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声子晶体声屏障在轨道交通行业中的潜在应用

2022-12-14 889

对于居住在铁路基础设施附近的人来说,噪音是一个非常困扰的问题。隔音屏障是一种有效且传统的解决方案,可以减少铁路交通的声学影响。然而,出于审美原因,这些障碍通常不被人们所接受。声子晶体是一种提供显著声学衰减的结构,尤其是在某些频率(所谓的带隙)附近。使用这种新型的降噪解决方案在融入景观和成本方面具有优势,但考虑到铁路声源的特殊位置、方向性和频谱特征目前实际应用仍然是一个巨大的挑战。

晶体是由周期性排列在晶格中的声波散射体构成的结构禁止某些频带的声音传播。带隙形成背后的物理机制是由两个连续的声散射体平面反射的波之间的相消干涉。

无论是货运还是客运,噪声都是轨道车辆无法避免的一部分减少它意味着让火车在社会和环境上更容易接受。如果噪声超过限值,有三种可能的解决办法第一,源头降噪(包括轨道、车轮、设备等);第二,减少交通量;第三,沿轨道使用隔音屏障铁路轨道路旁使用的大多数屏幕都是反射屏障,可降低约8dB(A)。这是最便宜的解决方案,这些屏障通常是大型混凝土面板。然而,还有其他类型的屏障,例如吸收屏障或多衍射屏障可降低约10dB(A)目前,有研究机构正在考虑使用不同类型的轨旁声屏障来替代现有的声屏障,而这些声屏障通常不被附近居民接受,人们希望在减少噪音污染的同时,减少视觉污染。尽管有相关研究表明,声晶体在整个频率范围内的性能较低,但仍有潜力作为某些特殊情况下的有效缓解措施

铁路噪声通常分为三类:辅助噪声、滚动噪声和气动噪声。辅助噪声来自不同的技术设备,如柴油机、电力变压器、变流器等。这些设备位于机车和客车的上部或下部,无论是车顶还是车轮高度。这种噪声在停车阶段和小于50km/h车速下占主导地位。由于轮轨接触处产生的振动,轨道车辆和轨道会产生滚动噪声。因此,完整的滚动噪声辐射是车轮、钢轨和轨道轨枕产生的不同贡献的总和。类噪声主要适用于80km/h300km/h的列车速度。当列车速度达到300km/h以上时,空气动力学噪声会出现。

案例利用ACTRAN有限元软件,研究声子晶体作为声屏障在铁路案例中的潜在应用。与现有的关于声晶体的研究一样,使用插入损耗(IL)作为数值指标。其表示如下:

Pref(f)是不存在声子晶体时的压力值,Pcrystal(f)是存在声子晶体时的压力值,两个参数都与频率相关。

建立XY平面的2D仿真模型,声源为在Y=-5m放置60dB(白噪声)辐射的平面波。计算点的位置:沿着Y轴将第一个点放置在离晶体2a的距离处,并在X轴上第一个点的任一侧放置4个其他点(相对于中心点对称;20°45°)。

选取几个计算点,在图中画出插入损失频率特性曲线。可以观察到声子晶体在带隙频率区间有明显的降噪作用。

使用声晶体来减少轨道交通的声学影响非常有吸引力,特别是在设计和成本方面。并且由于晶体的带隙特性,衰减在频率上更有针对性。通过使用数值仿真预测降噪效果可以让我们在安装前优化设计。深入的仿真工作还可以估计声源方向性和3D效应(到声源的距离、保护高度、多个声源点等)对声屏障声学性能的影响,对轨道交通降噪设计有非常重要的指导作用。

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