1.本发明涉及降噪技术领域，尤其涉及一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口及其参数优化方法。


背景技术：

2.近年来，随着城市化进程的不断加快，噪声污染已经成为城市环境污染问题的主要来源，全球各地出现了各种降噪方法对噪声进行控制，以减少城市噪声污染问题并为人们创造一个良好的生活环境，其中使用最为广泛的被动降噪技术为安装隔音屏障。隔音屏障主要应用于高速公路、高架复合道路、城市轻轨地铁等设施周围，以减少交通噪声对附近城市区域的影响。在现实应用中，交通噪声一般集中在中低频，为此会制作高且大的隔音屏障以使得低频声波有更大的声影区从而达到良好的降噪性能。然而隔音屏障也在应用方面也存在安装空间大、占地面积广以及自然通风和自然采光差的缺陷，限制了其在民用及商业建筑中的推广使用。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口及其参数优化方法。
4.本发明所采用的第一技术方案是：
5.一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口，包括窗口主体和设置在所述窗口主体内的n
×
3局域共振声子晶体阵列，所述n
×
3局域共振声子晶体阵列包括n个第一声子晶体、n个第二声子晶体以及n个第三声子晶体，n为大于等于2的正整数，所述第一声子晶体、所述第二声子晶体以及所述第三声子晶体沿所述窗口主体的厚度方向依次排列设置，所述第一声子晶体、所述第二声子晶体以及所述第三声子晶体均为矩形环状结构，所述矩形环状结构靠近所述窗口主体声源侧的第一侧壁上设有开口，所述矩形环状结构内部形成共振腔。
6.进一步，所述第一声子晶体的高度、所述第二声子晶体的高度以及所述第三声子晶体的高度均相同，所述第一声子晶体、所述第二声子晶体以及所述第三声子晶体沿水平方向对齐设置。
7.进一步，n个所述第一声子晶体沿竖直方向等距对齐设置，n个所述第二声子晶体沿竖直方向等距对齐设置，n个所述第三声子晶体沿竖直方向等距对齐设置。
8.进一步，所述矩形环状结构的侧壁厚度均相同。
9.进一步，所述开口位于所述第一侧壁的中心位置。
10.进一步，所述第一声子晶体靠近所述窗口主体的声源侧设置，所述第三声子晶体远离所述窗口主体的声源侧设置，所述第一声子晶体、所述第二声子晶体以及所述第三声子晶体的共振腔宽度依次减小。
11.进一步，所述第一声子晶体、所述第二声子晶体以及所述第三声子晶体的开口宽度依次增大。
12.进一步，所述窗口主体的厚度为220mm，所述第一声子晶体与所述第二声子晶体的竖轴中心线间距为90.75mm，所述第二声子晶体与所述第三声子晶体的竖轴中心线间距为76.05mm，相邻所述第一声子晶体的横轴中心线间距、相邻所述第二声子晶体的横轴中心线间距以及相邻所述第三声子晶体的横轴中心线间距均为140mm。
13.本发明所采用的第二技术方案是：
14.一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口的参数优化方法，用于优化上述基于局域共振声子晶体的降噪窗口的声子晶体参数，所述声子晶体参数包括所述第一声子晶体的共振腔宽度、所述第二声子晶体的共振腔宽度、所述第三声子晶体的共振腔宽度、所述第一声子晶体的开口宽度、所述第二声子晶体的开口宽度、所述第三声子晶体的开口宽度以及所述矩形环状结构的侧壁厚度，所述参数优化方法包括以下步骤：
15.确定品质特性优化目标；
16.确定多个控制因子和所述控制因子的水平，所述控制因子与所述声子晶体参数一一对应；
17.根据所述控制因子和所述水平确定正交试验表；
18.根据所述正交试验表进行正交试验，得到不同声子晶体参数组合下的品质特性；
19.根据所述品质特性确定各控制因子的信噪比，并通过方差分析方法计算各控制因子的贡献率，进而根据所述信噪比和所述贡献率确定最优控制因子组合；
20.根据所述最优控制因子组合确定所述声子晶体参数。
21.进一步，所述品质特性优化目标为等效声压级最小化；
22.所述信噪比通过以下公式确定：
[0023][0024]
其中，yj表示第j次试验得到的品质特性，n表示试验次数，s/n表示信噪比；
[0025]
所述贡献率通过以下公式确定：
[0026][0027][0028][0029]
[0030][0031]
其中，λ表示控制因子的贡献率，ssa表示控制因子的变动，v
(e)
表示误差变异，ss
t
表示全变动，snj表示第j次试验得到的信噪比，n表示试验次数，sni表示控制因子在水平i下试验得到的信噪比之和，m表示控制因子的水平数，ff表示控制因子的自由度，fe表示误差的自由度，cf表示修正项。
[0032]
本发明的有益效果是：本发明一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口及其参数优化方法，通过局域共振声子晶体阵列的设置，可以将声波传入各个声子晶体的共振腔内，这样共振腔可以与外部产生压强，使得空气通过开口在共振腔内外来回运动从而产生共振，进而可以衰减声能量达到降低噪声的效果，与传统的隔音屏障相比，自然通风和自然采光性能更好，且具有结构紧凑、安装空间和占地面积小的优点；通过第一声子晶体、第二声子晶体以及第三声子晶体的逐层设置，可以对声源侧的噪声进行逐级衰减，提高了降噪窗口的降噪性能；基于田口方法通过正交试验优化降噪窗口的声子晶体参数，通过方差分析确定各个声子晶体参数对噪声衰减的影响，从而可以确定降噪性能最优的声子晶体参数组合，提高了降噪窗口的降噪性能。
