材料和空腔深度對(duì)吸聲系數(shù)測(cè)定影響的研究

周理杰++羅勝利++晏雄++謝火勝++廖銀琳

摘要：

本文研究了以棉、苧麻、絲、羊毛、粘膠纖維、聚酯纖維、錦綸和腈綸8種紡織材料在不同空腔深度條件下的吸聲系數(shù)。結(jié)果表明，苧麻的吸聲效果較其他纖維織物好，被測(cè)試樣背后空腔深度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響顯著，且隨空腔深度的增加而影響越大。

關(guān)鍵詞：織物；吸聲系數(shù)；空腔深度

1 引言

目前噪聲的控制主要有4種方式：隔音、吸音、阻尼和隔振。吸聲和阻尼是最基本、應(yīng)用最廣泛的兩種方式?？刂坡晥?chǎng)環(huán)境質(zhì)量一般采用吸聲材料。吸聲材料按結(jié)構(gòu)和吸聲特性可以分為多孔吸聲材料、薄板振動(dòng)吸聲材料、共振吸聲穿孔板組合吸聲材料及簾幕吸聲材料等[1]。其吸聲機(jī)理也各不相同，多孔材料的吸聲性能是通過(guò)內(nèi)部大量連通的孔洞和微小空隙來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。當(dāng)聲波入射到材料表面時(shí)，一部分在材料的表面反射掉，另一部分則透入到材料內(nèi)部向前傳播。紡織材料屬于多孔吸聲材料，當(dāng)聲波沿著間隙或空隙進(jìn)入材料后，激發(fā)起間隙或微孔內(nèi)的空氣振動(dòng)，空氣與孔壁摩擦產(chǎn)生熱傳導(dǎo)作用，而空氣因具有粘滯性，在微孔和間隙內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的粘滯阻力，使振動(dòng)空氣的能量轉(zhuǎn)化為熱能而被消耗掉。使聲能減弱從而達(dá)到吸聲的目的。因此，孔結(jié)構(gòu)緊密、相互連通的材料，其吸聲性能就好，反之，就較差。本文就8種不同纖維種類平紋織物的吸聲性能以及在不同空腔深度下它們的吸聲特性進(jìn)行了對(duì)比研究分析，為日后在吸聲材料設(shè)計(jì)的選材和設(shè)計(jì)上給出了一定建議。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品選取與制作

選用色牢度試驗(yàn)中常用的8種單纖維貼襯織物作為研究對(duì)象。樣品名稱及具體規(guī)格和參數(shù)見(jiàn)表1所示。本次試驗(yàn)采用激光裁樣機(jī)隨機(jī)在樣品上取樣，每個(gè)樣品裁取3組。其中高頻測(cè)試的樣品直徑為（29±0.5）mm的圓形試樣，低頻測(cè)試的樣品直徑為（100±0.5）mm的圓形試樣。試樣大小可以合適地安裝在試件筒內(nèi)。測(cè)試前在GB/T 6529規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境條件下進(jìn)行調(diào)濕平衡24h。

2.2 吸聲系數(shù)的測(cè)定

本次試驗(yàn)根據(jù)GB/T 18696.2—2002《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量，第2部分：傳遞函數(shù)法》標(biāo)準(zhǔn)，采用丹麥B&K PLUSE聲學(xué)材料測(cè)試系統(tǒng)（4206-T阻抗管及其配套設(shè)備）測(cè)試了8種具有不同纖維材質(zhì)、相同織物組織結(jié)構(gòu)的色牢度試驗(yàn)用單纖維標(biāo)準(zhǔn)貼襯織物的吸聲系數(shù)。同時(shí)，對(duì)這8種單纖維標(biāo)準(zhǔn)貼襯織物背后空層厚度（即空腔深度）為0mm、5mm、10mm、15mm、20mm、50mm、100mm、150mm時(shí)各織物的吸聲系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試頻率范圍為50Hz～6300Hz。

測(cè)試時(shí)，將織物夾在試件筒與阻抗管連接處，并在連接處涂上凡士林，然后，緊貼阻抗管試件筒的一端，并密封。試件不可過(guò)分受壓，不能太緊或鼓起。測(cè)試材料在一定空腔深度下測(cè)定吸聲系數(shù)時(shí)，可通過(guò)調(diào)節(jié)試件筒推桿調(diào)節(jié)深度。管中的平面聲波由（無(wú)規(guī)噪聲、偽隨機(jī)序列噪聲或線性調(diào)頻脈沖）聲源產(chǎn)生。在靠近試樣的兩個(gè)位置上測(cè)量聲壓，求得兩個(gè)傳聲器信號(hào)的聲傳遞函數(shù)，從而用此計(jì)算試件的法向入射吸聲系數(shù)[3]。

