非織造布的結(jié)構(gòu)特征與其吸聲性能研究

楊 樹于偉東潘 寧，2

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院軟物質(zhì)研究中心，上海，201620; 2.加州大學(xué)戴維斯分校，美國加州戴維斯，95616)

非織造布的結(jié)構(gòu)特征與其吸聲性能研究

楊 樹1于偉東1潘 寧1，2

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院軟物質(zhì)研究中心，上海，201620; 2.加州大學(xué)戴維斯分校，美國加州戴維斯，95616)

測試了不同非織造布的透氣性能和吸聲性能，并對幾種吸聲理論進(jìn)行了對比分析。測試數(shù)據(jù)說明:非織造布的透氣性不只是簡單地與孔隙率成正比，還與其他一些復(fù)雜的不易測量的參數(shù)有關(guān);非織造布在測試頻段的吸聲曲線隨背面空氣層的增厚而向低頻域移動;材料的孔洞特征，特別是平均孔徑是影響共振吸收峰頻率的主要參數(shù)。

非織造布，孔洞特征，透氣性能，吸聲性能，共振吸收峰

非織造布是典型的纖維類吸聲材料，有關(guān)其吸聲性能的研究已有很多報道［1-3］。Zwikker等［4］將多孔介質(zhì)看作空氣相和固體物質(zhì)相兩相的混合物，兩相對于聲波的反應(yīng)作用不同。Shoshani等［5］利用Zwikker等人的理論，計算了一些在人耳可聽的頻域內(nèi)能夠產(chǎn)生很好吸聲效果的非織造布的內(nèi)在特征數(shù)據(jù)。事實上，非織造布的隔音性能與其結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)聯(lián)。有研究表明，纖維的密度、形狀和長度在吸聲隔音中是非常重要的因素［6-7］。Tascan等［8］研究了針刺非織造布的密度和表面面積對吸聲性能的影響。Voronina［9］通過實驗得到一個模型，用以預(yù)測多層纖維的吸聲系數(shù)和聲阻，前提只要纖維的直徑和密度已知。

本文對幾種非織造布的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其透氣性能和吸聲性能進(jìn)行了實驗表征，并對纖維介質(zhì)背面有無空氣層時的吸聲性能做了比較。

1 實驗

1.1 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)測試

(1)厚度。使用南通宏大集團(tuán)制造的YG141N型

式中:m——樣品質(zhì)量;

A——樣品的截面積;

L——樣品厚度;

ρ——樣品中的纖維密度。

1.2 透氣性能測試

使用南通宏大集團(tuán)制造的YG461E型數(shù)字式織物透氣量儀測定樣品的透氣性能，測試過程符合GB/T 5453—1997標(biāo)準(zhǔn)。樣品兩端壓力差設(shè)置為200 Pa，測試面積為20 cm2;噴嘴直徑是在測試過程中根據(jù)樣品的透氣性能進(jìn)行選擇，透氣性能越好的樣品需要匹配的噴嘴越大，透氣性能差的樣品則匹配小的噴嘴。數(shù)字式織物厚度儀測量樣品的厚度，測試過程符合ISO 5084:1996標(biāo)準(zhǔn)。測量選取壓力為50 cN，加壓時間為10 s。

(2)面密度。使用千分位電子天平測量半徑為15 mm的圓形樣品的質(zhì)量，計算得到樣品的面密度。

(3)孔洞特征。使用美國PMI公司制造的CFP-1100-A毛細(xì)管流動孔徑儀測試非織造布的孔洞尺寸分布，計算得到孔洞平均直徑。

樣品的孔隙率(ε)定義為空氣的體積(Va)與材料總體積(VT)的比值，可以由下式計算得到:

