紡織材料的吸聲隔聲機(jī)理及研究進(jìn)展

彭 敏，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

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紡織材料的吸聲隔聲機(jī)理及研究進(jìn)展

彭 敏，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)部，天津 300387)

紡織材料因其具有疏松、透氣、柔軟、多孔等優(yōu)良的性質(zhì)，常被用作吸音隔聲材料。論述了紡織材料的吸聲隔聲機(jī)理、紡織材料吸聲隔聲性能的影響因素，并對(duì)其研究進(jìn)展及不足進(jìn)行了闡述，指出吸聲隔聲紡織材料未來(lái)的發(fā)展方向。

紡織材料 噪音污染 多孔材料 吸聲 隔聲

隨著近代工業(yè)的不斷發(fā)展，噪音污染的問(wèn)題也日益嚴(yán)重，現(xiàn)在更與水污染、大氣污染和固體廢棄物污染并稱為地球里四個(gè)主要的環(huán)境問(wèn)題[1]。噪音污染對(duì)人體有極大的傷害，它不僅會(huì)使人感到精神難以集中、心情煩躁還有可能會(huì)引發(fā)心血管類疾病、誘發(fā)其他疾病，從而縮短人的壽命。正因如此，噪音污染所帶來(lái)的危害已被人們視為了繼空氣污染之后人類公共健康的第二個(gè)殺手，如何減少噪音污染已成為現(xiàn)今一項(xiàng)重要的任務(wù)。到目前為止，對(duì)于噪聲污染的防治，吸聲和隔聲材料的應(yīng)用是十分重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它可以有效的降低噪音污染對(duì)人體的傷害。而由紡織纖維加工而成的紡織材料因其通常具有疏松、透氣、柔軟、多孔等優(yōu)良的性質(zhì)，常被用作吸音隔聲材料。在2000年時(shí)，我國(guó)“十五”計(jì)劃更是將“絕緣隔音材料”歸為產(chǎn)業(yè)用紡織品[2]。

為了更好的減少噪音污染，我們需要認(rèn)識(shí)聲音的產(chǎn)生與傳播，吸聲隔聲的原理及吸聲隔聲材料的影響因素，以便可以采取有效的措施減少它的危害。本文主要闡述吸聲隔聲原理及紡織品在吸聲隔聲領(lǐng)域的運(yùn)用。

1 聲音

1.1 聲音的產(chǎn)生與傳播

聲音是由于發(fā)聲體的振動(dòng)而產(chǎn)生的，是通過(guò)介質(zhì)(氣體、固體或液體)傳播并能被人或動(dòng)物聽覺器官所感知的波動(dòng)現(xiàn)象。通常情況下把正在發(fā)出振動(dòng)的物體稱之為聲源，而聲音的傳播過(guò)程，實(shí)際上就是聲波能量的傳播過(guò)程。聲波在傳播的過(guò)程中會(huì)遇到各種各樣的“障礙物”，即在傳播過(guò)程中聲波會(huì)經(jīng)過(guò)很多不同的介質(zhì)，并且在此過(guò)程中聲音會(huì)受到阻礙、消耗或反射，使得聲波的能量發(fā)生變化。

1.2 聲波在多孔介質(zhì)中的傳播

聲波在多孔介質(zhì)中的傳播主要可分為吸音，隔音及透射三部分，如圖1所示，當(dāng)聲波入射到一些多孔隙、柔軟、具有一定厚度的紡織多孔介質(zhì)時(shí)，由于聲波的進(jìn)入，該多孔介質(zhì)中的氣體和纖維會(huì)發(fā)生振動(dòng)，并且相互間產(chǎn)生摩摖，而由于氣體與纖維之間的相互摩擦和粘滯阻力以及纖維自身的導(dǎo)熱性能，會(huì)使得進(jìn)入該多孔介質(zhì)的聲波能量一部分轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，從而減弱了反射聲，使得聲波的總能量降低[3]，達(dá)到吸音的效果，這種方式也是在多孔介質(zhì)進(jìn)行噪音控制中較為常用的。而當(dāng)聲波入射到表面較為光滑堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)密實(shí)的介質(zhì)時(shí)，會(huì)有小部分的聲能被該介質(zhì)吸收，而多數(shù)聲能則被介質(zhì)反射回來(lái)，其余部分則透出屏障，這種多數(shù)聲能被反射的情況使介質(zhì)能起到隔音的效果，介質(zhì)的隔音效果越好則能透過(guò)介質(zhì)的聲波也就越少。在傳播過(guò)程中，既沒有被反射也沒有被吸收的聲能則透射過(guò)多孔介質(zhì)，繼續(xù)傳播。

