【摘 要】
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城市的快速发展加剧了噪声的污染,严重影响了人们的身心健康,全球范围内虽颁布了多条与降噪相关的法规及条例,但并未起到立竿见影的效果。由大量植物构成的城市景观是维持城市生态必不可缺的重要组成成分,其对噪声的衰减效果也十分明显,越来越多的研究旨在利用最少的绿地面积,衰减更多的城市噪声,但针对植物不同结构降噪原理方面的研究还明显不足,也并未系统的将植物降噪原理应用于城市噪声控制上。基于此,本研究旨在通过实
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城市的快速发展加剧了噪声的污染,严重影响了人们的身心健康,全球范围内虽颁布了多条与降噪相关的法规及条例,但并未起到立竿见影的效果。由大量植物构成的城市景观是维持城市生态必不可缺的重要组成成分,其对噪声的衰减效果也十分明显,越来越多的研究旨在利用最少的绿地面积,衰减更多的城市噪声,但针对植物不同结构降噪原理方面的研究还明显不足,也并未系统的将植物降噪原理应用于城市噪声控制上。基于此,本研究旨在通过实验与实测结合的方式研究植物衰减噪声的原理,探究植物形态特征参数对单株植物和植物林带降噪效果的影响,分别构建植物叶片振动降噪和树皮吸声效果的预测模型。首先,以植物单叶为研究对象,探究植物叶片在声场中的振动特征,研究发现同一声场中,相同振速情况下,植物叶片降噪效果比相同形态特征的硬纸板、PVC薄板和Comsol模拟的降噪效果均强。此外,植物叶片对不同频率范围的声响应不同,通过振动对2-4KHz频率范围内的声衰减效果最好。同一植物叶片不同位置处的振动情况存在显著性差异,叶脉处的振速略慢于叶肉处,叶片边缘处的振速要高于叶片中心位置的振速,当叶片振速小于0.6 mms-1时,振速与噪声的衰减呈显著正相关,即叶片的降噪效果随着振速的增加而增加。其次,以叶片形态特征为主要研究对象,探究受声刺激后,形态特征对叶片振动情况的影响。研究发现,对声刺激后叶片振动状况影响最显著的是叶片质地,与肉质叶片相比,革质和纸膜质叶片受声刺激后振幅振速增加明显。相同质地的植物叶片,叶片面积、厚度、质量、叶柄长、叶柄宽、和叶柄厚是影响叶片振动降噪的最主要因素。此外,未受声刺激时,叶片振动幅度(约1μm)和速度(约0.05mms-1)均较小,受到声刺激后,叶片振动幅度(约4–12μm)和速度(约0.5-1mms-1)均有显著提升。最后,为量化叶片形态特征因素对其降噪效果的影响,构建基于叶片质量、面积、叶柄厚叶柄长和叶柄宽的革质叶片受生刺激后振动情况预测模型,此外,还构建了基于叶片质量和厚度预测受声刺激后叶片振速情况的多元线性回归模型。之后,以树皮为研究对象,探究不同植物物种树皮的吸声特性,研究发现对于树皮而言,不同植物物种之间存在显著差异,相同植物物种不同植株、同一植株上不同树干高度和同一树干高度不同取样方向之间的树皮样本之间无显著性差异。树皮表面长有苔藓能够显著提升树皮在低频范围内的吸声系数,随着频率的增长,不同植物物种树皮样本的吸声系数均有所增加,但还是低于0.1。对树皮吸声系数而言,树龄和树皮样本粗糙度(R4)是最主要的影响因素,分别基于树龄和R4构建预测树皮吸声效果的广义线性混合效应模型。通过全波模拟量化树皮吸声效果发现,即使树皮吸声系数仅有微小(0.02)的提升,对于植物林带而言也能较好的提升约10%的降噪效果。最后,以植物林带为研究对象,探究叶片和树皮的声学特性在植物林带降噪中的重要作用,首先对雪地中植物林带对声的衰减进行测试,发现不同植物林地之间的混响时间(T30)明显不同,但均显著高于空白雪地的混响时间;随着声源与接收点之间距离的逐渐增加,林地混响时间也逐渐增加,当声源与接收点之间的距离从0m增加至5m时,林地混响时间增加最显著,当声源与接收点之间的距离从5m增加至20m时,林地混响时间虽有增加,但不如距离从0m增加至5m时显著;不同林地的早期衰减时间也有所不同,但均比空白雪地高,不同林地的早期衰减时间先随着频率的增加而增加,当频率高于4KHz后,不同林地的早期衰减曲线波动不大;对于不同植物物种而言,针叶植物林地、针阔叶植物林地和阔叶植物林地的混响时间相似,均高于灌木林地和小樟子松林地。其次对不同植物配置形式的等宽植物林带降噪效果进行测试,发现种植方式不同等宽植物林带的降噪效果明显不同,在低于200Hz频率范围内,降噪效果较差且存在波动;在200-2000Hz频率范围内,林带降噪效果相对稳定;在高于2000Hz频率范围内,植物林带的降噪效果随着频率的增加而有所提升;垂直方向上层次较多的配置形式降噪效果最佳,受叶密度的影响也较大。
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