相位和幅度耦合多重干涉型声屏障机理研究

Sound barriers are one of the most effective solutions on noise control. The core principle of this project is that it is possible to significantly enhance the performance of sound barriers by redistributing the sound field around. The object of study is a sound barrier with a composite distributed-impedance inner boundary, which is achieved by introducing distributed damping, fractal construction and spreading sequence design into a basic groove sequence. In this project, theoretical, numerical and experimental studies will be conducted to investigate the physical mechanism of the phase-amplitude coupled multi-interferences, propose the theoretical model of a composite distributed-impedance boundary, and achieve an target-based boundary design; at the meanwhile, systematical measurement on the distributed-impedance barriers specimens will be carried out to verify their practical noise shielding effect. The long-term significance of this project is that it will not only provide a stepping stone for the application of the composite distributed-impedance boundaries on environmental noise control, but also pave the way for the related fundamental and application research with propriety intellectual property rights on national defense, transportation, construction industry, etc.

声屏障是广泛采用的噪声控制措施之一。本项目提出通过多重干涉改变屏障内外声场分布，从根本上提升复杂环境下声屏障性能的研究思路。项目以管槽序列为基础，通过引入分布式阻尼、采用分形构建和拓频序列设计实现具备复合阻抗分布的声屏障。项目拟通过理论建模、数值仿真、实验分析相互结合的方法，一方面研究屏障界面上相位和幅度耦合多重干涉机理，提出复合阻抗分布界面声学特征理论模型，实现基于目标复杂入射场的声屏障设计；另一方面试制分布阻抗声屏障试件，测试研究其在复杂城市声环境下的实际噪声屏蔽效果。研究结果不仅在环境噪声控制上有广泛应用价值，还将为我国声学材料研发、厅堂声学设计等国防、交通、建筑诸多领域的基础研究和自主知识产权的应用研究提供理论和数据支撑。

声屏障是广泛采用的噪声控制措施之一。随着当今城市的不断发展，高架、轻轨等立体交通的不断涌现，以及高层楼宇毗邻交通干道的日益普遍，严重制约了传统声屏障的效果，加剧了城市交通环境噪声治理的困难。. 按照计划，本项目对相位和幅度耦合多重干涉型声屏障开展研究，通过理论建模、数值仿真、实验分析相互结合的方法，一方面，研究屏障界面上相位和幅度耦合多重干涉机理，提出复合阻抗分布界面声学特征理论模型，实现基于目标复杂入射场的声屏障优化设计，顺利完成原定研究任务；另一方面，在该项目研究的过程中，我们对于“声屏障”的研究也不断深入和发展，对于现阶段所有声屏障在隔绝噪声的同时也阻碍空气流通的局限性，我们在该项目的后期研究中开创性地提出了“镂空型隔声屏障”的概念，探讨在不阻碍气流的镂空型结构中如何突破性地实现声音的有效隔绝，并以此于2020年成功申请到国家自然科学基金面上项目“宽带通风隔声窗”。. 截止到该项目结题日期（2021年12月31日），我们在相位和幅度耦合多重干涉型声屏障的研究中取得了一系列成果，以申请人和主要参与人员为第一作者或通讯作者发表SCI论文20篇，在国内外同行中引起广泛关注。其中值得一提的是我们关于相位和幅度耦合多重干涉型声学超表面对声场的特殊调控效果的基础理论性研究发表在物理学顶尖期刊Physical Review Letters上(Phy. Rev. Lett. 123, 214302 (2019))，目前已有49篇的引用，引起了国内外同行的强烈反响。而在应用层面，我们设计的正梯度声屏障、负梯度声屏障、双曲型声屏障相较传统声屏障能有效提升5dB左右的隔声量。. 总而言之，我们的研究不仅对于相位和幅度耦合多重干涉型声学超表面对声场的特殊调控上有很大的学术价值，同时我们的研究成果在建筑声学上有广泛应用价值，也对我国声学功能材料开发相关的国防、交通、环境等诸多领域的基础研究和自主知识产权的应用研究提供理论和技术支持。