熔噴非織造材料/玻璃纖維復(fù)合材料的吸聲性能研究

史 磊 劉建立 左保齊

(1.蘇州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，蘇州，215123;2.江南大學(xué)，無(wú)錫，214000)

近些年來(lái)，噪聲已被認(rèn)為是危害性很大的污染源之一。隨著現(xiàn)代工業(yè)、交通運(yùn)輸和城市建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，特別是城市人口的急劇增加，城市噪聲污染已變得日益嚴(yán)重。因此，如何降低噪聲的危害已成為目前一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。從設(shè)計(jì)原理劃分，目前應(yīng)用較普遍的吸聲產(chǎn)品可分為共振式吸聲結(jié)構(gòu)產(chǎn)品和多孔吸聲材料產(chǎn)品。共振吸聲結(jié)構(gòu)是指穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，此類吸聲體常適用于低頻段聲波，特別是在噪聲頻譜中發(fā)現(xiàn)低頻段具有明顯峰值的情形，因而其有一定的頻帶限制。相比于穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，多孔吸聲材料吸聲性能一般是高頻優(yōu)于低頻，且具有較寬的頻率范圍，是新型吸聲材料的主要發(fā)展方向。非織造材料是典型的多孔材料，具有成本低、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特征，在吸聲領(lǐng)域有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?-3］。本研究將熔噴非織造材料與玻璃纖維布通過熱熔纖網(wǎng)構(gòu)成復(fù)合材料(圖1)，并測(cè)試其吸聲性能，探討不同層數(shù)熔噴非織造材料與玻璃纖維布復(fù)合后吸聲性能的變化及其原因。該復(fù)合材料可應(yīng)用在汽車、會(huì)議室、實(shí)驗(yàn)室、工廠、錄音棚、禮堂、影院和家庭裝修等不同場(chǎng)合，用于吸聲降噪。

圖1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

(1)熔噴非織造材料，面密度26.41 g/m2，厚度0.253 mm，容重1.04×105g/m3，記作RP;

(2)玻璃纖維布，面密度61.14 g/m2，厚度0.512 mm，容重1.19 ×105g/m3，記作 BX;

(3)聚酰胺(PA)絲網(wǎng)狀熱熔膠(熱熔纖網(wǎng))，上海遠(yuǎn)智熱熔膠有限公司。

1.2 儀器與工具

駐波管，北京聲望聲電技術(shù)有限公司;

YG141N型織物厚度儀，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;

圓形取樣器，蘇州金星通用機(jī)械廠;

HD101A熱風(fēng)干燥烘箱，南通宏大實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;

賽多利斯分析天平;

玻璃板兩塊，30 cm×50 cm，相當(dāng)于壓強(qiáng)為0.15～0.2 kPa;

剪刀，50 cm鋼尺。

1.3 試樣制備

本試驗(yàn)是將不同層數(shù)的材料復(fù)合在一起，測(cè)試其吸聲性能。試樣的制備方法是:先按試驗(yàn)方案分別制備熔噴非織造材料和玻璃纖維布的疊層材料，然后將不同層數(shù)的玻璃纖維疊層材料和不同層數(shù)的熔噴非織造疊層材料復(fù)合制成復(fù)合材料(中間層為玻璃纖維疊層材料，兩側(cè)為熔噴非織造疊層材料)。

1.3.1 同種原材料疊層材料的制備

將原材料裁剪成30 cm×50 cm大小，按照試驗(yàn)方案需要的層數(shù)，在層與層之間夾入熱熔纖網(wǎng);將一塊玻璃板放入熱風(fēng)干燥烘箱底部并開啟烘箱，預(yù)設(shè)溫度115℃;當(dāng)烘箱內(nèi)的溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，放入準(zhǔn)備好的材料，熱熔纖網(wǎng)融化將材料粘接在一起，(1±0.3)min后取出材料，放在平板上，用另一塊玻璃板對(duì)其加壓定型3～5 s，自然降溫，即可得到復(fù)合好的疊層材料。熔噴非織造材料和玻璃纖維布的疊層材料都用此方法制備。

