纖維基柔性非織造材料吸聲性能研究

范曉丹,李輝芹,鞏繼賢

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院,天津300387)

當(dāng)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(jìn)入物體,進(jìn)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(jìn)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(guān)注,吸聲材料已經(jīng)成為學(xué)者們的研究熱點[4-6]。

本文從噪聲傳播途徑著手,有機(jī)結(jié)合吸聲、隔聲多種降噪機(jī)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(fù)合的新型吸音材料[10]。美國3 M公司采用熔噴復(fù)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(guān)系。如臧傳鋒等[12]利用具有細(xì)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(xì)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(fēng)干燥箱(上海賀德實驗設(shè)備有限公司);Z4025型臺式鉆床(滕州市廣速數(shù)控機(jī)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(fù)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(xué) 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(dāng)聲波從一種媒質(zhì)入射到聲學(xué)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(dāng)入射聲能被完全反射時α=0,表示材料無吸聲作用;當(dāng)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(biāo)是聲波的頻率,縱坐標(biāo)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(dá),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(jìn)行算術(shù)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(shù)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(yán)格來說,Fe2O3和BaSO4對其影響相對較大。總的來說,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(jìn)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(dāng)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(guān)關(guān)系,當(dāng)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(dāng)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(jìn)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(shè)計出能夠達(dá)到預(yù)想吸聲效果的非織造材料。

[1] YIL MAZ N D,BANKS-LEE P,POWELL N B,et al.Effects of porosity,fiber size,and layering sequence on sound absorption perfor mance of needle-punched nonwovens[J].Jour nal of Applied Poly mer Science,2011,121(5):3 056-3 069.

[2] 張新安.非織造布結(jié)構(gòu)吸聲性能研究[J].西安工程科技學(xué)院學(xué)報,2006,20(2):135-138.

[3] YASUDA Y,UENO S,KADOTA M,et al.Applicability of locally reacting boundary conditions to por ous material layer backed by rigid wall:Wave-based nu merical study in non-diff use sound field with unevenly distributed sound absor bing surfaces[J].Applied Acoustics,2016,113:45-57.

[4] 鮑 緯,劉建立,王雙閃,等.結(jié)構(gòu)參數(shù)對非織造材料吸聲系數(shù)的影響[J].江蘇紡織,2014,(5):43-46.

[5] 洪 杰,姜 生,晏 雄.中空滌綸增強(qiáng)橡膠基復(fù)合材料層合非織造布的吸聲性能[J].紡織學(xué)報,2016,37(5):62-67.

[6] 丁先鋒,王 洪.車用PET/PP分散復(fù)合熔噴吸音材料的研究[J].紡織學(xué)報,2013,34(9):27-33.

[7] 羅以喜,奚柏君.非織造降噪復(fù)合材料的研究[J].紡織學(xué)報,2004,25(4):64-66.

[8] 胡立晨,陳福源,晏 雄.柔性針刺非織造材料吸聲性能分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2010,(1):53-56.

[9] 壽光培.日本帝人纖維株式會社開發(fā)V-LapTM非織造布[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2010,28(5):43-43.

[10]楊 波,劉 亞.吸音材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].紡織導(dǎo)報,2013,(7):99-101.

[11]3 M introduces flame-resistant Thinsulate[J].Apparel Magazine,2007,48(12):37.

[12]臧傳鋒,姚子川,任 煜,等.滌綸非織造吸聲材料的吸聲性能研究[J].棉紡織技術(shù),2015,43(6):6-9.

[13]楊 樹,于偉東,潘 寧.非織造布的結(jié)構(gòu)特征與其吸聲性能研究[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品,2010,28(7):6-11.

[14]KUCUK M,KORK MAZ Y.The effect of physical parameters on sound absorption properties of natural fiber mixed nonwoven co mposites[J].Textile Research Journal,2012,82(20):2 043-2 053.

[15]劉穎輝.室內(nèi)聲學(xué)設(shè)計與噪聲振動控制案例教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

[16]鐘祥璋,朱子根.材料吸聲性能的單值評價及產(chǎn)品分級方法[J].電聲技術(shù),2011,35(5):4-7.

[17]張智博.聲學(xué)材料性能測試及評價實驗研究[D].上海:上海交通大學(xué),2007.