韓 望，永 軍，楊媛媛，安 珍*

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.呼和浩特職業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

隨著工業(yè)化社會(huì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)居民的生活水平不斷得到提升，人們開始追求高質(zhì)量和安靜舒適的生活環(huán)境，但是來(lái)自于工廠設(shè)備、建筑設(shè)施、交通工具以及生活噪聲等方面的噪音污染，越來(lái)越顯著地影響著居民的居住環(huán)境。噪音污染與水污染、空氣污染、固體廢棄物污染是21世紀(jì)的四大污染[1-2]，當(dāng)前除在聲源處減少噪音外，在聲波傳播過(guò)程降低噪聲能量，使之達(dá)到生活環(huán)境中人們可舒適生活的程度，成為聲學(xué)研究的熱點(diǎn)內(nèi)容之一。

木塑復(fù)合材料(WPC)具有抗強(qiáng)酸堿、防腐、防霉、價(jià)格低廉、可批量化生產(chǎn)等特點(diǎn)，因此該材料廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝飾和建筑行業(yè)等領(lǐng)域，如音樂(lè)廳、會(huì)議室、電影院、KTV等[3-5]。作為室內(nèi)裝飾材料，可通過(guò)安裝工藝和改變材料結(jié)構(gòu)使其具備較優(yōu)的吸聲性能[6-8]。本研究以自制的沙柳(Salixpsammophila)/高密度聚乙烯(HDPE)復(fù)合碎料板為對(duì)象，考察不同背腔深度、不同孔形態(tài)(鉆孔深度、鉆孔直徑和孔排列形式)對(duì)沙柳/HDPE復(fù)合碎料板在200～2 000 Hz吸聲性能的影響規(guī)律，以期為生物質(zhì)基復(fù)合材料在聲波傳播過(guò)程降低噪聲污染提供理論依據(jù)，并促進(jìn)沙生灌木資源的可持續(xù)開發(fā)利用。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料：沙柳產(chǎn)自鄂爾多斯市達(dá)拉特旗王愛(ài)召鎮(zhèn)(2～3 a)，經(jīng)剝皮、切段、粉碎，根據(jù)篩網(wǎng)篩分結(jié)果，沙柳碎料規(guī)格分布為<10目占10.6%，10～20目占36.5%，20～40目占40.2%，>40目占12.7%，烘干至含水率3%～5%；高密度聚乙烯(HDPE)顆粒購(gòu)于東莞市樟木頭樂(lè)華塑膠原料商行；鈦酸脂偶聯(lián)劑401購(gòu)于廣州市守正化工科技有限公司。

主要設(shè)備：JTZB駐波管吸聲系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，北京世紀(jì)建通科技發(fā)展有限公司；萬(wàn)能試驗(yàn)壓機(jī)，BY602×2/2 150T，蘇州新協(xié)力企業(yè)發(fā)展有限公司；冷壓機(jī)，中華人民共和國(guó)上海人造板機(jī)器廠；萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，天津機(jī)械制造有限公司；WS-GDI-225A型高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，天津偉思實(shí)驗(yàn)儀器科技有限公司；FZ-102型粉碎機(jī)，天津泰斯特儀器有限公司；電子天平、游標(biāo)卡尺等。

1.2 板材制備

沙柳/HDPE復(fù)合碎料板設(shè)計(jì)密度為0.65 g·cm-3，制品規(guī)格350 mm×350 mm×18 mm。按照沙柳碎料質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%和HDPE質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%準(zhǔn)確稱取原料，均勻噴霧總質(zhì)量3%的鈦酸脂偶聯(lián)劑于HDPE顆粒表面，人工將沙柳碎料和HDPE混合均勻并鋪裝成板坯送入熱壓機(jī)，

熱壓后冷壓固化成型，制備的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板經(jīng)高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱處理含水率至平衡狀態(tài)，含水率約8%。熱壓工藝：熱壓溫度175℃，熱壓時(shí)間20 min，熱壓壓力2.5 MPa；冷壓工藝：冷壓時(shí)間20 min，冷壓壓力2.5 MPa，室溫[9-11]。

