玄武巖長絲振膜織物吸聲系數(shù)研究

楊瑞斌 張 鵬 鐘智麗

(1.廣州市纖維產(chǎn)品檢測院，廣州，510220;2.中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)測試中心，廣州，510220;3.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

玄武巖長絲振膜織物吸聲系數(shù)研究

楊瑞斌1，2張 鵬1，2鐘智麗3

(1.廣州市纖維產(chǎn)品檢測院，廣州，510220;2.中國產(chǎn)業(yè)用紡織品行業(yè)測試中心，廣州，510220;3.天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

用于制作玄武巖纖維振膜的玄武巖長絲涂層織物稱之為玄武巖長絲振膜織物。利用VA-Lab4 IMPAT材料吸聲系數(shù)測試儀，對玄武巖長絲振膜織物和玻璃纖維振膜織物的吸聲系數(shù)進(jìn)行測試和比較，并對玄武巖長絲振膜織物吸聲系數(shù)的影響因素進(jìn)行研究。結(jié)果表明，玄武巖長絲振膜織物可用于制備揚聲器振膜，為玄武巖長絲振膜的研制提供試驗依據(jù)，為玄武巖纖維在聲學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，以推動玄武巖纖維的產(chǎn)品開發(fā)。

玄武巖纖維，玄武巖長絲振膜織物，涂層工藝，吸聲系數(shù)，傳遞函數(shù)法

玄武巖纖維是以高密度火山巖(多種玄武巖等)為原料，在1 450～1 500℃熔融后，通過噴絲板高速拉制而成的連續(xù)纖維。玄武巖纖維具有眾多優(yōu)良特性:較高的使用溫度，較高的斷裂強(qiáng)度，高模量，較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，高吸聲系數(shù)，低吸濕性，高比體積電阻，抗紫外線，吸波功能，防輻射，防電磁，燃燒無熔滴，燃燒煙密度低，環(huán)保無污染等［1］。

本文主要依據(jù)玄武巖纖維優(yōu)良的吸聲效果，對其在揚聲器振膜制作領(lǐng)域中的應(yīng)用做一些基礎(chǔ)研究。玄武巖超細(xì)纖維材料的吸聲特性［2］如表1所示。

表1 玄武巖超細(xì)纖維材料的吸聲特性

從表1可知，隨著頻率的增加，玄武巖材料的吸聲系數(shù)顯著提高，且材料與絕緣板間距越大，材料的吸聲效果越明顯。因此玄武巖纖維具有很好的隔聲和吸聲效果，使得玄武巖纖維制作的隔聲材料在航空、船舶等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，高質(zhì)量振膜的材料都是昂貴的復(fù)合材料或金屬材料，特別是芳綸、碳纖維、玻璃纖維在振膜上的應(yīng)用越來越廣泛。一個完美的振膜對材料最基本的要求是質(zhì)輕、高彈性模量、較高的內(nèi)阻尼和優(yōu)良的吸聲系數(shù)［3］。玄武巖纖維以其突出的高彈性模量和優(yōu)良的隔聲、吸聲效果等特點，在聲學(xué)材料領(lǐng)域占有一席之地。本文通過對玄武巖長絲振膜織物吸聲系數(shù)的研究，并與玻璃纖維振膜織物進(jìn)行比較，為玄武巖纖維在揚聲器振膜領(lǐng)域的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 玄武巖長絲振膜織物的制作

1.1 玄武巖長絲振膜織物的織制

采用41 tex玄武巖長絲與71 tex玻璃纖維長絲，分別織制相似織物厚度和面密度的平紋布若干，研究兩種振膜織物的吸聲系數(shù)。

1.2 玄武巖長絲振膜織物的涂層

1.2.1 涂料選擇

目前市場上具有高彈性模量的合成纖維如芳綸、碳纖維和玻璃纖維振膜等，大都采用丙烯酸液或丙烯酸樹脂作為涂料，對合成纖維振膜進(jìn)行涂層以提高其內(nèi)阻尼。與其他涂料相比，丙烯酸樹脂具有眾多優(yōu)點:丙烯酸酯自身就是良好的阻尼材料，具有較好的力學(xué)性能和較高的阻尼值(tanδ＞0.3)［4］，常用于與其他聚合物或單體共混、共聚或形成IPN互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，獲得新型的阻尼材料，效果顯著。以丙烯酸樹脂作為成膜基料的涂料稱作丙烯酸樹脂涂料，該類涂料具有色淺、保色、保光、耐候、耐腐蝕和耐污染等優(yōu)點。因此本文選用熱塑性丙烯酸樹脂作為涂料，對玄武巖長絲和玻璃纖維織物進(jìn)行涂覆。

