低頻吸聲復(fù)合結(jié)構(gòu)的研制與性能研究

張慧潔，劉 超，李 翔，姚智敏，蔡 俊

（1.國網(wǎng)安徽省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，合肥230022；2.上海交通大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240）

由于傳播距離長、衰減慢，簡單高效的低頻噪聲控制技術(shù)一直是限制聲環(huán)境質(zhì)量控制和改善的難點(diǎn)[1-2]。眾所周知，屬于阻性多孔吸聲材料的聚酯纖維材料，因生產(chǎn)簡單、成本低、高頻吸聲系數(shù)高，是一種應(yīng)用廣泛的吸聲材料[3-4]。而通常提高多孔纖維材料低頻吸聲性能的方法是增加背腔空氣層厚度[5]，但實(shí)際的提高效果有限。為此，與其他單元材料進(jìn)行有效復(fù)合來提高和拓寬低頻性能成為聚酯纖維等多孔吸聲材料的研究趨勢[6]。

同樣使用廣泛的微穿孔板[7]和鋁纖維吸聲板[8]均具有重量輕、低頻吸聲性能良好、加工簡單、使用方便的特點(diǎn)。為此，有學(xué)者將微穿孔板、鋁纖維板分別與多孔材料組合進(jìn)行吸聲性能的研究。裴春明等[9]將多孔吸聲材料置于微穿孔板之前，并且兩者之間有一定的空氣層時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶明顯拓寬。周兵等[10]將鋁纖維板分別與聚酯纖維、亥姆霍茲共振器進(jìn)行組合形成復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，研究發(fā)現(xiàn)組合后的復(fù)合結(jié)構(gòu)相較于鋁纖維板低頻吸聲性能均有很大的提高。劉鵬等[11]在鋁纖維板與微穿孔板之間填充聚酯纖維構(gòu)成新型阻抗復(fù)合吸聲材料，采用模擬仿真和試驗(yàn)研究手段進(jìn)一步優(yōu)化其低頻吸聲能力。但上述研究并沒有對(duì)微穿孔板、鋁纖維板和聚酯纖維材料兩兩組合構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能進(jìn)行系統(tǒng)的比較研究和機(jī)理分析。

為此，本研究選用微穿孔板、鋁纖維板和聚酯纖維材料以不同排列順序兩兩組合構(gòu)成復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)[12-13]，對(duì)其100 Hz～1 600 Hz吸聲性能的變化規(guī)律和相關(guān)機(jī)理進(jìn)行分析研究，以期為今后得到低頻性能優(yōu)良的吸聲復(fù)合結(jié)構(gòu)提供參考和依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究選取的吸聲材料及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 吸聲材料參數(shù)表

需要指出的是，常規(guī)意義上的鋁纖維板結(jié)構(gòu)是由2層鋁網(wǎng)孔板夾持1層鋁纖維氈所組成，其聲阻較小。為此，對(duì)市售鋁纖維板復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良，在背面鋁網(wǎng)孔板與鋁纖維氈之間增加了1 層薄鋁箔，從而可以更薄厚度、更淺空腔實(shí)現(xiàn)更優(yōu)降噪效果。這種改良的鋁纖維板具有明顯的共振吸聲峰，其吸聲原理也被看作共振吸聲結(jié)構(gòu)來分析[14-15]。

研究將鋁纖維板、微穿孔板和聚酯纖維吸音板分別兩兩組合，后留80 mm 空腔構(gòu)成復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)[16]，相應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)形式見表2。結(jié)構(gòu)編號(hào)中，P- polyester fiber board 聚酯纖維板，A - aluminum fiber board 鋁纖維板，M - micro-perforated board 微穿孔，最后的A-air cavity空腔。

表2 復(fù)合結(jié)構(gòu)編號(hào)及示意圖

1.2 吸聲性能測試

阻抗管測試方法采用北京聲望公司的SW422型阻抗管，測試設(shè)備如圖1 所示。測試執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為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》[17]。由于研究的是低頻性能，因此樣品尺寸被裁剪成10 cm的直徑。

圖1 阻抗管測試系統(tǒng)

將需測試的試樣置于駐波管一端，試樣與底板留有空腔，通過活塞移動(dòng)確定空腔深度。每個(gè)試樣測量三遍取平均值，測試范圍為100 Hz～1 600 Hz。

2 結(jié)果與討論

研究從聚酯纖維板、微穿孔板和鋁纖維板各自后留80 mm 空腔的吸聲性能為參考，分別與另一材料兩兩組合形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，以期從材料各自的吸聲機(jī)理出發(fā)，分析材料組合引起的聲能消耗變化規(guī)律，從而進(jìn)一步了解復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲機(jī)理。

2.1 聚酯纖維板復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比分析

2.1.1 聚酯纖維板前置的復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖2是聚酯纖維板及其前置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能對(duì)比圖。從圖2中可以看出，聚酯纖維板+80 mm空腔結(jié)構(gòu)本身在1 000 Hz 附近有個(gè)吸聲峰，吸聲系數(shù)達(dá)到0.98。這是由于80 mm 空腔與1 000 Hz 的1/4波長相接近，聲波反射抵消所致。聚酯纖維板后設(shè)置的不管是鋁纖維板還是微穿孔板，其復(fù)合結(jié)構(gòu)均在500 Hz附近出現(xiàn)明顯的共振吸聲峰。

圖2 聚酯纖維板及其前置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線

由此可見，鋁纖維板或微穿孔板的加入均根本改變了聚酯纖維板后的聲波傳播方式，使得抗性共振吸聲變?yōu)橹饕蛩?。此外，鋁纖維板或微穿孔板的加入也增加了透過聚酯纖維板的聲波反射，使得共振峰后頻率范圍內(nèi)的吸聲性能降低[18]。

