《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》是中鐵第四勘察設計院集團有限公司於2011年7月26日申請的專利，該專利的申請號為2011102108943，公布號為CN102419971A，授權公布日為2012年4月18日，發明人是雷彬、阮景文、黃盾、周以毅、張愛明。
《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》涉及一種珍珠岩尖劈共振吸聲磚，採用膨脹珍珠岩和水泥作為主要材料製備，其特徵在於，該吸聲磚面向聲波入射方向的表面為尖劈形狀；在吸聲磚內部構築形狀封閉的空氣共振腔。該發明所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚的吸聲係數在125～5000赫茲的所有頻率均大於0.75、降噪係數達到0.93，可用於製造鐵路及公路高效聲屏障。
2016年12月7日，《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：珍珠岩尖劈共振吸聲磚
- 公布號：CN102419971A
- 授權日：2012年4月18日
- 申請號：2011102108943
- 申請日：2011年7月26日
- 申請人：中鐵第四勘察設計院集團有限公司
- 地址：湖北省武漢市武昌楊園和平大道745號
- 發明人：雷彬、阮景文、黃盾、周以毅、張愛明
- Int.Cl.：G10K11/172(2006.01)I、G10K11/168(2006.01)I
- 代理機構：武漢開元智慧財產權代理有限公司
- 代理人：黃行軍
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
吸聲磚砌體式聲屏障是降低交通噪聲的重要聲屏障形式之一，在交通治理領域被廣泛運用，2011年7月前的吸聲磚有珍珠岩吸聲磚、陶粒吸聲磚、礦渣吸聲磚、木屑吸聲磚等多種，一般都是平面式或波紋面式。由於這些材料與空氣間存在聲阻抗的突變，造成聲波入射到吸聲磚表面時出現較大的聲反射，從而降低了吸聲磚的吸聲性能。同時由於常規吸聲磚在吸聲磚內部沒有形狀封閉的空氣共振腔，低頻的吸聲性能較差。
2011年7月前鐵路（含客運專線）大量採用珍珠岩複合吸聲板製作聲屏障，但由於體積過大而運輸不便，且背後很難形成空腔，其吸聲性能有限，限制了其運用範圍。
發明內容
專利目的
《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》的目的是針對常規吸聲磚與空氣間存在聲阻抗的突變，而造成聲波入射到吸聲磚表面時出現較大的聲反射，降低吸聲磚的吸聲性能，以及吸聲磚內部沒有形狀封閉的空氣共振腔，低頻的吸聲性能較差的弊病，提出一種珍珠岩尖劈共振吸聲磚，以提高了吸聲磚的吸聲性能。
技術方案
一種珍珠岩尖劈共振吸聲磚，採用膨脹珍珠岩和水泥作為主要材料製備，其特徵在於，該吸聲磚面向聲波入射方向的表面為尖劈形狀；在吸聲磚內部構築形狀封閉的空氣共振腔。
優選地，在吸聲磚內部構築至少兩個不同容積的空氣共振腔，其中，空氣共振腔的排列方式為按容積大小方式排列，即越靠近聲波入射部位的容積越小。
進一步說，所述空氣共振腔優選為球形空腔。
更進一步說，所述空氣共振腔的具體排列方式為，靠近尖劈形狀尖角中心部位設定一個直徑為25～45毫米的第一球形空腔，其後沿尖劈形狀中心線O-O兩側分別設定直徑為50～70毫米的第二球形空腔，再其後沿尖劈形狀中心線O-O兩側分別設定直徑為80～100毫米的第三球形空腔。
優選地，所述吸聲磚的磚體結構採取膨脹珍珠岩粗、細料分層組合的方式，其中面向聲波入射方向的外層採取粒徑為0.1～1毫米膨脹珍珠岩細料，其餘部分採取粒徑為2～5毫米膨脹珍珠岩粗料。
進一步說，所述外層厚度優選25～35毫米。
進一步說，在所述吸聲磚配料中可以混有合成纖維。
更進一步說，在所述吸聲磚配料中還可以添加發泡劑。
優選地，所述吸聲磚由上下兩層磚體拼接構成，上下兩層磚體粘合在一起；所述空氣共振腔由上下兩層磚體拼接而成。
《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚是利用膨脹珍珠岩粗細料、合成纖維、發泡劑及水泥等，按一定比例混合成沙漿，通過壓制形成尖劈磚體，並在磚體內製作不同體積的空氣共振腔，自然乾燥後，粘接形成的。該吸聲磚主要從聲阻抗過渡及增加共振腔兩方面改進吸聲磚的吸聲性能，具體如下：