1.2.2 涂層工藝

本試驗采用瑞士產(chǎn)WernerMathisAG LTF97885涂層機(jī)對兩種織物進(jìn)行涂層固化。該涂層機(jī)集涂覆、烘干、固化于一體，操作簡單方便。

對涂層工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并確定了最優(yōu)的固化時間。當(dāng)固化溫度為120℃，固化時間為30～40 min時，玄武巖長絲振膜織物的彈性模量和斷裂強(qiáng)力達(dá)到最優(yōu)。

1.2.3 試樣規(guī)格

經(jīng)試織和涂層工藝的振膜織物規(guī)格如表2所示。

表2 織物規(guī)格

2 振膜織物吸聲系數(shù)的測定

2.1 試驗設(shè)備

本試驗采用VA-Lab4 IMP-AT材料測試系統(tǒng)(北京聲望聲電技術(shù)有限公司)，測量法向入射條件下聲學(xué)材料的吸聲系數(shù)。該測試系統(tǒng)符合GB/T 18696.2—2002《聲學(xué)·阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量，第2部分:傳遞函數(shù)法》以及ISO 10534-2:1998 Acoustics-Determination ofSound Absorption Coefficient and Impedance in Impedance Tubes，Part 2:Transfer-Function Method［5］。系統(tǒng)主要由5部分組成:通道校準(zhǔn)、測量設(shè)置、傳遞函數(shù)測量、結(jié)果計算、數(shù)據(jù)分析。

2.2 試驗原理

不同頻率的聲波入射到同一材料中，材料的吸聲系數(shù)不同。通常所說的材料吸聲系數(shù)指的是對應(yīng)頻率的吸聲系數(shù)，或是以倍頻程的中心頻率(125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz)下吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值來表示材料的吸聲性能。材料吸聲系數(shù)的測量方法有阻抗管法和混響室法［6］，其中阻抗管法是指通過對管中沿軸向傳播的單頻率平面聲波在材料表面反射而形成的駐波進(jìn)行測量，進(jìn)而確定材料的吸聲系數(shù);而混響室法是通過測定混響室的混響時間來確定材料的吸聲系數(shù)。本文采用的VA-Lab4 IMP-AT材料吸聲系數(shù)測試系統(tǒng)屬于阻抗管法中的傳遞函數(shù)法。傳遞函數(shù)法的出現(xiàn)使材料吸聲系數(shù)的測量得到了極大的改進(jìn)，它不僅使吸聲系數(shù)從單頻測量跨越為寬頻測量，節(jié)省了大量測試時間，而且采用現(xiàn)代頻譜分析方法，使吸聲系數(shù)的測量速度和準(zhǔn)確度得到顯著提高［7］。傳遞函數(shù)法測量原理如圖1所示。

圖1 傳遞函數(shù)法測量原理示意圖

2.3 吸聲系數(shù)的測定

將表2中的1～7號振膜織物分別剪成直徑為7 cm的圓形布樣，如圖2所示。

圖2 振膜織物試樣

通過圖1的測試系統(tǒng)，可快速精確地測出振膜織物的吸聲系數(shù)。

3 玄武巖長絲與玻璃纖維振膜織物吸聲系數(shù)的比較

3.1 不同厚度玄武巖長絲振膜織物的吸聲系數(shù)

測試1～4號試樣的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同涂層厚度的玄武巖長絲振膜織物的吸聲系數(shù)