附图说明
[0033]
图1为本发明实施例提供的一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口的结构示意图；
[0034]
图2为本发明实施例提供的一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口的几何结构参数示意图；
[0035]
图3为本发明实施例提供的一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口的参数优化方法的步骤流程图；
[0036]
图4为本发明实施例提供的一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口的声子晶体参数示意图；
[0037]
图5a为本发明实施例提供的控制因子a1、a2和a3在不同水平下的信噪比示意图；
[0038]
图5b为本发明实施例提供的控制因子b1、b2和b3在不同水平下的信噪比示意图；
[0039]
图5c为本发明实施例提供的控制因子l在不同水平下的信噪比示意图。
[0040]
附图标记：
[0041]
10、窗口主体；20、n
×
3局域共振声子晶体阵列；21、第一声子晶体；22、第二声子晶体；23、第三声子晶体；200、共振腔；201、第一侧壁；202、开口。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
[0043]
在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，如果有描述到第一、第二只是用于区
分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。
[0044]
参照图1，本发明实施例提供了一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口，包括窗口主体10和设置在窗口主体10内的n
×
3局域共振声子晶体阵列20，n
×
3局域共振声子晶体阵列20包括n个第一声子晶体21、n个第二声子晶体22以及n个第三声子晶体23，n为大于等于2的正整数，第一声子晶体21、第二声子晶体22以及第三声子晶体23沿窗口主体10的厚度方向依次排列设置，第一声子晶体21、第二声子晶体22以及第三声子晶体23均为矩形环状结构，矩形环状结构靠近窗口主体10声源侧的第一侧壁201上设有开口202，矩形环状结构内部形成共振腔200。
[0045]
本发明实施例通过局域共振声子晶体阵列的设置，可以将声波传入各个声子晶体的共振腔200内，这样共振腔200可以与外部产生压强，使得空气通过开口202在共振腔200内外来回运动从而产生共振，进而可以衰减声能量达到降低噪声的效果，与传统的隔音屏障相比，自然通风和自然采光性能更好，且具有结构紧凑、安装空间和占地面积小的优点；通过第一声子晶体21、第二声子晶体22以及第三声子晶体23的逐层设置，可以对声源侧的噪声进行逐级衰减，提高了降噪窗口的降噪性能。
[0046]
参照图1，进一步作为可选的实施方式，第一声子晶体21的高度、第二声子晶体22的高度以及第三声子晶体23的高度均相同，第一声子晶体21、第二声子晶体22以及第三声子晶体23沿水平方向对齐设置。
[0047]
具体地，本发明实施例采用高度相同的第一声子晶体21、第二声子晶体22以及第三声子晶体23在水平方向上对齐设置形成晶体阵列，使得声源侧的噪声逐级衰减效果更好，进一步提高了降噪窗口的降噪性能。
[0048]
参照图1，进一步作为可选的实施方式，n个第一声子晶体21沿竖直方向等距对齐设置，n个第二声子晶体22沿竖直方向等距对齐设置，n个第三声子晶体23沿竖直方向等距对齐设置。
[0049]
具体地，本发明实施例的局域共振声子晶体阵列由n行3列声子晶体构成，其中，每一列声子晶体由n个完全相同的声子晶体组成，且沿竖直方向等距对齐设置。
[0050]
参照图1和2，进一步作为可选的实施方式，矩形环状结构的侧壁厚度均相同。
[0051]
具体地，矩形环状结构内形成共振腔200，共振腔200的腔室四周即为侧壁，本发明实施例中，第一声子晶体21、第二声子晶体22以及第三声子晶体23的矩形环状结构的侧壁厚度相同。
[0052]
参照图1，进一步作为可选的实施方式，开口202位于第一侧壁201的中心位置。
[0053]
具体地，矩形环状结构的开口202设置在第一侧壁201的中心位置，可以提高共振腔200对声波的衰减作用，从而进一步提高了降噪窗口的降噪性能。
[0054]
参照图1和2，进一步作为可选的实施方式，第一声子晶体21靠近窗口主体10的声源侧设置，第三声子晶体23远离窗口主体10的声源侧设置，第一声子晶体21、第二声子晶体22以及第三声子晶体23的共振腔200宽度依次减小。
[0055]
具体地，本发明实施例中，从声源侧到室内，声子晶体的共振腔200宽度依次减小，
从而可以更好地对声源侧的噪声进行逐级衰减，进一步提高了降噪窗口的降噪性能。
[0056]