圖1[4] 聲波在多孔介質(zhì)的傳播

1.2 噪音控制

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)噪聲的控制主要從兩個(gè)方向進(jìn)行研究，一是對(duì)噪聲源進(jìn)行治理，即將產(chǎn)生噪音較大的的設(shè)備改造成產(chǎn)生噪音較小或不產(chǎn)生噪音的設(shè)備，這是最積極最有效的措施，但這種方法有時(shí)會(huì)受到工藝技術(shù)的限制，不能達(dá)到預(yù)期的防噪效果；二是利用聲音的特性在聲波傳播過(guò)程中通過(guò)不同的“障礙物”損耗聲波的能量，即開發(fā)具有吸音隔音功能的材料，這是目前對(duì)于噪音防護(hù)常用的手段，通過(guò)吸聲隔聲材料的輔助，有效的減小噪音的危害。降噪材料通常分為吸聲材料和隔聲材料兩大類。本文主要對(duì)后者吸聲隔聲材料的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2 吸聲

2.1 吸聲的原理及影響因素

吸聲是聲波撞擊到材料表面后能量損失的現(xiàn)象，是一種有效降低室內(nèi)聲壓級(jí)的方法[5]。

吸聲材料主要是用于降低聲音反射，因此作為吸聲材料以下兩個(gè)條件是必不可少的：一是具有大量的孔隙，二是孔與孔之間要有一定的連通。一般來(lái)說(shuō)，柔軟、疏松,且具有較多或互相貫穿微孔的紡織材料的吸聲性能較好,而反射能力較差,比較適合用作吸音材料，如羊毛氈，玻璃棉等。

2.2 吸聲系數(shù)

吸聲系數(shù)是評(píng)價(jià)材料吸聲性能好壞的主要指數(shù)之一，吸聲系數(shù)的范圍在0到1之間，吸聲系數(shù)的值越大,表示該種材料的吸聲性能就越好[6]。通常把吸聲系數(shù)>0.2的材料稱為吸聲材料。

在實(shí)際應(yīng)用中，吸聲系數(shù)的大小通常與該聲波的入射條件、頻率及該吸聲材料的原料、組織結(jié)構(gòu)參數(shù)等有關(guān), 如公式[1]所示為固體介質(zhì)材料的吸聲系數(shù)的計(jì)算公式，由公式可知a為被固體介收聲能E3與入射全部聲能E0之比[6]。

a=(E0-E1-E2)/E0=E3/E0=1-r………[1]

E1—被材料反射的聲能

E2—透過(guò)材料的聲能

E3—被材料吸收的聲能

r—反射系數(shù)

2.3 影響吸聲性能的因素

對(duì)于紡織材料，尤其是非織造纖維材料，其原材料種類的選擇、材料的厚度、密度、孔隙率、材料中空氣流阻等因素都會(huì)對(duì)其吸聲性能產(chǎn)生影響。

2.3.1 纖維的種類

對(duì)于制作吸音隔聲材料，其原材料的選擇十分重要，正確的原材料由于自身具有良好的吸聲效果，因此由其制成的吸聲材料不僅具有較好的吸聲效果，還可以避免后期較為繁雜的后整理。在吸聲材料中較為傳統(tǒng)的吸聲材料是一些由天然纖維制成的吸聲材料，如毛氈，棉麻制品等，這一類的吸聲材料因其在中高頻范圍內(nèi)有較好的吸聲效果，在過(guò)去常被用作吸聲制品，如窗簾、汽車內(nèi)飾、幕布等，但這種傳統(tǒng)的吸聲材料的防火、抗酸堿、抗潮濕能力較差，并且易老化、易腐蝕，在很多場(chǎng)合特別是室外環(huán)境下不宜長(zhǎng)期使用。

