（纺织工程专业论文）环境友好型非织造布吸声材料的研究.pdf

摘要 近年来，由于环境i 噪声问题越来越严重的影响到人们的工作和学习，研究者 们对材料吸声性能的研究也越来越多，虽然现有的吸声材料在不同领域的应用尚 可，但是仍然存在着对环境的适应力差，材料性脆，容易折断形成粉尘散逸而污 染环境、影响健康，或体积大，给施工安装带来许多不便等缺点，并且随着近年 来人们环保意识的加强，急需一种新型吸声材料，而非织造材料以其天然的三维 网状结构以及多孔性、柔软性及弹性等特点，非常适合用作吸声材料。除此之外， 非织造布还具有原料来源范围广，产品品种多；生产工艺过程简单，劳动生产率 高；生产速度快，产量高；工艺变化多，产品用途广等特点，因此非织造布在吸 声材料中的应用前景广阔。鉴于此，并结合国外现有的对吸声非织造材料各项性 能的研究，本课题提出了从结构角度考虑研究吸声非织造材料的想法。 秉承以上的构思，从吸声原理以及影响吸声材料特性的两点重要因素一一容 重和厚度方面考虑，本课题先后制备了十种不同结构的复合试件，这些试件一方 面从容重角度考虑，为了使声波较容易地进入材料，表层采用容重较小的非织造 材料，同时为使进入材料内的声波与材料的接触机会增多，中间层采用容重较大 的非织造材料。两者通过类似针刺的工艺连接，这种连接方式既可避免由于粘合 剂连接所产生的孑l 隙损失，又可在层与层之间不完全接合处形成空气层，这样就 使纤维与声波的接触机会增多，从而使材料的吸声性能得到了更有效地提高。另 一方面，根据实验的结论，从具有吸声性能的最小厚度出发，逐渐增加材料的厚 度，同时考虑最后的使用要求组合成所需的厚度，这样复合而成的厚度可在一定 范围内调整，较现在常用的一次性成形的吸声材料更具有灵活性，并且更加合理 化的应用资源。最后，为了保护非织造材料的孔隙畅通，在材料的表面安装玻璃 纤维布。 通过驻波管法对试件测试，以及使用s p s s 统计软件的分析表明，用不同的 复合结构来实现提高非织造材料吸声性能的想法是可行的、有效的。复合后的非 织造吸声材料除自身的优良吸声性能之外，还可与其它吸声材料如穿孔板、薄膜 吸声材料等组合使用，更加行之有效的使用于各种需要吸声的环境。 关键词：非织造材料、结构、容重、厚度、吸声性能 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ee x p e r t sa n ds c h o l a r sh a dd o n em o r ea n dm o r er e s e a r c ho n s o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo ft h em a t e r i a li nt h a tp e o p l e sw o r ka n ds t u d yh a d b e i n gd i s t u r b e db yt h ea m b i e n tn o i s eb a d l ye v e r yd a y a l t h o u g ht h e r eh a db e e ns o m e a p p l i c a t i o n so ft h ee x i s t i n gs o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a li nd i f f e r e n ta r e a s ，i ts t i l le x i s t e d m a n ys h o r t c o m i n g ss u c ha st h ep o o ra d a p t i v ef a c u l t yt ot h ee n v i r o n m e n t ，t h el a r g e v o l u m ew h i c hb r o u g h td i f f i c u l t i e sf o rt h ec o n s t r u c t i o na n di n s t a l l a t i o n ，a n dt h eb r i t t l e p r o p e r t ya n de a s yt ob eb r o k e no f f , w h i c hr e s u l t e di nm a k i n gt h ed u s tt op o l l u t et h e e n v i r o n m e n ta n da f f e c t e dp e o p l e sh e a l t h ，a n ds oo n a l o n gw i t ht h es t r e n g t h e n i n g e n v i r o n m e n t a la w a r e n e s so ft h ep e o p l e ，an e wt y p eo fs o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a li s u r g e n t l yn e e d e d ，a n dn o n w o