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(lián)網(wǎng)技術(shù)的公路智慧隔音屏設(shè)計。本設(shè)計采用兩層面板和內(nèi)部中空的結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)換技術(shù)將吸收的噪聲轉(zhuǎn)換成電能，微弱電能經(jīng)整流和穩(wěn)壓后可為微型鋰電池充電，實(shí)現(xiàn)了公路環(huán)境監(jiān)測傳感器的就地供電。此外，在光照條件優(yōu)秀的路段，還可采用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量補(bǔ)充。通過ZigBee或WiFi技術(shù)組網(wǎng)，建立了云端傳感數(shù)據(jù)庫。實(shí)驗表明，本設(shè)計降低了傳感器和無線組網(wǎng)的耗電量，驗證了噪聲發(fā)電可以滿足能量供應(yīng)需求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；隔音屏；聲電轉(zhuǎn)換；光電轉(zhuǎn)換；噪聲吸收；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP29；TN92 文獻(xiàn)標(biāo)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(jīng)達(dá)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(huán)境污染問題日益突出。據(jù)生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2022年全年，我國有關(guān)生活噪聲的投訴舉報達(dá)到最高水平，約為303.8萬件。其中，交通運(yùn)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(diǎn)[2]。交通運(yùn)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(chǎn)生危害。

《“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》提出環(huán)境綜合治理以及綠色可持續(xù)發(fā)展等理念[3]。《中華人民共和國環(huán)境噪聲污染防治法》第36條規(guī)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(dǎo)致環(huán)境污染，則應(yīng)安裝隔音屏障或使用其他有效手段來控制和減少環(huán)境噪音污染”[4]?！丁笆奈濉痹肼曃廴痉乐涡袆佑媱潯分刑岢觥皬?qiáng)化交通運(yùn)輸噪聲的污染防控，對機(jī)動車和船只發(fā)出的噪聲執(zhí)行更嚴(yán)格的監(jiān)督與管理措施，確保公路和市區(qū)街道的良好維護(hù)，并對城市軌道交通與鐵路的噪聲污染防治標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定”[5]。可見建設(shè)隔音設(shè)施是建設(shè)公路必不可少的環(huán)節(jié)。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(zhuǎn)化為電能，變廢為寶。

《公路“十四五”發(fā)展規(guī)劃》中提出“打造智慧公路，促進(jìn)建筑信息建模技術(shù)與路網(wǎng)傳感系統(tǒng)的整合，并與公路基礎(chǔ)建設(shè)協(xié)同進(jìn)行規(guī)劃與實(shí)施，以加速推進(jìn)公路基礎(chǔ)設(shè)施向數(shù)字化轉(zhuǎn)型”[6]。建設(shè)智慧公路需要設(shè)置大量傳感器，這些分散布置的傳感器如果采用城市電網(wǎng)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(zhuǎn)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(yùn)營成本。公路、高鐵噪聲轉(zhuǎn)化的能量就近為傳感器供能，同時實(shí)現(xiàn)了對污染物（PM2.5、粉塵等）的檢測，可據(jù)此作為未來規(guī)劃綠色智慧公路的參考指標(biāo)。

1 設(shè)計方案

智慧隔音屏通過聲電轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換等方式采集多種能源，為污染物傳感器供電，應(yīng)用ZigBee或WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)隔音屏間的無線組網(wǎng)，并利用5G NB-IoT將獲取的數(shù)據(jù)上傳至云端，可實(shí)現(xiàn)交通環(huán)境監(jiān)測、智慧公路管理。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.1 電路設(shè)計

智慧隔音屏電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控板為Arduino UNO開發(fā)板，傳感器包括溫濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器、PM2.5傳感器、噪聲傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、污染程度傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測溫濕度、光強(qiáng)、PM2.5濃度、噪聲程度等環(huán)境指標(biāo)，并通過ESP8266發(fā)送至APP客戶端，實(shí)時查看。當(dāng)部分指標(biāo)超出閾值后，蜂鳴器將自動報警，提醒操作人員及時查看當(dāng)?shù)厍闆r。

1.2 機(jī)械設(shè)計

隔音屏是該裝置的核心，其凹側(cè)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(wěn)固。因卡扣施加力的反作用力朝外，故裝有可旋轉(zhuǎn)的壓緊扣，用于加強(qiáng)隔音屏與隔音屏的穩(wěn)定性[7]。隔音屏里開槽，翻蓋式的開蓋結(jié)構(gòu)便于傳感器的安裝檢測，隔板內(nèi)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(yīng)指標(biāo)[8]。隔音屏后連有底座，底座中裝有Arduino單片機(jī)板、穩(wěn)壓模塊、電池座及蓄電池，采用Arduino控制其工作?；凼降拇蜷_方式方便其控制端電路板的安裝及指標(biāo)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(shè)備夜晚運(yùn)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(nèi)置磁鐵切割磁力線圈，可將低頻噪聲轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖3所示，工程圖紙如圖4所示。

2 能量轉(zhuǎn)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(yīng)[10]。當(dāng)外層氣流通過Helmholtz共鳴器環(huán)隙噴嘴時，將產(chǎn)生漩渦脫落，隨即轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定氣流觸碰到壓電陶瓷片并反彈。在一定范圍內(nèi)，入流聲波信號與反射聲波信號疊加，正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的極化強(qiáng)度與外力呈線性關(guān)系，聲波信號可達(dá)到穩(wěn)定的諧波狀態(tài)[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(shè)換能器的總純電能為：

