纖維截面形狀對(duì)聚酯纖維材料吸聲性能的影響研究

伍發(fā)元，代小敏，方 銘，劉曉磊，李 翔，蔡 俊

(1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西南昌330096；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司，江西南昌330096；3.上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240；4.山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島266590)

0 引 言

聚酯纖維吸聲材料屬于多孔纖維材料，其具有良好的吸聲性能，同時(shí)也是一種環(huán)保型材料。而聚酯纖維本身是用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯制成的，是當(dāng)前非常普遍的一種合成纖維[1]。其材料內(nèi)部有大量微小且連通的孔隙，聲波沿著這些孔隙可以深入材料內(nèi)部，與材料發(fā)生摩擦作用將聲能轉(zhuǎn)化為熱能從而消耗聲能[2-3]。因此，吸聲性能受材料的厚度、密度、背后空腔深度及空氣流阻率等多方面的影響[4-6]，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者在此方向進(jìn)行了大量研究。Narang等[7]研究發(fā)現(xiàn)聚酯纖維的吸聲系數(shù)在 500～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)可以達(dá)到0.4～0.7，是較好的吸聲材料。閆志鵬等[8]研究了聚酯纖維針刺非織造材料在 200～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)的吸聲性能，從材料的厚度、針刺密度、表面粗糙度和組成纖維等方面來(lái)系統(tǒng)研究其吸聲性能的影響因素。Chen等[9]利用有限元軟件，研究了不同表面形狀和多孔板的多孔材料吸聲特性，證明了多孔材料的流阻率對(duì)多孔板吸聲效果的顯著影響。上述研究均是采用常用的圓形截面聚酯纖維為原材料，對(duì)異形截面聚酯纖維的研究未見(jiàn)報(bào)道。

本文選取了截面形狀為“圓形”“十字形”“扁平形”“三角形”4種聚酯纖維為原料，通過(guò)熱壓的方式制備成纖維板，采用阻抗管測(cè)量法，探究不同截面形狀聚酯纖維吸聲材料的吸聲系數(shù)隨噪聲頻率的變化特性，并根據(jù)纖維材料經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行驗(yàn)證，為建立異形截面材料吸聲性能預(yù)測(cè)模型提供了理論參考。

1 聚酯纖維吸聲特性理論模型

本文利用著名的Delany和Bazley提出的理論模型計(jì)算分析聚酯纖維材料的吸聲系數(shù)[10]。D-B模型因其足夠成熟且已得到了大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證而被廣泛應(yīng)用[11-12]，其精確程度對(duì)于實(shí)際材料的聲學(xué)性能分析有著巨大幫助。該模型根據(jù)施加到線(xiàn)性不變系統(tǒng)的聲壓與通過(guò)垂直于其施加點(diǎn)處壓力方向表面產(chǎn)生的聲學(xué)體積流速之間的關(guān)系也是線(xiàn)性的這一規(guī)律，通過(guò)拉普拉斯變換或傅里葉變化得到。該模型將纖維材料的特性阻抗和傳播常數(shù)簡(jiǎn)單地用歸一化公式fρ0r的冪函數(shù)來(lái)表示，計(jì)算公式為

式中：ZR和ZI是材料特征聲阻抗Z的實(shí)部和虛部；α和β是傳播常數(shù)γ的實(shí)部和虛部；c0為材料中的聲速；ρ0是實(shí)驗(yàn)條件下的空氣密度；f為入射聲波頻率；ρm為材料的體積密度；r為材料流阻率；C1～C8為常數(shù)。

其中，流阻率是多孔材料吸聲性能的關(guān)鍵參數(shù)，不同材料的流阻率各不相同[13-14]。Garai等[15]對(duì)聚酯纖維材料的流阻率模型進(jìn)行了修正研究，將流阻率作為其體積密度的函數(shù)，得到了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。其流阻率模型[15]為

其中：A =K2(d)-2；B=K1；K1、K2為常數(shù)；d為纖維直徑。

通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析，A、B數(shù)值分別為：A=25.989，B=1.404。

根據(jù)上述的公式和結(jié)果，可以求出纖維材料的吸聲系數(shù)αn：

式中：Zl為聚酯纖維材料特征聲阻抗，ZlR和ZlI是Zl的實(shí)部和虛部。

通過(guò)集成流阻率模型和聲阻抗模型，可以在不需要測(cè)定空氣流阻率的前提下，供測(cè)定材料厚度和體積密度等材料參數(shù)就能得到材料的聲學(xué)特性。這樣不僅可以探討相關(guān)參數(shù)對(duì)吸聲性能的影響，還能夠篩選出符合實(shí)際要求的最佳參數(shù)，從而大大縮短研究工作量，提高材料的加工和選擇效率。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 原材料

實(shí)驗(yàn)材料的纖維參數(shù)表如表1所示。

表1 纖維參數(shù)表Table 1 Fiber parameters

由光學(xué)顯微鏡實(shí)測(cè)不同截面形狀聚酯纖維的形態(tài)[16-17]如圖1所示。

圖1 光學(xué)顯微鏡下各纖維截面形態(tài)Fig.1 Shape of fiber cross-section under optical microscope