1.3 吸聲性能測試

材料的吸聲系數(shù)有兩種常用的測試方法:混響室法(GB/T 20247—2006)和駐抗管法。本實驗采用后者，因為該方法需要的樣品量比較少，同時其測試系統(tǒng)采用垂直入射聲波，使測試更快更精確。在駐抗管法中也有兩種方法可以選擇:駐波比法(GB/T 18696.1—2004)和傳遞函數(shù)法(GB/T 18696.2—2002)。兩者的區(qū)別在于傳遞函數(shù)法是由固定在管壁上的兩個傳聲器代替了駐波比法的一個滑動傳聲器，從而使測試范圍更大，因此選用傳遞函數(shù)法。本實驗選用聲望技術(shù)有限公司制造的SW260型雙傳聲器駐波管測試系統(tǒng)，測試過程符合GB/T 18696.2—2002和 ISO 10534-2:2001標(biāo)準(zhǔn)。其結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 SW260型雙傳聲器駐波管測試系統(tǒng)示意

由于測試過程使用的是平面波，波長比測試管直徑大，故選擇最細(xì)管徑30 mm的測試管進(jìn)行測試。在測試過程中應(yīng)特別注意兩個傳聲器的匹配。

傳遞函數(shù)法的基本原理是，通過測量樣品前兩個傳聲器之間的傳遞函數(shù)H12可以得到聲波的法向反射系數(shù)r。傳遞函數(shù)H12為復(fù)數(shù)，定義式為［10］:

其中 k0——波數(shù)，k0=2πf/c0

式中:p1，p2——分別是兩個傳聲器處的復(fù)數(shù)聲壓; x1，x2——分別為兩個傳聲器距離參考面(x=0)的距離;

f——聲頻;

c0——聲速。

入射聲波的傳遞函數(shù)HI和反射聲波的傳遞函數(shù)HR，可以通過下式計算:

結(jié)合公式(2)～(4)，可以得到法向反射系數(shù)r:

通過r可以得到吸聲系數(shù)α的表達(dá)式:

式中:rr，ri——分別表示r的實部和虛部。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1為6塊非織造布樣品基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的測試結(jié)果。圖2為毛細(xì)管流動孔徑儀測得的樣品的孔徑分布情況。

表1 樣品的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 透氣性能

根據(jù)苛仁納公式，材料的理論透氣系數(shù) Ktfp(cm2/Pa·s)為［11-13］:

式中:ε——樣品的孔隙率;

η——流體黏度(Pa·s);

s——潤濕通道表面(1/cm);

k0——形狀因子;

Le——有效通道長度或樣品有效厚度(cm);

L——樣品厚度(cm)。

Mohammadi［14］利用Davies透氣常數(shù)kD［11］改

圖2 非織造布樣品的孔徑分布

進(jìn)了苛仁納公式，得到了纖維結(jié)構(gòu)材料孔隙率在0.94～0.994范圍內(nèi)的理論透氣率qtp(cm/s):

式中:d——纖維直徑(cm);

Δp——樣品兩端的壓差(Pa)。

Davies透氣常數(shù)kD的定義為:

公式(10)顯示樣品的透氣率不只簡單地與孔隙率成正比關(guān)系，還與很多參數(shù)有關(guān)，其中有些是不易測量的參數(shù)，如曲折度、形狀因子等。

圖3 非織造布樣品的透氣率

圖3是6塊非織造布樣品的透氣性能測試結(jié)果，3#和6#樣品的透氣性能較差。對照表1中樣品的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)3#樣品具有最小的平均孔徑，6#樣品次之，因此可以肯定，孔徑也是影響非織造布透氣性能的重要參數(shù)之一。

2.3 吸聲性能

分別測試了樣品在背面沒有空氣層(剛性壁)、有15 mm空氣層和30 mm空氣層三種情況下的吸聲系數(shù)，結(jié)果示于圖4。

圖4(a)是樣品背面為剛性壁時的吸聲曲線。對照表1中樣品的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，可知此時材料的吸聲系數(shù)基本隨著樣品厚度的增加而提高，其中1#～4#樣品的厚度值差別不大。

