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ProAcoustics丨静音“凡尔赛” - 超材料声屏障
全球有20%的人口容易受到车辆交通造成的噪音干扰，而且这一比例还在不断增加，需要采取措施来限制噪声的影响并确保对健康的保护。为了减少噪音对公众健康的影响，使用声屏障来控制车辆交通的噪音和限制建筑工地的噪音，是经常采用的一种方式和措施。传统的声屏障是不透明的屏幕，其吸声面朝向噪声线：噪声衰减是由于产生的屏障高度在上边缘产生了声音衍射效应。此外，传统的声屏障是连续的固体单元结构，在特定的大气条件下，风会对其施加压力，因此，安装这些元件需要复杂的基础和拉杆系统，其成本可能高于障碍物本身。从美学的角度来看，这些屏障具有相当大的视觉冲击力，不容易被那些不喜欢这些不透物的人们所接受，这些不透明结构会阻碍视线并产生压迫感。
关于超材料声屏障应用效果的声学研究和测量，学术界开始了许多的讨论和报道。本期分享意大利坎帕尼亚大学Gino Iannace、Giuseppe Ciaburro、Amelia Trematerra等近期发表在《Applied Acoustics》最新的一篇工作成果《Metamaterials acoustic barrier》，介绍了使用超材料方法建造噪声屏障及其声衰减效果的初步研究成果。
与实际尺寸相比，建立了1:10的超材料声屏障比例尺模型。因此，本项工作研究了1/3倍频程的频率范围从1000 Hz到10000 Hz，而不是实际满标度的等效范围从100 Hz到1000 Hz。屏障模型是用高30厘米、直径1.5厘米的圆柱形木条建造的、屏障全长100cm。屏障的整体几何结构是由一排圆柱状杆相互交替构成的，每排之间的间距与杆直径的大小相等，形成一个规则的、空的、满的几何结构。建筑所选用的材料是硬木，因为它是一种环保材料（可以在不破坏环境的情况下进行处理，并且与通常来自石油供应链的传统材料不同）。屏障的声衰减效果的声学特性不会随建筑类型而改变材质（木材、铁、铝），仅具有不同几何结构的单元。吸声玻璃纤维楔形物覆盖消声室。消声室的尺寸为：4.40 m X 4.40 m，高度为4.50 m，截止频率为100 Hz，这种结构减少了声音在墙上的反射。消声室覆盖有楔形物，可为所关注的频率提供合适的吸声，最小测量频率为1000 Hz。从该测量频率开始，腔室壁具有吸收系数的单位值。消声室有一个隔声格栅地板，因此在格栅地板上放置了厚度为0.04 m的声反射MDF板。之所以选择此配置，是因为它是最接近真实案例的配置。在沥青路面边缘设置声屏障，以降低交通噪声。本项工作的目的是分析与超材料声屏障测量有关的问题，选择所使用的圆柱形元件的排数以及它们之间的相对距离，以获得合适的声衰减值。 图文快览
图10：四排，单元之间的距离3厘米、5厘米、7厘米、9厘米。
结论本项工作报道了有关采用超材料制成的屏障的声音衰减（插入损耗，IL dB）研究的初步成果。在进行这项研究之前，先分析该研究领域的最新技术以及在应用声学和噪声控制领域可能产生的积极影响。用超材料获得的屏障可用于减轻道路交通或其他噪声源引起的噪声，因此它们可以有效替代传统屏障。此外，应通过将组合系统应用于行（阶）之间的不同距离并组合构成屏障的圆柱条形元件的直径的不同大小来进一步研究。传统的声学超材料由于其固定的结构而显示出有限使用的声学特性，因此，一旦系统的几何形状固定，发生声音衰减的频率就是唯一的。由超材料制成的屏障根据行之间的距离和圆柱条的尺寸来衰减低频范围内的噪声。有必要根据必须衰减的噪声的频带类型来优化使用超材料实现的障碍。例如，从声学测量的分析来看，这种类型的屏障可用于衰减城市车辆交通产生的噪声，或用于衰减中型和大型发电机和变压器产生的噪声，这些发电机和变压器发出的噪声是稳态的，因此包括在明确定义的频率范围内。 本项工作的成果可点击阅读原文查阅参考。
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