植物纖維吸聲玻璃的原理分析及生產工藝研究

白鈺 鄭露 張小梅 林廣延 余康欣

摘 ?要：針對日益加劇的城市噪音污染問題，分析了聲音的產生、傳播和損耗的物理過程，闡述了聲波的能量損失原理。利用植物纖維內部有大量微小的連通孔隙的特點，探討了植物纖維的吸聲原理，并分析其吸聲性能的主要影響因素，結合玻璃的制造過程，開展了對隔音吸聲玻璃的研究和探索，提出了植物纖維吸聲玻璃制造的生產工藝。

關鍵詞：噪音污染 ?植物纖維 ?吸聲降噪 ?單層玻璃

中圖分類號：TS65 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）10（a）-0054-02

隨著中國經濟的持續高速發展，城市化進程進一步加快，人民生活水平逐漸提高，城市噪音污染也日益成為影響城市環境的突出問題。噪音污染對城市居民的健康帶來很大的危害，表現為影響人類的身心健康，破壞城市生活環境，危害社會穩定，因此，控制噪音污染已成為現代社會發展中急需重視和解決的問題。

1 ?現狀分析

1.1 噪音污染現狀

我國對城市商業、居住混雜區的環境噪聲限值規定：晝間≤60dB，夜間≤50dB。在居住區，對環境噪聲的要求更高。過度暴露在噪聲污染中，不僅會危害身體健康，還會嚴重影響心理健康[1]。《中國環境噪聲污染防治報告（2018）》顯示，2017年全國城市聲環境夜間不達標率高達26%，噪聲污染已成為僅次于空氣污染的第二殺手[2]。同時，建筑工地施工噪音對人們生活影響也極為嚴重，因為其位置相對固定，具有局部性、持久性，且噪聲強度較大，對周圍住宅區和商區都會有很大影響。

《中華人民共和國環境噪聲污染防治法》中指出，環境噪聲是指工業生產、交通運輸和社會生活中所產生的干擾周圍環境、干擾他人正常生活、工作和學習的聲音[3]。

1.2 噪音污染控制方式現狀

目前我國玻璃市場大多采用隔音玻璃降低噪音，主要以中空玻璃、雙層真空玻璃和夾層玻璃為主。

通過對這3類玻璃的制作原理及市場調查發現：在隔音性能方面，中空玻璃對不同頻率噪音的吸聲性能有所不同，能明顯降低中高頻率噪音（例如人的呼喊聲等），但對低頻噪音（例如交通噪音等）效果卻不明顯，因為中空玻璃內部的空氣空腔會在聲波低頻區與外界的低頻噪聲發生共振，使其能夠透過玻璃進行聲傳播，所以當前更多被應用于居住區;真空玻璃在抽真空的過程中，為了防止兩片玻璃間的負壓力導致玻璃內部失去含有隔音效果的真空層，所以制作真空玻璃時要在兩層玻璃之間墊適宜密度的柔性支撐點或條型支撐架，這樣形成的玻璃內部被抽成幾乎真空，所以其隔音效果是當前玻璃市場上效果最好也是應用最廣的;夾層玻璃是由兩片或者多片玻璃內部交叉加入一層或多層有機聚合物中間膜，經過一定的高溫預壓及高溫高壓工藝處理后，使玻璃和其中間的膜永久粘合，從而形成復合玻璃產品。

2 ?原理分析

2.1 植物纖維吸聲原理

聲音是由于物體振動所產生的聲波，同時以波的形式通過各類介質進行傳播，這個介質有很多種，例如空氣、水、固體等。而吸聲則是聲波接觸到材料表面后由于空氣的粘滯性以及材料的熱傳導，它們導致聲能不斷轉化為熱能，聲能大量損耗，從而起到吸聲的作用。利用聲波的能量損耗原理，植物纖維材料內部含有大量微小的連通的孔隙，聲波沿著這些孔隙可以穿透材料內部，同時與材料發生摩擦的作用以致聲能轉化為熱能，與現在市面上的消聲器的原理基本相似。因此，纖維材料吸聲的必要條件是：材料有大量孔隙，孔隙之間互相連通，孔隙深入材料內部。

