穿孔率對(duì)木質(zhì)穿孔板吸聲性能的影響

朱廣勇 ，彭立民 ，傅 峰 ，王 東 ，宋博騏

（1.中國(guó)林科院 木材工業(yè)研究所 國(guó)家林業(yè)局木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100091；2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

穿孔率對(duì)木質(zhì)穿孔板吸聲性能的影響

朱廣勇1，2，彭立民1，傅 峰1，王 東1，宋博騏1

（1.中國(guó)林科院 木材工業(yè)研究所 國(guó)家林業(yè)局木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100091；2.六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004）

木質(zhì)穿孔板具備良好的吸聲特性，可用于控制噪聲和優(yōu)化室內(nèi)聲環(huán)境，且具有一定的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，已被廣泛用做裝飾材料。以中密度纖維板(MDF)為基材，利用阻抗管傳遞函數(shù)法測(cè)試穿孔率分別為0、3.14%、4.91%和7.07%的木質(zhì)穿孔板吸聲性能，測(cè)試時(shí)板后空腔為50 mm，分析穿孔率變化對(duì)木質(zhì)穿孔板吸聲特性各指標(biāo)的影響規(guī)律，結(jié)果表明：隨著穿孔率的增加，木質(zhì)穿孔板的吸聲系數(shù)峰值有所下降，吸聲頻帶增寬，共振頻率往高頻方向移動(dòng)。試驗(yàn)研究得出木質(zhì)穿孔板的吸聲規(guī)律與穿孔率的關(guān)系，為穿孔板的加工、應(yīng)用及今后的進(jìn)一步研究提供了一定的理論支撐。

木質(zhì)穿孔板；穿孔率；吸聲系數(shù)峰值；吸聲頻帶；共振頻率

關(guān)于穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)的研究，最早可追溯至1947年，Bolt首次提出將穿孔板作為吸聲板材使用[1]，并對(duì)其吸聲性能作了簡(jiǎn)單的分析。Callaway發(fā)現(xiàn)穿孔率是影響穿孔板吸聲性能的主要因數(shù)，當(dāng)穿孔板穿孔率低于5%時(shí)，吸聲系數(shù)隨材料密度增加而增加、隨穿孔率的增加而降低[2]。Suuivan和Croeker測(cè)量研究了穿孔率為4.2%穿孔板的吸聲性能[3]。這些研究都是集中在金屬材料的穿孔板，而金屬穿孔板主要應(yīng)用于消聲器的設(shè)計(jì)和制造，很少用于室內(nèi)裝修。

當(dāng)今的建筑裝飾材料很大一部分采用的是木質(zhì)材料，然而針對(duì)木質(zhì)穿孔板吸聲性能的研究并不多，鐘祥璋[4]測(cè)試了穿孔率分別為6.5%和12%槽木穿孔板吸聲性能，當(dāng)在這兩種板后留一定空腔深度和加入適當(dāng)?shù)亩嗫孜暡牧?，整個(gè)吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能良好。侯清泉采用駐波管的方法，對(duì)以4 mm中密度纖維板為基材，穿孔率分別為3%、6%和10%的木質(zhì)穿孔板吸聲系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，并用有限元軟件Ansys進(jìn)行了分析[5]。臺(tái)灣研究人員采用混響室法測(cè)試研究穿孔率0%、8.4%和15.1%的20 mm厚花旗松刨花板穿孔板吸聲系數(shù)，結(jié)果顯示，3種不同穿孔率的穿孔板在中高頻段的吸聲系數(shù)有顯著的差異[6]；還研究了穿孔率分別為0%、7.9%和14.8%的孟宗竹半穿孔竹復(fù)合嵌板吸聲特性[7]，結(jié)果表明，在特定的范圍內(nèi)，不同穿孔率對(duì)穿孔板吸聲性能的影響呈現(xiàn)一定的規(guī)律。除此之外，未見更多關(guān)于木質(zhì)穿孔板的研究[8]。

