纖維材料降噪結(jié)構(gòu)體的研究進展

李輝芹， 張 楠， 溫曉丹， 鞏繼賢， 趙曉明， 王支帥

(1. 天津工業(yè)大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

噪聲污染已成為危害人類身心健康的重要環(huán)境因素[1-3]。隨著社會發(fā)展與科技進步，噪聲控制越來越受到重視。噪聲控制有3個環(huán)節(jié)：抑制噪聲產(chǎn)生、控制噪聲傳播、保護噪聲接收器。在所有環(huán)節(jié)中，吸聲與隔音材料都是必需的。

纖維集合體已經(jīng)越來越多地被用于降噪。與剛性材料相比，纖維材料具有質(zhì)量輕、成本低、易加工等優(yōu)點[4-5]。作為多孔吸聲材料，紡織加工制備的纖維集合體具有良好的高頻吸聲性能[6]，但紡織品結(jié)構(gòu)疏松，隔音性能較差，且對中低頻噪聲吸聲效果不好。將纖維材料與其他材料復合構(gòu)建降噪結(jié)構(gòu)體是近來發(fā)展的方向[7]。有研究通過將纖維材料的多孔吸聲機制與其他材料的共振吸聲和阻尼降噪機制相結(jié)合，形成降噪效率更高、降噪頻譜分布更寬的新型產(chǎn)品[8-10]。

本文就近年來纖維材料降噪結(jié)構(gòu)體的構(gòu)建方式、降噪效果和作用機制等研究進展進行介紹，并對其發(fā)展前景提出展望。

1 多孔吸聲降噪結(jié)構(gòu)

1.1 多層結(jié)構(gòu)

聲波入射物體后，一部分被物體表面直接反射，另一部分進入物體內(nèi)部被吸收，還有一部分則透射到物體另一側(cè)繼續(xù)傳播，原理圖如圖1所示。聲能被物體吸收的現(xiàn)象稱為吸聲，材料吸聲效果通常以吸聲系數(shù)α表示，α大于0.2的材料被稱為吸聲材料[11-12]。

圖1 吸聲機制簡圖Fig.1 Sketch of sound absorption mechanism

纖維材料具有多孔結(jié)構(gòu)特征，比如在紡織品中纖維間就有許多毛細孔。多孔吸聲是纖維材料降噪的基本機制。聲波進入后引起纖維間毛細孔中空氣的振動，部分聲能在此過程中轉(zhuǎn)換為熱能，從而實現(xiàn)吸聲效果[13]。

構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)是比較常見的降噪結(jié)構(gòu)體形成方法。多層結(jié)構(gòu)具有因?qū)Σ煌l段噪聲響應性能不同而進行差異化吸收的優(yōu)勢，適于頻率分布較寬的噪聲吸收[14]。有研究表明，具有不同組織結(jié)構(gòu)的雙層織物，吸聲效果有明顯不同[15-16]。為此，人們嘗試將不同結(jié)構(gòu)的紡織品進行層合，以提高對不同頻率噪聲的整體降噪效果。

有研究用纖維材料與其他多孔材料層合，構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，比如將水泥基膨脹珍珠巖多孔材料與活性炭纖維(ACF)非織造布結(jié)合形成復合結(jié)構(gòu)體[17-18]。研究發(fā)現(xiàn)，將水泥基膨脹珍珠巖多孔材料與3層ACF非織造布結(jié)合后，吸聲系數(shù)可增大23%～32%；將ACF置于水泥基膨脹珍珠巖多孔材料的前方與置于后方情況進行對比，平均吸聲系數(shù)提高約20%。

1.2 夾層結(jié)構(gòu)

夾層結(jié)構(gòu)是目前纖維材料構(gòu)建吸聲結(jié)構(gòu)體的主要方式[19]。有研究采用滌綸短纖維為芯層，以滌綸非織造布為表層，制備滌綸纖維夾層結(jié)構(gòu)吸聲產(chǎn)品[20]，如圖2所示。結(jié)果表明，厚度為6.65 mm的樣品平均吸聲系數(shù)可達0.348。夾層結(jié)構(gòu)的形成增加了材料內(nèi)的分界面，應該是提高結(jié)構(gòu)體吸聲性能的主要原因。

