复合声子晶体窗结构声散射、声谐振及声吸收的耦合作用机理

Noise barrier is an effective structure to mitigate city noise. However, its structure suffers with the issues of natural ventilation, natural daylighting and large installation space. These shortcomings restrict the application of noise barrier in high populated city. In order to overcome this problem, this project suggests to develop a novel sound attenuation device - compound sonic crystal window which combines the concepts of sonic crystal, Helmholtz resonators and sound absorption material. The project will be focusing on: Obtain acoustical characteristics from different sound absorption materials by conducting basic acoustic experiment, so that the effects of structural parameter of different sound absorption materials on their sound absorption performances can be revealed; Through numerical simulation and experiments in anechoic chamber, the coupling mechanism between sound scattering, sound resonance and sound absorption under the combined action of sonic crystal, Helmholtz resonators and sound absorption materials, respectively, will be elaborated. The mechanism of enhanced noise reduction ability of compound sonic crystal window will be clarified and the optimum design method for high performance compound sonic crystal window will be developed; Finally, through field tests, the noise reduction performance of compound sonic crystal window in real environment will be examined and the feasibility of the compound sonic crystal window in practical engineering application will be evaluated. The theory and optimum design method that will be developed in this project will provide new idea and approaches for the development of passive noise control technology.

隔声屏障是降低城市噪声影响的有效方式，但其结构存在自然通风和采光差，以及安装占用较大空间等显著缺陷，不利于在城市建筑中的应用推广。为解决这一问题，本课题提出了一种结合声子晶体、亥姆霍兹谐振器以及吸声材料等概念的新型降噪结构-复合声子晶体窗，并从如下几个方面开展基础应用研究：通过开展基础声学实验获取不同类型吸声材料的声学特性，揭示不同吸声材料的结构参数对其吸声性能的作用规律，为复合声子晶体窗设计中吸声材料的选型提供理论指导；通过开展数值模拟和消声室实验，阐述声子晶体、亥姆霍兹谐振器和吸声材料等共同作用下声散射、声谐振和声吸收之间的耦合作用机制，明确其强化降噪机理，发展高性能复合声子晶体窗的优化设计方法；最后，通过开展现场试验，测试复合声子晶体窗在现实环境中的降噪性能，评估其在工程实践中的可行性。本项目所发展的理论和优化设计方法，将为当前城市噪声被动控制技术的开发提供新的思路和途径。

目前针对城市交通噪声降噪应用最为广泛的方法是安装隔音屏障，但其安装空间大、自然通风和采光性能差，无法作为窗口设计应用于民用或商业建筑中。为解决这一问题，本课题提出一种结合声子晶体、亥姆霍兹谐振器以及吸声材料等概念的新型降噪结构-复合声子晶体窗。首先，为获得适合本应用的高效吸声材料，课题选取了一系列天然材料和人工多孔材料进行了基础声学实验，探讨了不同吸声材料的结构参数对吸声性能的影响规律，获得了不同类型吸声材料的声学特性；其次，以原有的声子晶体窗结构为基础，以整体降噪性能为优化目标，采用田口方法对不同声子晶体结构及排布距离进行了优化设计，在获得较好的降噪性能的同时减少声子晶体窗的结构厚度；进一步地，以优化后的声子晶体窗结构为基础，通过添加辅助吸声材料以获得新型复合声子晶体窗模型，通过数值方法研究了复合声子晶体结构下声子晶体、亥姆霍兹谐振器以及吸声材料共同作用下的强化降噪性能和作用机制；最后加工制作了三种声子晶体窗物理原型，并在消声室进行了模拟实际情况下的声学性能试验研究。结果表明，天然木质材料以及固化后的硬质材料具有较低的吸声性能，但具有良好的声阻隔效果。对于不同的多孔吸声材料，其在低频噪声范围内具有相同的吸声性能，但是在中高频阶段，毛毡结构具有更为明显的吸声效果。项目提出的声子晶体窗结构优化方法能定制式地针对特定噪声源进行优化设计，通过黏附吸声材料获得的复合声子晶体窗结构能显著提高降噪性能。在设计以75%的窗体厚度和少一排声子晶体的约束下，优化后的复合声子晶体窗能获得比基准窗口更好的降噪效果。实验结果表明，本课题提出的数值计算方法和优化设计方法能快速有效地解决类似降噪设计问题，可为本课题类似的工程应用设计提供新的思路。通过本项目的开展，复合声子晶体结构被证明可显著提高单一声子晶体结构的降噪性能，为声子晶体窗概念的进一步推广应用提供了重要的理论和技术依据，具有重要的现实意义。