由圖3可知，同一種振膜織物對不同頻率的聲波吸聲系數(shù)不同，并且差別很大;不同涂層厚度的玄武巖長絲振膜織物對同一頻率的吸聲系數(shù)也存在差異。但是從總體上看，玄武巖長絲振膜織物對高頻聲波的吸聲系數(shù)較大，對中低頻(400～1 500 Hz)聲波的吸聲系數(shù)相對較小。隨著玄武巖長絲振膜織物涂層厚度的增加，對高頻聲波的吸聲系數(shù)增大，并且總體吸聲系數(shù)(所有頻率聲波吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值)也增大，見圖4。當(dāng)涂層厚度大約為0.10 mm時，高頻聲波和總體吸聲系數(shù)達(dá)到最大值。當(dāng)涂層厚度大于0.10 mm后，隨著涂層厚度的增加，高頻聲波和總體吸聲系數(shù)有逐漸減小的趨勢，試樣4的涂層厚度為0.29 mm，其高頻聲波和總體吸聲系數(shù)比涂層厚度為0.095 mm的試樣3明顯要小。

圖4 不同涂層厚度的玄武巖長絲振膜織物與其總體吸聲系數(shù)的關(guān)系

3.2 玄武巖長絲與玻璃纖維振膜織物吸聲系數(shù)的比較

玻璃纖維與玄武巖長絲在性能上較為相似，故選擇玻璃纖維振膜織物作為玄武巖長絲振膜織物用于揚聲器振膜聲學(xué)性能比較的參考對象。

測量玻璃纖維振膜織物試樣5～試樣7的吸聲系數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 玻璃纖維振膜織物的吸聲系數(shù)

由圖5可知，玻璃纖維與玄武巖長絲振膜織物的吸聲系數(shù)呈現(xiàn)相同的變化趨勢，隨著涂層厚度的增加，玻璃纖維振膜織物的高頻聲波吸聲系數(shù)明顯提高。如試樣5(未涂層玻璃纖維織物)的高頻聲波吸聲系數(shù)最小;試樣7(涂層厚度為0.10 mm)的高頻聲波吸聲系數(shù)最大。圖6為玻璃纖維振膜織物的總體吸聲系數(shù)。由圖6可見，隨著涂層厚度的增加，玻璃纖維振膜織物總體吸聲系數(shù)的變化規(guī)律與玄武巖長絲振膜織物一樣，都是逐漸增大的。

圖6 玻璃纖維振膜織物的總體吸聲系數(shù)

由表2可知，試樣1和試樣5的涂層厚度為0，且具有相近的織物厚度和紗線密度;試樣2和試樣6、試樣3和試樣7同樣具有相近的織物厚度和紗線密度。在織造和涂層過程中，很難控制織物厚度和涂層厚度，因此要達(dá)到織物厚度和涂層厚度完全一致幾乎是不可能的。為了增加試驗的可比性，減小試驗誤差，應(yīng)盡可能使織物厚度和涂層厚度相似或相近。所以，試樣1和試樣5、試樣2和試樣6、試樣3和試樣7可作為相似厚度的玄武巖長絲振膜織物與玻璃纖維振膜織物的三組比較物。分別對三組比較物對2 500 Hz高頻聲波的吸聲系數(shù)和總體吸聲系數(shù)進(jìn)行比較，如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知:在涂料、織物厚度、涂層厚度和紗線密度相同或相近的條件下，玄武巖長絲振膜織物的高頻聲波吸聲系數(shù)和總體吸聲系數(shù)都比玻璃纖維振膜織物的大，說明玄武巖長絲振膜織物的吸聲性能比玻璃纖維振膜織物更好，因此玄武巖長絲可作為振膜材料制作揚聲器振膜。

圖7 2 500 Hz高頻聲波吸聲系數(shù)對比

圖8 總體吸聲系數(shù)對比

通過上述分析，選用丙烯酸樹脂作為涂料對41 tex玄武巖長絲的平紋織物進(jìn)行涂層，固化溫度120℃，固化時間 30～40 min，涂層厚度為0.05 mm，獲得的玄武巖長絲振膜織物能同時滿足揚聲器對振膜質(zhì)輕、高彈性模量的要求。而玄武巖長絲振膜吸聲系數(shù)最重要的影響因素:一是材料自身的性能;二是涂料的性能。所以選用優(yōu)化工藝參數(shù)，通過改變涂層厚度來獲得最好的吸聲性能，從而使玄武巖長絲振膜織物的阻尼效果最優(yōu)。

