孔形態對沙柳/HDPE復合碎料板吸聲性能的影響

韓 望，永 軍，楊媛媛，安 珍*

(1.內蒙古農業大學 材料科學與藝術設計學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.呼和浩特職業學院 計算機信息學院，內蒙古 呼和浩特 010051)

隨著工業化社會的發展，城鎮居民的生活水平不斷得到提升，人們開始追求高質量和安靜舒適的生活環境，但是來自于工廠設備、建筑設施、交通工具以及生活噪聲等方面的噪音污染，越來越顯著地影響著居民的居住環境。噪音污染與水污染、空氣污染、固體廢棄物污染是21世紀的四大污染[1-2]，當前除在聲源處減少噪音外，在聲波傳播過程降低噪聲能量，使之達到生活環境中人們可舒適生活的程度，成為聲學研究的熱點內容之一。

木塑復合材料(WPC)具有抗強酸堿、防腐、防霉、價格低廉、可批量化生產等特點，因此該材料廣泛應用于室內裝飾和建筑行業等領域，如音樂廳、會議室、電影院、KTV等[3-5]。作為室內裝飾材料，可通過安裝工藝和改變材料結構使其具備較優的吸聲性能[6-8]。本研究以自制的沙柳(Salixpsammophila)/高密度聚乙烯(HDPE)復合碎料板為對象，考察不同背腔深度、不同孔形態(鉆孔深度、鉆孔直徑和孔排列形式)對沙柳/HDPE復合碎料板在200～2 000 Hz吸聲性能的影響規律，以期為生物質基復合材料在聲波傳播過程降低噪聲污染提供理論依據，并促進沙生灌木資源的可持續開發利用。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗材料：沙柳產自鄂爾多斯市達拉特旗王愛召鎮(2～3 a)，經剝皮、切段、粉碎，根據篩網篩分結果，沙柳碎料規格分布為<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)顆粒購于東莞市樟木頭樂華塑膠原料商行；鈦酸脂偶聯劑401購于廣州市守正化工科技有限公司。

主要設備：JTZB駐波管吸聲系數測試系統，北京世紀建通科技發展有限公司；萬能試驗壓機，BY602×2/2 150T，蘇州新協力企業發展有限公司；冷壓機，中華人民共和國上海人造板機器廠；萬能力學試驗機，天津機械制造有限公司；WS-GDI-225A型高低溫交變濕熱試驗箱，天津偉思實驗儀器科技有限公司；FZ-102型粉碎機，天津泰斯特儀器有限公司；電子天平、游標卡尺等。

1.2 板材制備

沙柳/HDPE復合碎料板設計密度為0.65 g·cm-3，制品規格350 mm×350 mm×18 mm。按照沙柳碎料質量分數75%和HDPE質量分數25%準確稱取原料，均勻噴霧總質量3%的鈦酸脂偶聯劑于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，

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

1.3 測試方法

按照GB/T 17657-2013《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》方法測定沙柳碎料/HDPE復合板靜曲強度(MOR)、彈性模量(MOE)、內結合強度(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 阻抗管中吸聲系數和聲阻抗的測量 第2部分：傳遞函數法》方法測定。試件直徑100 mm，測定200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600 Hz和2 000 Hz共11個頻率的吸聲系數并計算降噪系數。

背腔深度為沙柳/HDPE復合碎料板與駐波管間的預留空腔層深度，實驗設置背腔深度分別為0、10、20、30、40、50 mm。本試驗鉆孔率取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φ 2 mm孔[4，12]。孔排列樣式見圖1，圓形排列時在直徑20、40、60、80 mm的同心圓上分別鉆孔10、20、30、40個φ2 mm孔；米形排列時在直徑20、40、60、80 mm的同心圓上各鉆孔25個φ2 mm孔；正方形排列時在直徑20、40、60、80、100 mm同心圓內接正四邊形周長上均勻分布12、16、20、24、24個φ2 mm孔，余4個孔分布外側；無規則排列為在試件上均勻隨機鉆取100個φ2 mm孔。鉆孔深度依次為沙柳/HDPE復合碎料板厚度的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 結果與分析

2.1 沙柳/HDPE復合碎料板物理力學與吸聲性能

沙柳/HDPE復合碎料板物理力學性能測試結果見表1，200～2 000 Hz低頻范圍吸聲性能見表2。

由表1可以看出，添加3%鈦酸酯偶聯劑增強的沙柳/HDPE復合碎料板力學性能優于GB/T 4897-2015規定的干燥狀態下使用的普通刨花板物理力學性能。由表2表明，沙柳/HDPE復合碎料板吸聲系數隨頻率增加出現先減小后增大變化趨勢，最小吸聲系數出現在400Hz處為0.257，最大吸聲系數出現在2 000 Hz處為0.802，略優于木絲板吸聲性能[12]。