1.3 測(cè)試方法

按照GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗(yàn)方法》方法測(cè)定沙柳碎料/HDPE復(fù)合板靜曲強(qiáng)度(MOR)、彈性模量(MOE)、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度(IB)和2 h吸水厚度膨脹率(TS)等性能。

吸聲性能按照GB/T18696.2-2002《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量 第2部分：傳遞函數(shù)法》方法測(cè)定。試件直徑100 mm，測(cè)定200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600 Hz和2 000 Hz共11個(gè)頻率的吸聲系數(shù)并計(jì)算降噪系數(shù)。

背腔深度為沙柳/HDPE復(fù)合碎料板與駐波管間的預(yù)留空腔層深度，實(shí)驗(yàn)設(shè)置背腔深度分別為0、10、20、30、40、50 mm。本試驗(yàn)鉆孔率取4%，鉆孔率為鉆孔面積占試件面積的比例，即在試件上鉆100個(gè)φ 2 mm孔[4，12]。孔排列樣式見(jiàn)圖1，圓形排列時(shí)在直徑20、40、60、80 mm的同心圓上分別鉆孔10、20、30、40個(gè)φ2 mm孔；米形排列時(shí)在直徑20、40、60、80 mm的同心圓上各鉆孔25個(gè)φ2 mm孔；正方形排列時(shí)在直徑20、40、60、80、100 mm同心圓內(nèi)接正四邊形周長(zhǎng)上均勻分布12、16、20、24、24個(gè)φ2 mm孔，余4個(gè)孔分布外側(cè)；無(wú)規(guī)則排列為在試件上均勻隨機(jī)鉆取100個(gè)φ2 mm孔。鉆孔深度依次為沙柳/HDPE復(fù)合碎料板厚度的1/4、2/4、3/4和通孔，即孔深4.5、9、13.5 mm和18 mm。鉆孔直徑選擇φ2、φ3、φ4、φ5 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙柳/HDPE復(fù)合碎料板物理力學(xué)與吸聲性能

沙柳/HDPE復(fù)合碎料板物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，200～2 000 Hz低頻范圍吸聲性能見(jiàn)表2。

由表1可以看出，添加3%鈦酸酯偶聯(lián)劑增強(qiáng)的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板力學(xué)性能優(yōu)于GB/T 4897-2015規(guī)定的干燥狀態(tài)下使用的普通刨花板物理力學(xué)性能。由表2表明，沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲系數(shù)隨頻率增加出現(xiàn)先減小后增大變化趨勢(shì)，最小吸聲系數(shù)出現(xiàn)在400Hz處為0.257，最大吸聲系數(shù)出現(xiàn)在2 000 Hz處為0.802，略優(yōu)于木絲板吸聲性能[12]。

注：a：圓形排列；b：正方形排列；c：米形排列；d：無(wú)規(guī)則排列。圖1 沙柳/HDPE復(fù)合碎料板鉆孔排列模型Fig.1 Hole arrangement model of Salix/HDPE particleboard

表1 沙柳/HDPE復(fù)合碎料板物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of Salix/HDPE particleboard

表2 沙柳/HDPE復(fù)合碎料板各頻率吸聲性能Table 2 Sound absorption properties of Salix/HDPE particleboard

2.2 不同背腔深度對(duì)吸聲與降噪特性影響

木塑復(fù)合材料的中低頻吸聲性能不佳，在木塑復(fù)合材料背后預(yù)留一定空腔與空氣層距離，留有空腔可使聲音透射過(guò)板材后，經(jīng)過(guò)聲波與剛性管壁的反射與吸收，消耗其入射的大部分聲能，從而利用空腔結(jié)構(gòu)達(dá)到吸收低頻聲波的目的。

