[發明專利]基于靶向噪聲衰減的超材料聲屏障模塊化逆向設計方法

在審

• 申請號: 202310052696.1
• 申請日: 2023-02-02
• 公開（公告）號: CN116189823A
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 趙才友;張鑫浩;王平;陳四來;段翔遠;未娜超;余奇;師多佳;惠慶敏;汪葉舟;耿明婧;趙炎南;高鑫;鄭鈞元;雷佳鑫;王宇軒
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: G16C60/00
• 分類號: G16C60/00;G06F30/23;G06F30/27;G06F111/06;G06F119/10
• 代理公司: 北京云嘉湃富知識產權代理有限公司 11678
• 代理人: 劉士暢

本發明公開了種基于靶向噪聲衰減的超材料聲屏障模塊化逆向設計方法，包括：對目標噪聲源進行噪聲實測；對實測的噪聲進行采集、分類并導出；對采集的噪聲進行濾波及傅里葉變換后導出顯式的目標圖像與目標函數，將目標函數導入條件函數；通過粒子算法控制波有限元程序，不斷迭代優化求解出帶隙范圍；迭代開始時會隨機產生N個維度的位置變量初始值、N個速度變量初始值，其中每一位置變量分別對應一個當前結構演化結果與演化方向，結合波有限元方法來評估每個候選結構的波頻散特征，通過條件函數進行循環的判別個體最優位置，并通過目標函數判別個體最優中的種群最優位置；本發明在設計效率、等效體積、衰減頻段及衰減量等方面均有著顯著優勢。

技術領域

本發明涉及減振降噪技術領域，特別是一種基于靶向噪聲衰減的超材料聲屏障模塊化逆向設計方法。

背景技術

隨著高鐵、地鐵等交通運輸領域的快速發展，鐵路沿線居民受輪軌噪聲的干擾日益嚴重，已逐漸成為嚴重影響居民生理、心理等方面健康指數最重要的因素之一^[1]。對于噪聲污染的防控，政府相關部門均出臺相關噪聲標準和調控措施，以典型的鐵路沿線居民區噪聲頻發段為例，噪聲調控手段主要通過：(1)在聲源處采取措施，比如采用彈性車輪、消聲車輪、重型焊接長鋼軌等；(2)在聲音的傳播途徑上采取措施，比如設置聲屏障以阻隔噪聲的傳播；(3)在受聲點采取防護措施，比如設置吸聲層、隔聲窗等。通過對比三種方法所需的技術要求可知，聲源處降噪難以實施和精準控制、接收端降噪往往過于被動，且二者成本均較高^[2]，那么切斷傳播路徑是最切實可行的，即在鐵路沿線的噪聲敏感處設置聲屏障，有效阻隔噪聲的傳播。然而，目前的鐵路聲屏障通常采用以吸聲介質為主的插板式或整體式聲屏障^[3]，雖起到了一定的降噪效果，但是并未解決噪聲產生的最根源問題，即噪聲的本質是彈性波與環境介質的耦合作用^[4]，常規或改進的阻尼吸聲材料難以規避彈性波或聲波的傳播本質，因此無法克服降噪頻率范圍窄、噪聲衰減量低^[5]的局限，因此，超常規材料屬性的聲學超材料所具備的彈性波帶隙隔聲特性為寬頻-高衰減型聲屏障的研究、應用注入了新的活力。

在被動方法中，亥姆霍茲共振器(HR)通常是由一個密封空腔與狹窄的頸部共同組成的諧振單元，形成等效彈簧質量系統，可以實現噪聲衰減。例如文獻^[6]中提出了由若干個具有亞波長尺寸的亥姆霍茲諧振器陣列組成的，研究發現該結構在共振頻率附近具有負的等效體積模量，并開展了試驗驗證。然而這種類型的諧振器只在其單一的諧振峰上有效，頻帶很窄。諸多學者在此基礎上通過將開口環嵌套或頸部螺旋化^[7]、調節亥姆霍茲諧振器與板的聯合尺寸^[8]等措施來替代傳統模型，來提升有限空間內的聲衰減特性。但仍不滿足通過一種通用、高效、便捷的智能設計方法，便能實現某一應用場景下亥姆霍茲共振器的最優化設計，因此針對任意噪聲場景進行逆向設計聲學超材料，實現目標的靶向降噪，成為更加迫切的需求；與此同時，智能優化算法及機器學習的發展^[9-10]，使得各類結構的屬性可以進行靶向優化設計。

中國科學院電工研究所開發的一種用于變壓器降噪的聲學超材料屏障設計方法，其提供了一種用于變壓器降噪的聲學超材料屏障設計方法，首先將聲學超材料屏障(1)的參數等效為一塊單一均勻材料板，然后建立變壓器降噪模型，進行多物理場耦合計算，以降噪目標區的平均聲壓為目標量，反演等效聲學超材料屏障的質量密度和彈性模量，最后優化聲學超材料單元的參數:聲學超材料單元的尺寸以及材料的質量密度和彈性模量。

該方法只是將其簡化為質量和密度進行單一化的優化設計，并沒有突出聲學材料的優勢；而針對諧振器進行的優化設計技術都是只在其單一的諧振峰上有效，頻帶很窄。其常用的方法是在此基礎上通過將開口環嵌套或頸部螺旋化、調節亥姆霍茲諧振器與板的聯合尺寸等措施來替代傳統模型，來提升有限空間內的聲衰減特性。但仍不滿足通過一種通用、高效、便捷的智能設計方法，便能實現某一應用場景下亥姆霍茲共振器的最優化設計，因此針對任意噪聲場景進行逆向設計聲學超材料，實現目標的靶向降噪，成為更加迫切的需求。