得到換能器的總機(jī)械能為：

式中：K為換能器等效剛度；M為等效質(zhì)量；為位移分布函數(shù)。

設(shè)定v為聲波作用于壓電片的速度，n為機(jī)電轉(zhuǎn)換系數(shù)，C0為壓電片等效電容，I為電流，則換能器從聲學(xué)端和電學(xué)端吸收的能量可以分別表示為：、。

令，根據(jù)在諧振狀態(tài)下Zm→0時K=ω2M，得到線性方程組：

假設(shè)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(jī)械阻尼，并近似認(rèn)為是一個常數(shù)值，那么系統(tǒng)的耗散功率和輻射功率可以表示為：Rmv2。

共振時，Rm和機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm的關(guān)系可以表示為，Qm近似為：

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

設(shè)γ=Cs/C0，則電荷量可以表示為：

將上式與線性方程聯(lián)立，可整理得到轉(zhuǎn)化電荷量為：

主控站采用邊緣計算架構(gòu)，以提高微時空內(nèi)的計算速度，根據(jù)實(shí)時風(fēng)險因子快速改變相關(guān)區(qū)域護(hù)欄的顏色。綠色表示正常區(qū)，黃色表示預(yù)警區(qū)，紅色表示危險區(qū)，同時限速板顯示計算后的安全時速。系統(tǒng)利用“智慧路側(cè)單元”實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險因子的采集和事故風(fēng)險的預(yù)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(fù)合[12]，外部磁場發(fā)生變化時，磁致伸縮材料會相應(yīng)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動，這種運(yùn)動作用于壓電材料，進(jìn)而在兩者的互動中引發(fā)磁電效應(yīng)[13]。對于L-T型結(jié)構(gòu)而言，該效應(yīng)的磁電系數(shù)可以通過理論計算得出，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：αME， 31為磁電傳感器在橫向的磁電系數(shù)；dm33為磁致伸縮材料在縱向的壓磁系數(shù)；sm33為磁致伸縮材料在縱向的柔順系數(shù)；g31p為壓電材料的橫向壓電常數(shù)；s11p為壓電材料在橫向的柔順系數(shù)；k31p為壓電材料在橫向的磁機(jī)電耦合系數(shù)；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(tài)下，即磁電系數(shù)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(shù)；d為磁電傳感器厚度。

設(shè)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(shù)與待測磁場的關(guān)系為：

式中：k為比例因子，近似為常數(shù)。

當(dāng)交流激勵磁場幅值不變，激勵磁場產(chǎn)生的輸出表示為：

式中：k1為常系數(shù)。在磁電傳感器的信號處理電路中，電荷放大器是關(guān)鍵組成部分。其功能是將磁電傳感器產(chǎn)生的交變電荷信號轉(zhuǎn)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(qiáng)度不同，都影響著發(fā)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(chǎn)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(chǎn)生0.406～0.451 kW·h的電能。

2.4 創(chuàng)新點(diǎn)

本裝置主要有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）組合式采集新能源。采用壓電、磁電、光電的方式從環(huán)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(shí)現(xiàn)對高速公路交通微環(huán)境污染物的檢測，特別是可以解決隧道內(nèi)無陽光照射區(qū)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(chǎn)生，影響噪聲頻率與強(qiáng)度的因素主要包括：汽車的運(yùn)行狀態(tài)、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(tǒng)；而當(dāng)車速超過50 km/h時，噪聲則主要由輪胎與路面相互作用產(chǎn)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(dǎo)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(shè)計的隔音屏采用磁電與壓電組合吸噪技術(shù)，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(nèi)實(shí)驗相結(jié)合的方式驗證了隔音屏的降噪特性，隔音屏在帶隙范圍內(nèi)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(yīng)用

公路智慧隔音屏上可內(nèi)置噪聲、有害氣體、車流量光電計數(shù)、機(jī)器視覺傳感器，其耗電量小，隔音屏之間采用ZigBee或WiFi組網(wǎng)技術(shù)將傳感器數(shù)據(jù)逐級發(fā)送至云端。實(shí)驗表明，智慧公路的傳感器及無線組網(wǎng)耗電量小，噪聲發(fā)電可以滿足智慧公路的能量供應(yīng)需求，同時在光照條件優(yōu)秀的公路區(qū)域，還可以采用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量補(bǔ)充。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的智慧隔音屏吸收公路噪聲，通過壓電、磁電技術(shù)將收集到的噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，為交通環(huán)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(shù)據(jù)后，通過繪制公路污染圖（含噪聲污染和空氣污染）指導(dǎo)路政部門改善交通環(huán)境，為建設(shè)綠色智慧交通提供交通基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)。本設(shè)計響應(yīng)了“十四五”規(guī)劃提出的建設(shè)低碳綠色城市號召，推動了智慧公路的建設(shè)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(lián)網(wǎng)工程。

朱文軍（2002—），男，在讀碩士研究生，研究方向為交通運(yùn)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(shí)驗師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)工程。

收稿日期：2024-04-09 修回日期：2024-05-10