1.3.2 復(fù)合材料的制備

將制備好的玻璃纖維疊層材料和熔噴非織造疊層材料按制備同種原材料疊層材料的方法進(jìn)行黏合。熔噴非織造疊層材料在兩側(cè)，玻璃纖維疊層材料在中間，兩種疊層材料之間放入熱熔纖網(wǎng)疊加復(fù)合，制成測(cè)試所需的復(fù)合材料。

1.4 復(fù)合材料厚度測(cè)試

本試驗(yàn)共制備了20種不同層數(shù)的復(fù)合材料，其結(jié)構(gòu)組成和實(shí)測(cè)的厚度見表1。

表1 復(fù)合材料的厚度 (單位:mm)

1.5 吸聲性能測(cè)試

采用駐波管對(duì)復(fù)合材料的吸聲性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量采用傳遞函數(shù)法，測(cè)試結(jié)果見圖2和圖3。圖中出現(xiàn)的數(shù)字表示所在位置材料的層數(shù)，例如2-4-2表示兩側(cè)分別是2層熔噴非織造材料、中間是4層玻璃纖維布所構(gòu)成的復(fù)合材料。

圖2 不同層數(shù)玻璃纖維布的復(fù)合材料吸聲圖譜

圖3 不同層數(shù)熔噴非織造材料的復(fù)合材料吸聲圖譜

2 結(jié)果與分析

2.1 不同聲波頻率對(duì)吸聲性能的影響

從吸聲圖譜可以看出:在一定范圍內(nèi)，隨著聲音頻率的增加，吸聲系數(shù)增大;超過一定頻率之后，吸聲系數(shù)不會(huì)繼續(xù)增大。根據(jù)多孔材料吸聲機(jī)理，多孔材料內(nèi)有許多微細(xì)的小孔和間隙，當(dāng)聲波在多孔材料內(nèi)部傳播時(shí)，部分聲能在傳播的過程中轉(zhuǎn)變成熱能損耗掉，從而達(dá)到吸聲的作用。低頻聲波的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，在材料中傳播時(shí)可以更加容易地穿過，聲能損失會(huì)更少;而高頻聲波的波長(zhǎng)比較短，會(huì)加快材料內(nèi)空氣分子的振動(dòng)速度，聲波與纖維之間產(chǎn)生的摩擦?xí)觿×?，就?huì)有更多的聲能轉(zhuǎn)化為熱能。由于多孔材料間隙的大小與數(shù)量、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)等都是一定的，所以當(dāng)聲波頻率增大到一定值之后，吸聲系數(shù)并不會(huì)隨頻率的增加而增大，還可能會(huì)降低。

2.2 不同層數(shù)復(fù)合材料的吸聲圖譜分析

如圖2和圖3所示，隨著兩側(cè)非織造材料層數(shù)以及中間層玻璃纖維布層數(shù)的增加，吸聲頻率特性曲線向低頻方向移動(dòng)，中低頻段的吸聲系數(shù)明顯提高，但當(dāng)增加到一定層數(shù)之后，影響程度會(huì)逐漸變?。廴鐖D 2中(c)、(d)、(e)和圖 3 中(b)、(c)、(d)］。這說(shuō)明材料的吸聲性能與材料的厚度有密切的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，材料越厚，吸聲性能就越好［4-5］。這是因?yàn)殡S著材料厚度的增加，材料內(nèi)部空隙、小孔的數(shù)量會(huì)增多，而且聲波在材料內(nèi)部的傳播路徑也會(huì)變長(zhǎng)，因此會(huì)有更多的聲能損耗。

3 結(jié)論

(1)隨著聲音頻率的增大，復(fù)合材料的吸聲系數(shù)曲線為先上升后變平穩(wěn)或下降。

(2)中間層材料或者兩側(cè)材料的層數(shù)增加(即厚度增加)，會(huì)使吸聲曲線向低頻頻段方向移動(dòng)，吸聲圖譜變寬，吸聲系數(shù)峰值由較高頻段向低頻段偏移，中、低頻段的吸聲系數(shù)顯著提高。

(3)根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要選擇不同厚度的本研究所示結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，可以滿足吸聲降噪的要求。

(4)本研究所示結(jié)構(gòu)材料的吸聲系數(shù)與材料的其他物理參數(shù)(如孔徑大小、孔隙率等)的關(guān)系，中低頻段的吸聲系數(shù)與厚度之間的相關(guān)關(guān)系等，還有待進(jìn)一步探討。

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