Стремительное развитие дорожного движения, усиление вибрации и шума являются типичными проблемами окружающей среды, вызывающими сбои в работе высокоточной системы, и увеличивающими шумовое загрязнение.
Некоторые технические меры по снижению вибрации и шума оказывают определенное воздействие на ситуацию, однако они противоречат экологической концепции и имеют высокую стоимость.
Актуальным вопросом является контроль распространения волн и защита критической инфраструктуры с помощью крупномасштабного фононного кристалла. Искусственно созданные материалы с дисперсионными свойствами, например, периодические свайные барьеры, в настоящее время относятся к другим волновым системам. Локально-резонансные структуры (в данном случае деревья/леса) взаимодействуют с волнами Рэлея удивительным образом, и действуют как крупные естественные фононные кристаллы.
Леса могут улучшить экологическую обстановку вдоль трасс, а также помогают сохранить почву и водоемы.
Городские леса могут использоваться не только в качестве ветровых барьеров, но и могут оказывать эффект снижения вибраций и шума (т.е. в качестве звуковых барьеров). Это экологичный и экономически оправданный метод.
Поскольку было обнаружено, что джунгли обладают собственной функцией ослабления звука, исследования были расширены, чтобы выбрать растительность, которая решает данную проблему оптимально. В последние годы полным ходом шли проектные изыскания, в том числе изучение влияния городских деревьев на изменение климата и смягчение шума.
Ослабление шума в низкочастотном диапазоне вызвано непрямым взаимодействием между растениями и повторным смещением грунта. Эффект снижения шума тесно связан с морфологией растений, включая форму и густоту кроны, форму листьев. Качественно изучено влияние геометрических параметров, таких как различная длина, толщина и расположение зеленых насаждений на границе снижения шума.
Предыдущие исследования городских лесов в основном не имели точной физической модели и экспериментальных доказательств того, как городские леса подавляют вибрацию и шум.
Исследование фононного кристалла
Исследование сего явления началось в 90-х. Его уникальная характеристика, препятствующая волнам, открывает новые перспективы для внедрения механизма снижения вибрационных и шумовых нагрузок с помощью уплотнения городской растительности.
Хотя упругие волны отличаются от электромагнитных, было доказано, что волны Рэлея имеют общие черты с электромагнитными симметриями при распространении на упругих кристаллах. Регулярно расположенные зеленые зоны можно рассматривать как фононные кристаллы. Они оказывают более активное ослабляющее воздействие на низкочастотный шум, чем хаотично расположенные зеленые зоны. Весь лес может преобразовывать частично-частотные поверхностные сейсмические волновые моды в безвредные нисходящие валовые сдвиговые волны.
Определенные частоты сильно ослаблены, что вызвано резонансной связью волн Рэлея с деревьями в лесу. Предыдущее исследование продемонстрировало возможность применения теории фононных кристаллов к области микрофизики, и было выявлено, что эти частоты находятся в диапазоне от 1 кГц до 1 ГГц.
Лес был признан натуральным фононным кристаллом и рассматривался как сейсмический плащ. Однако, расчетная модель упрощена как двумерная (2D) система, которая имеет, следовательно, только две степени. Вибрации могут существовать только в плоскости, поэтому некоторые параметры были опущены.
Чтобы проверить теорию, было проведено исследование городской лесополосы с целью уменьшения вибрации земли в определенных частотных диапазонах.
Лесополосы рассматривались как натурные фононные кристаллы, а механизм затухания анализировался как теоретически, так и экспериментально.
Ход эксперимента
- элементарная ячейка «дерево-почва» использовалась для изучения особенностей дисперсии волн Рэлея методом анализа взаимодействия конечных элементов;
- исследовалось влияние модуля почвы и высоты деревьев на ширину зон затухания;
- для численной проверки интервалов зоны уменьшения вибрации была применена модель бесконечного фононного дерева с заданной конфигурацией (моды колебаний были рассчитаны для иллюстрации механизма генерации);
- был проведен практический эксперимент, чтобы показать эффективность фононных деревьев.
Выводы данного исследования и эксперимента сводятся к следующему:
- Трудно создать зоны затухания в полосе фононных деревьев на участке с низким модулем упругости почвы; из плюсов — это позволило получить низкий LBF. Больший показатель жесткости может привести к большей начальной ширине полосы частот, в то время как ширина зоны затухания становится намного больше.
- Чем больше высота дерева, тем легче получить большую ширину зоны затухания. Со временем дерево будет расти и становиться ещё выше, что приведет к естественному и последовательному расширению зоны.
- Моделирование показывает, что эффективность нескольких рядов фононных деревьев возрастает с их ростом.
Таким образом, результаты практического эксперимента подтвердили, что фононные деревья можно рассматривать как крупномасштабный природный фононный кристалл.
Спасибо за внимание!