v e nm a t e r i a lw i t hi t sn a t u r a lt h r e e d i m e n s i o n a ln e t w o r k s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sp o r o s i t y , f l e x i b i l i t ya n de l a s t i c i t ye t c ，i s e x t r e m e l ys u i t a b l ef o rs o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a li nr e c e n ty e a r s i na d d i t i o n ，t h e n o n w o v e nm a t e r i a l a l s oh a dc h a r a c t e r i s t i e ss u c ha st h ew i d es o u r c eo ft h er a w m a t e r i a l ，t h ev a r i e t yo ft h ep r o d u c t s ，t h es i m p l e n e s so ft h ep r o d u c i n gp r o c e s s ，t h eh i g h r a t eo ft h el a b o rp r o d u c t i v i t y , t h eh i g ho u t p u t ，t h ev a r i e t yo ft h ec r a f t ，t h eb r o a d a p p l i c a t i o na n ds oo n ，t h e r e f o r ei tw a sv e r yb r i g h tf o rt h ea p p l i c a t i o no ft h es u p a t e x f a b r i ci ns o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a la r e a o w i n gt ot h i s ，c o m b i n e dw i t ht h ee x i s t i n g r e s e a r c ho nt h ep r o p e r t i e so fs o u n da b s o r p t i o nn o n w o v e nm a t e r i a la b r o a d ，t h ep a p e r p u tf o r w a r dt h ei d e at h a ti tc o u l db et a k e n i n t oa c c o u n tf r o mt h ep o i n to fi t ss t r u c t u r e b a s i n go nt h ea b o v ec o n c e p t ，t h et e s ts a m p l e sw e r em a d eo fn o n w o v e nm a t e r i a l w i t ht e nk i n d so fd i f f e r e n ts t r u c t u r a lc o m b i n a t i o n si nt h ep r e s e n tt a s kf i r s t l y , w h i c h c o n s i d e r e dt h ep r i n c i p l eo fs o u n da b s o r p t i o na n d ，t h eb u l kd e n s i t ya n dt h i c k n e s st h a t w e r et h et w oi m p o r t a n tf a c t o r so ft h es o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a l o no n eh a n d c o n s i d e r i n gt h e i rb u l kd e n s i t y , t h es u r f a c el a y e r so ft h et e s ts a m p l e sw e r em a d eo f n o n w o v e nm a t e r i a lw i t hs l i g h tb u l kd e n s i t yi no r d e rt om a k et h es o u n dw a v ee a s i e r t oe n t e ri n t ot h e m ，a n dt h ei n t e r m e d i a t el a y e r sw e r em a d ef r o mg r e a t e rb u l kd e n s i t yi n o r d e rt om a k et h es o u n