仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板吸聲性能

賈世芳，劉靜怡，林賢銑，孫偉圣，郭璽，曹惠敏，王文斌

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，杭州 311300)

噪聲污染與水污染、大氣污染、廢物污染被列為全球四大污染。噪聲不僅影響人們的休息，降低工作效率，還會引發(fā)聽覺、心腦血管及內(nèi)分泌系統(tǒng)損傷，對人類健康造成極大危害[1]。因此，防治噪聲污染已成為環(huán)境治理過程中的熱點(diǎn)問題。噪聲治理主要有2種方式，室外主要以隔聲材料為主，室內(nèi)大多采用吸聲材料進(jìn)行降噪[2]。木質(zhì)材料是常用的室內(nèi)裝修吸聲材料，其中，中密度纖維板以其較高的力學(xué)性能、良好的機(jī)械加工性及優(yōu)良的裝飾性能，被廣泛應(yīng)用于木質(zhì)穿孔板的制備[3]。

吸聲材料按照吸聲機(jī)理差異可分為多孔吸聲材料和共振吸聲結(jié)構(gòu)材料，穿孔板是基于共振吸聲原理的吸聲材料[4]。左言言等[5]提出穿孔板主要用于吸收中低頻率的噪聲，偏離共振頻率后吸聲系數(shù)急劇下降，具有很強(qiáng)的選擇性；朱廣勇等[3]研究表明穿孔中密度纖維板的吸聲性能由板厚、孔徑、穿孔率和板后空腔深度等因子共同決定；Yang等[6]研究了聲波入射方向?qū)ξ⒋┛装逦曁匦缘挠绊懀Y(jié)果表明，吸聲結(jié)構(gòu)穿孔方向發(fā)生變化時(shí)，聲波進(jìn)入穿孔后傳播路徑不同，其吸聲峰值與共振頻率均發(fā)生改變；何立燕等[7]利用溶芯澆注成型方法制備具有變截面孔的環(huán)氧樹脂基微穿孔板，調(diào)整直孔為變截面孔后，吸聲頻帶有所拓寬，平均吸聲系數(shù)增大；潘路希等[8]利用數(shù)學(xué)統(tǒng)籌的方法，探討不同孔徑的分布對穿孔板吸聲效果的影響，結(jié)果表明，大小孔徑對不同頻率的吸聲是有選擇的。綜上所述，當(dāng)前研究主要集中于木質(zhì)穿孔板的直孔結(jié)構(gòu)研究，吸聲頻段窄，吸聲性能局限性較大[9]；此外，一些變截面微穿孔板吸聲性能雖有所改善，但是在原材料的選擇以及穿孔板制備工藝方面均不具備大批量生產(chǎn)的可能性。因此，可工業(yè)化應(yīng)用的多頻段吸聲木質(zhì)穿孔板具有很高的研究價(jià)值。

開展仿生結(jié)構(gòu)功能一體化材料的研究具有重要意義。木材是天然復(fù)合材料，形態(tài)各異的木材分級多孔結(jié)構(gòu)為仿生材料制備提供了模板[10]，其中空的細(xì)胞結(jié)構(gòu)對于新型吸聲材料的構(gòu)建奠定了良好的基礎(chǔ)[11]，但木材生長周期較長、利用率低，不適合制備吸聲材料。將木材多孔結(jié)構(gòu)合理運(yùn)用，對于開發(fā)良好的吸聲材料具有重要作用。董明銳等[12]模擬木材內(nèi)部導(dǎo)管和紋孔，利用3D打印技術(shù)制備了仿生木材結(jié)構(gòu)吸聲板，在多頻段獲得良好的吸聲特性，但是3D打印技術(shù)效率低、成本高，無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。筆者在3D打印材料制備穿孔板基礎(chǔ)上，以中密度纖維板為基材，對仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用分層加工工藝制備具有優(yōu)良吸聲效果的仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板，實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)穿孔板的多頻段吸聲，為木質(zhì)吸聲材料的開發(fā)提供了新思路。

