范曉丹,李輝芹,鞏繼賢

(天津工業(yè)大學 紡織學院,天津300387)

當聲波入射到物體的表面時,有一部分聲波會被反射回去,而另一部分聲波會進入物體,進而被物體吸收而轉(zhuǎn)化為熱能。聲波能量被物體吸收的現(xiàn)象稱為吸聲[1]。根據(jù)吸聲原理,吸聲材料可以分為兩大類,一類是共振吸聲結(jié)構(gòu),它是利用入射聲波在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生共振,從而使大量的能量耗散;另一類是多孔吸聲結(jié)構(gòu),它是使大量的聲波更易進入結(jié)構(gòu)內(nèi)部,隨著聲波在多孔材料內(nèi)部的傳播,使其能量逐漸逸散[2-3]。隨著人們對健康問題的日益關注,吸聲材料已經(jīng)成為學者們的研究熱點[4-6]。

本文從噪聲傳播途徑著手,有機結(jié)合吸聲、隔聲多種降噪機理,經(jīng)篩選比較,用非織造布作為吸聲材料[7-8]。

非織造材料作為一種柔性、多孔的吸聲材料,其吸聲性能的研究已有很多報道。如日本帝人公司用PET短纖通過濕法制備纖維縱向排列的非織造布“VLAP”[9],不僅質(zhì)輕,而且吸音性優(yōu)良,且具有減震的功效,該產(chǎn)品已被日本三菱(Mitsubishi)公司用于其Outlander越野車地毯的背面。英國Pritex公司也開發(fā)了一種將非織造材料面層與一薄型吸音纖維材料復合的新型吸音材料[10]。美國3 M公司采用熔噴復合成形工藝開發(fā)了“Thinsulate”[11]系列車用吸音材料,材料輕薄,吸音性能極佳,阻燃性、拒水性優(yōu)良。有研究表明:非織造材料的吸聲性能與其結(jié)構(gòu)有著直接的關系。如臧傳鋒等[12]利用具有細度梯度的滌綸纖維制備了12種非織造吸聲材料,測試分析了不同加固方式、纖維細度、針刺密度和材料厚度對滌綸纖維非織造吸聲材料吸聲性能的影響。于偉東等[13-14]測試了不同非織造布的厚度、面密度以及孔洞特征對吸聲性能的影響,研究表明:材料的孔洞特征,特別是平均孔徑是影響吸收峰頻率的主要參數(shù)。

1 試驗部分

1.1 儀器

燒杯、磁力攪拌器、膠頭滴管;PD-B型臥式軋車(萊州元茂儀器有限公司);GZX-GF101-1-S-Ⅱ型電熱恒溫鼓風干燥箱(上海賀德實驗設備有限公司);Z4025型臺式鉆床(滕州市廣速數(shù)控機床有限公司);OHAUS先行者通用型天平(蘇州盛世衡器有限公司);YG141LA型數(shù)字式織物厚度儀(萊州市電子儀器有限公司);SCM201型8通道單阻抗管(比利時L MS國際公司)。

1.2 材料

分別配制30 g/L的FeS、Cu O、Fe2O3和BaSO4溶液,待攪拌均勻后,將3種非織造布分別浸入溶液中,5 min后,置于浸壓輥上浸壓(帶液率70%),然后烘干(100℃),之后重復浸沒—浸壓—烘干2次,即可得到整理后的試樣。將整理后的非織造布用鉆床切成直徑為3.5 c m的圓形試樣。

1.3 參數(shù)測試

1.3.1 厚度

使用YG141LA型數(shù)字式織物厚度儀,測試的厚度結(jié)果如表1所示。

1.3.2 面密度

非織造布的面密度如表2所示。

表1 非織造布的厚度

注:-前的數(shù)字1,2,3表示非織造布的種類,-后的數(shù)字表示整理劑的種類:0未經(jīng)整理;1經(jīng)FeS整理;2經(jīng)Cu O整理;3經(jīng)Fe2O3整理;4經(jīng)BaSO4整理。

表2 非織造布的面密度

2 吸聲性能測試

2.1 測試方法

吸聲系數(shù)的測量方法有阻抗管法和混響室法。通過比較,我們最終選擇阻抗管法。

表3 測試方法的比較

2.2 測試儀器

試驗參照GB/T 18696.1-2004《聲學 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量》,儀器如圖1所示,為八通道單阻抗管。