dw a v ee n t e r e di n t ot h e mw i t hm o r eo p p o r t u n i t i e st oc o n t a c t t h em a t e r i a l b o t ht h et w ol a y e r sw e r ec o m p o s e db yt h ec r a f ts i m i l a rt on e e d l ep u n c h ， w h i c hn o to n l ya v o i d e dt h el o s so fs l i g h th o l e sb r o u g h tb yt h ea d h e s i v e ，b u ta l s o p r o v i d e dm o r eo p p o r t u n i t i e st o u c h e dw i t ht h es o u n dw a v ed u et ot h ea i rl a y e r sf o r m e d b yi n c o m p l e t ej o i n t sb e t w e e nl a y e r s t h e r e f o r et h es o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo f t h em a t e r i a lw a sm o r ee f f e c t i v e l ye n h a n c e d o nt h eo t h e rh a n d ，a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n ，t h et h i c k n e s so ft h es o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a lw a si n c r e a s e d g r a d u a l l yf r o ms m a l l e s tt h i c k n e s su n t i li t a c h i e v e dt h ef i n a lo p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s ， a n dt h es o u n da b s o r p t i o nm a t e f i a lm a d el i k et h i sw a sm o r ef l e x i b l et h a ni tc o m m o n l y u s e da tp r e s e n t ，a n de v e nm o r er e a s o n a b l ei nu s i n gr e s o u r c e s f i n a l l y , t h eg l a s sf i b e r c l o t hw a sf i x e do ni t ss u r f a c ei no r d e rt og u a r a n t e et h a tt h eh o l e si nt h en o n w o v e n m a t e r i a lw e r eu n i m p e d e d i ti n d i c a t e dt h a tt h ei d e at h a tt h es o u n da b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo ft h en o n w o v e n m a t e r i a lw a si m p r o v e db yt h ec h a n g e ds t r u c t u r e sw a sf e a s i b l ea n de f f e c t i v et h r o u g h t h et e s tf o rt h et e s ts a m p l e so nt h em e t h o do fs t a n d i n gw a v ea n dt h ea n a l y s i so ft h e s p s ss t a t i s t i c s s o f t w a r e m o r e o v e r , b e s i d e s i t so w ng o o ds o u n da b s o r p t i o n p e r f o r m a n c e i tc o u l db ec o m b i n e dw i t ho t h e rs o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a ls u c ha s p e r f o r a t i o np l a t e ，f i l m s o u n da b s o r p t i o nm a t e r i a la n ds oo n ，w h i c hw a sm o