隔音木質(zhì)門性能研究進展及其門芯結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

吳雙雙，徐 偉，2*

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)智庫林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210037)

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，施工噪聲、交通噪聲等帶來的噪聲污染影響人們的工作效率、身心健康和生活品質(zhì)，木門隔音結(jié)構(gòu)的研究與優(yōu)化一直是多功能木門的重要發(fā)展方向之一。本研究對隔音木質(zhì)門性能研究的現(xiàn)狀進行調(diào)研與分析，梳理其主要研究方向，并對其未來發(fā)展趨勢進行總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出一種門芯隔音結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計方法。

1 木質(zhì)門的隔音性能研究進展

隔音木質(zhì)門屬于功能型木門，是指以鋸材、膠合板、纖維板、刨花板、集成材、細(xì)木工板等人造板為主要材料制作的具有隔音、降噪效果的木門[1]。木質(zhì)門主要由門框和門扇組成，門扇由骨架和門芯構(gòu)成，骨架通常由單板或集成材構(gòu)成，是門扇的結(jié)構(gòu)部件，門芯材料的選用較為多樣，是門扇的功能部件，常見具有隔音性能的門芯填充材料有蜂窩紙板、空心刨花板等，提升門芯部件的聲學(xué)性能有助于保障木質(zhì)門的隔音效果。

根據(jù)隔音原理的不同，木質(zhì)門隔音技術(shù)主要有超厚靜音、結(jié)構(gòu)隔音、材料隔音三類[2]。

1.1 超厚隔音

超厚隔音技術(shù)的原理是基于建筑聲學(xué)中的單層墻質(zhì)量作用定律，由該定律可知，對于一定頻率的聲波，一個密實單層墻的隔聲量是由單位面積的質(zhì)量所決定，當(dāng)墻的材料確定時，通過增強隔墻厚度即可增加其隔聲量[3]。但隨著木材資源的日益緊缺以及厚度增加對木門的尺寸穩(wěn)定性有影響，同時厚度增加至一定程度后其隔聲量的增幅變緩，呈非線性的關(guān)系，因此該技術(shù)在隔音木質(zhì)門中的應(yīng)用已相對較少。

1.2 結(jié)構(gòu)隔音

結(jié)構(gòu)隔音技術(shù)的實現(xiàn)基于雙層墻的隔聲規(guī)律，主要從結(jié)構(gòu)和材料兩方面進行改良設(shè)計，以提高木門結(jié)構(gòu)的隔音效果，主要形式有通過不同材料組合成門芯板以構(gòu)成多個聲學(xué)區(qū)間、引入共振消聲的聲學(xué)結(jié)構(gòu)、改善木門結(jié)構(gòu)的閉合性等[4]。如上海開順特種門窗有限公司提出的一種不銹鋼隔音門，其原理是通過隔音擋板、吸音棉、高分子橡塑隔音毛氈和不銹鋼面板等材料組合成門板，形成多個聲學(xué)界面加快聲波的傳遞衰減；又如TATA的一款實木復(fù)合靜音門采用門框45°斜口設(shè)計和磁極相吸原理提高門板和門框的吸合性，同時門芯采用橋洞力學(xué)板，以提高密封隔音效果。門框斜口設(shè)計如圖1所示，橋洞力學(xué)板如圖2所示。

圖1 門框斜口設(shè)計

圖2 橋洞力學(xué)板

1.3 材料隔音

材料隔音技術(shù)的實現(xiàn)主要通過使用吸聲材料來完成，目前經(jīng)濟環(huán)保是聲學(xué)材料研發(fā)的重要方向。隔音木質(zhì)門常用的吸聲材料主要有兩大類：一類是穿孔材料，其是在金屬板、硬纖維板等表面穿孔，通常與結(jié)構(gòu)隔音配合實現(xiàn)共振吸聲，更進一步的是在穿孔板的基礎(chǔ)上研發(fā)微穿孔板，喬厚等基于微穿孔板理論和等效流體多孔材料模型，并通過有限元分析驗證了穿孔直徑越小或穿孔率越大時，吸聲帶寬越寬，聲學(xué)性能越好[5]。另一類是多孔材料，主要為纖維材料[6]和泡沫材料，其原理是聲波在孔隙間的黏性效應(yīng)和導(dǎo)熱性，使聲能轉(zhuǎn)化為其他能從而達到吸音效果。目前聲學(xué)材料的發(fā)展日趨多元化，復(fù)合型、環(huán)保型是其重要的發(fā)展方向，如傳統(tǒng)多孔材料與納米復(fù)合材料[7]、木基橡膠高聚物阻尼材料[8]、復(fù)合秸稈纖維砼生態(tài)板[9]等的研發(fā)。