1、利用聲學中尖劈的吸聲原理，吸聲磚面向聲波入射方向的表面採取尖劈式形狀。當聲波入射到吸聲磚表面時，由於吸聲磚呈尖劈狀，從吸聲磚外側至內側的各個平面上，吸聲磚所占的比例逐步增加，聲阻抗呈現出逐步增大的過渡形式，避免了聲阻抗突變而產生的聲反射，降低聲波反射，提高了吸聲磚的吸聲性能；
2、利用空腔共振吸聲原理，在吸聲磚內部構築不同體積、形狀封閉的空氣共振腔，增加吸聲磚在特定頻率段的吸聲性能，特別是低頻的吸聲性能；
3、為了避免較大的膨脹珍珠岩顆粒造成聲波的反射，導致降低吸聲磚的吸聲性能，吸聲磚的磚體結構採取膨脹珍珠岩粗、細料分層式構造，最外層採取膨脹珍珠岩細料，內層採取膨脹粗料，有利於聲學的阻抗過渡，提高吸聲磚的吸聲性能；
4、吸聲磚配料中添加了合成纖維，提高吸聲磚的強度；
5、吸聲磚配料中添加了發泡劑，使磚體內形成連通的細孔，提高吸聲磚的吸聲性能；
6、吸聲磚表面噴塗有機矽樹脂防水劑，增加吸聲磚的防水、防污性能。
根據聲學理論，《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚是一種高效吸聲結構，它能夠提高吸聲材料的吸聲性能主要在於下述三方面的原因。
（1）由於吸聲磚呈尖劈狀，從吸聲磚外側至內側的各個平面上，吸聲磚所占的比例逐步增加，聲阻抗呈現出逐步增大的過渡形式，其聲阻抗從接近空氣的特徵阻抗逐步增大到接近吸聲材料的聲阻抗，聲阻抗由小逐步增大，相對變化不顯著。同時吸聲磚的磚體最外層採取膨脹珍珠岩細料，內層採取膨脹粗料，有利於聲學的阻抗過渡。當聲波從端部入射時，由於吸聲層的逐漸過渡，材料的聲阻抗與空氣的聲阻抗能較好地匹配，使入射聲波的能量能夠順利進入吸聲材料內部而被高效地吸收。
（2）由於尖劈的造型，有效地增加了面向聲波入射方向的吸聲材料的吸聲面積，從而提高了吸聲磚的吸聲性能。
（3）由於在吸聲磚內部構築了不同體積、形狀封閉的空氣共振腔，增加了吸聲磚在特定頻率段的吸聲性能，特別是低頻的吸聲性能。
改善效果
利用《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》所述的吸聲磚製作鐵路、公路聲屏障，具有較好的耐侯性，以及較好的防水和防污能力，能夠顯著地提高聲屏障的在戶外的總體降噪效果。
該發明所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚主要運用於鐵路及公路的噪聲治理工程，用於製作高效、廉價的聲屏障。同時該技術也可以推廣運用於工業、商業、房地產等行業的噪聲治理、廳堂音質改善以及捷運消聲器等聲學工程，具體如下：
1、鐵路及公路等交通噪聲治理的聲屏障工程；
2、工業、商業、房地產等行業的發電機房、冷卻塔等高噪聲場所的聲屏障工程、隔聲間內的吸聲降噪工程；
3、捷運通風道內的消聲器工程；
4、音樂廳、KTV房等場所音質改善工程；
5、民用建築吸聲式隔牆，改善室內的聲環境等。
附圖說明
圖1是《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》主視圖；
圖2是該發明俯視圖；
圖3是圖1的I-I剖視圖；
圖4是圖2的II-II剖視圖。
技術領域
《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》涉及消聲降噪領域的聲屏障，尤其涉及珍珠岩尖劈共振吸聲磚。
權利要求
1.一種珍珠岩尖劈共振吸聲磚，採用膨脹珍珠岩和水泥作為主要材料製備，其特徵在於，該吸聲磚面向聲波入射方向的表面為尖劈形狀；在吸聲磚內部構築至少兩個不同容積的形狀封閉的空氣共振腔，其中，空氣共振腔的排列方式為按容積大小方式排列，即越靠近聲波入射部位的容積越小，所述空氣共振腔為球形空腔。
2.根據權利要求1所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚，其特徵在於，空氣共振腔的具體排列方式為，靠近尖劈形狀尖角中心部位設定一個直徑為25～45毫米的第一球形空腔，其後沿尖劈形狀中心線O-O兩側分別設定直徑為50～70毫米的第二球形空腔，再其後沿尖劈形狀中心線O-O兩側分別設定直徑為80～100毫米的第三球形空腔。
3.根據權利要求1或2所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚，其特徵在於，該吸聲磚的磚體結構採取膨脹珍珠岩粗、細料分層組合的方式，其中面向聲波入射方向的外層採取粒徑為0.1～1毫米膨脹珍珠岩細料，其餘部分採取粒徑為2～5毫米膨脹珍珠岩粗料。
4.根據權利要求3所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚，其特徵在於，外層厚度為25～35毫米。