圖1 八通道單阻抗管

2.3 測試原理[15]

當聲波從一種媒質(zhì)入射到聲學特性不同的另一種媒質(zhì)時,在兩種媒質(zhì)的分界面處將發(fā)生反射,使入射聲波的一部分能量返回到第一種媒質(zhì)。在斜入射時,反射角與入射角相等。在反射點處,反射波聲壓與入射波聲壓之比稱為反射系數(shù)γ。

材料吸收和透過的聲能與入射到材料上的總聲能之比,稱為吸聲系數(shù)α。

當入射聲能被完全反射時α=0,表示材料無吸聲作用;當入射聲波完全沒有被反射時α=1,表示聲波完全被材料吸收。事實上,所有材料的吸聲系數(shù)α基于0～1之間,也就是不可能全部反射也不可能全部吸收。α值越大表示吸聲效果越好,它是目前表征吸聲性能最常用的參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

阻抗管測試的結(jié)果如圖2所示,橫坐標是聲波的頻率,縱坐標為吸聲系數(shù)。如果以厚度為自變量,吸聲效果很難清楚地表達,所以我們通過計算整個頻段的平均吸聲系數(shù),一次來代表非織造材料整體的吸聲性能。平均吸聲系數(shù)是指對材料不同頻率的吸聲系數(shù)進行算術平均,按平均吸聲系數(shù)的大小來評價材料的吸聲性能,優(yōu)點是一個數(shù)值,簡單易記,便于比較[16-17]。與降噪系數(shù)NRC比起來,平均吸聲系數(shù)涵蓋所有頻率下的吸聲系數(shù),而降噪系數(shù)只是中心頻率為250、500、1 000和2 000 Hz 4個倍頻程吸聲系數(shù)的算術平均值。

圖2 非織造布1的頻率-吸聲系數(shù)譜圖

3.1 整理劑種類對吸聲效果的影響

從圖3可以看出,對于非織造布1來說,經(jīng)過FeS和Fe2O3整理后,吸聲效果有了明顯的提高;而對于非織造布2來說,整理劑的參與反而使它喪失了原來的吸聲效果,Fe2O3和BaSO4對其影響相對較小;對于非織造布3來說,各整理劑對其吸聲效果的影響相差無幾,嚴格來說,Fe2O3和BaSO4對其影響相對較大?？偟膩碚f,可選擇的整理劑為Fe2O3和BaSO4。

圖3 非織造布以及整理劑的種類對平均吸聲系數(shù)的影響

3.2 厚度對吸聲效果的影響

進行多項式擬合,R2=0.845 95,如圖4所示。

圖4 厚度與平均吸聲系數(shù)的多項式擬合曲線

從圖4中可以看出,在一定的范圍內(nèi),材料的吸聲效果會隨著厚度的增加而呈現(xiàn)變差的趨勢,但超過這個范圍之后,材料的吸聲效果會越來越好。這是由于當平面波向一多孔材料的平面邊界輻射時,會向材料內(nèi)繞射。繞射波在材料內(nèi)部傳播一段距離后,其聲壓有所衰減,但其衰減量并不總是隨厚度的增加而增大。

3.3 面密度對吸聲效果的影響

多項式擬合結(jié)果如圖5所示,R2=0.769 73。

從圖5可以看出,材料的平均吸聲系數(shù)與材料面密度成正相關關系,當材料面密度增加時,材料的平均吸聲系數(shù)隨之增加。這是因為非織造材料結(jié)構(gòu)疏松,當材料面密度增加時,材料的致密程度增加,聲波入射到材料內(nèi)部時帶動周圍空氣與纖維壁發(fā)生摩擦、碰撞,從而使得聲能轉(zhuǎn)化成熱能,聲能損失增加。

圖5 面密度與平均吸聲系數(shù)的多項式擬合曲線

4 結(jié)語

對非織造材料進行功能整理是提高其吸聲性能的一條便捷而可行的途徑。通過試驗,我們不難看出:Fe2O3和BaSO42種整理劑對于非織造布的吸聲性能的影響是很顯著的。非織造布本身的結(jié)構(gòu)特征對其吸聲性能的影響也是不容小覷的,它的吸聲性能會隨著厚度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,而又隨著面密度的增大呈現(xiàn)增大的趨勢。只要能合理地利用,就可以設計出能夠達到預想吸聲效果的非織造材料。

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