一种低频吸声性能非金属声屏障单元板的设计方法与流程

本发明涉及声屏障声学，具体涉及一种低频吸声性能非金属声屏障单元板的设计方法。

背景技术：

1、声屏障作为阻碍噪声传播路径的一项措施，在工厂、施工场地、交通场站等固定场地及公路、铁路、城市轨道交通等线性工程的噪声防治中一直承担重要角色。声屏障根据使用材料主要分为三种，金属声屏障、非金属声屏障（以混凝土为主体材料）及透明隔声屏障，相同设计标准下，非金属声屏障成本最低，同时混凝土材料的耐候性最好，但是其面密度较大，需要在运输、现场安装考虑便利的吊装及移动方案。

2、我国通用的非金属声屏障的结构型式采用混凝土材料浇筑形成中空腔体，面向声源一侧开孔，腔体内部填充吸声材料，吸声材料主要以岩棉等纤维类材料为主。岩棉类材料质量参差不齐，尤其是酸度系数较低的岩棉或矿渣棉，耐久性较差，容易在服役期间出现坍塌的现象；同时，由于混凝土腔体内部的钢筋保护层厚度不足，导致整体结构强度较低，存在一定的破损现象。基于以上问题，声学构件与骨架构件一体化成型的整体式非金属声屏障的研究逐步兴起，此类声屏障以预制水泥基吸声材料为吸声面板，位于面向声源一侧，通过浇筑，形成吸声面板嵌于混凝土背板中的整体结构，由于吸声材料与背板间无空气层，此类声屏障的低频吸声系数较低，同时面密度较高。

3、就非金属声屏障单元板设计而言，需要兼顾其声学性能及面密度（考虑运输及现场施工便利性），声学性能主要包含吸声和隔声两个方面，两方面性能往往不能兼顾，针对同一材料、同一结构的单元板而言，一定范围内，面密度越大，隔声性能越好，但不利于产品运输及现场安装。吸声材料的尺寸、吸声材料与内模板间的空气层尺寸、内模板尺寸、混凝土结构的尺寸4项指标综合影响单元板的吸声、隔声及面密度，目前设计方法无法完全落实目标导向的原则，只能先行确定其中的1~4项指标，设计验算或实验反馈后修正初始设计，存在很大的不确定性及反复性，大大降低了设计效率。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的问题，公开了一种低频吸声性能非金属声屏障单元板的设计方法，可以实现对非金属声屏障单元板设计的吸声面板抗弯荷载、低频吸声性能、隔声量以及面密度的共同优化。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种非金属声屏障单元板的设计方法，所述非金属声屏障单元板包括沿声源传播方向设置的水泥基吸声面板、空气层、浇筑内模和背板，所述设计方法包括如下步骤：

4、s1：预设非金属声屏障单元板125hz吸声系数 α125、面密度 m和计权隔声量 rw、非金属声屏障单元板总厚度 t总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载 fmax；

5、s2：根据预设 fmax确定水泥基吸声面板厚度 t1，根据判定条件1对 t1进行判定，若满足判定条件1，则进行步骤s3，若不满足判定条件1，则返回步骤s1重新设定5个参数；

6、s3：根据 α125及步骤s2确定的 t1,确定空气层厚度 t2；

7、s4：根据 m、步骤s2确定的 t1、 t总以及步骤s3确定的 t2，确定浇筑内模厚度 t3的下限值；

8、s5：根据判定条件2对 t3下限值进行判定，若满足判定条件2，则根据预设rw进一步确定 t3的上限值，若不满足判定条件2，则返回步骤s1重新设定5个参数；

9、s6：在步骤s5和s6确定的 t3下限值和上限值范围内，预设 t3值；

10、s7：根据 t总、步骤s2确定的 t1、步骤s3确定的 t2以及预设 t3，确定背板厚度 t4值；

11、s8：根据判定条件3对 t4进行判定，若满足判定条件3，则确定预设 t3为浇筑内模厚度，完成对单元板的厚度设计，若不满足判定条件3，则返回步骤s6重新预设 t3，若遍历 t3下限值和上限值范围内所有值仍不能满足判定条件3，则返回步骤s1重新预设5个参数。

12、优选地，步骤s2中，若 t1不满足判定条件1，则优先重新预设s1中非金属声屏障单元板总厚度 t总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载 fmax。

13、其中，所述步骤s2中， t1由下式确定:

14、；

15、式中，l为吸声面板沿线路方向的长度，取960mm，b为吸声面板高度，取380mm。

16、其中，所述步骤s2中 t1的判定条件1为30≤ t1≤ t总。

17、其中，所述步骤s3中， t2由下式确定：

18、；

19、其中，所述步骤s4中， t3的下限值由下式确定：

20、；

21、式中， c=0.006432 t2-2.62656， d=4.752 t总-2.04288 t1-3.50208 t2-2 m。

22、其中，所述步骤s5中， t3下限值的判定条件2为： t3下限值＜ t总- t1- t2-10mm。

23、所述步骤s5中， t3的上限值由下式确定：

24、；

25、所述步骤s6中，预设 t3时以下限值为第一次设定值，每次重新预设时增加固定的步长。

26、所述步骤s7中， t4由下式确定：

27、 t4= t总- t1- t2- t3

28、所述步骤s8中， t4的判定条件3为 t4＞10mm。

29、本技术设计方法s1中非金属声屏障单元板125hz吸声系数 α125、面密度 m和计权隔声量 rw、非金属声屏障单元板总厚度 t总及水泥基吸声面板最大抗弯荷载 fmax依据标准tb/t3122-2019进行预设。

30、其中，所述非金属声屏障单元板沿声源传播方向设置有水泥基吸声面板、空气层、浇筑内模和背板，所述空气层由水泥基吸声面板和浇筑内模之间的空间形成。所述水泥基吸声面板由0.6~4.75毫米的轻质骨料、胶凝材料、水以质量比3~5:1:0.4~0.65生产而成，所述浇筑内模由批量生产的防火pvc、聚氨酯或预制纤维水泥板制成，所述背板由骨料、胶凝材料、水以质量比为1.5~3.5：1：0.3~0.35制成。

31、本发明的特点和有益效果为：

32、一种低频吸声性能非金属声屏障单元板，沿声源传播方向依次设置有水泥基吸声面板、空气层、浇筑内模和背板，其中水泥基吸声面板+空气层+背板的结构，确保了单元板整体的吸隔声性能；单元板整体结构采用混凝土一次性浇筑成型，工艺简单，结构整体性好；浇筑内模在单元板结构中起支撑作用的同时为背板提供了浇筑面，确保背板成型。本技术提供了一种优化单元板各层厚度的设计方法，将单元板总厚度、吸声面板抗弯荷载、低频吸声系数、计权隔声量和面密度作为各层厚度优化设计的初始条件，克服了现有声屏障单元板设计存在的滞后性问题，提高了设计效率，更符合铁路、公路、地铁的降噪设计需求。