圖2 由短纖與非織造布組成的夾層結(jié)構(gòu)Fig.2 Sandwich structure formed by staple fiber and nonwovens

文獻[21]將厚度為4 mm的2種類型非織造布作為外層，將厚度為22 mm的聚氨酯(PU)泡沫塑料作為內(nèi)層，制備了3種夾層結(jié)構(gòu)的吸聲材料，其在856 Hz的吸收系數(shù)達到了0.8。

Elikel等[22]以熔噴非織造布為中間層，紡粘非織造布為外層構(gòu)建了結(jié)構(gòu)體，如圖3所示。結(jié)果表明，以雙組分纖維做外層的夾層非織造結(jié)構(gòu)體具有更好的吸聲性能，并且隨內(nèi)層結(jié)構(gòu)體積密度增加，吸聲效應更顯著。

圖3 由2種非織造布組成的夾層結(jié)構(gòu)Fig.3 Sandwich structure formed by two types of nonwovens

1.3 梯度結(jié)構(gòu)

進行多層多孔材料吸聲體的設(shè)計時，將不同孔隙率的各層按梯度順序來排列，就形成梯度結(jié)構(gòu)。梯度結(jié)構(gòu)也是用纖維材料構(gòu)建吸聲結(jié)構(gòu)體的有效方法。

有研究將2～3層孔隙性能不相同的不銹鋼纖維材料[23-24]組成梯度結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這種梯度結(jié)構(gòu)可有效改善材料的低頻吸聲性。實驗表明：孔隙率分別為91%、85%、80% 的不銹鋼纖維材料按照孔隙率從小到大的順序排列時，頻率低于1 600 Hz時，吸聲系數(shù)最高可達0.9；反過來按照從大到小排列時，吸聲系數(shù)最高只有0.6。

Zhu等[25]采用真空燒結(jié)法將直徑為8、12、20 μm的3種不銹鋼纖維制出12種不同厚度、不同孔隙結(jié)構(gòu)的材料，并制備了1～3層孔隙率梯度結(jié)構(gòu)的吸聲材料。多層梯度結(jié)構(gòu)中所含界面更多，前方界面與后方界面間存在的聲阻率差異大時，表示系統(tǒng)中存在更多聲反射循環(huán)，即聲波在空氣-多孔材料界面和梯度材料內(nèi)部界面之間產(chǎn)生不斷反復的反射，可通過在有限厚度條件下增加界面數(shù)量，從而進一步增加吸聲系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，敖慶波等[26-28]采用不銹鋼纖維研究制備了超薄梯度吸聲結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，對于超薄結(jié)構(gòu)，孔隙率小和孔徑小的一側(cè)朝向聲源利于增強全頻段的吸聲性能。

2 多孔與共振復合降噪結(jié)構(gòu)

共振式吸聲是指當聲波進入某一具有固定共振頻率的共振結(jié)構(gòu)時，若聲波的頻率和此共振頻率相同會發(fā)生共振，使聲能大量被耗損。共振式吸聲結(jié)構(gòu)在降噪領(lǐng)域多以穿孔板形式出現(xiàn)。

對纖維材料而言，由于孔隙結(jié)構(gòu)的限制，很難在低頻降噪上有很大突破。于是有研究者將多孔吸聲機制和共振吸聲機制復合，設(shè)計高效降噪結(jié)構(gòu)體。

呂麗華等[29]采用共混熱壓工藝，以廢舊的滌綸纖維作為增強材料，將熱塑性聚氨酯作為基體材料，制出廢舊滌綸纖維/聚氨酯復合材料，并將其加工為穿孔板，與廢舊滌綸纖維織物進行貼合，制備吸聲產(chǎn)品。研究發(fā)現(xiàn)：穿孔板孔徑由1 mm增大到2 mm，產(chǎn)品對3 000 Hz噪聲吸聲系數(shù)增大71%，達到0.89；而當穿孔板厚度增加，吸聲系數(shù)峰值會向低頻方向移動，同時峰值略有減?。浑S著穿孔率的增加，材料的吸聲頻帶被拓寬，而峰值會降低；所用滌綸織物層數(shù)從1層增至3層，最大吸聲頻帶會移至800 Hz左右的區(qū)域，同時吸聲系數(shù)峰值提高76%。