1 材料與方法

1.1 仿生木材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

董明銳等[12]設(shè)計(jì)的仿生木材復(fù)孔吸聲結(jié)構(gòu)見圖1a，該結(jié)構(gòu)由兩部分構(gòu)成，其中，主孔仿生木材導(dǎo)管，側(cè)孔仿生木材導(dǎo)管壁紋孔。為方便木質(zhì)材料加工，將仿生木材吸聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化變形，以圓柱形直孔仿生木材導(dǎo)管，直孔內(nèi)壁開槽側(cè)孔仿生木材導(dǎo)管壁上的紋孔，數(shù)個(gè)側(cè)孔近似為直徑大于主孔的圓形(圖1b)，大圓半徑與主孔半徑間的差值記為側(cè)孔深度值。本研究設(shè)計(jì)的用于木質(zhì)穿孔板的仿生木材結(jié)構(gòu)立體圖見圖1c。相比直孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)聲波作用在纖維板表面時(shí)，由于側(cè)孔的作用，會增加聲波在穿孔內(nèi)部的反射頻率，聲波與孔道內(nèi)壁發(fā)生多次碰撞，引起的摩擦和空氣黏滯消耗加劇，聲波進(jìn)出穿孔板損耗增加，從而使聲能衰減(圖2)。

圖1 仿生木材結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Bionic wood structure diagram

圖2 聲波反射示意圖Fig. 2 Acoustic reflection diagram

1.2 試驗(yàn)方案

仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板由5層厚度為3 mm的中密度纖維板膠合而成(圖3)。

圖3 仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板Fig. 3 Bionic perforated wood structure fiberboard

1)以主孔直徑(d)、穿孔率(P)和傾斜角度(α，即主孔與豎直方向夾角，0°≤α<90°)為變量，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)(表1)研究基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)因素對穿孔纖維板吸聲性能的影響。試件規(guī)格為200 mm×500 mm×15 mm，在長方形板的任意位置按照測試要求選取直徑分別為30和100 mm的試件進(jìn)行測試，長方形板穿孔率分別為3.14%，4.18%和5.84%。由于孔型涉及傾斜穿孔，圓形測試樣品邊緣部分傾斜孔被截?cái)?，因此，有效穿孔面積以單孔完全穿透試件為標(biāo)準(zhǔn)，則樣品實(shí)際穿孔率分別為2.78%，3.48%和4.54%。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Orthogonal experimental factor level table

2)穿孔纖維板仿生木材結(jié)構(gòu)示意圖見圖4，側(cè)孔深度h=0，1，2，3和4 mm，即偶數(shù)層孔徑(D)分別為3，5，7，9和11 mm。長方形板穿孔率3.14%，樣品實(shí)際穿孔率2.89%，主孔直徑3 mm，傾斜角度30°。利用分層加工法對中密度纖維板進(jìn)行打孔加工，同時(shí)制備一組不開孔的試件為對照組。

每個(gè)水平加工3組試件，每組試件重復(fù)測試3次，取均值。

圖4 穿孔纖維板仿生木材結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of wood structure of bionic perforated fiberboard

1.3 仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板的制備

1.3.1 試驗(yàn)材料與加工設(shè)備

中密度纖維板尺寸為500 mm×200 mm×3 mm，密度為750.0 kg/m3，購于臨安恒定建筑材料有限公司。AQUENCE KL 3051LV白乳膠，購于漢高(中國)投資有限公司。

XLB-D500×500型平板硫化機(jī)，湖州東方機(jī)械有限公司；CHKJ-1325型木材數(shù)控雕刻機(jī)，杭州超翰科技有限公司；MDEL Z512-2型臺式鉆床，杭州西湖臺鉆有限公司。

1.3.2 制備方法

分層加工工藝示意圖如圖5所示，分別在每層中密度纖維板上以一定的孔徑和穿孔率排布對應(yīng)孔型，利用木材數(shù)控雕刻機(jī)和臺式鉆床加工被測試件，將加工好的5層纖維板單面輥涂白乳膠，施膠量為75 g/m2，然后用熱壓機(jī)熱壓成型，熱壓時(shí)間30 min、熱壓壓力1.0 MPa、熱壓溫度35 ℃。

