寬頻帶高降噪性復(fù)合構(gòu)造木質(zhì)吸聲板工藝設(shè)計

郭禾苗，于海鵬

（東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150040）

木質(zhì)材料具有良好的環(huán)境學(xué)品質(zhì)和裝飾特性，是建筑室內(nèi)空間常用的裝飾材料.木質(zhì)材料本身的吸聲性能并不理想［1］，但經(jīng)過加工和結(jié)構(gòu)組合形成木質(zhì)吸聲材料后能夠具備一定的吸聲功能.目前木質(zhì)吸聲材料主要產(chǎn)品形式為：木絲板［2］、軟質(zhì)纖維板［3－8］、普通穿孔型木質(zhì)吸聲板［9］、穿孔結(jié)合銑槽結(jié)構(gòu)木質(zhì)吸聲板［10］、亥姆霍茲共振器結(jié)構(gòu)吸聲板［11］和穿孔板復(fù)合蜂窩夾芯構(gòu)造吸聲板［12］.鐘祥璋［9］認(rèn)為木質(zhì)穿孔吸聲板的吸聲特性主要與空腔深度、穿孔率及板后填充的吸聲材料有關(guān)；溫天佑［10，13］研制出具有大小孔的吸聲板及穿孔槽木平面吸聲板.Takahashi等［14－16］研究了穿孔膠合板的吸聲性能；Putra等［17］研究了不同孔徑穿孔板的吸聲性能；Shankar等［18］研究了蜂窩夾芯板的吸聲性能，并分析了夾芯密度、夾芯材質(zhì)、蜂窩腔口大小和夾芯結(jié)構(gòu)對蜂窩夾芯板吸聲性能的影響；Sakagami等［19］發(fā)現(xiàn)穿孔板加蜂窩夾芯不僅提高了吸聲板的強(qiáng)度而且低頻吸聲性能得到改善.Toyoda等［20］對穿孔膠合板和蜂窩夾層組合結(jié)構(gòu)的吸聲性能進(jìn)行了測試，得出該結(jié)構(gòu)在500～1000Hz具有較好的吸聲性能.

木絲板、穿孔吸聲板的吸聲機(jī)制主要是依靠板材上的多孔結(jié)構(gòu)結(jié)合背后空氣夾層，將進(jìn)入其內(nèi)的以高頻為主的聲波消耗吸收來達(dá)到吸聲效果；孔槽復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲板和亥姆霍茲共振器結(jié)構(gòu)的吸聲機(jī)制是聲波進(jìn)入小孔后，激發(fā)空腔內(nèi)的空氣振動并轉(zhuǎn)化為熱能消耗，當(dāng)聲波頻率與該結(jié)構(gòu)共振頻率相同時，腔內(nèi)空氣發(fā)生共振從而產(chǎn)生顯著吸聲效果；穿孔板－蜂窩夾芯板復(fù)合構(gòu)造的吸聲板體現(xiàn)了一種多亥姆霍茲共振器陣列的設(shè)計思想，具有較好的中低頻吸聲效果.

分析上述文獻(xiàn)可知，木質(zhì)吸聲板仍然存在全頻帶吸聲效果不夠理想的情況.基于此，本文在亥姆霍茲共振器吸聲結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)薄板振動原理和多孔－空氣層相結(jié)合的理論設(shè)想上，構(gòu)建了雙層蜂窩夾芯復(fù)合穿孔面板的吸聲構(gòu)造模型，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸聲性能和吸聲頻帶的影響，得到了較佳的工藝條件，為獲得寬頻帶、高降噪性，兼具輕質(zhì)量、低成本的木質(zhì)吸聲板提供了科學(xué)依據(jù).

1 試驗材料與試驗方法

1.1 雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的設(shè)計模型

選擇張家港華誼蜂窩廠產(chǎn)，厚度為10，20，30mm的紙蜂窩板，按照不同組合來構(gòu)造雙層蜂窩夾芯；選擇厚度為3.5mm 的環(huán)保型中密度纖維板做面板，按照預(yù)先設(shè)計的方案在其上鉆通孔，孔徑分別為2，4，6mm，穿孔率分別為3%，6%，10%；將穿孔面板與雙層蜂窩夾芯組合為目標(biāo)吸聲板，將其加工成尺寸為φ96的試件用于吸聲測試.