為明確沙柳/HDPE復(fù)合碎料板在實(shí)際安裝時(shí)背腔深度對(duì)復(fù)合碎料板吸聲特性的影響，對(duì)未開孔復(fù)合碎料板6種不同背腔深度(0、10、20、30、40、50 mm)進(jìn)行分析，不同背腔深度對(duì)復(fù)合碎料板聲學(xué)性能影響結(jié)果見(jiàn)表3，不同背腔深度復(fù)合碎料板在低頻區(qū)域200～2 000 Hz的11個(gè)頻率點(diǎn)吸聲系數(shù)與吸聲系數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

表3 不同背腔深度對(duì)沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲性能的影響Table 3 Sound absorption properties of Salix/HDPE particleboard with different back depth

由圖2可知，隨背腔深度的增加，沙柳/HDPE復(fù)合碎料板與背腔空氣層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)最小吸聲值均有所提高且向低頻方向移動(dòng)，最小吸聲系數(shù)頻率從400 Hz降至315 Hz；背腔深度0 mm的復(fù)合碎料板吸聲系數(shù)在1 250 Hz以后變化較小，而背腔深度增加后板/腔復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)在1 000 Hz以后基本穩(wěn)定。由表3可知，最小吸聲系數(shù)從0.257提升到0.305，最大吸聲系數(shù)從0.802提升到0.846；原因是隨背腔深度增加穿過(guò)復(fù)合材料的聲波往返路徑延長(zhǎng)，同時(shí)背腔空氣與復(fù)合材料形成新的聲波反射界面，兩者協(xié)同作用增加了聲波在傳輸過(guò)程中的能量消耗，從而提升吸聲效果。由表3看出：1)復(fù)合材料平均吸聲系數(shù)隨背腔深度增加呈增大變化趨勢(shì)，其值從0.529提升至0.637，提升了20.41%，原因是增加背腔深度相當(dāng)于增加復(fù)合材料背面與駐波管間的空氣層厚度，部分聲波穿透沙柳/HDPE復(fù)合碎料板遇到駐波管面反彈，此時(shí)聲波在空氣中產(chǎn)生振動(dòng)使聲能大部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能被消耗，從而提高復(fù)合材料的吸聲性能[13-15]；2)復(fù)合材料降噪系數(shù)隨背腔深度增加呈增大變化趨勢(shì)，從0.570上升至0.681，提升了19.47%，這是因?yàn)榻翟胂禂?shù)是特定頻率下吸聲系數(shù)的平均值，因此降噪系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)一步驗(yàn)證吸聲系數(shù)隨背腔深度增加的變化規(guī)律。綜上，背腔深度增加，可提高沙柳/HDPE復(fù)合碎料板與背腔空氣層構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能，通過(guò)控制安裝木塑復(fù)合材料與墻體之間間隙，可提升室內(nèi)空間的吸聲效果和調(diào)整吸聲頻段。

圖2 不同背腔深度的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲系數(shù)隨頻率變化Fig.2 Sound absorption coefficient changes with frequency of Salix/HDPE particleboard with different back cavity depths

2.3 不同鉆孔深度對(duì)吸聲與降噪特性影響

沙柳/HDPE復(fù)合碎料板在鉆孔深度為板材厚度1/4、2/4、3/4和通孔時(shí)的聲學(xué)性能測(cè)試見(jiàn)表4，不同鉆孔深度在低頻區(qū)域200～2 000 Hz的11個(gè)頻率點(diǎn)吸聲系數(shù)與吸聲系數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3，鉆孔孔徑2 mm，鉆孔率4%，孔排列形式見(jiàn)圖1a。