圖5 分層加工工藝示意圖Fig. 5 Schematic diagram of layered processing technology

1.4 仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板的吸聲性能測試

參照GB/T 18696.2—2002《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量 第2部分：傳遞函數(shù)法》測定仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板的吸聲性能。采用北京聲望公司生產(chǎn)的四通道阻抗管測試系統(tǒng)檢測，高頻選用小管SW477，試件直徑30 mm；中低頻選用大管SW422，試件直徑100 mm，板后空腔深度設(shè)置為50 mm。測試環(huán)境溫度為20.0 ℃，相對濕度50.0%，大氣壓力101.325 kPa。在測試時(shí)以2 Hz為步長，保存每2 Hz的吸聲系數(shù)，頻率范圍64～6 300 Hz，分析穿孔纖維板吸聲規(guī)律走勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 主孔直徑、穿孔率、傾斜角度對吸聲性能影響

穿孔纖維板中低頻段吸聲系數(shù)峰值如表2所示。由表2可知，對吸聲系數(shù)峰值影響最大的因素為傾斜角度，其次為主孔直徑，再次為穿孔率。制備工藝因素對吸聲系數(shù)峰值影響的方差分析如表3所示，結(jié)果表明，主孔直徑、穿孔率、傾斜角度3個(gè)因素對于吸聲系數(shù)峰值的影響均具有顯著性。

1)主孔直徑對吸聲系數(shù)峰值的影響。由表2可知，隨著主孔直徑的增大，吸聲系數(shù)峰值逐漸降低。當(dāng)穿孔纖維板主孔直徑小于3 mm時(shí)，主孔直徑對吸聲系數(shù)峰值影響較大；而當(dāng)主孔直徑大于3 mm后，吸聲系數(shù)峰值變化趨于平緩，均呈下降趨勢。這是因?yàn)榇┛茁曌桦S著主孔直徑的平方反比增加[13]，當(dāng)穿孔纖維板主孔直徑增加時(shí)，穿孔纖維板結(jié)構(gòu)的聲阻和聲抗均減小，聲能進(jìn)出穿孔纖維板時(shí)消耗降低，吸聲系數(shù)峰值減小，這與Putra等[14]的研究結(jié)論相符。

表2 正交試驗(yàn)吸聲系數(shù)峰值結(jié)果Table 2 Peak results of sound absorption coefficients in orthogonal experiment

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

2)穿孔率對吸聲系數(shù)峰值的影響。由表2可知，穿孔率的增加會導(dǎo)致吸聲系數(shù)峰值先減小后增大。穿孔率增加后，穿孔纖維板上的穿孔面積增大，聲阻減小，聲波經(jīng)過穿孔纖維板時(shí)沒有發(fā)生充分振動(dòng)，便從板后空腔反射傳出穿孔纖維板，因而吸聲系數(shù)峰值降低[15]。相比穿孔率3.14%，當(dāng)穿孔率增大到4.18%時(shí)，纖維板吸聲系數(shù)峰值下降了8.37%；當(dāng)穿孔率增大到5.84%時(shí)，吸聲系數(shù)峰值下降了2.17%。在穿孔率從4.18%增加至5.84%過程中，吸聲系數(shù)峰值有所增加，這可能是由于中密度纖維板自身因素和加工方式造成的。中密度纖維板是以多種纖維為原料，經(jīng)打碎、纖維分離、干燥后施加膠黏劑熱壓而成的板材，經(jīng)打孔加工后，一些細(xì)小的纖維暴露出來，從而使粗糙的纖維表面具有一定吸聲效果。