綜上所述，我國(guó)學(xué)者僅僅對(duì)厚度為4 mm不同穿孔率的薄中密度纖維板進(jìn)行了初步研究，對(duì)于市場(chǎng)常用厚度的中密度纖維板還沒有進(jìn)行研究，臺(tái)灣學(xué)者也僅僅對(duì)刨花板和竹木復(fù)合穿孔板進(jìn)行研究。為了進(jìn)一步探討穿孔率對(duì)木質(zhì)穿孔板聲性能的影響規(guī)律，本研究以15 mm厚度的中密度纖維板為試驗(yàn)材料，研究不同穿孔率的板材吸聲性能，總結(jié)穿孔率對(duì)木質(zhì)穿孔板吸聲性能的影響規(guī)律，為今后木質(zhì)穿孔板進(jìn)一步研究和加工應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

中密度纖維板，板厚15 mm，含水率8.5%，密度為719.0 kg/m3，購(gòu)置于北京森然木業(yè)有限公司。

1.2 加工測(cè)試方法

試件加工：采用計(jì)算機(jī)控制加工系統(tǒng)Ncstudio匹配精雕機(jī)床加工被測(cè)試件，大管測(cè)試試件直徑Φ100 mm，小管測(cè)試試件直徑Φ30 mm，開孔直徑均為3 mm，孔間距分別為10 、12、15 mm，對(duì)應(yīng)的穿孔率分別為7.07%、4.91%、3.14%，制備一組不開孔的試件作為對(duì)照組，每組加工3個(gè)試件。

北京聲望公司生產(chǎn)的阻抗管測(cè)試系統(tǒng)：阻抗管SW422（直徑100 mm），阻抗管SW477（直徑30 mm），校準(zhǔn)器CA111，功率放大器PA50，四通道聲學(xué)分析儀MC3242，噪聲振動(dòng)測(cè)試軟件VA-Lab。

測(cè)試條件：大氣溫度，20.0 ℃；相對(duì)濕度，50.0%；大氣壓力，101 325.0 Pa；大氣密度，1.2 kg/m3；聲速，343.237 m/s；空氣的特征阻抗，412.568 Pa·s/m。

依據(jù)ISO 10534-2:1998(GB/T18696.2-2002)《聲學(xué)-阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量 第二部分：傳遞函數(shù)法》進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)量，測(cè)試時(shí)板后空腔深度為50 mm，頻率范圍為80～6 300 Hz，取1/3倍頻程中心位置對(duì)應(yīng)的吸聲系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

圖1為4條曲線表示穿孔率分別為7.07%、4.91%、3.14%和0的木質(zhì)穿孔板吸聲系數(shù)。

圖1 不同穿孔率木質(zhì)穿孔板的吸聲系數(shù)Fig.1 Relative curves of sound absorption coef fi cients and frequency of perforated panel with different perforation rate

由圖1可以看出，未穿孔時(shí)，在整個(gè)測(cè)試頻帶范圍內(nèi)，中密度纖維板的吸聲系數(shù)均不到0.1，幾乎沒有吸聲性能。在穿孔情況下，木質(zhì)穿孔板的吸聲特性主要集中在1 000 Hz以下的中低頻范圍內(nèi)，穿孔率為3.14%的穿孔板共振頻率為315 Hz，穿孔率為4.91%的穿孔板共振頻率為400 Hz，穿孔率為7.07%的穿孔板共振頻率為500 Hz。隨著穿孔率的增大，有效吸聲頻帶寬度變寬，吸聲系數(shù)峰值變小，共振頻率位置向高頻方向移動(dòng)；共振頻率以后的中高頻范圍內(nèi)，穿孔率較大的木質(zhì)穿孔板同一頻率位置上的吸聲系數(shù)較大，具有較好吸聲性能。木質(zhì)穿孔板的有效吸聲范圍主要集中在共振頻率附近，一旦偏離共振頻率位置，吸聲系數(shù)迅速下降；在有效吸聲頻帶范圍內(nèi)，不同穿孔率的穿孔板吸聲系數(shù)曲線均是先增加，達(dá)到最大值后，又隨著頻率的增加而逐漸減小。1 000 Hz以后的高頻段，吸聲系數(shù)曲線幾乎平行于x軸，穿孔率越大的木質(zhì)穿孔板，高頻吸聲系數(shù)稍大，但不同穿孔率之間的差異并不大。