隨著不斷地發(fā)展，由金屬纖維為原料的吸聲材料開始作為新型的吸聲材料出現(xiàn)，金屬纖維材料較傳統(tǒng)纖維有很多優(yōu)點(diǎn)，如強(qiáng)度高、防火防潮、抗氧化等且由金屬纖維材料制成的吸聲隔聲材料較為環(huán)保，其制造過(guò)程不會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的污染，目前應(yīng)用較多的金屬纖維吸聲材料有：①鋁纖維，2002年雷恩指出，由于鋁纖維具有很多優(yōu)良的特性，由其加工制作而成的吸聲板具有強(qiáng)度高、材料輕薄及一定的電磁屏蔽作用，并且耐水耐火能經(jīng)得起風(fēng)吹日曬，是非常理想的室外吸聲材料；②不銹鋼纖維，作為金屬纖維，不銹鋼纖維具有耐沖擊、易加工、耐高溫高強(qiáng)等優(yōu)良的性質(zhì)，因此可以作為用在一些高溫、高強(qiáng)的特殊環(huán)境下的吸聲纖維材料；③其他金屬纖維材料，如鈦纖維、銅纖維等 。這些金屬材料通常都性能優(yōu)良，可以在不同的場(chǎng)合下作為吸聲材料，但由于金屬纖維原料的成本一般較高，無(wú)法進(jìn)行大批量的生產(chǎn)，因此我們不僅要根據(jù)不同的吸聲效果需求選擇合適的材料，更需要開發(fā)出具有高性能的紡織吸聲材料。

2.3.2 厚度

對(duì)于紡織材料，其吸聲的原理主要是利用聲波在材料中能量的逐漸消耗，而達(dá)到吸音的效果。因此，對(duì)于紡織材料其吸聲性能與該材料的厚度存在一定的關(guān)系。在一定的范圍內(nèi)，對(duì)于同一種多孔材料,隨著其厚度的增加,吸聲的頻率范圍從高頻向中、低頻移動(dòng)，并且吸聲材料的有效頻率范圍也會(huì)擴(kuò)大。

對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的紡織材料，厚度對(duì)吸聲性能的影響也存在差異，2007年謝曉麗等[5]人在研究羊毛吸聲性能時(shí)發(fā)現(xiàn)羊毛氈的吸聲效果與其厚度有關(guān)，在一定的范圍內(nèi)，保持其他影響因素不變，隨著羊毛氈厚度的增加，該羊毛氈的吸聲系數(shù)也會(huì)隨之增大，并且這一規(guī)律隨著聲波頻率的增大趨勢(shì)更加明顯，對(duì)于同等厚度的材料其高頻時(shí)的吸聲系數(shù)大于低頻時(shí)的吸聲系數(shù)。

2006年，Tilak Dias等[7]人在研究了針織物的吸聲性能時(shí)表明，當(dāng)聲波頻率在1 000Hz～3 000Hz范圍內(nèi)時(shí)，保持其他條件不變，隨著針織物厚度的增加，可以提高其吸聲的效果。但當(dāng)聲波頻率低于1 000 Hz和高于3 000 Hz時(shí)，增加針織物的厚度對(duì)其吸聲性能的影響并不明顯。

2013年，沈岳等[8]人在研究活性炭纖維材料吸聲性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活性炭纖維材料的厚度增加時(shí)，其吸聲系數(shù)隨之增加，但平均吸聲系數(shù)的增幅在逐漸的減小。

對(duì)于機(jī)織物，由于其織物密度較大，相較非織造物及針織物而言，更加適宜作為隔音材料，而非吸音材料。而對(duì)于一些無(wú)機(jī)纖維或高性能纖維，由于其本身比表面積大等結(jié)構(gòu)因素，比較適合作為吸聲材料的原料。因此在進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),通常按照中、低頻范圍所需要的吸聲系數(shù)值選擇材料厚度[6]。