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備

LP-S-50型平板壓機(jī)：泰國(guó)Labtech工程公司；BSWA SW422 490181型阻抗管：北京聲望聲電技術(shù)有限公司；Olympus BX 43 熒光正置顯微鏡：奧林匹斯(中國(guó))有限公司。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1 樣品制備

將4種截面形狀聚酯纖維分別與低熔點(diǎn)聚酯纖維按照質(zhì)量比為1:1混合，在190℃下，熱壓8 min成型。每種纖維材料制備2個(gè)樣品。將制備得到的聚酯纖維材料按照測(cè)試儀器的截面要求，分別裁剪成直徑為 100 mm(測(cè)試頻率范圍 80～1 600 Hz)和30 mm(測(cè)試頻率范圍 1 000～6 300 Hz)的圓形試樣，如圖2所示，所需試樣體積密度均為150 kg·m-3左右，厚度均為15.6 mm。

圖2 聚酯纖維吸聲板成品Fig.2 Product of polyester fiber sound absorption board

2.3.2 性能測(cè)試

利用阻抗管聲學(xué)分析儀，按照GB/T18696.2-2002《阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)試第2部分：傳遞函數(shù)法》進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試，將需測(cè)試的試樣置于駐波管一端，保證其背后無(wú)空氣層存在，且試樣與管壁處無(wú)縫隙。每個(gè)試樣測(cè)量3次取平均值，測(cè)試頻率范圍為80～6 300 Hz。

3 結(jié)果與分析

3.1 吸聲系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

圖3為不同截面形狀的聚酯纖維吸聲板對(duì)吸聲系數(shù)的影響。由圖3可知，在低頻階段，由于材料厚度較小以及未添加空氣層輔助，材料的吸聲系數(shù)整體較小，變化不大；在300～3 000 Hz頻率范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)是頻率的單調(diào)函數(shù)，即隨著頻率的增加，吸聲系數(shù)增大，且十字形、三角形與扁平形聚酯纖維吸聲板的吸聲系數(shù)均高于圓形聚酯纖維的吸聲系數(shù)；在3 000～6 300 Hz頻率范圍內(nèi)，異形聚酯纖維吸聲板的吸聲系數(shù)開(kāi)始下降，并低于圓形聚酯纖維吸聲板的吸聲系數(shù)，而圓形聚酯纖維吸聲板的吸聲系數(shù)在此范圍內(nèi)保持持續(xù)上升并趨于穩(wěn)定。

圖3 不同截面形狀對(duì)吸聲系數(shù)的影響Fig.3 The influences of different cross-section shapes on sound absorption coefficient

3.2 理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表2為全頻段不同截面形狀聚酯纖維材料吸聲系數(shù)的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值誤差，圖4為不同截面聚酯纖維吸聲板吸聲系數(shù)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比。從表2及圖4可以看出，運(yùn)用集成模型對(duì)于圓形聚酯纖維吸聲板具有良好的預(yù)測(cè)效果。對(duì)于異形聚酯纖維吸聲板，在中低頻部分預(yù)測(cè)值總是比實(shí)測(cè)值偏低，但由于在低頻部分整體吸聲性能較低，所以偏差不大；而在高頻部分，理論值又偏高，這說(shuō)明，此預(yù)測(cè)模型僅僅適用于截面為圓形的聚酯纖維，而對(duì)于異形截面的聚酯纖維，其結(jié)果有較大出入。這是由于異形截面聚酯纖維具有更多的纖維界面和更細(xì)微的孔隙，不能單純地通過(guò)體積密度計(jì)算獲得流阻率進(jìn)而得到吸聲系數(shù)，需要通過(guò)實(shí)測(cè)流阻率，進(jìn)而與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，找出偏差的原因。

表2 全頻段不同截面形狀聚酯纖維材料吸聲系數(shù)的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值誤差Table 2 Deviations between measured and predicted sound absorption coefficients of polyester fiber materials with different cross-sections in full frequency band

圖4 不同截面聚酯纖維吸聲板吸聲系數(shù)實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比Fig.4 Comparison between the measured and the calculated sound absorption coefficients of the polyester fiber sound absorption board with different cross-section shapes

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)熱壓法制備得到不同截面的聚酯纖維吸聲板，再由阻抗管法系統(tǒng)測(cè)試得到吸聲性能。研究結(jié)果表明，異形聚酯纖維的吸聲性能在中低頻階段較優(yōu)于普通圓形聚酯纖維，其中扁平形截面纖維性能最優(yōu)，平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.404。

此外，本研究通過(guò)聲阻抗和流阻率集成模型理論計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明：集成模型對(duì)于圓形聚酯纖維有良好的預(yù)測(cè)效果，而對(duì)于異形聚酯纖維，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值有較大偏差，后續(xù)研究將在此模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)。

聚酯纖維作為一種零污染、可循環(huán)、廉價(jià)易得的纖維材料，其作為吸聲材料的理論模型還有待進(jìn)一步研究。本研究結(jié)果可為降低纖維吸聲材料的研發(fā)成本、新型纖維降噪材料的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)。