高速公路聲屏障用非織造吸聲材料的吸聲性能研究*

錢薇薇 張 瑜 高 強(qiáng) 李偉岸 許君海

(南通大學(xué)，南通，226007)

隨著我國高速公路的快速發(fā)展，一系列環(huán)境問題也日漸凸顯，尤其是交通噪聲問題愈發(fā)嚴(yán)重。道路無法避開居民生活區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校等區(qū)域，為此，修建聲屏障將是一種有效的治理交通噪聲污染的方法［1］。聲屏障的核心部件，即吸聲材料，其性能的優(yōu)劣極大地影響著聲屏障吸聲降噪的能力。據(jù)調(diào)研，交通路網(wǎng)噪聲一般在250～2 000 Hz中低聲頻范圍內(nèi)。

非織造材料是纖維之間相互纏結(jié)而成的三維立體結(jié)構(gòu)材料，其特有的結(jié)構(gòu)賦予其特有的性能，即孔隙率高、彈性和柔軟性好，因此非織造材料十分適合作為吸聲材料。當(dāng)聲波傳播到非織造材料的表面時，一部分聲音能進(jìn)入到材料的內(nèi)部，而另一部分即在材料表面被反射。進(jìn)入到材料內(nèi)部的聲音便在纖維交錯排列的縫隙中傳播，此時聲波與纖維和縫隙中的空氣產(chǎn)生摩擦，將聲能轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗，從而起到吸聲的作用［2-3］。

國內(nèi)外對非織造材料吸聲性能已做了一定的研究。Youngjoo等［4］研制了一種汽車頂篷使用的針刺非織造材料，并研究了材料的吸聲性與黏彈性以及孔徑大小之間的關(guān)系。Jiang等［5］研制了一種七孔中空聚酯纖維作為增強(qiáng)體的氯化聚乙烯復(fù)合材料，并研究了纖維含量、復(fù)合厚度和空腔深度對吸聲性能的影響。本文主要研究了滌綸的組成、纖維的橫截面、材料厚度、熱熔加固和表面處理對聲屏障用吸聲材料的吸聲性能的影響，為相關(guān)方面的設(shè)計提供參考。

1 試驗部分

1.1 原料

選用不同的滌綸作原料，其性狀見表1。

表1 不同滌綸原料性狀

1.2 工藝流程

吸聲材料制備的工藝流程見圖1。

圖1 吸聲材料制備的工藝流程

1.3 吸聲材料制備

本試驗共制備了12種針刺非織造材料樣品，其構(gòu)成和基本參數(shù)見表2。

表2 針刺非織造材料樣品的原料構(gòu)成與基本參數(shù)

2 吸聲性能測試

采用傳遞函數(shù)法測量針刺非織造材料的吸聲系數(shù)，駐波管內(nèi)徑為100 mm，其測量頻率上限為2 000 Hz，下限為250 Hz。在聲頻中，500 Hz以下是低頻聲，500～2 000 Hz是中頻聲，2 000 Hz以上是高頻聲。

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T18696.2—2002《阻抗管吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量》，用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SW463型吸隔聲測試儀測試吸聲性能。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 纖維線密度對吸聲性能的影響

由圖2可以看出，在250～2 000 Hz的頻段范圍內(nèi)，隨著樣品中細(xì)纖維含量的增加，樣品的吸聲系數(shù)增大，即其吸聲性能提高，且隨著頻率的增加收聲系數(shù)增大的程度越加明顯。這是因為纖維越細(xì)，聲波在進(jìn)入樣品內(nèi)部傳播過程中與纖維接觸的機(jī)會增大，能與更多根數(shù)的纖維發(fā)生摩擦，從而將更多的聲能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散［6］。另外，細(xì)纖維含量增加后，在刺針穿刺的作用下，樣品內(nèi)部微小的孔隙明顯增加，孔隙率增大，孔隙間相互貫通，空氣穿透量增大。因此，樣品5的吸聲性能顯著提高。

圖2 不同細(xì)纖維含量樣品的吸聲系數(shù)曲線

3.2 纖維截面對吸聲性能的影響

由圖3可以看出，隨著聲波頻率的增加，中空滌綸吸聲氈的吸聲性能明顯比普通滌綸吸聲氈好。這主要是由中空滌綸的結(jié)構(gòu)決定的。中空纖維在軸向上有管狀空腔的結(jié)構(gòu)，使得聲波與空氣的接觸機(jī)會增大，即摩擦系數(shù)增大，聲能轉(zhuǎn)化為熱能被消散的機(jī)會也就增大。此外，中空纖維的管狀空腔結(jié)構(gòu)也大大增加了纖維的比表面積，聲波與纖維摩擦接觸的概率增大，進(jìn)而延長了聲波在材料內(nèi)部反復(fù)的時間，從而有更多的聲能被轉(zhuǎn)化成熱能而被耗散。圖3中樣品7的吸聲性能明顯優(yōu)越于樣品6。