3)傾斜角度對吸聲系數(shù)峰值的影響。由表2可知，隨著傾斜角度的增大，吸聲系數(shù)峰值先增大后減小，當(dāng)穿孔傾斜角度為30°時(shí)，吸聲效果較好。根據(jù)S=πdt+2dt(1/cosα-1)可計(jì)算聲波與孔壁的接觸面積(S)，其中，t為材料厚度。垂直穿孔時(shí)，孔道內(nèi)壁面積為1.413 cm2；穿孔傾斜角度為30°時(shí)，孔道內(nèi)壁面積為1.548 cm2；穿孔傾斜角度小于30°時(shí)，隨著傾斜角度的增大，聲波與孔壁接觸面積增大，聲能消耗增大，吸聲系數(shù)峰值升高。傾斜穿孔時(shí)孔截面呈橢圓形，當(dāng)穿孔角度為60°時(shí)，橢圓長軸為6 mm，穿孔結(jié)構(gòu)聲阻抗減小，聲能損耗減小，同時(shí)，角度過大會導(dǎo)致垂直入射的聲波較難進(jìn)入穿孔，因而吸聲系數(shù)峰值有所下降。這與寧景鋒等[16]研究斜置微穿孔板結(jié)構(gòu)吸聲性能的試驗(yàn)結(jié)論相符，穿孔纖維板斜置角度對其吸聲性能有一定影響，適當(dāng)調(diào)整穿孔角度可獲得理想的吸聲效果。

根據(jù)正交試驗(yàn)，當(dāng)穿孔纖維板吸聲系數(shù)峰值最大時(shí)，加工工藝為主孔直徑2 mm、穿孔率3.14%、傾斜角度30°。由于穿孔纖維板穿孔直徑較小時(shí)加工較困難，對刀具及各種精度要求較高，生產(chǎn)成本較高，本研究制備的穿孔纖維板優(yōu)選工藝參數(shù)為主孔直徑3 mm、穿孔率3.14%、傾斜角度30°。

2.2 側(cè)孔深度對吸聲性能的影響

側(cè)孔深度對仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板中低頻吸聲性能的影響如圖6a所示，具體數(shù)值見表4。測試結(jié)果表明，未穿孔的纖維板不具備吸聲性能；當(dāng)側(cè)孔深度小于2 mm時(shí)，隨著側(cè)孔深度的增大，仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板吸聲系數(shù)峰值無明顯差異，均在0.94以上，共振頻率向高頻方向偏移，有效吸聲頻帶寬度逐漸變寬；當(dāng)側(cè)孔深度大于2 mm后，隨著側(cè)孔深度的增大，仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板吸聲系數(shù)峰值基本不變，均達(dá)0.96以上，共振頻率向低頻方向移動(dòng)，有效吸聲頻帶寬度逐漸變窄，但仍大于直孔結(jié)構(gòu)穿孔纖維板。

側(cè)孔深度對仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板中高頻吸聲性能的影響如圖6b所示，共振吸聲峰對應(yīng)的吸聲系數(shù)峰值與共振頻率值見表5。從圖6b中可以看出，未增加側(cè)孔結(jié)構(gòu)時(shí)，穿孔纖維板的中高頻吸聲系數(shù)峰值僅為0.27，幾乎不具備高頻段吸聲性能；仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板側(cè)孔深度大于1 mm后，在中高頻段及高頻段均出現(xiàn)2個(gè)較為明顯的共振吸聲峰。隨著側(cè)孔深度的增大，吸聲系數(shù)峰值升高，當(dāng)側(cè)孔深度為4 mm時(shí)，吸聲系數(shù)峰值可達(dá)0.67；共振頻率隨著側(cè)孔深度的增大先升高后降低，當(dāng)側(cè)孔深度為2 mm時(shí)，其共振頻率最大為4 492 Hz；有效吸聲頻帶寬度總體呈拓寬趨勢。

圖6 側(cè)孔深度對仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板吸聲性能的影響Fig. 6 Effect of side hole depth on sound absorption of perforated fiberboard with bionic wood structure

表4 不同側(cè)孔深度仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板中低頻吸聲系數(shù)Table 4 Medium and low frequency sound absorption coefficients of bionic wood structure perforated fiberboard with different side hole depths