r e e f f e c t i v e l ya p p l i e di nv a r i o u ss u r r o u n d i n g sn e e d e ds o u n da b s o r p t i o n k e y w o r d s ：s u p a t e xf a b r i c ，s t r u c t u r e s ，b u l kd e n s i t y ，t h i c k n e s s ，s o u n da b s o r p t i o n p e r f o r m a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 孪晶 签字日期：护7 年肥月卵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 摩晶 导师签名： 签字日期：d 7 年2 月2 9 l a 签字日期： 学位论文的主要创新点 一，本课题研究的吸声用非织造材料是从结构角度考虑，将现有的非织造布根据 不同厚度或者容重优选复合连接而成，这区别于现有的单纯从非织造材料本 身考虑，例如非织造材料的纤维选择、工艺等方面的研究模式。 二，在对不同厚度和容重的非织造材料复合的过程中，采用类似于针刺的方法， 无附加粘合工艺，对环境不会造成任何伤害，这样做既完成了材料的复合， 又可在不同层之间产生空气层，从而达到增加吸声性能的目的。 三，本课题研制的吸声用非织造材料最大的特点是工艺简单，使用灵活，它除可 以根据使用场合的要求任意组合，也可和其它的吸声材料组合使用。 第一章绪论 1 1 环境噪声污染 第一章绪论 城市环境噪声主要是由两部分组成，一部分是运行中的各种工业设备产生的 噪声，另一部分是人群活动向周围的生活环境辐射而产生的噪声。具体地讲，在 工业生产活动中使用固定机械设备会产生工业噪声，在建筑施工过程中会产生建 筑施工噪声，各种交通工具运行会产生交通运输噪声，除此之外，还有各种人为 活动会产生社会活动噪声等。噪声污染同空气污染，水污染一起被公认为当代世 界的三大公害。噪声对人类的危害很大，不仅危害人的听觉系统，使人疲倦、耳 聋，严重影响居民的生活质量，而且还会加速建筑物、机械结构的老化，影响设 备及仪表的精度和使用寿命。我国1 9 9 7 年颁布的中华人民共和国环境噪声污染 防治法中列出的四大噪声源，即工业噪声源、交通噪声源、施工噪声源和社会 生活噪声源都还未得到有效的控制，并且随着工业、农业、交通运输业的迅速发 展，噪声污染问题r 趋严重。据近年来的统计，在影响城市环境的各种噪声来源 中，工业噪声来源比例约占8 l o ；建筑施工噪声影响范围在5 左右，因为 施工机械运行噪声较高，施工时间不加控制，近年来扰民现象较频繁；交通噪声 影响比例将近3 0 ，因交通工具运行噪声大，又直接向周围环境辐射，对人们的 生活环境干扰最大；社会生活噪声影响面最广，已经达到城市范围4 7 ，是干扰 生活环境的主要噪声污染源。阳1 吸声材料是提高声环境质量的重要物质手段。社会对吸声材料的需求量呈迅 猛增长之势，同时也对吸声材料的性能提出了更高更多的要求，吸声材料必须实 现从过去单一吸声功能向高吸声性、装饰性、经济性和环保性等多功能材料的转 变。所以研究新型吸声材料，对改善建筑物的声环境，改善人民生活质量方面的 作用和地位，具有重要的现实意义。 1 2 吸声材料概述 1 2 1 吸声材料的吸声机理 声波足一种机械能，它的传播必须借助于一定的媒质，而声波在不同的媒质 中有不同的传播速度和损耗。声能的损耗主要是通过在材料中的粘滞性内摩擦、 热传导和驰豫作用来完成的。在某种意义上，材料也是声波的一种媒质，因此以 上这三种方式基本上涵盖了声波在材料中的全部耗散现象，是吸卢材料的主要理 第一章绪论 论基础。3 1 1 2 1 1 多孔吸声材料的吸声机理 li 吸 蘸 li 遢 专j l 屏障i z 毫； ；j 芒乏 图卜1噪声碰到屏障时的声能分布 多孔吸声材料内部具有无数细微孑l 隙，孔隙间彼此贯通，且通过表面与外界 相通，如图1 - 1 所示，当声波入射到材料表面时，一部分在材料表面反射掉，另 一部分则透入到材料内部向前传播。在传播过程中引起孔隙的空气运动，与形成 孔隙的固体筋络发生摩擦，由于粘滞性和热传导效应，将声能转化成热能而耗散 掉。声波在刚性壁面反射后，经过材料叵i 到其表面时，一部分声波透射到空气中， 一部分又反射叵l 材料内部，声波通过这种反复传播，使能量不断转化耗散，如此 反复，使得材料“吸收”了部分声能。 1 2 1 2 共振吸声结构的吸声机理 共振吸声结构以各类穿孔板最为常见。穿孔板与后面的空腔共同构成共振吸 声结构。当声波入射到材料表面，一部分在材料表面反射掉，另一部分则透射到 材料内部继续传播，当入射声波的频率和系统固有频率相等时，空气中的主空气 柱由于共振产生剧烈振动，空气柱和孔径侧壁摩擦，从而将声能转化成热能而耗 散掉。 所谓吸声就是将声能或振动能通过媒介转化成其他形式的能量而耗散掉。