圖1為雙層蜂窩夾芯與穿孔面板復(fù)合的木質(zhì)吸聲板結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Double－layer honeycomb sandwich structural wooden acoustic board

穿孔面板（1）和前層蜂窩夾芯（2）組成多亥姆霍茲共振器陣列結(jié)構(gòu)，其由許多單孔共振腔并聯(lián)而成，單孔由窄頸口和大蜂窩腔組成，材料外部空間與內(nèi)部蜂窩腔體通過窄頸口連接.在聲波作用下，孔徑中的空氣柱就像活塞一樣往復(fù)運動，開口處振動的空氣由于摩擦而受到阻滯，使部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，主要在中低頻產(chǎn)生一定的吸聲效果.兩層蜂窩板之間的紙質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)（3），在聲波激勵下產(chǎn)生振動變形，以此來達(dá)到消耗聲能的效果，并主要在低頻域起到吸聲作用.后層蜂窩夾芯（4）兼有多孔板和背后空氣腔結(jié)構(gòu)的復(fù)合效果，由于材料內(nèi)部含有大量敞開的孔隙，當(dāng)聲波入射到材料表面時，聲波衰減主要由兩種機(jī)理所引起：一是由聲波振動引起孔隙內(nèi)的空氣運動，造成空氣與孔壁進(jìn)行摩擦，緊靠孔壁和纖維表面的空氣因摩擦和黏滯力的作用，使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使得聲波衰減，達(dá)到吸聲目的；二是孔隙中的空氣與孔壁、纖維之間的熱交換所引起的熱損失，也使得聲能有所衰減，并主要對中高頻聲波起到一定的吸聲作用.底板（5）主要用來對吸聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行黏附和機(jī)械支撐.綜上所述，將穿孔面板和前層蜂窩夾芯組合可以對中低頻域聲波產(chǎn)生消耗作用，兩層蜂窩夾芯之間的紙質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)能對低頻域聲波產(chǎn)生消耗作用，后層蜂窩夾芯則主要對中高頻域產(chǎn)生消耗作用.由此可見，復(fù)合結(jié)構(gòu)在設(shè)計意圖上體現(xiàn)出其在全頻帶范圍內(nèi)吸聲的目的.

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選的正交試驗設(shè)計

為了提高試驗效率，縮小隨機(jī)誤差的影響，并能有效地統(tǒng)計分析試驗結(jié)果，本文運用正交試驗法，綜合分析雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸聲性能指標(biāo)的影響規(guī)律和吸聲效果，從而確定最優(yōu)工藝方案.選取面板孔徑d，面板穿孔率p，前、后蜂窩夾芯空腔深度a，b作為考察吸聲性能的因素，每個因素選取3個水平.面板孔徑和穿孔率的因素水平設(shè)計以當(dāng)前市場常見的穿孔吸聲板為依據(jù)并加以適當(dāng)擴(kuò)展，前、后蜂窩夾芯空腔深度的因素水平選取由購進(jìn)的蜂窩夾芯板厚度所決定.數(shù)據(jù)分析過程中，由于正交表方差分析的總偏差平方和等于各列的偏差平方和，在這種情況下沒有辦法對誤差項作出估計，所以又進(jìn)行了重復(fù)試驗.

1.3 吸聲性能測試

利用杭州愛華儀器有限公司生產(chǎn)的AWA 6122A 型駐波管，按照GBJ 88—1985《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量范圍》進(jìn)行試驗，測量雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的法向吸聲率；按照GB 3240—1982《聲學(xué)測量中的常用頻率》測試125，250，500，1000，2000，4000Hz這6個倍頻程頻率的吸聲率，在工程中依據(jù)250，500，1000，2000Hz處吸聲率的算術(shù)平均值來計算降噪系數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果

正交試驗和重復(fù)試驗的數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1所示.以降噪系數(shù)NRC為考察指標(biāo).

表1 正交試驗的數(shù)據(jù)及結(jié)果Table 1 Orthogonal test scheme and results

2.2 極差分析

表2為正交試驗的極差分析，其中面板穿孔直徑d，面板穿孔率p，蜂窩前腔深度a 和后腔深度b分別對應(yīng)A，B，C 和D 這4個因素；Ki表示各因素在同一水平下試驗結(jié)果的平均值（i＝1，2，3）；ΣKi表示各因素在同一水平下的試驗結(jié)果之和；R 表示K 值的最大值與最小值之差.由表2可知，在試驗因素水平變化范圍內(nèi)，影響降噪系數(shù)NRC 的各因素順序為：蜂窩后腔深度＞蜂窩前腔深度＞面板穿孔直徑＞面板穿孔率.