由圖3可以看出，不同鉆孔深度的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲系數(shù)均在250 Hz處出現(xiàn)第1個(gè)峰值，鉆孔后最小吸聲系數(shù)出現(xiàn)向更低頻區(qū)域移動(dòng)的變化，即從400 Hz移動(dòng)到315 Hz處；相對(duì)于未鉆孔復(fù)合碎料板，吸聲系數(shù)趨于穩(wěn)定頻率，呈從1 250 Hz向左移動(dòng)至1 000 Hz處的變化趨勢(shì)。由表4可知，隨鉆孔深度增加沙柳/HDPE復(fù)合碎料板平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)均呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)，最大吸聲系數(shù)值從0.802上升到0.850，最小吸聲系數(shù)值從0.257上升到0.301；通孔平均吸聲性能比未鉆孔提高了17.96%，降噪性能提高了16.67%。鉆孔比未鉆孔復(fù)合材料的吸聲性能有明顯提升，原因是聲波在傳播過(guò)程中由于空氣阻力消耗掉一小部分能量，而大部分聲能是聲波在孔深路徑中折返時(shí)不斷摩擦產(chǎn)生內(nèi)能消耗的結(jié)果[16]，而隨鉆孔深度不斷增加聲波折返路徑延長(zhǎng)，路徑越長(zhǎng)消耗的內(nèi)能就越大，從而達(dá)到更好的吸聲效果。綜上，增加鉆孔深度可提高復(fù)合材料的聲學(xué)性能，這與周曉鷗[17]的結(jié)論相一致。

表4 不同鉆孔深度的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲性能Table 4 Sound absorption properties of Salix/HDPE particleboard with different hole depths

圖3 不同鉆孔深度的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲系數(shù)隨頻率變化Fig.3 Sound absorption coefficient changes with frequency of Salix/HDPE particleboard with different hole depths

2.4 不同孔徑對(duì)吸聲與降噪特性影響

沙柳/HDPE復(fù)合碎料板在鉆孔直徑為2、3、4 mm和5 mm時(shí)的聲學(xué)性能測(cè)試見(jiàn)表5，不同鉆孔直徑在低頻區(qū)域200～2 000 Hz的11個(gè)頻率點(diǎn)吸聲系數(shù)與吸聲系數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4，鉆孔孔徑2mm時(shí)鉆孔率4%，其余保持孔數(shù)不變而增大孔徑的測(cè)試方法，孔排列形式見(jiàn)圖1a。

表5 不同孔徑的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲性能Table 5 Sound absorption properties of Salix/HDPE particleboard with different apertures

圖4 不同孔徑的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲系數(shù)隨頻率變化Fig.4 Sound absorption coefficient changes with frequency of Salix/HDPE particleboard with different apertures

由表5可看出，沙柳/HDPE復(fù)合碎料板隨鉆孔直徑增加聲學(xué)性能明顯提升，最大吸聲系數(shù)值從0.802上升到0.852，最小吸聲系數(shù)值從0.257上升到0.331，平均吸聲性能提高了22.12%，降噪性能提高了23.34%。由圖4可知，沙柳/HDPE復(fù)合碎料板各頻率吸聲系數(shù)隨孔徑增大呈上升變化，原因是當(dāng)聲波通過(guò)沙柳/HDPE復(fù)合碎料板時(shí)，由于孔徑增大聲波穿過(guò)復(fù)合材料部分明顯增多，因而隨孔徑增大吸聲性能也隨之提升[18-19]。聲波在傳播的過(guò)程遇到障礙物一部分被反射，一部分被障礙物吸收，還有一部分穿過(guò)障礙物；沙柳/HDPE復(fù)合碎料板隨鉆孔直徑增加，減小了聲波被障礙物反射的能力，增加了聲波穿過(guò)障礙物的比例，同時(shí)聲波在通過(guò)孔道的傳播過(guò)程中不斷反射折返將聲能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能而消耗，達(dá)到良好的吸聲降噪效果。

2.5 不同孔排列形式對(duì)吸聲與降噪特性影響

沙柳/HDPE復(fù)合碎料板不同孔排列形式的聲學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6，不同孔排列形式在低頻區(qū)域200～2 000 Hz的11個(gè)頻率點(diǎn)吸聲系數(shù)與吸聲系數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖5。鉆孔孔徑2 mm，鉆孔率4%的通孔，圓形、正方形、米字形和無(wú)規(guī)則孔排列見(jiàn)圖1。

表6 不同孔排列的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲性能Table 6 Sound absorption properties of Salix/HDPE particleboard with different hole arrangements