圖4(b)是樣品背面有15 mm空氣層時的吸聲曲線。與無空氣層時比較，空氣層的引入大大提高了材料在該段測試頻域上的吸聲效果，吸聲曲線初始上升的速率也有大幅提高。

圖4(c)是樣品背面空氣層增大到30 mm時的吸聲曲線。與圖4(b)相比較，可以看到增厚的空氣層使得材料的吸聲曲線初始段上升的斜率變大，從而使得吸聲峰值向低頻域移動。

3 幾種吸聲理論的對比分析

3.1 毛細(xì)管吸聲理論

早期的研究大都是以毛細(xì)管理論［15］來解釋多

圖4 非織造布樣品在三種不同背面情況下的吸聲系數(shù)

式中:z——聲阻率;

L——材料厚度(m);

η——空氣黏度，為1.85×10－5Pa·s;

a——孔洞等效半徑(m);

ε——孔隙率;

ρ0c0——空氣特征阻抗，為413 km/(m2·s)。

很明顯，公式(12)在計算聲阻率時并沒有考慮頻率問題，而實際上聲阻率是隨著頻率而變化的。由于聲阻率和吸聲系數(shù)成正比，因此對理論聲阻率和實驗得到的兩組吸聲系數(shù)值進(jìn)行了比較。一組是整個測試頻域上的平均吸聲系數(shù)，另一組是共振頻率處的最大吸聲系數(shù)。對比結(jié)果示于圖5。可以看到，最大吸聲系數(shù)值與理論聲阻率值有相近的變化趨勢。

3.2 穿孔板共振吸聲理論

考慮到非織造布的結(jié)構(gòu)與帶有微孔的板類似，嘗試用穿孔板的共振吸聲理論來解釋其共振頻率［16］。穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)是噪聲控制中廣泛采用的吸聲裝置，設(shè)穿孔均勻地分布在板上，各個穿孔的大小和形狀完全相同。若穿孔板的穿孔率為σ，板后空氣層的厚度為D，穿孔的有效長度為l，則該結(jié)構(gòu)的共振頻率f可按下式計算:

孔材料的吸聲性能。在該理論中，材料的吸聲性能與材料厚度、孔徑和孔隙率有關(guān)。相對聲阻抗率(以下簡稱聲阻率)可以下式計算:

式中:c0——空氣中的聲速。

l在穿孔率較大時可近似為板厚。

按公式(13)計算，可以得到6塊樣品的共振頻率大小的順序為5#<6#<3#<2#<4#<1#，然而實驗得到的共振吸聲峰對應(yīng)的頻率大小順序為3#<6#<5#<4#<2#<1#。實驗結(jié)果說明，穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)不能很好地解釋非織造布的吸聲峰頻率問題。

圖5 聲阻率(理論值)與最大吸聲系數(shù)(實驗值)的比較

3.3 膜振動理論

考慮到所測非織造布樣品的厚度較小，故可以將其視作膜材料。膜振動理論是將樣品看成一塊薄膜，其吸聲機(jī)理主要是膜的共振吸收，當(dāng)聲波頻率等于其固有頻率時達(dá)到共振吸聲系數(shù)。張新安［17］曾提出應(yīng)用膜振動理論計算多孔吸聲材料的聲阻抗，然而仍忽略了頻率這一關(guān)鍵因素。如果將非織造布樣品看作一塊薄膜，應(yīng)用膜振動理論，則膜上的波速c為:

式中:w——膜的面密度;

T——膜的表面張力。

對于半徑為R膜的圓形薄膜，其固有頻率f為:

實驗中的6塊試樣，其施加的表面張力T基本相等，而其面密度的順序是1#<2#<3#<4#<5#< 6#。根據(jù)公式(14)和(15)計算，得到樣品的固有頻率排序為6#<5#<4#<3#<2#<1#。實驗得到的共振吸聲峰對應(yīng)的頻率大小順序為3#<6#<5#< 4#<2#<1#，可以看出3#樣品比較特殊，查看其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，其原因可能是3#樣品具有最小的孔徑(8.803 6 μm)和較低的孔隙率(0.892 3)。