5.根據權利要求3所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚，其特徵在於，在所述吸聲磚配料中混有合成纖維。
6.根據權利要求3所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚，其特徵在於，在所述吸聲磚配料中添加有發泡劑。
7.根據權利要求3所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚，其特徵在於，在所述吸聲磚表面噴塗有機矽樹脂防水劑。
8.根據權利要求3所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚，其特徵在於，所述吸聲磚由上下兩層磚體拼接構成，上下兩層磚體粘合在一起；所述空氣共振腔由上下兩層磚體拼接而成。
實施方式
該實施例涉及一種珍珠岩尖劈共振吸聲磚，參見圖1-4，其特徵在於，該吸聲磚面向聲波入射方向R的表面為尖劈形狀（即三角形狀）；在吸聲磚內部構築了形狀封閉空氣共振腔。空氣共振腔為球形空腔，其排列方式為按容積大小方式排列，即越靠近聲波入射部位的容積越小。
所述空氣共振腔的具體排列、尺寸優選為，靠近尖角中心部位設定一個直徑為25～45毫米的第一球形空腔1，其後沿中心線O-O對稱位置分別設定兩個直徑為50～70毫米的第二球形空腔2，再其後沿中心線O-O對稱位置分別設定兩個直徑為80～100毫米的第三球形空腔3。
所述吸聲磚的磚體結構採取膨脹珍珠岩粗、細料分層組合的方式，其中面向聲波入射方向的外層P採取粒徑為0.1～1毫米膨脹珍珠岩細料，其餘部分Q採取粒徑為2～5毫米膨脹珍珠岩粗料。所述外層P厚度為25～35毫米。吸聲磚長寬為300×280毫米，尖劈角度（即三角形頂角）可以在30～150°範圍內選擇。
上述吸聲磚製作工藝如下：
將膨脹珍珠岩粗細料、合成纖維、發泡劑及水泥等，按一定比例混合成粗料沙漿，備用；將膨脹珍珠岩細料、合成纖維、水泥及發泡劑等，按一定比例混合成細料沙漿，備用；材料配方同常規珍珠岩吸聲磚。
為了方便製作，該實施例所述吸聲磚由上下兩層磚體拼接構成，上下兩層磚體粘合在一起；所述空氣共振腔由上層M和下層N兩層磚體拼接而成。
材料選擇：
（1）珍珠岩採用膨脹珍珠岩，膨脹珍珠岩細料採用顆粒直徑為約0.1～1毫米，膨脹珍珠岩粗料採用顆粒直徑為約2～5毫米，堆積密度為70～110千克/立方米；
（2）合成纖維採取改性聚脂纖維，長度約5～15毫米；
（3）水泥採用快硬水泥；
（4）發泡劑；
（5）憎水劑採用10～20°液體石蠟；
（6）防水劑採用有機矽樹脂。
製作流程：
（1）膨脹珍珠岩預處理：採取10～20°液體石蠟做憎水劑，每立方米用5千克，充分混合；
（3）將混合材料加水，並充分攪拌，形成半乾料；
（4）將混合成的粗料沙漿放入吸聲磚成型模具內活動隔板左側，將混合成的細料沙漿放入吸聲磚成型模具內活動隔板右側；
（5）取出內層活動模具後，按體積1.2～1.5倍加壓壓縮半乾料，形成規定規格的吸聲磚半塊磚部分；
（6）放置在蔭涼處，晾乾成型；
（7）將兩個乾透的半塊磚用建築膠粘接成整塊吸聲磚；
（8）吸聲磚充分乾燥後，在表面噴塗有機矽樹脂防水劑兩遍，即可形成尖劈共振吸聲磚。
脫模後的半塊吸聲磚見圖3，粘接成型後的整塊吸聲磚見圖4。
針對常規吸聲磚的低頻吸聲性能較差弊病，該實施例利用空腔共振吸聲原理，在吸聲磚內部構築不同體積、形狀封閉的空氣共振腔，有效提高吸聲磚在特定頻率段的吸聲性能，其共振頻率計算公式為：
（其中：a為空腔半徑、K＝γ·ρ0、K為氣體的體彈性模量、p0為空腔內壓力、ρ為材料密度）。根據鐵路、公路交通噪聲的頻譜特性，以及聲屏障降低交通噪聲的特性，分別設計空氣共振腔的共振頻率段為250赫茲～2000赫茲，對應的空氣共振腔的直徑分別為80～100毫米、50～70毫米及25～45毫米的球形空腔。實際測量表明：該實施例在160、250、500、800、1600等頻率處存在明顯的共振峰，共振峰處的吸聲係數分別高達0.88、0.9、0.9、0.99、1.0，該實施例的尖劈共振吸聲磚的整體吸聲性能得到了較好改善，特別是在500赫茲以下的低頻段，吸聲性能改善明顯。