隔音木質(zhì)門的相關(guān)專利[10]集中于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新兩方面。除聚焦于隔音性能設(shè)計優(yōu)化問題外，隨著人們審美需求的提高和對健康環(huán)保關(guān)注度的提升，近兩年隔音木質(zhì)門的專利發(fā)表中裝飾性、環(huán)保性、多功能、防變形等也受到了關(guān)注。

2 隔音木質(zhì)門的發(fā)展趨勢

隔音木質(zhì)門所用吸聲材料物理性質(zhì)有一定差異、隔音結(jié)構(gòu)多為空腔，極易造成木門的變形，因此對其尺寸穩(wěn)定性提出了更高的要求[11]。結(jié)合對木質(zhì)門隔音性能進展的研究，分析總結(jié)出隔音木質(zhì)門主要有以下三大方面的發(fā)展趨勢。

2.1 高聲學(xué)性能

以加強聲學(xué)性能研究為重點工作，主要集中在不同聲學(xué)材料的組合、不同吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計、新型功能聲學(xué)材料的研發(fā)等，其中材料—結(jié)構(gòu)復(fù)合形式將是新的設(shè)計思路。

2.2 結(jié)構(gòu)輕量化

實木門向?qū)嵞緩?fù)合門、木質(zhì)復(fù)合門方向的不斷發(fā)展和超厚隔音技術(shù)在隔音木質(zhì)門技術(shù)中被淘汰，表明了提高木材利用率、加強生態(tài)保護等對木質(zhì)門的綠色設(shè)計提出了更高要求，體現(xiàn)在整體結(jié)構(gòu)用材的減量化設(shè)計，如空心板、蜂窩板在門芯材料中的使用。

2.3 材料環(huán)?；?/h3>

《中國制造2025》明確綠色發(fā)展作為五大基本方針之一，意味著將大力推行傳統(tǒng)制造業(yè)的綠色改造。同時消費者環(huán)保意識的增強，對室內(nèi)環(huán)境中有毒有害氣體釋放的問題高度重視[12]。隔音木質(zhì)門作為室內(nèi)空間中重要的木制品之一，其綠色環(huán)保性是其必然的發(fā)展趨勢，如減少膠黏劑的使用，制作無膠木門、采用生態(tài)吸聲材料秸稈等。

3 門芯隔音結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

本研究基于隔音木質(zhì)門的發(fā)展趨勢，針對隔音木質(zhì)門的主要功能部件門芯，提出一種隔音結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。該設(shè)計的優(yōu)點在于木質(zhì)門在具備高聲學(xué)性能的同時保障了尺寸穩(wěn)定性，不易變形，同時主要結(jié)構(gòu)采用釘連接，減少膠黏劑的使用，并使用環(huán)保無害的吸聲材料。

3.1 隔音機理

通過穿孔鋁塑板和無紡布吸聲材料搭建亥姆霍茲共振系統(tǒng)，以提高門芯的隔音效果。亥姆霍茲共振系統(tǒng)是一種常見的消聲器，能夠有效抑制低頻噪聲，已有學(xué)者通過理論計算和實驗研究證明通過串聯(lián)亥姆霍茲共振系統(tǒng)可以拓寬其消聲頻帶[13]。穿孔鋁塑板的單個微孔可以看作是一個孔頸，并與空氣腔連接。由于入射聲波的波長遠(yuǎn)大于孔頸長度，因此腔中的氣體可視作“空氣彈簧”形成振動系統(tǒng)，在振動過程中聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳14]，從而達到高聲學(xué)性能的要求。同時，盧熾華等[15]通過傳遞導(dǎo)納法仿真模擬驗證了雙層串聯(lián)微穿孔板結(jié)構(gòu)具有加寬吸聲頻帶、增加吸音效果的優(yōu)點。本方案中實現(xiàn)門芯隔音功能的機理是建立雙層串聯(lián)亥姆霍茲共振系統(tǒng)，提升木質(zhì)門的隔音性能。

3.2 具體說明

隔音空心板結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3(a)和圖3(b)所示為一種用于木門門芯的隔音空心板結(jié)構(gòu)，包括由若干豎置的支撐柱1(10)和間柱11構(gòu)成的空心板間框架2，在支撐柱11左右兩側(cè)具有若干穿孔3的穿孔板4，在穿孔板4外側(cè)貼敷面板5，在穿孔板4背部設(shè)置吸聲層6，相鄰支撐柱之間設(shè)置豎直的剛性層7，剛性層位于上下兩塊穿孔板4中間，其中，穿孔板4包括穿孔板本體8，在穿孔板本體8上沿穿孔板的縱向均布若干個穿孔排9，每個穿孔排9包括沿穿孔板本體8橫向均布的若干穿孔3，同時穿孔3為亥姆霍茲共振器的頸部，穿孔板本體8與剛性層7之間的空腔為亥姆霍茲共振器的腔室。