2.3.3 密度

對(duì)于同種紡織多孔材料，其材料的密度越大，孔隙率越小，比流阻越大。當(dāng)密度較小時(shí)，其孔隙率增加，但密度過(guò)小則會(huì)使得內(nèi)部空氣和纖維之間的摩摖減小，導(dǎo)致其對(duì)聲能的消耗減弱，從而吸聲性能變差；適當(dāng)?shù)脑黾悠涿芏??？梢允刮暡牧蟽?nèi)部的聲阻抗提高，使得低頻的吸聲系數(shù)得到提高, 但隨著密度的增大，材料會(huì)變得厚實(shí)緊密，引起流阻的增大，使得空氣的透過(guò)量減少，造成吸聲系數(shù)的下降，因此對(duì)于吸聲材料其密度過(guò)大或過(guò)小都不利于其吸聲，故存在一個(gè)最佳的密度可以使得該材料的吸聲能力最好，并且對(duì)于不同的吸聲材料其最佳密度也有所差異。因此在進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要根據(jù)吸聲材料實(shí)際的用途、材料的原料、結(jié)構(gòu)參數(shù)等實(shí)際需要來(lái)確定該吸聲材料的密度。當(dāng)吸聲材料的厚度受到一定限制時(shí)，通過(guò)控制其密度來(lái)控制其吸聲性能是常見的手段之一。

2.3.4 纖維細(xì)度

在同一條件下，纖維原料的細(xì)度會(huì)對(duì)其吸聲性能造成一定的影響，特別是對(duì)于非織造材料。這是因?yàn)槔w維原材料越細(xì)，所形成的非織造吸聲材料的孔隙率越大，纖維的表面積也就越多，使得聲波在傳播過(guò)程中引起的空氣和纖維之間振動(dòng)摩擦增多，消耗的聲能越大[9]。2009年馬永喜等[9]人在研究針刺非織造布時(shí)指出，當(dāng)針刺非織造布中所含的纖維越細(xì)，或其細(xì)纖維的含量越高時(shí)，其吸聲系數(shù)也就越大，并且這一規(guī)律隨著聲波頻率的增加而愈加明顯。

除上述四種因素外，影響材料吸聲的因素還有纖維的形狀及是否在背后設(shè)置空氣層等因素，并且根據(jù)聲波的頻率及能量的不同，其影響因素也會(huì)有所區(qū)別。

3 隔聲

3.1 隔聲的原理及影響因素

將噪聲源和接收者分開或隔離,阻斷空氣聲的傳播,從而達(dá)到降噪目的的措施稱作隔聲[6]。隔聲作用主要是通過(guò)聲波傳播過(guò)程中介質(zhì)對(duì)聲音的反射及吸收從而抑制聲音的透射而實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于不同的材料其透聲特性與吸聲特性會(huì)有所不同,對(duì)于隔聲材料來(lái)說(shuō)，其隔聲效果主要取決于材料的原材料、密實(shí)程度、厚度、組織結(jié)構(gòu)以及表面聲阻抗。一般來(lái)說(shuō),材料表面堅(jiān)硬光滑,結(jié)構(gòu)緊密厚實(shí)的材料的吸聲性能較差,但其反射性能強(qiáng),即隔聲效果較好，可以用作隔聲材料。目前常用在公路兩旁作為的隔音板以隔絕汽車噪音給居民造成的騷擾或用在建筑方面提高房屋的隔音性。

3.2 隔聲量

衡量材料隔聲效果的主要指標(biāo)之一是隔聲量(亦稱傳聲損失)R

R =10lg(1/τ)………[2]

如公式[2]所示為隔聲量的公式，其中τ為透聲系數(shù),是透過(guò)固體介質(zhì)的聲能與入射到固體上的聲能的比值。隔聲量與聲波頻率密切相關(guān),通常在聲音低頻時(shí)其隔聲量較低,而高頻時(shí)的隔聲量較高。

4 測(cè)試方法

目前測(cè)試吸聲系數(shù)常用的方法有混響室方法和駐波管方法兩種[9]。兩種方法也各自具備其優(yōu)缺點(diǎn)，適用的對(duì)象也有所區(qū)別，并且測(cè)量的方法不同其測(cè)量結(jié)果也會(huì)存在差異，不能直接進(jìn)行比較?；祉懯曳?，可測(cè)定各種角度的入射音，其測(cè)試條件更加接近于實(shí)際的使用條件，測(cè)試結(jié)果也更加接近于實(shí)際，但該方法要求每個(gè)混響室都要有堅(jiān)硬的壁面和足夠大的體積，且要求試樣的尺寸不能太小，但對(duì)于紡織品而言，該測(cè)試方法不僅測(cè)試成本高，且對(duì)尺寸要求高，導(dǎo)致該方法的可行性較低。相較混響室法，駐波法對(duì)試樣的尺寸要求低，適用于紡織品的測(cè)試，但其測(cè)試結(jié)果誤差較大。