不 论是多孔吸声材料还是共振吸声结构，它们都是由声波引起空气运动利用空气的 粘滞性，使其在与材料孔壁摩擦时转换成热能而耗散掉，不同之处是：多孔吸声 材料是运动空气反复与材料孔壁摩擦而耗能，而共振吸声结构在引起空气运动的 方式方面与多孔材料不同，它是利用入射声波的频率和系统固有频率相等引起空 气运动的。 第一章绪论 1 2 2 吸声材料分类 吸声材料按吸声机理可分为三类：多孔吸声材料、共振吸声结构、复合吸声材料。 4 参皋【f 】晤甫 ： 蜜：i 1 2 2 1 多孑l 吸声材料 多孔吸声材料根据孔隙的形态又分为闭孑l 和开孔两种，闭孔材料内部虽然有 许多微小气孔，但气孔密闭，彼此互不相连，当声波入射到材料表面时，很难进 入到材料内部，只是使材料做整体振动，其吸声机理和i 及声特性与多孔材料不同， 它们只能作为隔热保温材料，不能用作吸声材料。开孔材料的孔隙在表面开口， 孔孔相连，且孔隙深入材料内部，能有效地吸收声能。两种材料的结构如图1 2 所示。通常所说的多孔吸声材料指的是开孑l 的吸声材料。 图1 - 2闭孑l 与开孔吸声材料结构 1 2 2 1 1 ，纤维吸声材料 纤维吸声材料的研究经历了从有机纤维到无机纤维再到有机纤维的过程。 ( 1 ) 早期有机纤维 早期用于吸声材料研制的有机纤维以天然的动植物纤维为主，比如毛毡、棉 纤维、甘蔗纤维、木质纤维、稻草纤维等，并且大多采用层压工艺制成各种板材。 其优点是成本低，材料来源广泛，制造简单，吸声频带宽，特别是在中高频范围 内具有良好的吸声性能，但是防火、防蛀和防潮性能差，因此不利于在环境恶劣 第章绪论 的地方使用。 ( 2 ) 无机纤维m m 无机纤维主要有玻璃棉、岩棉和矿渣棉发其制品。它们兆唰的特点是耐候性 能比如：防火、防蛀、耐腐蚀、防潮等都优于早l i | 有机纤维。其中超细玻璃棉是 最常见的吸声材料，它除县有卜述优点之外还具有密度小，质轻的特点；岩棉 最人特点是时一茸温( 7 0 0 c ) ，隔热且易于成型；矿渣棉的导热系数小，隔热性 能优异，井r 价格低廉。因此我们可利用不同无机纤维的特点将其应用于具有 特殊要求的场所，但是山于其性脆，容易折断形成粉尘敞逸而污染环境、影响健 康等缺点给施工安装带来许多不便；另外，无机纤维脯于软性结构，表面需有保 护层进行保护和装饰，构造复杂，体积大储存和运输麻烦。 ( 3 ) 有机高分予纤维 有机高分丁材料土要通过增加材料内界面，合州旺a c 粘弹与内阻尼及填料阻 抗柬实现分子的无挑运动，即使分子位移欠量方向较一敏的声能转化为分子运动 无舰的热能，从而达到l 般声的目的“1 。有机高分子材料的粘弹内耗性即阻尼机 制特性有利于将阻尼和其它吸声机制同时引入l 败声村料巾，改善其吸声性能。与 箕它吸声材料相比，高分子材料更容易通过发泡、j = j i 制和挤山等方法加工成型， 进j r 吼声结构的设计。另外，有机高分子品种繁多，【! 王为吸声降噪材料的研制提 供了厂阔的空问，是近年木嗷声材料的研究热点。目时应用较多的是人 台成的 化学纤维比如聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维等。“ l2 212 ，泡沫吸声材料 泡沫吸p t 村科要有泡淋盒幅、泡沫塑料、池洙破璃一大类。 ( 1 ) 池洙金属 骞； 、 ， l 幽i3 泡沫金属结构图 泡沫金属主要靠对材科的发泡处理，使气泡分巾丁金属相中构成孔隙结构制 成( 如罔卜3 所示) 。目前研究涉及到铝、镍、铜、镁等金属。泡沫命属中+ l 孔 的不舰则性和立体均巾性使其具有优良的吸声性能。经研究泡沫金属吸声材料不 仅在高频区，而且在中低频区也具有较好的吸声性能”。但是其造价较高，且 金属不易降解，小利于环保。 第一章绪论 ( 2 ) 泡沫塑料“”1 聚氨酯泡竦塑料足种新型系列化的强吸声材料。在国内已经工业化。其具 有气泡均匀、耐老化、抗有机溶剂侵蚀阻燃性好，耐潮、易丁= 切割等特点，但 是由于聚氯酯泡沫是一种软质泡沫塑料，强度较低，若j j 于室外需存表面加装保 护装置，安装麻烦，增加成本。 ( 3 ) 泡沫玻璃”“ 泡沫玻璃是以玻璃粉为原料加入发泡剂及其它添加剂经高温焙烧而成的轻 质块状材料。其具有质轻、不燃、不易老化、无气味、受潮甚至吸水后小变形、 易于切割加工，施工方便，不会产t k 粉尘等优点。但是泡沫玻璃强度较低，不易 与其它吸声结构复合使用，由此降低吸声性能，同时不利于存储和运输。 l2213 ，吸声建筑材料”1 吸声建筑材料由多孔建筑材料制成，如各种县有微孔的泡沫吸声砖、膨胀珍 珠岩( 如图1 4 ) 、泡沫混凝上、多孔泡沫陶瓷吸声材料( 如图15 ) 等，它们 具有保湿、防潮、酎腐蚀、耐冻、耐高温等优点。其l _ 对陶瓷吸声材料的研究较 多，已绎研制成功的有陶瓷吸声扳，泡沫陶瓷等它们除具有吸声建筑材料的共 同特性之外，还有强度高，表面不需保护层，结构相对简单，装饰性好等特点。 吸声建筑材料的缺点是l 啦声性能差，并h 重量较重，小利于运输和安装，已逐渐 被性能史优异的无机纤维代替。 酗l _ 4 蟛胀珍珠岩 1 2 22 共振吸声结构 潦 12 22l 单孔共振吸声结构 单孔共振吸声器是山孔颈和腔体两部分组成的共振结构( 如幽卜6 所示) 。 孔径中的空气托像活塞一样往复运动，当入射声波与共振器发生共振时，卒气杜 的运动速度晶大，因而颈壁对空气的阻尼作用最大，从而可以“吸收”虽大声能。 