参照图1和2，进一步作为可选的实施方式，第一声子晶体21、第二声子晶体22以及第三声子晶体23的开口202宽度依次增大。
[0057]
具体地，本发明实施例中，从声源侧到室内，声子晶体的矩形环状结构的开口202依次增大，从而可以更好地对声源侧的噪声进行逐级衰减，进一步提高了降噪窗口的降噪性能。
[0058]
参照图1和2，进一步作为可选的实施方式，窗口主体10的厚度为220mm，第一声子晶体21与第二声子晶体22的竖轴中心线间距为90.75mm，第二声子晶体22与第三声子晶体23的竖轴中心线间距为76.05mm，相邻第一声子晶体21的横轴中心线间距、相邻第二声子晶体22的横轴中心线间距以及相邻第三声子晶体23的横轴中心线间距均为140mm。
[0059]
具体地，如图2所示为本发明实施例提供的一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口的几何结构参数示意图，本发明实施例的降噪窗口的整体结构是由11行3列的声子晶体组成，每一行均由第一声子晶体21、第二声子晶体22以及第三声子晶体23组成，第一声子晶体21、第二声子晶体22以及第三声子晶体23均为有开口202的矩形环状结构；窗口主体10厚度(即从第一声子晶体21左侧到第三声子晶体23右侧的距离)为d，d＝220mm；相邻的第一声子晶体21和第二声子晶体22的竖轴中心线间距为d1，d1＝90.75mm；相邻的第二声子晶体22和第三声子晶体23的竖轴中心线间距为d2，d2＝76.05mm；上下相邻的两个声子晶体横轴中心线间距为d3，d3＝140mm；此外，靠近窗口主体10上边缘和下边缘的声子晶体横轴中心线距离对应边缘的距离为d4，d4＝70mm。
[0060]
以上是对本发明实施例的结构进行了说明，应该认识到，本发明实施例的降噪窗口的声子晶体参数能够影响降噪窗口的降噪效果，因此需要对其进行优化设计以获得一个具有良好的降噪效果的降噪窗口(可使窗口的降噪频率范围为交通噪声频率范围)。需要优化的声子晶体参数包括不同共振腔的开口宽度、共振腔宽度以及侧壁厚度，若采用常用的全因子试验进行参数优化时，试验次数较多，花费时长长。因此，本发明实施例还提供了一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口的参数优化方法。下面对本发明实施例的参数优化方法进行说明。
[0061]
参照图3，本发明实施例提供了一种基于局域共振声子晶体的降噪窗口的参数优化方法，用于优化上述基于局域共振声子晶体的降噪窗口的声子晶体参数，声子晶体参数包括第一声子晶体21的共振腔宽度、第二声子晶体22的共振腔宽度、第三声子晶体23的共振腔宽度、第一声子晶体21的开口宽度、第二声子晶体22的开口宽度、第三声子晶体23的开口宽度以及矩形环状结构的侧壁厚度，参数优化方法包括以下步骤：
[0062]
s101、确定品质特性优化目标；
[0063]
s102、确定多个控制因子和控制因子的水平，控制因子与声子晶体参数一一对应；
[0064]
s103、根据控制因子和水平确定正交试验表；
[0065]
s104、根据正交试验表进行正交试验，得到不同声子晶体参数组合下的品质特性；
[0066]
s105、根据品质特性确定各控制因子的信噪比，并通过方差分析方法计算各控制因子的贡献率，进而根据信噪比和贡献率确定最优控制因子组合；
[0067]
s106、根据最优控制因子组合确定声子晶体参数。
[0068]
进一步作为可选的实施方式，品质特性优化目标为等效声压级最小化；
[0069]
贡献率通过以下公式确定：
[0070][0071][0072][0073][0074][0075]
其中，λ表示控制因子的贡献率，ssa表示控制因子的变动，v
(e)
表示误差变异，ss
t
表示全变动，snj表示第j次试验得到的信噪比，n表示试验次数，sni表示控制因子在水平i下试验得到的信噪比之和，m表示控制因子的水平数，ff表示控制因子的自由度，fe表示误差的自由度，cf表示修正项。
[0076]
具体地，本发明实施例基于田口方法对声子晶体参数进行优化，具体过程如下：
[0077]
(1)确定品质特性优化目标，根据该优化目标从望目特性、望小特性以及望大特性中选择合适的信噪比计算方式。
[0078]
三种特性的信噪比计算公式分别如下所示：
[0079]
望目特性：
[0080]
望大特性：
[0081]
望小特性：
[0082]
其中，yj为第j次试验得到的品质特性，a为产品品质需达到的目标值，n为试验次数，s/n为信噪比，信噪比的值越大表示对应的品质特性越好。
[0083]
本发明实施例中，采用降噪窗口的等效声压级为品质特性值，等效声压级越小表示降噪窗口的降噪性能越好，因此品质特性优化目标为等效声压级最小化，满足望小特性，采用望小特征的信噪比计算公式进行后续计算。
[0084]
(2)确定影响降噪窗口降噪性能的多个控制因子。
[0085]
本发明实施例中，需要优化的声子晶体参数如图4所示，包括第一声子晶体21的共振腔宽度b1、第二声子晶体22的共振腔宽度b2、第三声子晶体23的共振腔宽度b3、第一声子晶体21的开口宽度a1、第二声子晶体22的开口宽度a2、第三声子晶体23的开口宽度a3以及矩形环状结构的侧壁厚度l，对应地，设置控制因子a1、a2、a3、b1、b2、b3和l，每个控制因子对应三个水平，各个控制因子在不同水平下的取值如下表1所示。
