影響離心玻璃棉吸聲性能的因素分析

龔鳳海+聶京凱+樊超+劉主光

【摘 要】采用實驗的方法通過改變離心玻璃棉的含水率、選用不同容重的樣品以及改變離心玻璃棉與罩面板之間的內(nèi)襯材料以驗證這些因素對吸聲系數(shù)的影響，為實際應(yīng)用提供了指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】 離心玻璃棉；含水率；容重；內(nèi)襯

【Abstract】This paper uses the method of experiment to verify the effect of these factors on the sound absorption coefficient bychanging the rate of water content， with different density of samples and lining materials during centrifugal glass wooland cover panel.

【Key Words】centrifugal glass wool； rate ofwater content； density； lining

1 引言

從多孔吸聲材料的吸聲特性曲線可以看出，其吸聲性能的總變化趨勢是吸聲系數(shù)隨頻率的增加而增大，曲線從低頻到高頻是逐漸升高的，在高頻段會有不同程度的起伏，隨著頻率的增加，起伏逐步縮小，趨向一個緩慢變化的數(shù)值[1]。多孔吸聲材料的優(yōu)點在于高頻吸聲系數(shù)高、密度小，缺點則是低頻吸聲性能不佳。目前，由于其取材范圍廣加工制造相對簡單且價格比較低廉，并且一些新型多孔材料的低頻吸聲性能已經(jīng)有較大的提升，多孔吸聲材料在日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用[2]。

但是，在實際使用中，多孔材料的吸聲性能會受到許多外界環(huán)境或者自身因素的影響而不能長久保持下來，比如溫濕度變化、本身的散落等。筆者針對離心玻璃棉含水率的高低、容重的大小以及離心玻璃棉與罩面板內(nèi)襯的選擇等方面進行了實際驗證，發(fā)現(xiàn)了這些因素對離心玻璃棉吸聲系數(shù)的影響趨勢，從而對實際的應(yīng)用做出指導(dǎo)。

文中的吸聲系數(shù)測試均是使用駐波管法進行的。測量設(shè)備包括駐波管、聲源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)等部分。測試系統(tǒng)見圖1。

2 含水率對吸聲性能的影響

含水率是指多孔材料的含水重量與干燥重量的差值除以含水重量后的百分率。以下實驗中未注明處均默認為干燥狀態(tài)。

由于離心玻璃棉使用環(huán)境的差異，干燥或者潮濕的環(huán)境會使離心玻璃棉的含水率發(fā)生變化，環(huán)境潮濕時，含水率升高，離心玻璃棉的孔隙會變小或堵塞，孔隙率降低。而離心玻璃棉的吸聲性能和孔隙率有很大的關(guān)系，孔隙率低時，吸聲性能比較差，高頻段多峰現(xiàn)象不明顯，進而影響整體的吸聲效果。尤其是在極端潮濕的環(huán)境中，空氣濕度常常達到80%以上，此時離心玻璃棉的吸聲性能已經(jīng)變得很差，必須要采取適當(dāng)?shù)姆雷o措施來應(yīng)對。本節(jié)針對含水率進行驗證。

2.1 含水率變化實驗內(nèi)容

實驗使用厚度為100 mm，容重為32 kg/m3的干燥離心玻璃棉作為實驗樣塊，采用駐波管法測量其100 Hz～4 kHz、1/3倍頻程下的吸聲系數(shù)，然后逐步改變其含水率，并逐一記錄相應(yīng)的吸聲系數(shù)，通過作圖法比較同一樣塊在不同含水率下吸聲系數(shù)在不同頻段內(nèi)的變化情況。