由以上分析可見，膜共振理論并不能完全解釋纖維集合體的吸聲行為，因為有許多因素影響著集合體的吸聲效果。

3.4 吸聲行為涉及的幾個參數(shù)

弄清楚材料吸聲模型中各因素的作用，對于材料的優(yōu)化設(shè)計有著至關(guān)重要的意義。然而，纖維材料的優(yōu)化設(shè)計非常復(fù)雜，這是由于許多影響因素之間不是互相獨(dú)立的［18］。

圖6和圖7分別是樣品的吸聲峰頻率和最大吸聲系數(shù)的直方圖。對照表1中樣品的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括材料的面密度、厚度、孔隙率和平均孔徑(其中面密度和厚度是有交叉關(guān)聯(lián)的參數(shù))進(jìn)行直觀比較。從比較結(jié)果可以看到，影響材料共振吸收峰對應(yīng)頻率的參數(shù)主要是材料的孔洞特征參數(shù)，特別是樣品的平均孔徑;影響材料最大吸聲系數(shù)的參數(shù)是厚度、孔徑和孔隙率等，與前述毛細(xì)管吸聲理論討論的結(jié)果基本一致。

圖6 吸聲峰頻率直方圖

圖7 最大吸聲系數(shù)直方圖

4 結(jié)論

(1)通過對非織造布樣品透氣性能的實驗結(jié)果和苛仁納公式的分析，可以得出纖維集合體的透氣性能不僅是簡單地與孔隙率成正比，還有一些復(fù)雜的不易測量的參數(shù)也會對其有影響，如樣品孔洞通道的曲折度、形狀因子等。

(2)對非織造布背面為剛性壁和有空氣層時進(jìn)行的吸聲實驗證明，空氣層的引入大大提高了材料在測試頻域的吸聲性能;增厚樣品背面的空氣層會使材料在該段的吸聲曲線初始段上升的斜率變大，同時吸聲曲線整體向低頻域移動。

(3)非織造布的背面分別為剛性壁和空氣層時，其吸聲機(jī)理可能有所不同。對于剛性壁的情況，非織造布的吸聲系數(shù)隨著樣品厚度的增加而增大;而有空氣層時其影響因素則更為復(fù)雜，涉及到樣品的孔洞特征等參數(shù)。傳統(tǒng)的毛細(xì)管吸聲理論基本可以解釋吸聲系數(shù)值的問題，但是沒有考慮到頻率因素;應(yīng)用膜振動理論來解釋非織造布的吸聲頻率，也有個別樣品實驗值與理論不符。

(4)通過直觀比較最大吸聲系數(shù)值和吸聲峰頻率及其樣品的幾個結(jié)構(gòu)參數(shù)，認(rèn)為影響材料共振吸收峰頻率的參數(shù)主要是材料的孔洞特征，特別是樣品的平均孔徑。

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Study on texture character and acoustic absorbent behavior of nonwovens

Yang Shu1，Yu Weidong1and Pan Ning1，2

(1.College of Textiles＆Center of Soft Materials，Donghua University;2.Biological and Agricultural Engineering Department，University of California)

The permeability and acoustical properties of several nonwovens were measured，and then various theories of sound absorption were compared.The results showed that the permeability of nonwovens is not just linear to porosity，but also related with other factors.Increasing air gap behind nonwovens moves the absorption curve towards lower frequency.Pore characteristic especially mean pore size is proved to be the most effective factor that influences absorption peak frequency.

nonwovens，pore characteristic，permeability，acoustic absorption property，resonant peak shift

TS171

A

1004－7093(2010)07－0006－06

2010－02－01

楊樹，女，1985年生，在讀博士研究生。主要研究方向為纖維集合體的結(jié)構(gòu)特征與其吸聲性能的關(guān)系。