腔体巾的空气具有弹性，具有弹簧作片5 。孔径与腔体的尺寸决定了共振频牢的大 小，这种吸声器对频率选择性很强，凼此吸声的频带较窄。改变连接管的尺、j 和 第一章绪论 空腔体的体积，可以获得不同的共振频率。 图1 - 6 单孔共振器的结构 1 2 2 2 2 穿孔板共振吸声结构 孔距b i 颈孔长度l 图1 - 7 穿孑l 板共振吸声结构 如图1 - 7 所示，穿孔板共振吸声结构可以看成是由几个单孔共振器并联组 成。穿孔板吸声结构的共振频率与穿孔率、孔板厚度和空腔深度有关。穿孔率足 穿孔面积占总面积的百分数。这种吸声结构的缺点是对频率的选择性很强，在共 振频率时具有最大的吸声性能，偏离共振频率时则吸声效果较差。它吸收声音的 频带比较窄，一般只有几十赫兹到2 0 0 赫兹的范围。在穿孔板后衬贴织物或填放 多孔吸声材料可以使这种吸声结构吸收声音的频带加宽。穿孔板的穿孔应均匀地 分布在板面上，一般孔径为3 - - 一8 m m 为宜。此外，为了提高吸声性能，可采用两 层穿孔板组成的吸声结构。 第章绪论 2 2 23 微穿孔板共振吸声结构” 幽卜8 微穿孔扳 微穿扎板吸声结构( 如图18 ) 足我囡著名声学专家马大猷十1 9 6 4 年提出 的，在普通穿孔板的基础e 发展起来的。普通穿孔板的厚度一般为l _ 5 l o m m ， 孔径为2 1 5 m ，穿孔牢为0 肼5 左右：而微穿孔板i 及声结构的板厚及孔径均 小于1 m i l l ，穿孔率为1 3 ，它与板后的空腔一起组成微穿孔板吸声结构。这种 结构的吸声性能可根据需要进行漫玑微孔的大小和间距影响微穿孔板的吸声系 数，扳的构造和它的空腔深度决定它的i 政声频率范田。微穿孔共振吸声结构的吸 声性能明显优丁前两类j 振结构。它的吸声频带较宽，啦声系数较高，特别是它 可用在其他材料或结构不适合的场所，如高温、潮湿、在腐蚀性气体或高速气流 等环境：i 可时它结构简巾、设计理论成熟，其吸声特性的理沧计算与实测值很接 近，而一般i 败声材料或结构的吸声系数则要靠试验测量，理论只起指导作h j ，因 此微孔板共振吸声结构近年来已在噪卢控制领域得到广泛应用，且效果较奸。但 它的缺点是微孔加工较困难，且易被扶尘堵塞。有时也利用双层微穿孔结构水进 步提高其吸声效果。 l22 24 薄板共振吸声结构” 薄板是一种厚度远比宽度小，凼此可将厚度忽略小计的板。薄扳共振吸声结 构足将薄板后预甫一定厚度的守气层，冉固定薄扳用边而成的i 吸声结构。当声波 八射到薄板表面，由f 声波的交变振动引起薄板振动，当声波与薄板的振动频率 相等时拉生共振，此时薄板的振幅最大，薄板周边支点和薄板本身的内摩擦损耗 最大，从而卢能的损耗也达到最大。薄板弗振吸声结构的共振频率一般为8 0 3 0 0 h z ，凼此它对低频卢有很好的吸收能力。 122 25 薄膜其振啦声结构” 薄膜共振i 及声结构通常与其它材料附着存一起使j j ，如钒纤维吸声材料中的 铝箔，还有微穿孔聚已烯薄膜，它可岵在普通窗户的玻璃上。这种材料具有优良 的中频吸声性能。但足奠使用场合的局限性很大。 第一章绪论 1 2 2 3 复合吸声结构 图1 - 9 所示的是不同吸声结构的普遍的吸声特性曲线，由此可以看出，材料 的吸声能力和声波的频率有关，对于多孔吸声结构而言，随着声波频率的不断增 加，其吸声能力也不断增加，在中频声段增加的最快，而对高频声波的吸收能力 最好；对于共振吸声结构而言，随着声波频率的不断增加，材料对声波的吸收能 力先增后降，对低频声波的吸收最好，在中频声段有所降低，而在高频声段的吸 声能力维持在一定水平。复合吸声结构恰好是利用两种结构对不同频率的吸收能 力，结合两者的优势，将材料的吸声频段扩大，从而更有利于对噪声的全面吸收。 1 0 0 8 0 6 咝0 4 尸 系 数 0 2 0 1 2 5 2 5 05 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 频率m z 图卜9 不同吸卢结构的吸卢特性曲线 具体地讲，将多孔吸声材料和共振吸声结构相复合就形成了复合吸声结构， 通常的做法是将穿孔板后衬挚一层多孔吸声材料。现在研究较成熟的是s o u n d t e x 吸声非织造布和穿孔板相复合的吸声材料盯。s o u n d t e x 吸声非织造布是将吸声 非织造布贴铝合金穿孔板后背，放置于木框架上，中间有方木柱支撑，四周用厚 2 0 的中密度木板围封，木板与地面交界处用胶泥密封。穿孑l 板厚0 7 r a m ，孔径o 2 8 m m ，穿孔率1 8 ；吸声非织造布厚0 2 m m ，9 1 9 m 2 。空腔深度分别为5 0 m m 、2 0 0 m m 、 4 0 0 r a m 。其试件构造如图l 一1 0 所示。这种材料对中低频区的吸声效果较好。空腔 深度对其吸声性能影响较大，加大空腔深度可提高中低频吸声效果。除此之外， s o u n d t e x 吸声非织造布还具有极薄极轻、体积小，储藏、运输、加工和安装十分 方便的特点。 第一章绪论 吸声非织造布 胶泥密封 图1 - 1 0s o u n d t e x 非织造布吸声材料的构造 1 2 3 影响吸声材料吸声性能的因素 孔板 空腔深度 影响吸声材料吸声性能的因素主要有材料的厚度、容重和背后空腔深度。