《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》主要針對鐵路、公路聲屏障工程，2011年7月前關於鐵路和公路聲屏障的技術規範和通用參考圖主要有TB/T3122-2005《鐵路聲屏障聲學構件技術要求和測量方法》、HJ/T90-2004《聲屏障聲學設計和測量規範》，以及鐵道部客運專線聲屏障通用參考圖，這些規範分別規定，用於建造聲屏障的吸聲材料的降噪係數分別不得低於0.6、0.5及0.7。該申請人委託同濟大學聲學研究所對該實施例的材料樣品的吸聲性能進行了實際測量，結果見表1，同時對未設定空氣共振腔的對比樣品的吸聲性能也進行了實際測量，結果見表2，對比樣品與實施例1基本相同，不同之處在於它為實心材料。從表1中可以看出，該實施例所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚的吸聲係數在125～5000赫茲的所有頻率均大於0.75、降噪係數達到0.93，優於TB/T3122-2005《鐵路聲屏障聲學構件技術要求和測量方法》、HJ/T90-2004《聲屏障聲學設計和測量規範》，以及鐵道部客運專線聲屏障通用參考圖要求的吸聲指標，可用於製造鐵路及公路高效聲屏障。
參見表2，與未設定空氣共振腔的對比樣品的吸聲性能比較發現，該實施例的吸聲性能得到了較好提高，其中降噪係數由0.84提高到0.93，增加了0.09；《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》設計頻段（250赫茲～2000赫茲）的吸聲係數也分別提高了0.03～0.13，吸聲性能得到了明顯改善。
表1：珍珠岩尖劈共振吸聲磚混響室吸聲係數測試結果
表2：未設定空氣共振腔的對比樣品混響室吸聲係數測試結果
表3：為《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》所述吸聲磚與中國國內同類產品的吸聲性能匯總表
表1 | 表2 | ||
|---|---|---|---|
頻率赫茲 | 吸聲係數a | 頻率赫茲 | 吸聲係數a |
100 | 0.57 | 100 | 0.50 |
125 | 0.76 | 125 | 0.72 |
160 | 0.88 | 160 | 0.83 |
200 | 0.82 | 200 | 0.83 |
250 | 0.90 | 250 | 0.77 |
315 | 0.81 | 315 | 0.73 |
400 | 0.87 | 400 | 0.77 |
500 | 0.90 | 500 | 0.87 |
630 | 0.91 | 630 | 0.84 |
800 | 0.99 | 800 | 0.82 |
1000 | 0.96 | 1000 | 0.87 |
1250 | 0.97 | 1250 | 0.85 |
1600 | 1.0 | 1600 | 0.88 |
2000 | 0.96 | 2000 | 0.86 |
2500 | 0.97 | 2500 | 0.87 |
3150 | 0.95 | 3150 | 0.86 |
4000 | 0.95 | 4000 | 0.86 |
5000 | 0.92 | 5000 | 0.85 |
降噪係數 | 0.93 | 降噪係數 | 0.84 |
產品名稱/頻率（赫茲） | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 | 降噪係數 |
珍珠岩吸聲塊 （CEMCOM） | 0.21 | 0.60 | 0.82 | 0.90 | 1.04 | 0.94 | 0.85 |
混凝土聲屏障單元（鐵路用） | 0.17 | 0.37 | 0.93 | 0.99 | 1.01 | 0.76 | 0.85 |
機房專用珍珠岩吸聲板 | 0.07 | 0.23 | 1.09 | 1.05 | 0.90 | 0.98 | 0.82 |
珍珠岩吸聲裝飾砌塊 | 0.4 | 0.5 | 0.9 | 0.75 | 0.8 | - | 0.74 |
珍珠岩吸聲磚 | 0.45 | 0.45 | 0.58 | 0.70 | 0.78 | 0.74 | 0.65 |
該實施例吸聲磚 | 0.76 | 0.90 | 0.90 | 0.96 | 0.96 | 0.95 | 0.93 |
參見表3，與中國國內其它同類產品相比較，該實施例所述的珍珠岩尖劈共振吸聲磚的吸聲性能在125～5000赫茲的所有頻率均大於0.75、降噪係數達到0.93，降噪係數提高了0.08～0.28，其中在125～250赫茲的低頻段吸聲係數提高了0.30～0.69。
榮譽表彰
2016年12月7日，《珍珠岩尖劈共振吸聲磚》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