2.1.2 聚酯纖維板后置的復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖3 是聚酯纖維板及其后置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線。在低頻范圍內(nèi)，微穿孔板和鋁纖維板的加入使得復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能均有提升。其中，在300 Hz以下的頻率范圍，APA結(jié)構(gòu)的吸聲性能最佳。

圖3 聚酯纖維板及其后置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線

對(duì)比圖2 可以發(fā)現(xiàn)，微穿孔板或鋁纖維板后置聚酯纖維構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)性能要優(yōu)于聚酯纖維前置的復(fù)合結(jié)構(gòu)。這是由于后置的聚酯纖維不僅沒有改變抗性結(jié)構(gòu)的耗能方式，而且增加了抗性結(jié)構(gòu)的聲阻，從而進(jìn)一步提高和拓寬了抗性吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲頻帶。

2.2 鋁纖維板復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比分析

2.2.1 鋁纖維板前置的復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖4是鋁纖維板及其前置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線。

圖4 鋁纖維板及其前置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線

從圖中可以看出，鋁纖維板+80 mm空腔結(jié)構(gòu)在800 Hz 附近有個(gè)吸聲峰，吸聲系數(shù)達(dá)到0.98。鋁纖維板后設(shè)置的不管是聚酯纖維板還是微穿孔板，吸聲峰均移到更低的500 Hz 附近，且吸聲峰寬變窄，即吸聲峰后的吸聲系數(shù)快速下降。這是由于當(dāng)鋁纖維板前置時(shí)，相當(dāng)一部分中高頻聲波將被反射，微穿孔板的抗性共振吸聲作用和聚酯纖維板的阻性吸聲作用均得不到充分發(fā)揮。

2.2.2 鋁纖維板后置的復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖5是鋁纖維板及其后置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線。在鋁纖維板前面疊加微穿孔板和聚酯纖維板，其復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲峰也向低頻移動(dòng)。由于聚酯纖維前置的PAA結(jié)構(gòu)有利于中高頻聲波的吸收，因此相比圖4 中的APA 結(jié)構(gòu)，吸聲峰后的吸聲曲線比較平穩(wěn)。

圖5 鋁纖維板及其后置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線

2.3 微穿孔板復(fù)合結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比分析

2.3.1 微穿孔板前置的復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖6是微穿孔板及其前置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線。從圖中可以看出，微穿孔板+80 mm空腔結(jié)構(gòu)在800 Hz 附近出現(xiàn)吸聲峰，吸聲系數(shù)達(dá)到0.48。在微穿孔板后不管是設(shè)置聚酯纖維材料還是鋁纖維板，復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能尤其是低頻吸聲性能得到明顯提高。這是由于微穿孔板的聲質(zhì)量降低了聚酯纖維材料或鋁纖維板的共振頻率，而后置材料反過來也增加了微穿孔板孔徑處的聲阻，增加了聲能的進(jìn)一步消耗[19]。

圖6 微穿孔板及其前置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線

2.3.2 微穿孔板后置的復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖7是微穿孔板及其后置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線。在微穿孔板前不管是設(shè)置聚酯纖維材料還是鋁纖維板，復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能均能得到明顯提高，而且吸聲峰均向低頻方向移動(dòng)。對(duì)于PMA 復(fù)合結(jié)構(gòu)，部分中高頻聲波首先被前置的聚酯纖維材料所吸收，位于后面的微穿孔板則起到吸收低頻聲波的作用。而對(duì)于AMA復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于鋁纖維板共振頻率與微穿孔板的基本一致，因此認(rèn)為是與微穿孔板發(fā)生了耦合共振吸聲現(xiàn)象。

圖7 微穿孔板及其后置復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲性能曲線

2.4 復(fù)合結(jié)構(gòu)的低頻吸聲性能對(duì)比研究

為了進(jìn)一步分析上述復(fù)合結(jié)構(gòu)的低頻吸聲性能，本研究采用上述復(fù)合結(jié)構(gòu)100 Hz、200 Hz吸聲系數(shù)和100 Hz～500 Hz平均吸聲系數(shù)作為指標(biāo)來進(jìn)行對(duì)比研究。

從表3中的吸聲性能對(duì)比可以看出，鋁纖維板+聚酯纖維吸聲板+空腔（APA）復(fù)合結(jié)構(gòu)無論是在100 Hz和200 Hz處，還是在100 Hz～500 Hz頻率范圍內(nèi)，其低頻吸聲效果更為顯著。由此，借助常用吸聲材料組合構(gòu)成的APA 復(fù)合結(jié)構(gòu)具有進(jìn)一步作為低頻噪聲治理措施的應(yīng)用潛力。

表3 復(fù)合結(jié)構(gòu)100 Hz、200 Hz吸聲系數(shù)和100 Hz～500 Hz平均吸聲系數(shù)的統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語

本文以聚酯纖維板、微穿孔板和鋁纖維板為研究對(duì)象，以各自材料+80 mm 空腔的吸聲性能為依據(jù)，分別與另一材料兩兩組合形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，從聲波傳播過程的衰減機(jī)理入手探討了材料組合及排列順序?qū)?fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能的影響。通過復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲性能的對(duì)比分析研究，篩選出低頻吸聲性能最佳的鋁纖維板+聚酯纖維吸聲板+空腔（APA）復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)形式簡單，制作方便，因此有望實(shí)際應(yīng)用于需要低頻降噪的環(huán)境，具有巨大的市場應(yīng)用前景。