3 結(jié)果與討論

3.1 無(wú)空腔深度下材料吸聲性能比較

通常，測(cè)定紡織織物吸聲系數(shù)時(shí)，材料后背是剛性壁面。當(dāng)材料與壁面之間存在一定的空隙時(shí)，空隙之間的距離被稱為空腔的深度，有時(shí)簡(jiǎn)稱為空腔。 從圖1中可以看出，當(dāng)8種織物后面的空腔深度為0mm（即空氣層厚度0mm，也就是說(shuō)試樣緊貼）時(shí)，吸聲系數(shù)均很小。在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)，這8種織物的吸聲系數(shù)最大峰值僅滌綸在5000Hz時(shí)超過(guò)0.1。在50Hz～3500Hz范圍內(nèi)的吸聲系數(shù)十分接近，吸聲系數(shù)值均很小，表示它們對(duì)這一頻段的聲波基本上不具有吸聲能力。

3.2 相同空腔深度下不同纖維織物吸聲性能比較

從圖2至圖8看出，無(wú)論是5 mm、10 mm、50 mm還是150 mm的空腔深度下，這8種織物在同一空腔深度、同一頻率下的吸聲性能大致可分為三個(gè)集團(tuán)，其中桑蠶絲織物和苧麻織物的吸聲系數(shù)在高頻區(qū)的吸聲系數(shù)最為可觀，屬于第一集團(tuán)。粘纖、滌綸、棉和錦綸的吸聲系數(shù)在有空腔的情況下提高較大，屬于第二集團(tuán)，雖不如第一集團(tuán)的桑蠶絲織物和苧麻織物，但比第三集團(tuán)的毛織物和腈綸織物吸聲效果要好。另外，還可看出，8種織物在相同空腔深度時(shí)，吸聲系數(shù)的頻譜變化趨勢(shì)大都相似，只是數(shù)值高低存在一定的差異。再結(jié)合表1可以看出，織物的吸聲特性一定程度上符合材料克重的增加使其吸聲系數(shù)頻譜曲線整體上移這一規(guī)律。

但是，這8種織物中桑蠶絲織物的頻譜圖與其他7種織物的頻譜圖又存在明顯的不同：在空腔深度不大時(shí)，桑蠶絲織物的吸聲頻譜圖出現(xiàn)的拐點(diǎn)明顯比其他織物要早，表現(xiàn)出與眾不同的特性。根據(jù)織物緊密程度和克重來(lái)看，由于桑蠶絲織物結(jié)構(gòu)相對(duì)緊密、克重小而輕薄，形成膜吸聲結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生膜振動(dòng)效應(yīng)，因而在低頻段的吸聲性能變得較為優(yōu)越，吸聲系數(shù)提高明顯，其在低頻段的吸聲頻譜圖變化較快。

3.3 不同空腔深度下相同纖維織物吸聲性能比較

采用駐波管測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試各纖維織物在背后空腔深度為0mm、 5mm、10mm、15mm、20mm、50mm、100mm和150mm時(shí)的吸聲系數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)各織物背后出現(xiàn)空腔時(shí)，它們?cè)诟黝l段的吸聲系數(shù)比沒(méi)有空腔（即織物緊貼測(cè)試儀的剛性壁）時(shí)的吸聲系數(shù)明顯提高。如圖9至圖16所示。各織物對(duì)16Hz～3500Hz頻段的吸聲系數(shù)有一定提高，在高頻段的吸聲系數(shù)提高幅度尤為明顯，而且，隨著空腔深度加大，8種織物均表現(xiàn)出相同的特性：第一共振吸收頻率逐漸向低頻方向移動(dòng)，桑蠶絲織物和苧麻織物的吸聲系數(shù)提高尤為明顯。

再結(jié)合表1可以看出，絲織物雖然克重較小，當(dāng)絲織物背后存在空腔時(shí)，其吸聲系數(shù)在空腔深度變化初期，隨著空腔深度的加大而逐漸增大，且在測(cè)試波段的吸聲系數(shù)比其他7種織物提高得更快。如絲織物在空腔深度為5mm、10mm、20mm時(shí)，其吸聲系數(shù)頻譜特征曲線均不不同于其他纖維織物，其他7種織物未出現(xiàn)極大值和極小值，而絲織物則已經(jīng)出現(xiàn)了一個(gè)極大值和極小值，并且隨著空腔深度的進(jìn)一步加大，極大值和極小值出現(xiàn)的位置逐漸向低頻移動(dòng)。這是因?yàn)榻z織物結(jié)構(gòu)組織緊密且較薄，織物與阻抗管的剛性壁之間的空氣層形成了共振吸聲結(jié)構(gòu)，在共振頻率處出現(xiàn)最大吸收系數(shù)，并且是吸聲平帶得到了一定的拓寬[4]。