表2 正交試驗的極差分析Table 2 Orthogonal test range analysis mm

圖2為降噪系數(shù)與結(jié)構(gòu)因素關(guān)系圖，由圖2可知，蜂窩夾芯的前腔深度取10mm 或20mm 均可，但從縮減體積和降低成本考慮，應(yīng)首取10mm；后腔深度取20mm 最佳；面板穿孔直徑和穿孔率的影響不大，可根據(jù)實際加工條件確定.

2.3 方差分析

圖2 降噪系數(shù)與結(jié)構(gòu)因素關(guān)系圖Fig.2 Relation diagram between noise reduction coefficient and structural factors

雖然極差分析可以直觀地表示各因素對考核指標(biāo)影響的主次順序，但它未把試驗過程中由試驗條件改變與由試驗誤差所引起的數(shù)據(jù)波動嚴(yán)格地區(qū)別開來，也沒有提供一個用來判斷所考察因素的作用是否顯著的標(biāo)準(zhǔn).為了彌補(bǔ)極差分析的不足，現(xiàn)采用方差分析的方法，其結(jié)果見表3.方差分析結(jié)果同樣表明：蜂窩夾芯的前、后腔深度對單穿孔板雙層木質(zhì)蜂窩夾芯吸聲性能有極顯著的影響，而孔徑和穿孔率影響則不顯著.因此，可初步確定雙層木質(zhì)蜂窩夾芯吸聲板的較佳工藝方案為：蜂窩前腔深度為10mm，蜂窩后腔深度為20 mm，面板穿孔孔徑為2～6mm，面板穿孔率為3%～10%.

表3 正交試驗的方差分析Table 3 Orthogonal test variance analysis

2.4 驗證試驗

優(yōu)選出雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的工藝參數(shù)后，根據(jù)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行驗證試驗，測定其吸聲系數(shù)，測試重復(fù)進(jìn)行3次，以確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，結(jié)果如表4所示.由表4可知，雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的平均降噪系數(shù)為60.17%，已達(dá)到Ⅰ級降噪水平，這證明該優(yōu)選工藝方案是科學(xué)可行的.由圖3所示的最佳工藝條件對應(yīng)的降噪性能曲線可知：面板穿孔直徑d為4mm，穿孔率p 為6%，前、后蜂窩夾芯厚度a，b分別為10，20mm 的復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲板在250Hz處的吸聲率就已超過20%，在500 Hz處接近60%，在1000Hz處達(dá)到70%，在2000Hz處更是高達(dá)90%.

表4 驗證試驗結(jié)果Table 4 Results of verification test

圖3 最佳工藝條件下的吸聲性能曲線Fig.3 Acoustic curve of the acoustic boards with the best structural parameters

2.5 與相近結(jié)構(gòu)吸聲板的性能比較

選擇單層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板作為比照對象，除芯層層數(shù)不同外，兩者的面板材料均為3.5 mm厚中密度纖維面板，穿孔直徑均為4mm，穿孔率均為3%.單層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的蜂窩層厚度為30mm，雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的前層蜂窩芯厚度為10mm，后層蜂窩芯厚度為20mm，兩層之間的紙質(zhì)薄層厚1mm.兩者經(jīng)駐波管測試得到的吸聲曲線如圖4所示.由圖4可以發(fā)現(xiàn)，與單層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板相比，雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板在250，500，1000Hz處吸聲性能均得到明顯提高，吸聲頻帶范圍增寬.這種結(jié)果表明雙層蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)結(jié)合了比單層蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)更多的吸聲機(jī)制，具有符合設(shè)計預(yù)期的吸聲效果，而在原料投入、占據(jù)空間、制造成本方面卻相差無幾.因此，采用雙層蜂窩結(jié)構(gòu)具有更好的性價比優(yōu)勢，擁有市場潛力和發(fā)展空間.

3 結(jié)論

圖4 單、雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板吸聲性能曲線Fig.4 Acoustic curves of both single and double honeycomb sandwich structure wooden acoustic board

雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板組合了多孔、亥姆霍茲共振器和輕質(zhì)薄板共振的吸聲機(jī)制，實現(xiàn)了寬頻帶的吸聲降噪效果.蜂窩芯層的厚度及組合是影響其吸聲性能的關(guān)鍵因素.在最佳工藝參數(shù)（前層蜂窩芯厚度10mm，后層蜂窩芯厚度20mm，面板穿孔直徑2～6mm，面板穿孔率3%～10%）下，該吸聲板在250，500，1000，2000 Hz的吸聲率分別達(dá)到24%，60%，70%，90%，降噪系數(shù)達(dá)到60.17%，滿足Ⅰ～Ⅱ級降噪需求.

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