田一等[30]開發(fā)了一種微孔纖維復合吸聲板，表層為微穿孔吸聲板，內(nèi)層則為鋁纖維吸聲板，如圖4所示。其吸聲曲線在1 600 Hz前有2個吸聲峰，在240 Hz及1 000 Hz左右時吸聲系數(shù)接近1。由于二者的中間腔和背后空氣腔的存在，結(jié)合成為一種雙共振吸聲結(jié)構(gòu)，在中低頻的降噪性能較好，其可以與鋁纖維吸聲板的高頻吸聲特性進行互補，結(jié)合發(fā)揮出更好的降噪效果[31-33]。

圖4 微孔纖維復合吸聲板Fig.4 Microporous fiber composite sound-absorbing panel

黃麻具有可生物降解的特點，并且具有良好的吸聲隔音效果[34]，常作為降噪材料被用于家用洗衣機、吸塵器等電器中。將黃麻氈與微穿孔板復合，可改善黃麻氈對低頻噪聲的降噪性能。Bansod等[35]將3種密度不同的黃麻氈分別與空氣層、穿孔率為1.23%的微穿孔板(MPP，見圖5)以2種構(gòu)建方式進行復合：MPP在黃麻氈之前，黃麻氈和剛性壁間有空氣層；MPP在黃麻氈和空氣層之間，如圖5所示。測試發(fā)現(xiàn)，微穿孔板在聲波入射的一側(cè)時，結(jié)構(gòu)體在中頻區(qū)域的吸聲效果較好，在500 Hz左右的吸收峰出現(xiàn)寬帶吸收現(xiàn)象。

圖5 微穿孔板Fig.5 Micro perforated panel

裴春明等[36]以玻璃棉和微穿孔板為原料，制備了吸聲結(jié)構(gòu)體。結(jié)果表明，復合結(jié)構(gòu)的吸聲效果明顯優(yōu)于微穿孔板和玻璃棉單獨存在時的吸聲效果，當纖維材料位于微穿孔板前方，對600～1 600 Hz頻段噪聲產(chǎn)生很好的吸收效果，吸聲有效頻段得到大幅拓寬，并向低頻移動。

目前，以纖維材料為原料，將多孔吸聲機制和共振吸聲機制相結(jié)合進行復合結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究中，纖維材料多被制備成氈狀或復合材料板材。在將來，其他形式的纖維結(jié)合體與共振吸聲機制的結(jié)合也值得進行探索。

3 多孔與阻尼復合降噪結(jié)構(gòu)

由于紡織材料輕薄、阻尼低等性質(zhì)，其作為隔聲材料往往效果并不顯著[37]。有研究將紡織品與阻尼材料結(jié)合提高降噪性能。

阻尼減振降噪機制即增加系統(tǒng)的阻尼，提高系統(tǒng)損耗能量的能力，從而減少結(jié)構(gòu)的振動及由此產(chǎn)生的聲輻射，來達到降噪的目的[38]。黏彈性材料是阻尼減振降噪的常用材料，其性能介于黏性和彈性材料之間，受力后分子間產(chǎn)生相對滑移，增加系統(tǒng)能量的耗散。

近年來，阻尼性能優(yōu)良的樹脂、泡沫鋁等材料常被應用到降噪中。紡織材料可通過和阻尼材料復合成降噪結(jié)構(gòu)體，來獲得更好的降噪效果。當基體材料接收到聲波，發(fā)生彎曲振動，阻尼層反復受到拉伸、壓縮，由此實現(xiàn)聲能耗散，達到降噪效果[39]。另外，加入降噪功能的填料也有利于提高材料的吸聲隔音效果[40-41]。

Yan等[42]采用溶液共混法將納米黏土填料加入聚丙烯(PP)中，制備出PP/黏土納米復合隔聲材料。測試發(fā)現(xiàn)，加入納米黏土填料可顯著提高復合材料的全頻隔聲性能，在3 200～6 400 Hz高頻下，PP/6.5%黏土樣品的隔聲量比純PP樣品提高7～14.8 dB。這種納米復合材料性能的增強歸因于聚合物基體與納米填料之間的協(xié)同效應。

