شماره ركورد
34197
پديد آورنده
جواد گوديني
عنوان
طراحي و بهينه سازي هندسي كريستالهاي سونيك مانع صوت در خطوط راه آهن
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
مهندسي ماشينهاي ريلي
سال تحصيل
1404
تاريخ دفاع
1404/08/27
استاد راهنما
دكتر داود يونسيان
استاد مشاور
ندارد
دانشكده
مهندسي راه آهن
چكيده
رشد شتابان شبكههاي ريلي و افزايش سرعت سير، مسئله آلودگي صوتي را به يكي از چالشهاي اصليِ برنامهريزان شهري و بهرهبرداران خطوط راهآهن تبديل كرده است. ديوارهاي سنتي كنترل صدا (بتني/فلزي/كامپوزيتي) هرچند در بازههاي فركانسي مياني عملكرد قابلقبولي دارند، اما معمولاً حجيم، پرهزينه، از نظر منظر شهري محدودكننده و در فركانسهاي پايين كماثرند. متامتريالهاي آكوستيكي و بهطور خاص «كريستالهاي سونيك» با هندسههاي دورهايِ قابلطراحي، امكان ايجاد باندگپهاي صوتي و مهندسي مسير انتشار موج را فراهم ميكنند و افقي نو براي توسعه «موانع صوتي ريلي كارآمد، كمحجم و سازگار با منظر» ميگشايند.
در اين رساله سه رده طراحي براي سلولِ واحدِ كريستال سونيك متناسب با طيف نويز ريلي پيشنهاد و بررسي ميشود: (1) سلول واحد چندوجهي (Polyhedral) با قابليت تنظيم دقيق نسبت پرشوندگي و طولمقياسهاي مؤثر؛ (2) سلول واحد هلمهولتزي با رزونانسهاي محلي قابلتنظيم؛ و (3) سلول الهامگرفته از هندسه «دانه برف» با درجات آزادي هندسي غني و قابليت همزمانسازي چند سازوكار تضعيف. چارچوب محاسباتي شامل استخراج ساختار باند با روش بسط موج تخت (PWE) تحت شرايط مرزي بلاخ، تحليلهاي امواج گذرا و فركانسي با روش اجزاي محدود (FEM)، و مطالعه انتشار/افت انتقال در آرايههاي محدود است. براي افزايش كارايي، يك زنجيره بهينهسازي مبتني بر الگوريتم ژنتيك (GA) با اهداف چندگانه ( بيشينهسازي مجموع پهناي باندگپها در بازه فركانسي هدف، بيشينهسازي پهناي باند نسبي (FB)، و كنترل محل باندگپ غالب) به مدلهاي عددي متصل شده است. بهمنظور سنجش قابليت پيادهسازي در مقياس كاربردي، معيارهاي سازهاي، قيود ساخت، و الزامات آزمون عملكرد درجا با الهام از استانداردهاي اروپايي مرتبط نيز در طراحي اعمال ميشوند.
دستاورد رساله نشان ميدهد كه: (الف) تركيب رزونانسهاي محلي با پراكندگي براگي در هندسههاي پيشنهادي ميتواند باندگپهاي پيوستهتر و متناسب با باندهاي پرتراكم نويز غلتشي/آيروديناميكي ايجاد كند؛ (ب) كوپل بهينهسازي–تحليل، امكان انتقال هدفمند باندگپها به فركانسهاي عملياتي و افزايش معنادار شاخصهاي عملكردي مانند افتِ انتقال را فراهم ميآورد؛ و (ج) قيود توليد و نصب (از جمله مقياسپذيري و نگهداشت) قابل ادغام در فرايند طراحياند بدون آنكه كارايي آكوستيكي قرباني شود. اين نتايج، مسير توسعه موانع صوتي كمارتفاع نوين براي كريدورهاي ريلي شهري/بينشهري را تقويت ميكند.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/09/26
عنوان به انگليسي
Geometric Design and Optimization of Sonic Crystals as Noise Barriers in Railway Lines
تاريخ بهره برداري
11/18/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
جواد گوديني
چكيده به لاتين
The rapid expansion of railway networks and increasing operating speeds have turned environmental noise into one of the main challenges for urban planners and rail operators. Conventional noise barriers (concrete/metal/composite), while reasonably effective over mid-frequency ranges, are typically bulky and costly, visually intrusive in urban contexts, and less effective at low frequencies. Acoustic metamaterials—and in particular sonic crystals with designable periodic geometries—enable the formation of acoustic bandgaps and the engineering of wave propagation paths, opening up new avenues for developing railway noise barriers that are efficient, compact, and compatible with urban aesthetics.
This dissertation proposes and investigates three design classes for sonic-crystal unit cells tailored to the railway noise spectrum: (1) a polyhedral unit cell offering fine control over filling fraction and characteristic length scales; (2) a Helmholtz-type unit cell with tunable local resonances; and (3) a snowflake-inspired unit cell with rich geometric degrees of freedom and the ability to synchronize multiple attenuation mechanisms. The computational framework comprises band-structure extraction via the plane wave expansion (PWE) method under Bloch boundary conditions, transient and frequency-domain analyses using the finite element method (FEM), and the study of propagation and transmission loss in finite arrays. To enhance performance, a genetic algorithm (GA)–based multiobjective optimization chain—maximizing the sum of bandgap widths within the target frequency range, maximizing relative bandwidth (FB), and controlling the location of the dominant bandgap—is coupled to the numerical models. To assess practical deployability, structural criteria, manufacturing constraints, and in-situ performance testing requirements inspired by relevant European standards are incorporated into the design.
The findings show that: (a) combining local resonances with Bragg scattering in the proposed geometries can yield more contiguous bandgaps aligned with the dense bands of rolling/aerodynamic noise; (b) optimization–analysis coupling enables targeted shifting of bandgaps to operational frequencies and delivers meaningful gains in performance metrics such as transmission loss; and (c) manufacturing and installation constraints—including scalability and maintainability—can be integrated into the design process without sacrificing acoustic performance. These results support the development of novel low-height noise barriers for urban and intercity rail corridors.
كليدواژه هاي فارسي
كريستال سونيك , مانع صوت ريلي , باندگپ آكوستيكي , بهينهسازي هندسي , الگوريتم ژنتيك
كليدواژه هاي لاتين
sonic crystal , railway noise barrier , acoustic bandgap , geometric optimization , genetic algorithm
Author
Javad Goodini
SuperVisor
Davood Younesian