除上述兩種方法外，受實(shí)驗(yàn)條件的影響，許多研究人員在測(cè)試是選擇改良測(cè)試設(shè)備或自制測(cè)試設(shè)備。如1997年陳躍華[10]在研究紡織材料隔音性能時(shí)將整個(gè)系統(tǒng)采用透射式的測(cè)試方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試，2007年韓瀟【11】等人自制的聲音發(fā)射及采集裝置，并通過(guò)相關(guān)的聲音分析軟件對(duì)機(jī)織物的隔音效果進(jìn)行檢測(cè)。

5 研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

5.1 紡織材料在吸聲隔聲領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

目前紡織材料在吸聲隔聲領(lǐng)域的運(yùn)用主要是利用紡織材料為多孔材料這一特性對(duì)聲波進(jìn)行吸收，并且研究與應(yīng)用方向多為非織造材料。如汽車內(nèi)飾中常用到非織造材料，如車頂內(nèi)飾、門內(nèi)飾、后行李廂蓋板等。2005年Soriano等【12】人用玻璃棉管作為空調(diào)的吸水管，從而起到降噪的作用。2013年Nicolas Lippitz等【13】人利用金屬纖維氈作為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的消聲器的材料，從而有效的降低噪音。

傳統(tǒng)的隔聲材料大多是通過(guò)物理改性來(lái)實(shí)現(xiàn)其吸聲隔聲功能，導(dǎo)致材料厚重、成本高并且有的材料對(duì)環(huán)境具有一定的污染性。為了滿足實(shí)際需要，獲得高效廉價(jià)并且對(duì)環(huán)境無(wú)污染或污染較小的吸聲隔聲材料，就需要研究出更適宜作為降噪新材料的纖維原料。目前國(guó)內(nèi)外有不少研究人員對(duì)此進(jìn)行研究， 2012年Youngjoo Na等【14】人對(duì)用納米纖維作為一種新的吸聲紡織材料進(jìn)行了研究；Mansur對(duì)竹絲網(wǎng)增強(qiáng)水泥復(fù)合材料進(jìn)行了研究；2013年徐晟等【15】人對(duì)用竹原纖維/聚氨酯復(fù)合成為隔音材料進(jìn)行了研究；2014年劉世鋒等【16】人對(duì)鈦纖維多孔材料的吸聲性能進(jìn)行了研究等。

5.2 發(fā)展趨勢(shì)

目前對(duì)于紡織材料在吸聲隔聲領(lǐng)域的研究主要還是在其物理改性及對(duì)其纖維材料的種類的研究上，并且研究的對(duì)象基本上都是非織造材料，并未更加深入的研究紡織材料的性能，再加之沒有特別適用于測(cè)試紡織材料吸聲隔聲性的設(shè)備，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果無(wú)法有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)價(jià)不同材料的吸聲隔聲性能。

隨著噪音污染的日益嚴(yán)重，人們對(duì)于吸聲隔聲材料的需求也在增大，怎樣根據(jù)不同的需求研制出高性能的吸聲隔聲產(chǎn)品也將成為一個(gè)重要的研究方向。因此對(duì)于紡織材料在吸聲隔聲領(lǐng)域的研究不能只停留在對(duì)其物理改性或單一原料的研究上，而是應(yīng)該著手開發(fā)出高性能的復(fù)合纖維材料，使其不僅具有良好的吸聲隔聲效果還適合在特定環(huán)境下的其他性能，能付諸于實(shí)際應(yīng)用中；另外材料的織物結(jié)構(gòu)對(duì)吸聲隔聲性的影響，及對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)改性，如對(duì)材料進(jìn)行涂層，增加其隔音性能等方向也是下一步值得深入研究的方向。

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2016-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51206122)

彭敏(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料的吸聲隔聲機(jī)理。

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師。

TS101

A

1008-5580(2016)04-0173-05