2.2 實驗結(jié)果及分析

不同含水率樣品的吸聲系數(shù)測試結(jié)果見圖2。

根據(jù)圖2發(fā)現(xiàn)，含水率低于50%的三條曲線基本是一致的，說明含水率在一定范圍內(nèi)（約50%以內(nèi)）吸聲系數(shù)的變化并不明顯，因為在這一范圍內(nèi)，含水率對離心玻璃棉孔隙率的影響有限，吸聲系數(shù)就是材料本身的吸聲系數(shù)，吸聲性能不受影響；而隨著含水率的繼續(xù)增加，孔隙堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，離心玻璃棉材料的孔隙率有了很明顯的降低，導(dǎo)致低頻段吸聲系數(shù)逐步增加，而中高頻段吸聲系數(shù)有明顯下降，尤其是在含水率達到80%時，離心玻璃棉的孔隙率已經(jīng)很低，高頻吸聲性能已經(jīng)很弱，吸聲系數(shù)在4 kHz處下降約0.7，此時的吸聲性能已經(jīng)同離心玻璃棉常見的特性有了很大的差別，幾乎無法起到吸聲材料的作用。

根據(jù)實驗結(jié)果，在實際應(yīng)用時要考慮到環(huán)境濕度對離心玻璃棉的影響。濕度較低時，可以按照材料本身的吸聲性能進行設(shè)計施工；而如果使用場所濕度比較大，導(dǎo)致離心玻璃棉的含水率達到一個很高的水平，則不能按照材料本身的吸聲能力進行設(shè)計，必須要考慮環(huán)境濕度導(dǎo)致的吸聲體含水率的變化，并盡量采取避免措施，如放置干燥劑等，在要求嚴(yán)格的地方甚至需要選擇其他種類的吸聲材料或結(jié)構(gòu)，否則，將無法達到預(yù)期的效果。

3 容重對吸聲性能的影響

材料的容重是指單位容積內(nèi)物體的重量。

對于離心玻璃棉來說，其纖維、筋絡(luò)、顆粒本身的大小、直徑以及固體密度都不盡相同，在這些因素的影響下，其容重會有很大的不同，從而對該材料的吸聲系數(shù)產(chǎn)生不同的影響。例如纖維直徑不同，其吸聲系數(shù)就會有差異。研究表明，對于一定的纖維排列，確定吸聲特性的因素是纖維表面積的總和，在其他因素都相同的情況下，纖維直徑越小，總的表面積越大，則平均吸聲系數(shù)越大。

在一定條件下，增加容重會使低頻的吸聲系數(shù)增加，但是容重過大并不會使吸聲系數(shù)有明顯的提升，最佳容重值往往可由實驗得出[1]。

3.1 實驗方法

實驗材料選用同一厚度（100 mm）、不同容重（分別為32 kg/m3、48 kg/m3、80 kg/m3）的離心玻璃棉，同樣使用駐波管法進行測量，測試范圍為100 Hz～4 kHz，采用1/3倍頻程，驗證在不同頻段容重影響吸聲系數(shù)的規(guī)律。

3.2 實驗結(jié)果及分析

不同容重樣品吸聲系數(shù)測試結(jié)果見圖3。根據(jù)圖3實測數(shù)據(jù)可以看出，在低頻區(qū)段，隨著容重的增加，吸聲系數(shù)增加很多，這從容重32 kg/m3與48 kg/m3兩個樣品曲線的對比看得尤其明顯，從100 Hz到630 Hz，后者平均比前者吸聲系數(shù)高0.15；而到了高頻則影響很小。由此可見，容重的改變確實對于低頻的影響更大，對高頻的影響較小；容重過高的時候，中高頻吸聲性能有下降的趨勢。

4 內(nèi)襯材料對吸聲性能的影響

在實際應(yīng)用中，由于離心玻璃棉松散、易碎或易脫落的特點，所以經(jīng)常要加裝穿孔罩面板，以保護離心玻璃棉，延長其使用壽命。一般情況下，當(dāng)穿孔率超過20%時，穿孔板的聲質(zhì)量已經(jīng)非常小，聲學(xué)作用降低，因此帶來的聲能損失可以忽略，整個吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能主要由板后的離心玻璃棉決定，此時穿孔板僅僅起吸聲材料護面板的作用[1]。因此，為了保證離心玻璃棉的吸聲性能不受影響，且不會因外力或自身重力的影響而降低使用壽命，常常使用穿孔率很高（一般大于20%）的罩面板來保護離心玻璃棉。