2.1 穿孔率對(duì)共振頻率的影響

穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)每個(gè)孔及其后面對(duì)應(yīng)的空腔可近似地看作是一個(gè)赫姆霍茲共振器，因此整個(gè)穿孔板結(jié)構(gòu)等效于由許多赫姆霍茲共振器并聯(lián)而成[9]。當(dāng)聲波進(jìn)入穿孔板上的小孔后，由于板后留有一定的空氣層，波動(dòng)引起的聲壓強(qiáng)變化刺激孔內(nèi)的空氣柱往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得空腔內(nèi)的空氣被反復(fù)壓縮，當(dāng)入射聲波頻率與穿孔板結(jié)構(gòu)固有頻率相等時(shí)，孔內(nèi)空氣柱與空腔內(nèi)空氣組成的系統(tǒng)便發(fā)生共振。系統(tǒng)達(dá)到共振，其共振頻率為：

式中：f0表示共振頻率（Hz）；L表示板后空腔空氣層深度(m)；t表示板厚（m)；d表示孔徑（m）；c表示空氣中聲速（m/s）；P表示穿孔率。

根據(jù)公式（1）可計(jì)算出不同穿孔率的穿孔板的理論共振頻率；根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，吸聲系數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的頻率值即為穿孔板的實(shí)際測(cè)量共振頻率，由吸聲系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線可以直接讀出，將理論共振頻率與實(shí)測(cè)共振頻率進(jìn)行對(duì)比。如圖2所示，隨著穿孔率的增加，木質(zhì)穿孔板的共振頻率逐漸升高，結(jié)果與 Lin and Tsai等[10]研究發(fā)現(xiàn)穿孔板穿孔率增加時(shí)，共振頻率向高頻偏移結(jié)果相一致。

圖2 不同穿孔率木質(zhì)穿孔板的共振頻率Fig.2 Resonant frequency of different perforation rate wood perforated plates

試驗(yàn)測(cè)試得到的穿孔率為3.14%和4.91%的木質(zhì)穿孔板共振頻率比理論計(jì)算得到的要小，而穿孔率為7.07%的木質(zhì)穿孔板實(shí)測(cè)共振頻率比理論計(jì)算值要大，共振頻率與穿孔率近似呈線性關(guān)系，試驗(yàn)測(cè)試值與理論計(jì)算值誤差在5%以內(nèi)，理論共振頻率與實(shí)測(cè)共振頻率差異不大，結(jié)果吻合良好。

2.2 穿孔率對(duì)吸聲系數(shù)峰值的影響

當(dāng)穿孔板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在外界聲波的刺激下達(dá)到共振時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)最激烈，聲能以最快的速度轉(zhuǎn)化為熱能，聲能損失最多，故吸聲系數(shù)達(dá)到最大值。

由圖3可以看出，中密度纖維板在沒有開孔時(shí)，吸聲系數(shù)最大值僅為0.09，幾乎沒有吸聲效果，結(jié)果與冮貴軍的研究成果相吻合[11]。原因在于中密度纖維板的纖維比較密實(shí)，當(dāng)聲波到達(dá)試件表面時(shí)，90%以上發(fā)生了反射，僅有很少一部分被吸收消耗。

圖3 不同穿孔率木質(zhì)穿孔板的吸聲系數(shù)峰值Fig.3 Sound absorption peak values of different perforation rate wooden perforated panels

經(jīng)過鉆孔加工形成穿孔板以后，吸聲系數(shù)峰值明顯提高：當(dāng)穿孔率為3.14%時(shí)，木質(zhì)穿孔板的吸聲系數(shù)峰值達(dá)到0.80；然而隨著穿孔率的增加，吸聲系數(shù)峰值有所下降，穿孔率增加到4.91%時(shí)，吸聲系數(shù)峰值為0.64；隨著穿孔率的增加，吸聲吸聲系數(shù)峰值下降的程度有所減弱，當(dāng)穿孔率繼續(xù)增加到7.07%時(shí)，吸聲系數(shù)峰值下降到0.58。穿孔率越大，聲波進(jìn)出穿孔板結(jié)構(gòu)就越容易。在穿孔率較大時(shí)，聲波經(jīng)過穿孔孔洞進(jìn)入板后空腔，在還未引起充分的振動(dòng)以后，便又在板后剛性壁面發(fā)聲反射后輕易地傳出穿孔板結(jié)構(gòu)，從而使聲能未能在穿孔板結(jié)構(gòu)內(nèi)部充分地消耗，所以吸聲系數(shù)有所下降。