表5 不同側(cè)孔深度仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板中高頻吸聲系數(shù)Table 5 Medium and high frequency sound absorption coefficients of bionic wood structure perforated fiberboard with different side hole depths

根據(jù)上述分析可知，仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板在增加側(cè)孔結(jié)構(gòu)之后，吸聲性能改善明顯。在中低頻，側(cè)孔深度對穿孔纖維板吸聲系數(shù)峰值影響較小，吸聲系數(shù)峰值均在0.94以上；在中高頻，側(cè)孔深度對吸聲系數(shù)峰值影響較大，隨側(cè)孔深度增加，吸聲系數(shù)峰值顯著提高，吸聲系數(shù)峰值相差0.40。未加側(cè)孔時(shí)，普通柱狀單孔道內(nèi)壁面積為1.548 cm2；增加側(cè)孔后，聲波與孔內(nèi)壁接觸面積依據(jù)S1=πdt+1.2dt(1/cosα-1)+0.8πht計(jì)算：當(dāng)側(cè)孔深度分別為1，2，3，4 mm時(shí)，孔道內(nèi)壁面積分別為 1.871，2.248，2.624，3.000 cm2。隨著側(cè)孔深度的增加，孔道內(nèi)壁面積增加，聲波與孔道內(nèi)壁摩擦作用增加，聲能轉(zhuǎn)化為熱能損耗增加，吸聲系數(shù)峰值升高。側(cè)孔深度變化對穿孔纖維板共振頻率有一定影響，共振頻率隨側(cè)孔深度增加先增大后減小，中低頻、中高頻共振頻率變化規(guī)律一致。根據(jù)赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)對共振頻率的影響[17]可知，隨側(cè)孔深度的增大(即赫姆霍茲共振腔體積增加)，吸聲結(jié)構(gòu)共振頻率先向高頻方向移動(dòng)，達(dá)到極值后，繼而向低頻方向偏移。穿孔纖維板吸聲原理可歸因于多個(gè)赫姆霍茲共振器的并聯(lián)效應(yīng)[18]，本研究討論的仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板在直孔上增加側(cè)孔結(jié)構(gòu)，每個(gè)主孔與側(cè)孔之間的連接組成一個(gè)赫姆霍茲共振器，這是仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板在中高頻段和高頻段產(chǎn)生共振吸聲峰的原因。

3 結(jié) 論

通過分層加工方式，制備了具有側(cè)孔結(jié)構(gòu)的仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板，解決了傳統(tǒng)機(jī)械方式無法加工復(fù)雜孔型的技術(shù)難題，主要獲得以下結(jié)論：

1)影響穿孔纖維板吸聲系數(shù)峰值的各因素主次順序?yàn)閮A斜角度>主孔直徑>穿孔率；制備仿生木材結(jié)構(gòu)穿孔纖維板優(yōu)選工藝參數(shù)為主孔直徑3 mm、穿孔率3.14%、傾斜角度30°。

2)側(cè)孔深度對穿孔纖維板共振頻率和吸聲系數(shù)峰值具有較大影響。在中低頻，隨著側(cè)孔深度的增大，共振頻率先增加后減小，吸聲系數(shù)峰值變化不明顯，均高于0.94；在高頻，隨著側(cè)孔深度的增大，共振頻率先增加后減小，吸聲系數(shù)峰值不斷升高，當(dāng)側(cè)孔深度為4 mm時(shí)，穿孔纖維板在高頻3 632 Hz處的吸聲效果最好，吸聲系數(shù)峰值為0.67。

3)本研究有助于了解仿生木材穿孔結(jié)構(gòu)的吸聲特性，以主孔仿生木材導(dǎo)管、側(cè)孔仿生木材導(dǎo)管壁上的紋孔。當(dāng)側(cè)孔深度大于1 mm時(shí)，在測試全頻段(64～6 300 Hz)出現(xiàn)3個(gè)共振吸聲峰，在豎直穿孔中增加側(cè)孔結(jié)構(gòu)后，能夠?qū)崿F(xiàn)穿孔纖維板多頻段吸聲的效果。