2.2 影響植物纖維吸聲性能的主要影響因素

實驗可得，植物纖維吸聲性能的主要影響因素有以下幾點[4]。

（1）孔隙率。

有效孔隙度的降低會影響材料的高頻吸聲，說明材料的高頻吸聲對內部孔隙度的變化更為敏感。

（2）厚度。

植物纖維在中低段頻率時，植物纖維的厚度對其吸聲性能也有很大的影響，可以通過適當地增加其厚度來提高吸聲能力。

（3）密度。

在植物纖維厚度恒定的情況下，隨著體積密度的增加，導致材料內部孔隙變小，聲波在纖維材料中的溜阻增大，使聲波接觸材料內部孔壁的機會增多，材料內的聲速變慢，從而導致聲波反射增多，使大量的聲能通過纖維孔壁的不斷摩擦而轉化為熱能，聲波在材料內部進行了損耗，提高了纖維材料的吸聲性能。但當密度過大時，也會導致植物纖維材料表面由于過于密實而阻止了聲波進入材料內部，影響植物纖維的吸聲性能。

（4）溫度[5]。

當植物纖維材料的溫度升高時，材料表面的聲阻、聲抗隨著溫度的升高而增大，從而聲波將更難進入材料內部進行吸聲損耗，材料反射的聲能增大，因而吸聲系數減小（如圖1所示）。

3 ?技術研究

3.1 普通玻璃的生產工藝

（1）原料粉碎干燥并加工處理。

（2）配合材料制備。

（3）配合料高溫熔制。

（4）玻璃成型。

（5）熱處理。

3.2 植物纖維吸聲玻璃的生產工藝

玻璃的制作過程很復雜，需要很多工序，在它的制作過程中，必須經過高溫（1550℃～1600℃）熔制，由于玻璃在熔制過程的高溫下經歷了激烈反應，并產生很大的形狀變化，這種激烈的變化使玻璃內部產生了熱應力，當熱應力過大時將會降低玻璃的強度和熱穩定性。如果將高溫熔制后的玻璃直接冷卻至常溫，很可能在冷卻過程中或之后的存放、運輸和使用過程中自動破裂（該反應俗稱玻璃的冷爆）。為了消除玻璃的冷爆現象，提高玻璃的生產效率，玻璃制品在高溫成形后必須進行一個重要的過程——退火，即在某一溫度范圍內持續保溫或讓逐漸成型的玻璃緩慢降溫用來消除或減少玻璃中的熱應力，以至允許值。所以該產品將在玻璃退火這一階段時，待溫度逐段降低至300℃，將植物纖維溶液于側面澆注至玻璃內部，并均勻分布，再等待玻璃完全冷卻至成型，便可得到單層植物纖維吸聲玻璃，并預期具有良好的吸聲效果。

4 ?結語

利用植物纖維吸聲降噪效果良好的特點，把其應用于玻璃的生產制造中。通過對植物纖維吸聲原理及玻璃制作過程的分析，探索得出植物纖維玻璃的生產工藝。制作的植物纖維吸聲玻璃，理論上具有質量輕、吸聲性能良好、生產成本低等優點，實際效果有待進一步檢驗。

參考文獻

[1] 胡慶瓊，賀彬.城市環境噪聲污染現狀與防治[J].科技創新導報，2017，14（5）：90，92.

[2] 中華人民共和國生態環境部.2018年中國環境噪聲污染防治報告[R].2018.

[3] 全國人民代表大會常務委員會.中華人民共和國環境噪聲污染防治法[S].2018.

[4] 陳捷宇.超低密度植物纖維材料的吸聲特性研究[J].福建農林大學學報，2015（4）：2-4.

[5] 張俊，陳衛華.高溫環境下梯度多孔金屬纖維的吸聲性能及優化設計[J].西安交通大學學報，2018，1（52）：4.

[6] 劉曉勇.玻璃生產工藝技術[M].北京：化學工業出版社，2008.