圖5 不同孔排列的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲系數(shù)隨頻率變化Fig.5 Sound absorption coefficient changes with frequency of Salix/HDPE particleboard with differenthole arrangements

觀察表6和圖5可知，開孔后沙柳/HDPE復(fù)合碎料板聲學(xué)性能明顯提高，但鉆孔樣式對(duì)聲學(xué)性能的影響不明顯，正方形孔排列聲學(xué)性能略優(yōu)于其他排列形式，其最大吸聲系數(shù)值、最小吸聲系數(shù)值、平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)均高于其他3種孔排列形式。這可能是因?yàn)檎叫闻帕行问降目讖讲糠旨杏谏沉?HDPE復(fù)合碎料板的中心區(qū)域，孔排列規(guī)則整齊能夠較好地發(fā)揮出協(xié)同共振特性，當(dāng)復(fù)合碎料板遇到入射聲波時(shí)，聲波引起孔徑中空氣運(yùn)動(dòng)，與材料進(jìn)行往復(fù)摩擦，穿孔間共振吸聲和多孔吸聲均獲得加強(qiáng)，逐漸使更多聲能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能進(jìn)行消耗，從而正方形孔排列吸聲性能優(yōu)于其他排列形式，但是穿孔板對(duì)頻率的選擇性很強(qiáng)，只對(duì)共振頻率的噪聲具有較優(yōu)的吸聲效果，因此不同孔排列樣式對(duì)復(fù)合材料吸聲性能影響不同[20-21]。以平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行分析，孔排列形式對(duì)沙柳/HDPE復(fù)合碎料板聲學(xué)性能影響的順序依次是正方形、米字型、無(wú)規(guī)則和圓形排列。

綜上，添加3%鈦酸酯偶聯(lián)劑增強(qiáng)的沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲性能優(yōu)于普通刨花板的低頻平均吸聲系數(shù)0.54，鉆孔復(fù)合碎料板吸聲性能表現(xiàn)出木絲板的吸聲特性且平均吸聲系數(shù)>0.6。鉆孔處理可提升沙柳/HDPE復(fù)合碎料板的吸聲性能，鉆孔深度、鉆孔直徑和孔排列形式均影響吸聲特性，其中正方形孔排列共振吸聲效果較強(qiáng)[4-5,12]。

3 結(jié)論與討論

沙柳/HDPE復(fù)合碎料板與背腔空氣層構(gòu)成的復(fù)合板/腔結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)最小值，平均吸聲系數(shù)和降噪系均隨背腔深度增加呈則增大趨勢(shì)，最小吸聲系數(shù)向更低頻區(qū)域移動(dòng)，由400 Hz移動(dòng)至315 Hz；隨背腔深度增加，板/腔結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)趨于穩(wěn)定頻率呈向低頻區(qū)域移動(dòng)趨勢(shì)。

圓形排列4%鉆孔率條件下，隨鉆孔深度增加，沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲系數(shù)最大值、最小值、平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)均有所提高；最小吸聲系數(shù)向更低頻移動(dòng)，由400 Hz移動(dòng)到315 Hz，隨鉆孔深度增加復(fù)合碎料板吸聲系數(shù)趨于穩(wěn)定頻率呈向低頻區(qū)域移動(dòng)趨勢(shì)。

圓形排列相同鉆孔深度條件下，沙柳/HDPE復(fù)合碎料板吸聲系數(shù)最大值、最小值、平均吸聲系數(shù)和降噪系數(shù)均隨直徑的增大而增加；鉆孔直徑為5mm的通孔時(shí)，復(fù)合材料最大吸聲系數(shù)值0.852，最小吸聲系數(shù)值0.331，平均吸聲系數(shù)0.646，降噪系數(shù)0.703。

通孔孔徑2 mm和4%鉆孔率條件下，孔排列形式對(duì)沙柳/HDPE復(fù)合碎料板聲學(xué)性能影響的順序依次是正方形、“米”型、無(wú)規(guī)則和圓形排列，但孔排列形式對(duì)該復(fù)合材料吸聲性能影響不明顯。