圖3 不同纖維截面樣品的吸聲系數(shù)曲線

3.3 材料厚度對吸聲性能的影響

厚度對材料吸聲性能的影響十分明顯，通過增加厚度來提高材料吸聲性能是行之有效的方法。由圖4可以看出：在中低頻段內(nèi)隨頻率增加，厚度大的樣品7吸聲系數(shù)增加的幅度明顯增大，樣品8增加的幅度不大，而厚度最小的樣品9的曲線則趨于平緩?？v觀三條曲線可以發(fā)現(xiàn)，在低頻聲段內(nèi)厚度的增加對材料的吸聲性能的提高不太明顯，但隨著頻率的提高(在中頻聲段內(nèi))，其厚度的增加對材料吸聲性能的影響十分明顯。材料的厚度增加后，聲波進(jìn)入樣品內(nèi)部傳播的時間變長，聲波與更多的纖維接觸，從而摩擦增加，聲能轉(zhuǎn)化為熱能的概率增加，吸聲性能便顯著提高。此外，聲波是靠空氣壓縮和膨脹進(jìn)行傳播的，空氣在聲波傳播過程中起到阻尼作用，材料的厚度增加后，材料內(nèi)部包含的空氣量相應(yīng)變多，聲波因在空氣中傳播而聲能被減弱的機(jī)會增大，即材料吸收聲能的機(jī)會增大，材料的吸聲性能就明顯提高［7-8］。有資料表明，材料達(dá)到一定厚度后，對吸聲性能的提高已經(jīng)沒有多大的作用［9］。該現(xiàn)象提醒人們，在研究材料吸聲性能時不要盲目提高材料的厚度，應(yīng)根據(jù)材料的實際應(yīng)用情況、成本和工藝等多方面因素來適當(dāng)提高材料的厚度。

圖4 不同厚度樣品的吸聲系數(shù)曲線

3.4 不同加工工藝對吸聲性能的影響

圖5是熱熔處理過的吸聲材料(樣品11)的掃描電鏡照片。吸聲材料的熱熔處理時間為10 min，熱熔溫度為165℃。由圖5可清晰地看出，熱熔處理后的材料中纖維與纖維的交叉點被粘連。樣品12是經(jīng)過等離子處理(功率為300 W，處理時間為15 min，真空度為50 Pa)的樣品，其掃描電鏡照片見圖6?？梢钥闯觯入x子處理后的樣品其纖維表面比較粗糙。這是因為等離子處理是利用兩極電壓的壓差來產(chǎn)生一束束具有高能量的電子束，這些電子束以高速撞擊纖維的表面，從而使纖維表面產(chǎn)生蝕刻形變。

圖5 熱熔處理過的吸聲材料ESM照片

圖6 等離子處理過的纖維表面

圖7為不同加工工藝吸聲材料的吸聲系數(shù)曲線?？梢钥闯觯?jīng)過熱熔處理的樣品11吸聲性能比未處理的樣品10要好。熱熔處理采用的是熱風(fēng)穿透工藝，熱熔過程使得材料內(nèi)的低熔點滌綸融化并流至非低熔點纖維的交叉點處，因為熱風(fēng)穿透會使材料的厚度有所增加，冷卻成型后材料內(nèi)纖維間的空隙增多，材料的孔隙率增大，所包含的空氣量變多，聲能耗散增加，從而提高材料的吸聲性能。從圖7還可以明顯看出，在整個聲段范圍內(nèi)，等離子處理后的樣品12吸聲性能明顯提高。這主要是由于等離子處理使纖維表面粗糙，從而纖維的表面積增大，當(dāng)聲音入射時，聲波與纖維的接觸機(jī)會增大，聲阻變大，聲能由于摩擦而轉(zhuǎn)換成熱能的部分增大，使得材料的吸聲性能增強(qiáng)。

圖7 不同加工工藝吸聲材料的吸聲系數(shù)曲線

4 結(jié)論

(1)在樣品厚度和面密度相近的情況下，細(xì)纖維含量越多的樣品其吸聲性能越好，在2 000 Hz的頻率下，純細(xì)纖維樣品的吸聲性能比不含細(xì)纖維的樣品提高48.6%。

(2)不同截面纖維對吸聲材料的吸聲性能有較明顯的影響。在中低頻聲波范圍內(nèi)，滌綸線密度一定、加工工藝相同時，由中空截面的滌綸制成的吸聲材料比由普通滌綸(圓形截面)制成的吸聲材料的吸聲性能要好。

(3)厚度是影響吸聲材料的重要的因素。當(dāng)吸聲材料厚度由3 mm增加到6 mm時，在250～2 000 Hz中低頻聲波范圍內(nèi)，滌綸吸聲材料的吸聲性能隨材料的厚度增加而明顯增加。

(4)經(jīng)過熱熔處理和等離子共同處理后的滌綸吸聲材料，在2 000 Hz聲頻下的吸聲系數(shù)比未經(jīng)處理的材料提高27.5%。

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