

1.2 儀器和試驗方案

制備一個單向開放的隔音箱，箱內(nèi)鋪吸聲海綿(聚氨酯泡沫塑料)，內(nèi)置TES-1350A聲級計;同時制備二維氣－固型聲子晶體結(jié)構(gòu)模型。利用AX-Babyv11(AX-煲箱寶寶)音頻信號發(fā)生器產(chǎn)生單頻率音頻信號，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聲級計測量各單頻率音頻信號(單一方向(X)聲波)透過某二維氣－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，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。重復(fù)試驗，測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，以進行比較。試驗總廓圖見圖1。

2 試驗

測試空氣傳聲(0#)、1#聲子晶體傳聲(模擬樹葉)、2#聲子晶體傳聲(模擬樹枝)、3#聲子晶體(3#A試件)傳聲(模擬樹干)，以比較其隔聲特性。

研究同矩陣類型下，填充率對氣－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。

其中，1#試件是由直徑為18 mm、長度為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 試驗總廓圖

圖2 不同模擬試件的隔聲特性曲線

圖3 3#試樣排列示意圖

3 試驗結(jié)果與分析

圖2為所測得的3種不同聲子晶體試件隔聲性能曲線與在空氣中傳播所得到的性能曲線圖。由圖2可知:對于不同的頻率段，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，測試誤差較大，因此數(shù)據(jù)不易采用。高于500 Hz，模擬樹干的3#A試件整體的隔音效果明顯優(yōu)于模擬樹葉的1#試件和模擬樹枝的2#試件，說明試驗中模擬樹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試樣矩陣類型，改變其填充率，測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。試驗所得相應(yīng)隔聲特性曲線見圖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，說明填充率對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，長約50 mm的PVC圓管周期性排列所組成的三角形矩陣(見圖5)。試驗所得相應(yīng)隔聲特性曲線見圖6。由圖6可看出:4#A、4#C試件隔聲性能接近，4#C試件隔音性能略優(yōu)于4#A試件，說明聲子晶體走向?qū)ζ涓袈曅阅苡幸欢ǖ挠绊?，但影響不?4#A和4#C試件隔聲性能明顯優(yōu)于4#B試件，再次說明填充率對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

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設(shè)計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)聲子晶體理論在實驗室設(shè)計并制備了不同的二維氣－固型聲子晶體，通過對其隔聲性能的測定，為高速公路綠化帶的設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)。

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

(2)同一矩陣類型，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?，但影響程度不大?/p>

(4)試件厚度對試件隔音性能有一定的影響，故在實際應(yīng)用中需綜合考慮降噪目標音頻段、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

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