2.3 穿孔率對(duì)吸聲頻帶寬度的影響

穿孔板吸聲性能隨頻率的變化而變化，在不同的頻率范圍吸聲性能的差異很大，吸聲頻帶寬度是描述穿孔板有效吸聲范圍的重要指標(biāo)，吸聲頻帶寬度是指吸聲系數(shù)峰值的1/2對(duì)應(yīng)的兩個(gè)頻率位置之間的差值，較大的為上限頻率，較小的為下限頻率。上限頻率與下限頻率的差值即為吸聲頻帶寬度。試驗(yàn)測(cè)試得到不同穿孔率木質(zhì)穿孔板吸聲上限頻率和下限頻率見表1，并可根據(jù)上下限頻率計(jì)算得到吸聲頻帶寬度。

表1 不同穿孔率木質(zhì)穿孔板吸聲頻帶寬度Table 1 Sound absorption band width of different perforation rate wooden perforated panels

隨著穿孔率的增加，木質(zhì)穿孔板的上限頻率和下限頻率均升高，且上限頻率升高的幅度更大，故穿孔率越大的木質(zhì)穿孔板吸聲頻帶寬度越寬。

當(dāng)孔徑不變，穿孔率增加意味著孔間距減小，所以相同面積的試件上孔的數(shù)量增多；板后空腔深度一定，單位面積上的孔數(shù)量增加；每個(gè)孔內(nèi)的空氣柱及其粘滯附加長(zhǎng)度一定，振動(dòng)過程中受到的摩擦阻力也不變，所以單位試件面積上所受到的摩擦阻力總和加大。所以穿孔率越大，相當(dāng)于等效機(jī)械彈簧振動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量原件增大，在振動(dòng)過程中所受到的阻尼作用增大，即系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)減小，故有效頻帶增寬[12]。

3 結(jié) 論

穿孔率是影響木質(zhì)穿孔板吸聲性能的一個(gè)主要因素，隨著穿孔率的增加（3.14%增加到4.92%再增加到7.07%），木質(zhì)穿孔板的共振頻率向高頻方向移動(dòng)（由315 Hz增加到400 Hz再增加到500 Hz），吸聲系數(shù)峰值減?。?.80減小到0.64再減小到0.58），吸聲頻帶寬度變寬，但木質(zhì)穿孔板總體吸聲頻帶寬度較窄，最寬僅有305 Hz，木質(zhì)穿孔板的吸聲性能選擇性強(qiáng)，適用于有明顯低頻噪聲場(chǎng)合進(jìn)行吸聲降噪和聲環(huán)境優(yōu)化。

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In fl uence of perforation rate on sound absorption properties of wood perforated plate

ZHU Guang-yong1,2,PENG Li-min1,FU Feng1,WANG Dong1,SONG Bo-qi1
(1.Research Institute of Wood Industry,Chinese Academy of Forestry and Key Lab. of Wood Science and Technology,State Forestry Administration,Beijing 100091,China; 2. Liupanshui Normol University,Liupanshui 553004,Guizhou,China)

Wood perforated panels have good sound absorption properties,they are used to control noise and optimize the sound environment indoor,and have a certain strength and dimensional stability; so wood perforated panels are widely used as decorative materials. Medium density fi berboard (MDF) was used as the substrates,Sound absorption properties of wood perforated plates with perforation rate 0,3.14%,4.91% and 7.07% were tested with impedance tube transfer function method. The changes of perforation rate in fl uencing on sound absorption characteristics of wooden perforated plate each index were detailedly analyzed. The results show that with the increase of perforation rate,the peak value of sound absorption coef fi cient of wood perforated plate was decreased,the frequency band width of sound absorption was widened,and the resonance frequency was moved to the high frequency; In fl uence of perforation rate on sound absorption law of wood perforated panels could be obtained through experimental studies. The fi ndings could provide theoretical support for processing,application and further research of perforated panels in the future.

wood perforated plates; perforation rate; peak value of sound absorption coefficient; sound absorption band width;resonance frequency

S718.38

A

1673-923X(2016)01-0119-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.01.020

2014-06-09

國(guó)家十二五科技支撐計(jì)劃課題：家裝材與室外材增值制造技術(shù)研究與示范（2012BAD24B02）

朱廣勇，助教，碩士 通訊作者：彭立民，副研究員，博士；E-mail：penglm@caf.ac.cn

朱廣勇,彭立民,傅 峰,等. 穿孔率對(duì)木質(zhì)穿孔板吸聲性能的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(1): 119-122.

[本文編校：謝榮秀]