除絲織物外的其他7種織物試樣只有在空腔深度為50mm時(shí)，接近出現(xiàn)了兩個(gè)極大值和極小值；當(dāng)空腔深度為100 mm時(shí)，各纖維織物吸聲系數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了3個(gè)極大值和極小值，且極大值和極小值逐漸向低頻移動(dòng)，也呈現(xiàn)一定的周期性?？涨簧疃却笥?00 mm時(shí)，絲織物的膜振動(dòng)吸收作用已不再明顯，其吸聲系數(shù)頻譜曲線的極大值和極小值與其他織物基本同步，平均吸收系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)空腔深度為150mm時(shí)，出現(xiàn)了4個(gè)極大值和3個(gè)極小值，各纖維織物吸聲系數(shù)頻譜圖第一個(gè)極大值和極小值繼續(xù)向低頻段移動(dòng)，而高頻段頻譜曲線變得較為平緩。極大值和極小值的差距逐漸縮小，高頻段吸聲系數(shù)的頻譜圖變得平緩。除前面提到的因產(chǎn)生膜振動(dòng)效應(yīng)的絲織物外，其他各織物的最大共振吸收頻率和最小共振吸收頻率移動(dòng)速度也基本同步[5]。各材料在不同空腔距離時(shí)，吸聲系數(shù)極大值和極小值的頻率位置基本出現(xiàn)在同一頻率上，幾乎與纖維的材質(zhì)無(wú)關(guān)。

因此，結(jié)合圖1可看出，隨著織物背后空腔深度變化，8種織物的吸聲頻譜圖在整個(gè)測(cè)量頻率范圍內(nèi)極小值和極大值的個(gè)數(shù)明顯增加，而且基本出現(xiàn)在同一頻率上。另外，綜合各圖可以看出，材料在不同空腔距離時(shí)吸聲系數(shù)極大值和極小值出現(xiàn)的頻率位置呈現(xiàn)出的規(guī)律性，與當(dāng)D≈（1/4）λ1、（3 /4）λ2、（5/4）λ3，…或λ≈ 4D/（2n-1）λn=1，2，3，…時(shí)出現(xiàn)吸聲系數(shù)極大，當(dāng)D ≈（1/2）λ1、λ2 、（3/2）λ3，…或λ ≈ 2D/nλn=1，2，3，…時(shí)出現(xiàn)吸聲系數(shù)極小這一結(jié)論有較好的吻合[6]。也在一定程度上驗(yàn)證了以色列Y.Shaoshani以及丹麥F.Ingerslev關(guān)于單層薄布和機(jī)織物吸聲性能的測(cè)試結(jié)果，即背后空氣層厚度D≈λ/2時(shí)出現(xiàn)吸聲極小值，而D≈λ/4、（3/4）λ時(shí)出現(xiàn)吸聲極大值。其產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因可用德國(guó)聲學(xué)家H.Kuttruff認(rèn)為的“在1/2波長(zhǎng)出現(xiàn)吸聲系數(shù)小是由于聲波質(zhì)點(diǎn)速度極小的原因造成的”來(lái)解釋[7，8]。

4 結(jié)論

（1）織物結(jié)構(gòu)緊密的輕薄絲織物，在存在一定空腔深度時(shí)，因?yàn)榇嬖谀ふ駝?dòng)效應(yīng)，其吸聲性能變得較為優(yōu)越，其在低頻段的吸聲頻譜圖變化較快。

（2）同一材料在不同空腔深度時(shí)，吸聲系數(shù)極大值和極小值出現(xiàn)的頻率位置具有明顯的規(guī)律性：在空腔深度較小時(shí)，隨著空腔深度增加，吸聲系數(shù)頻譜圖向低頻方向移動(dòng)，材料低頻吸聲系數(shù)逐漸增加。也就是說(shuō)，空腔深度的變化，使得纖維織物的高頻和低頻的吸聲性能也產(chǎn)生了明顯差異。

（3）除非發(fā)生一定的膜振動(dòng)效應(yīng)，否則各纖維織物在不同空腔距離，吸聲系數(shù)極大值和極小值的頻率位置基本出現(xiàn)在同一頻率上，幾乎與纖維材質(zhì)無(wú)關(guān)。

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（作者單位：周理杰、羅勝利、謝火勝、廖銀琳，廣州纖維產(chǎn)品檢測(cè)研究院；周理杰、晏雄，東華大學(xué)）