圖3(c)和圖3(d)中，支撐柱1和10均在側(cè)面上設(shè)外側(cè)和內(nèi)側(cè)開放的穿孔板嵌槽12，穿孔板嵌槽12的槽寬與穿孔板本體8的厚度相同，穿孔板嵌槽12的槽深不超過邊柱10寬度的1/2，事實上，邊柱10可視作直角榫頭結(jié)構(gòu)，便于機械化加工。間柱11的厚度與邊柱10的厚度相差穿孔板本體8厚度的兩倍；穿孔板4嵌設(shè)在穿孔板嵌槽12內(nèi)，穿孔板4的內(nèi)表面與間柱11的外表面靠接。穿孔板4、剛性層7與支撐框架2通過釘13連接，面板5與支撐框架2膠連接。

遵循環(huán)保綠色的設(shè)計原則，盡可能選用環(huán)保、可回收的材料，減少膠黏劑的使用。其中，支撐柱1和支撐框架2的材料為LVL實木多層板；穿孔板本體8的材料為鋁塑板；面板5、剛性層7的材料為高密度板，表面可進行直接涂飾[16-21]；吸聲層6的材料為無紡布吸聲材料，其具有質(zhì)量輕、性能好、價格低、易加工的特點。

常見的穿孔鋁塑吸音板尺寸參數(shù)見表1，本方案中選用厚度為3 mm、孔徑為10 mm、穿孔率為15%的鋁塑吸音板。穿孔吸聲材料是該隔音結(jié)構(gòu)的重要組成部分，同時穿孔板聲學(xué)性能受孔徑大小、孔頸長度(穿孔板厚度)、穿孔率及其板厚空腔深度的影響。通過不同孔徑大小、孔頸長度、穿孔率及空腔深度的組合方式，能夠得到不同性能的聲學(xué)板。根據(jù)前人的研究，在單層穿孔板結(jié)構(gòu)中，控制穿孔板厚度范圍為2.8 ～ 3.2 mm、孔徑范圍8～12 mm、穿孔率13%～18%，其聲學(xué)性能最佳。在同等條件下，采用雙層結(jié)構(gòu)能夠滿足更高水平的聲學(xué)性能需求。

圖3 隔音空心板結(jié)構(gòu)1.支撐柱；2.支撐框架；3.穿孔；4.穿孔板；5.敷面板；6.吸聲層；7.剛性層；8.穿孔板本體；9.穿孔排；10.支撐柱；11.間柱；12.嵌槽；13.釘

表1 穿孔鋁塑吸音板常見規(guī)格

在工作環(huán)境下，噪聲經(jīng)面板阻擋，又經(jīng)吸聲層吸收得以減弱；當(dāng)環(huán)境噪聲中的特定頻率與亥姆霍茲共振器的固有頻率相當(dāng)時，通過穿孔進入腔室內(nèi)的特定頻率噪聲被吸收，收到良好的吸聲降噪效果。同時，門芯內(nèi)部設(shè)置鋁塑穿孔板，其具有不易變形、防水、防潮等優(yōu)良性能，有助于提高隔音木門的力學(xué)性能。

4 結(jié)束語

在綠色健康發(fā)展的大背景下，對目前隔音木質(zhì)門聲學(xué)性能發(fā)展現(xiàn)狀進行總結(jié)，并結(jié)合消費者需求，得出木質(zhì)門的發(fā)展趨勢是高聲學(xué)性能、結(jié)構(gòu)輕量化、綠色環(huán)保。由于木質(zhì)門的零部件較多，本研究主要針對木門的主要隔音功能部件門芯進行一種隔音空心板的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，借鑒目前在船艦、航空等方面應(yīng)用較多的亥姆霍茲共振器進行一種適用于木門使用的結(jié)構(gòu)改良設(shè)計。后續(xù)可通過建立等效模型進行理論計算，采用有限元法[22]和打樣驗證該結(jié)構(gòu)的實際隔音性能，在此結(jié)構(gòu)上可以選用不同的吸聲材料進行比較和優(yōu)化，以達到更好的隔音效果并取得較好的經(jīng)濟效益。