Kim等[43]同樣采取溶液共混法將黏土、碳納米管混合納米填料加入到PP中，制備出了PP/黏土/碳納米管復合隔聲材料。研究發(fā)現(xiàn)：PP/4.8%黏土/0.5%碳納米管復合材料在高頻(3 200～6 400 Hz)下的隔聲量比純PP高15～21 dB，在低頻(580～620 Hz)下隔聲量比純PP高8～14 dB；加入混合填料的復合結(jié)構(gòu)體隔聲性能強于加入單種填料的復合結(jié)構(gòu)體。

椰殼纖維源于廢棄天然產(chǎn)物，其中空的單個纖維細胞賦予其較好的聲學性能，在降噪領(lǐng)域有著可替代玻璃纖維、巖棉等材料的杰出潛力。Mamtaz等[44]制備出椰殼纖維多孔材料，并將圓柱形稻殼纖維顆粒作為填料通過黏合劑和多孔材料復合到一起。研究發(fā)現(xiàn)：隨著樣品厚度、纖維顆粒組分、黏接劑用量增加和纖維粒徑的減小，吸聲系數(shù)峰值逐漸向著低頻移動；在最佳條件下，752 Hz時吸聲系數(shù)的最佳峰值達0.86。這項研究除了構(gòu)建降噪結(jié)構(gòu)體，也利于用較低成本實現(xiàn)用天然廢料作為降噪材料的再利用。

潘涵等[45]選取由硫酸鋇粉末填充的聚氯乙烯(PVC)基復合材料作為基體材料，選用EW100和EW200 2種不同型號的玻璃纖維織物作為增強材料與之復合，制備出層合結(jié)構(gòu)玻璃纖維織物/PVC基復合材料，如圖6所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維織物/PVC基復合材料與單層的PVC基復合材料相比，拉伸載荷大大提高，常溫環(huán)境下的阻尼性能提高。

圖6 玻璃纖維織物/PVC基復合材料層合結(jié)構(gòu)Fig.6 Samples of several laminated structures. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3; (d) Sample 4; (e) Sample 5

在降噪材料的研發(fā)過程中，成本及環(huán)保問題也時刻被關(guān)注。Zhou等[46]使用再生橡膠(R-Rubber)與七孔中空聚酯纖維(SHPF)為原料，制備了低成本的環(huán)保R-Rubber/SHPF復合材料，在較寬的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的阻尼性能。該復合材料的SHPF含量、厚度對聲學性能有顯著影響，橡膠材料與纖維材料質(zhì)量比為100∶25且厚度為1 mm的復合材料，在2 500 Hz時吸聲系數(shù)峰值為0.407；質(zhì)量比為100∶20的復合材料其厚度由0.5 mm增加至2 mm時，該結(jié)構(gòu)體在中低頻率下表現(xiàn)出較好的吸聲性能。

4 結(jié)束語

降噪結(jié)構(gòu)體的制備可以通過結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，使材料發(fā)揮出更好的降噪效果；但在材料復合的過程中，厚度、質(zhì)量的增加，會限制復合結(jié)構(gòu)體的應用，如在交通工具及有限空間內(nèi)，因此，降噪結(jié)構(gòu)體的研究方向必然會趨于輕薄型。

目前，纖維材料制備的降噪結(jié)構(gòu)體多對高頻噪聲效果更顯著，但對低頻噪聲的降噪效果還不理想；但是在很多情況下，如室內(nèi)空間，外界噪聲經(jīng)墻體阻隔后，進入室內(nèi)的更多是中低頻噪聲，所以，如何實現(xiàn)對中低頻噪聲的高效降噪仍是今后研究的重點。

近年來，隨著環(huán)保意識的增強，人們對綠色制造與產(chǎn)品的生態(tài)性要求越來越高。將來人們對降噪產(chǎn)品在原料的無害化、加工過程的清潔化、產(chǎn)品的生態(tài)化等方面會更加注重。而且，對降噪產(chǎn)品而言，多功能化也是將來發(fā)展的重要方向。人們對家用紡織品、裝修裝飾材料等與降噪有關(guān)的產(chǎn)品，除吸聲隔音要求外，還希望具有阻燃、防紫外線、保溫、拒污等多種功能。