由圖4可以看出涂層厚度與玄武巖長絲振膜織物總體吸聲系數(shù)的變化關(guān)系。采用Matlab 7.0數(shù)學(xué)處理軟件，對玄武巖長絲振膜織物的總體吸聲系數(shù)和涂層厚度進(jìn)行一元二次回歸分析，得出涂層厚度(x)對玄武巖長絲振膜織物總體吸聲系數(shù)(y)的影響方程式:y=0.150 3x－0.479 2x2+0.071 9，并繪出其曲線，見圖9。

圖9 涂層厚度與總體吸聲系數(shù)的曲線圖

由圖9可以看到，隨著涂層厚度x的增加，玄武巖長絲振膜織物的總體吸聲系數(shù)逐漸增大;當(dāng)x=0.16時，玄武巖長絲振膜織物的總體吸聲系數(shù)達(dá)到最大值，即曲線圖的最高點;當(dāng)x＞0.16時，隨著x的增加，玄武巖長絲振膜織物的總體吸聲系數(shù)反而逐漸減小。因此涂層厚度為0.16 mm時，將使玄武巖長絲振膜織物的吸聲性能達(dá)到最優(yōu)。

4 結(jié)語

通過不同涂層厚度的玄武巖長絲振膜織物吸聲系數(shù)的比較，發(fā)現(xiàn)隨著涂層厚度的增加，玄武巖長絲振膜織物對高頻聲波的吸聲系數(shù)增大，且總體吸聲系數(shù)也增大。通過分析涂層厚度對玄武巖長絲振膜織物吸聲系數(shù)的影響關(guān)系可知，當(dāng)涂層厚度為0.16 mm時，玄武巖長絲振膜織物的吸聲性能達(dá)到最優(yōu)。

研究表明，選擇適當(dāng)?shù)耐苛?，?yōu)化各項工藝參數(shù)，可使玄武巖長絲振膜織物的彈性模量、內(nèi)阻尼和吸聲性能達(dá)到最優(yōu);同時，玄武巖長絲振膜織物的聲學(xué)性能優(yōu)于玻璃纖維振膜織物。因此玄武巖長絲振膜織物符合揚聲器振膜的性能要求，完全適合制作揚聲器振膜，并以其眾多優(yōu)異性能可部分替代昂貴的碳纖維、芳綸纖維振膜，具有廣闊的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。

［1］JIIR Militky，VLADIMIR Kovacic，JOTLA Rubnerov.Influence of thermal treatment on tensile failure of basalt fiber［J］.Engineering Fracture Mechanic，2002(69):1000-1005.

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Research on the sound absorption coefficient of the basalt filament diaphragm fabric

Yang Ruibin1，2，Zhang Peng1，2，Zhong Zhili3
(1.Guangzhou Fibre Product Testing Institute;2.China Nonwovens＆ Industrial Textiles Testing Center;3.School of Textiles，Tianjin Polytechnic University)

The basalt filament coated fabric，used for manufacturing the basalt fiber diaphragm，is called basalt filament membrane fabric.The sound absorption coefficients of the basalt filament diaphragm fabric and glass fiber diaphragm fabric were measured by using the VA-Lab4 IMP-AT Materials Testing.The influence factors of the acoustic performance of basalt filament diaphragm fabric were studied and compared.The results showed that the basalt filament diaphragm fabric can be used for loudspeaker diaphragm，and provided a scientific basis for manufacturing the basalt filament diaphragm and the basalt fiber’s application in acoustics area.It will promote the product development of basalt fiber.

basalt fiber，basalt filament diaphragm fabric，coating technology，sound absorption coefficient，transfer-function method

TS102.4

A

1004－7093(2011)08－0019－05

2011－04－20

楊瑞斌，男，1985年生，工程師。主要從事產(chǎn)業(yè)用紡織品檢測技術(shù)研究及開發(fā)。