这 三点对材料吸声性能的影响在许多文献中已有所提及，这罩以最有代表性的金属 材料的实验，来具体说明上述因素对材料吸声效果的影响。 1 2 3 1 材料的厚度 增加材料的厚度可以增加材料的声阻抗，因此材料厚度对吸声性能有很大影 响。表1 - 1 为容重p = 2 4 0 k g m 3 ，厚度分别为l o ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 m m 时，金 属纤维的三分之一倍频程吸声系数。表卜2 为容重p 。= 5 0 0 k g m 3 ，厚度分别为1 0 ， 2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 m m 时，金属纤维的三分之一倍频程吸声系数。 表1 - 1 1 9 1 材料层厚度的影响( 容重p m = 2 4 0 k g m 3 ) 频率( r l z ) l23456 2 5 00 1 50 2 lo 2 3o 2 6o 3 lo 3 4 3 1 5o 1 30 2 4o 2 6o 2 9o 3 6o 3 8 4 0 0 o 1 8o 1 9o 2 9o 3 1o 4 0o 4 2 5 0 0o 1 90 2 2 o 2 70 3 30 4 4o 4 8 6 3 0o 1 50 1 9 o 2 80 3 4o 4 60 5 1 8 0 0o 1 7 0 2 6o 3 00 4 5o 5 1o 6 l 1 0 0 0o 1 40 2 3 0 3 4 o 4 9o 6 6 o 7 4 1 2 5 0o 1 10 3 10 3 7o 5 60 6 9 o 7 6 1 6 0 00 2 20 3 0o 3 5o 5 8o 7 5o 8 3 2 0 0 00 2 60 3 6o 4 20 6 20 8 4o 8 8 一 行 0 1 7o 2 5o 3 1o 4 20 5 4o 6 0 第一章绪论 表1 - 2 1 9 1 材料层厚度的影响( 容重p m = 5 0 0 k g m 3 ) 频率( h z ) 12345 2 5 0 o 1 8o 2 7o 2 80 3 40 4 8 3 1 5 0 2 2o 3 0o 2 9o 3 8o 5 0 4 0 0 o 2 9o 3 2o 3 60 4 4o 5 5 5 0 0o 3 0 0 3 30 3 8o 4 90 7 2 6 3 0o 3 2 0 3 9o 5 60 6 9o 8 8 8 0 00 3 5o 3 8o 6 7o 7 5o 9 l 1 0 0 0o 4 10 4 50 7 4o 8 80 9 8 1 2 5 00 4 40 5 7o 8 3o 9 40 9 5 1 6 0 0 0 4 80 7 4o 8 90 9 50 9 3 2 0 0 00 7 8 0 8 0o 9 1o 9 6o 9 4 一 钳 o 3 80 4 6o 5 90 6 8 o 7 8 从表1 - 1 和表1 - 2 可以看出，金属纤维的中高频吸声性能明显优于低频吸声 性能，厚度对材料的中低频吸声系数影响较大，厚度越大，平均吸声系数越大， 吸声频带就越宽，从而吸声能力愈强。 1 2 3 2 材料的容重 吸声材料的容重间接地控制着材料内部微孔的尺寸。当容重较小时，孔隙率 增加，但孔隙的直径变大，吸声性能变差；当容重增加时，材料内部的孑l 隙率会 市h 应减小。因而可改变低频吸声效果，但高频吸声效果又可能降低。当容重过大 时，吸声效果又会明显降低。表卜1 、表卜2 实际已提供了容重分别为2 4 0 k g m 3 和5 0 0 k g m 3 时吸声系数的对比。 1 2 3 3 材料的空腔深度 材料背后空气层的厚薄，对吸声性能有很大影响。表卜3 给出了材料厚度为 2 0 m m ，容重p = 4 5 0 k g m 3 时，背后空气层厚度为0 ，1 0 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 m m 共七种状态时三分之一倍频程吸声系数测试数据。从表卜3 可直观地看出，当材 料背后留有空气层时，可增加材料的平均吸声能力，且出现类似于共振吸声特性， 即改变空气层厚度，材料最大吸声系数峰值频率点也随之改变。其规律是随空气 层厚度的增大，最大吸声系数峰值频率向低频移动。由此可知，增大材料背后的 空气层，相当于增加了材料的厚度，从而节省了材料，同时又可通过改变空气层 厚度来调节最大吸声系数的频率值。不过，这种方法又增加了空间结构尺寸，当 空间允许的情况下可采用此方法。 第一章绪论 表卜3 憎1 空腔深度的影响 频率( h z ) l234567 2 5 0o 2 5o 2 70 2 7o 3 00 3 50 3 90 4 2 4 0 00 2 60 2 8o 3 2o 3 40 3 80 5 20 5 6 5 0 00 2 70 3 2o 3 00 3 2o 5 3o 5 40 6 2 6 3 00 。