[0086]
控制因子水平1水平2水平3a1(mm)4.368.8a2(mm)5.9811.4a3(mm)12.62042b1(mm)53.16068.5b2(mm)34.237.541.4b3(mm)29.331.734.4l(mm)234
[0087]
表1
[0088]
(3)根据控制因子和其在不同水平下的取值确定正交试验表。
[0089]
本发明实施例中，正交试验表采用l
18
(21×37
)正交试验表，共进行18次试验。对于七因子三水平而言，采用全因子试验需要进行2187次试验，本发明实施例的正交试验与全因子试验相比较，极大减少了试验次数，缩短仿真时间。
[0090]
(4)根据正交试验表进行正交试验，得到不同声子晶体参数组合下的等效声压级。
[0091]
本发明实施例中，正交试验均采用有限元分析软件进行仿真模拟，由于降噪窗口主要针对交通噪声进行衰减，降噪频率主要集中在630-1000hz频率范围内，因此本发明实施例分别针对630hz噪声、800hz噪声以及1000hz噪声进行正交试验，得到的正交试验表和仿真结果如下表2所示。
[0092][0093]
表2
[0094]
(5)根据品质特性确定各控制因子的信噪比，并通过方差分析方法计算各控制因子的贡献率(即各控制因子对降噪性能的影响)，进而根据信噪比和贡献率确定最优控制因子组合。
[0095]
本发明实施例中，采用望小特性的信噪比计算公式计算各控制因子的信噪比，得到各个控制因子在不同水平下的信噪比示意图如图5a、5b和5c所示。
[0096]
采用方差分析方法分析试验数据，通过以下公式确定各个控制因子的贡献率：
[0097]
[0098][0099][0100][0101][0102]
其中，λ表示控制因子的贡献率，ssa表示控制因子的变动，v
(e)
表示误差变异，ss
t
表示全变动，snj表示第j次试验得到的信噪比，n表示试验次数，sni表示控制因子在水平i下试验得到的信噪比之和，m表示控制因子的水平数，ff表示控制因子的自由度，fe表示误差的自由度，cf表示修正项。
[0103]
计算获得的修正项、误差变异和贡献率如下表3所示，从而可以获得各控制因子对降噪性能的影响。
[0104][0105][0106]
表3
[0107]
根据信噪比的计算结果和方差分析的结果，确定控制因子的最优组合，最优控制因子组合如表4所示。
[0108]
控制因子尺寸(mm)a16
a28a320b160b237.5b334.4l3
[0109]
表4
[0110]
(6)根据得到的最优控制因子组合确定各个声子晶体参数。
[0111]
应该认识到，本发明实施例分析需要获得的品质特性，选取影响品质特性的控制因子和其对应的水平，确定正交试验表并结合有限元分析软件进行仿真模拟，通过方差分析方法分析控制因子对降噪性能的影响，从而优化降噪窗口的声子晶体参数，得到声子晶体参数的最优组合，能够大幅缩短优化时间、减少加工成本，提高了参数的优化效率，也极大的提高了降噪窗口的降噪性能。
[0112]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0113]
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0114]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0115]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0116]
在本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0117]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。上述方法可以使用标准编程技术—包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0118]
此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。上述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0119]
进一步，上述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、系统、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所描述步骤的指令或程序时，本文所描述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所描述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
[0120]
计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所描述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0121]
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。