由于罩面板的穿孔率很高，難以避免外界塵埃或雜質(zhì)通過板孔進入離心玻璃棉堵塞微孔，或者離心玻璃棉自身碎屑脫落，散入外界，污染環(huán)境，因此，常常在罩面板與離心玻璃棉中間加一層內(nèi)襯，內(nèi)襯層位置見圖4。為減小該層織物對吸聲系數(shù)的影響，一般選用透氣性高、流阻小的材料。盡管如此，該內(nèi)襯層的存在還是或多或少會影響吸聲性能，本節(jié)就對此進行了驗證。

4.1 實驗方法

本次實驗所用樣件外層為穿孔率32.6%的罩面板，板厚0.8 mm，內(nèi)層為厚度100 mm的離心玻璃棉板，容重為32 kg/m3，樣品截面示意圖見圖4。實驗時，在罩面板內(nèi)側(cè)分別貼附無紡布、無堿憎水玻璃絲布以及不加內(nèi)襯，采用駐波管法進行測試，測試范圍為100 Hz～4 kHz，采用1/3倍頻程。

4.2 實驗結(jié)果及分析

選用不同內(nèi)襯材料時的吸聲系數(shù)測試結(jié)果見圖5。

從圖5中曲線可以看出，無紡布的內(nèi)襯對吸聲效果的影響非常微小，和無內(nèi)襯離心玻璃棉的吸聲特性曲線幾乎是一致的，僅僅是在低頻有細微的差別，比起無內(nèi)襯材料吸聲性能有所降低；而無堿憎水玻璃絲內(nèi)襯和無內(nèi)襯材料的離心玻璃棉吸聲性能相比，低頻吸聲性能增加，中高頻吸聲能力大幅減低。因此，若不是對低頻吸聲有特殊要求，應(yīng)盡量避免選用該種內(nèi)襯材料。

由此可見，內(nèi)襯材料的不同也會對離心玻璃棉的吸聲性能產(chǎn)生影響，實際選用時應(yīng)予以考慮，為保證離心玻璃棉本身的特性，建議選用對離心玻璃棉吸聲系數(shù)影響較小的內(nèi)襯材料（如無紡布）。

5 總結(jié)

綜上所述，離心玻璃棉的含水率、容重以及內(nèi)襯材料均對離心玻璃棉的吸聲性能有影響，具體如下：

（1）含水率在某一范圍內(nèi)（低于50%）時，離心玻璃棉吸聲性能隨含水率變化不明顯；當(dāng)含水率繼續(xù)增加時，低頻吸聲性能提升，同時中高頻吸聲性能明顯降低，吸聲效果大大降低，將會影響使用效果；

（2）容重不同影響離心玻璃棉的吸聲性能。在本項實驗中，容重最大值為80 kg/m3。在此范圍內(nèi)，容重主要對離心玻璃棉的低頻吸聲性能產(chǎn)生影響，隨著容重的增加，離心玻璃棉的低頻吸聲系數(shù)會提升，容重過高時，中高頻的吸聲性能也會降低。

（3）內(nèi)襯材料的選取對吸聲系數(shù)也有一定的影響，在本項實驗中，無紡布內(nèi)襯的測試結(jié)果對實際吸聲系數(shù)影響很小，而玻璃絲內(nèi)襯對吸聲系數(shù)卻有較大的影響，它會提升低頻同時會降低中高頻，在實際應(yīng)用時必須加以考慮。

參考文獻：

[1] 馬大猷. 噪聲與振動控制工程手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[2] 苑改紅，王憲成. 吸聲材料研究現(xiàn)狀與展望[J]. 化工時刊，2007，21（2）：63.