2 8o 3 8o 4 0o 4 80 6 00 6 50 6 8 8 0 0o 3 l0 4 00 5 20 6 4o 7 00 7 20 8 6 1 0 0 00 3 60 5 10 6 2o 7 4o 8 10 8 4o 7 9 1 6 0 00 5 60 8 10 7 8o 8 lo 7 10 6 4o 6 5 2 0 0 0o 6 20 6 8o 7 0o 7 6o 6 60 5 70 5 4 一 n o 3 7o 4 6o 5 00 5 6o 5 90 6 00 6 3 1 2 4 评价吸声效果的指标 1 2 4 1 吸声系数 吸声系数是评价材料吸声性能好坏的主要指标之一。吸声系数是指声波在物 体表面反射时，其能量被吸收的百分率，通常用符号0 c 来表示，o 【值越大，吸 声性能就越好。 a = ( e 入一e 反) e 入= e 吸e 入 ( 1 1 ) 式中：e 入一一入射总声能( w ) ， e 反一一反射声能( w ) ， e 嗳一一被吸收的声能( w ) 。 一般材料或结构的吸声系数在o 1 之间，c 【值越大，表示吸声性能越好。 理论上，如果某种材料完全反射声音，那么它的a = o ；如果某种材料将入射声能 全部吸收，那么它的a = 1 。事实上，所有材料的0 【都介于o 和1 之间，也就是不 可能全部反射，也不可能全部吸收。 吸声系数的测量将在第四章中作详细叙述。 1 2 4 2 降噪系数 不同频率上会有不同的吸声系数。人们使用吸声系数频率特性曲线描述材料 在不同频率上的吸声性能。按照i s o 标准和国家标准，吸声测试报告中吸声系数 的频率范围是1 0 0 5 0 0 0 h z 。将1 0 0 5 0 0 0 h z 的吸声系数取平均得到的数值是平 均吸声系数，平均吸声系数反映了材料总体的吸声性能。在工程中常使用降噪系 数n r c 粗略地评价在语言频率范围内的吸声性能，这一数值是材料在2 5 0 、5 0 0 、 第一章绪论 1 0 0 0 、2 0 0 0 四个频率的吸声系数的算术平均值，四舍五入取整到o 0 5 。一般认 为n r c 小于0 2 的材料是反射材料，n r c 大于或等于0 2 的材料才被认为是吸声 材料。 表卜4 伽1两种材料吸声性能的比较 噪声频率材料1 的吸声系数材料2 的吸声系数 2 5 0h zo 0 6o 3 6 5 0 0h zo 1 20 3 6 1 0 0 0h zo 4 80 3 6 2 0 0 0h zo 7 20 3 6 n r c0 3 5o 3 5 上面表卜4 中的两组数据，左侧一组的吸声材料很明显对高频噪声的吸收效 果很好，对低频的吸收效果很不好。相比而言，右边一组的吸声材料对任何频率 的吸收效果都很平均。在两者n r c 相等的情况下，我们认为右边一组的吸声材料 较为理想。这也是为什么我们对吸声材料要进行结构上的优化和添加空气层的理 由。就是为了使其能够在成本较低的条件下，对不同频带的噪声都有良好的吸声 效果。 1 2 4 3 综合指标2 仃 在实际应用中，一种较为理想的吸声材料除要求其吸卢系数要满足要求之 外，还应考虑其他指标( 见表卜5 ) ，但由于各类吸声材料自身具有不同的特点以 及实际工程的不同应用，吸声材料很难达到全面的综合指标的要求，通常根据不 同的使用环境，侧重一部分技术指标进行选用或者采用其他技术措施予以完善。 表i - 5 吸卢材料的综合指标 综合指标 要 求 1 、吸声系数在较宽的频带范围内具有较好的吸卢系数，且长期稳定； 2 、力学性能具有抗拉、抗压或抗外力的作用等力学性能，使其不至于损坏， 经久耐用、不老化，且材料的重量尽可能轻一些； 3 、抗自然环境条件防雨雪、抗日晒，耐环境温度和防冻、耐酸碱、耐油污等； 4 、防火性能 不白燃、不易燃、不助燃； 5 、卫生条件无毒、无异味、无放射性物质、不霉变、不被虫蛀或鼠咬，便于 清洗、无腐蚀、高温下不散发对人体有害的气味，无二次污染； 6 、丁程应用施工方便，维修保养或更换方便，不反光，表面可以美化装饰； 7 、成本 价格低廉，取材方便。 第一章绪论 1 3 课题的研究意义及内容 1 3 1 课题的研究背景及意义 近年来，由于环境噪声问题越来越严重的影响到人们的工作和学习，科研人 员对材料吸声性能的研究也越来越多，从早期的棉、麻等天然纤维到矿渣棉、玻 璃棉等无机纤维，从穿孔共振板、微穿孔板到现在的薄膜共振结构，吸声材料的 发展日新月异。虽然现有的吸声材料在不同领域的应用尚可，但是仍然存在着对 环境的适应力差，材料性脆，容易折断形成粉尘散逸而污染环境、影响人体健康， 体积大，给施工安装带来许多不便等缺点，并且随着近年来人们环保意识的加强， 急需一种新型吸声材料，因此对非织造布的吸声性能的研究尤为突出。非织造布 是由纤维网形成的布状材料。其主要原料是各种纤维，这些定向或随机排列的纤 维通过摩擦、抱合、粘合或这些方法的组合而制成片状物、纤维网或絮垫( 不包 括纸、机织物、针织物、簇绒织物、带有缝编纱线的缝编织物以及湿法、缩绒的 毡制品) 。非织造布的这种三维网状的内部结构，属于多孑l 隙纤维网织物。由于 其具有多孔性、柔软性及弹性，因此非常适合用作吸声材料。除此之外，非织造 布还具有原料来源范围广，产品品种多；生产工艺过程简单，劳动生产率高；生 产速度快，产量高；工艺变化多，产品用途广等特点，因此非织造布在吸声材料 中的应用有着广阔的前景。 1 3 2 课题研究的内容