注：a：圓形排列；b：正方形排列；c：米形排列；d：無規則排列。圖1 沙柳/HDPE復合碎料板鉆孔排列模型Fig.1 Hole arrangement model of Salix/HDPE particleboard

表1 沙柳/HDPE復合碎料板物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of Salix/HDPE particleboard

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

2.2 不同背腔深度對吸聲與降噪特性影響

木塑復合材料的中低頻吸聲性能不佳，在木塑復合材料背后預留一定空腔與空氣層距離，留有空腔可使聲音透射過板材后，經過聲波與剛性管壁的反射與吸收，消耗其入射的大部分聲能，從而利用空腔結構達到吸收低頻聲波的目的。

為明確沙柳/HDPE復合碎料板在實際安裝時背腔深度對復合碎料板吸聲特性的影響，對未開孔復合碎料板6種不同背腔深度(0、10、20、30、40、50 mm)進行分析，不同背腔深度對復合碎料板聲學性能影響結果見表3，不同背腔深度復合碎料板在低頻區域200～2 000 Hz的11個頻率點吸聲系數與吸聲系數變化趨勢見圖2。

表3 不同背腔深度對沙柳/HDPE復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復合碎料板與背腔空氣層構成的復合結構最小吸聲值均有所提高且向低頻方向移動，最小吸聲系數頻率從400 Hz降至315 Hz；背腔深度0 mm的復合碎料板吸聲系數在1 250 Hz以后變化較小，而背腔深度增加后板/腔復合結構吸聲系數在1 000 Hz以后基本穩定。由表3可知，最小吸聲系數從0.257提升到0.305，最大吸聲系數從0.802提升到0.846；原因是隨背腔深度增加穿過復合材料的聲波往返路徑延長，同時背腔空氣與復合材料形成新的聲波反射界面，兩者協同作用增加了聲波在傳輸過程中的能量消耗，從而提升吸聲效果。由表3看出：1)復合材料平均吸聲系數隨背腔深度增加呈增大變化趨勢，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于增加復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復合碎料板遇到駐波管面反彈，此時聲波在空氣中產生振動使聲能大部分轉化為內能被消耗，從而提高復合材料的吸聲性能[13-15]；2)復合材料降噪系數隨背腔深度增加呈增大變化趨勢，從0.570上升至0.681，提升了19.47%，這是因為降噪系數是特定頻率下吸聲系數的平均值，因此降噪系數變化規律進一步驗證吸聲系數隨背腔深度增加的變化規律。綜上，背腔深度增加，可提高沙柳/HDPE復合碎料板與背腔空氣層構成的復合結構的聲學性能，通過控制安裝木塑復合材料與墻體之間間隙，可提升室內空間的吸聲效果和調整吸聲頻段。

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

2.3 不同鉆孔深度對吸聲與降噪特性影響

沙柳/HDPE復合碎料板在鉆孔深度為板材厚度1/4、2/4、3/4和通孔時的聲學性能測試見表4，不同鉆孔深度在低頻區域200～2 000 Hz的11個頻率點吸聲系數與吸聲系數變化趨勢見圖3，鉆孔孔徑2 mm，鉆孔率4%，孔排列形式見圖1a。

由圖3可以看出，不同鉆孔深度的沙柳/HDPE復合碎料板吸聲系數均在250 Hz處出現第1個峰值，鉆孔后最小吸聲系數出現向更低頻區域移動的變化，即從400 Hz移動到315 Hz處；相對于未鉆孔復合碎料板，吸聲系數趨于穩定頻率，呈從1 250 Hz向左移動至1 000 Hz處的變化趨勢。由表4可知，隨鉆孔深度增加沙柳/HDPE復合碎料板平均吸聲系數和降噪系數均呈現增大的變化趨勢，最大吸聲系數值從0.802上升到0.850，最小吸聲系數值從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%。鉆孔比未鉆孔復合材料的吸聲性能有明顯提升，原因是聲波在傳播過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不斷摩擦產生內能消耗的結果[16]，而隨鉆孔深度不斷增加聲波折返路徑延長，路徑越長消耗的內能就越大，從而達到更好的吸聲效果。綜上，增加鉆孔深度可提高復合材料的聲學性能，這與周曉鷗[17]的結論相一致。

表4 不同鉆孔深度的沙柳/HDPE復合碎料板吸聲性能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復合碎料板吸聲系數隨頻率變化Fig.3 Sound absorption coefficient changes with frequency of Salix/HDPE particleboard with different hole depths

2.4 不同孔徑對吸聲與降噪特性影響

沙柳/HDPE復合碎料板在鉆孔直徑為2、3、4 mm和5 mm時的聲學性能測試見表5，不同鉆孔直徑在低頻區域200～2 000 Hz的11個頻率點吸聲系數與吸聲系數變化趨勢見圖4，鉆孔孔徑2mm時鉆孔率4%，其余保持孔數不變而增大孔徑的測試方法，孔排列形式見圖1a。

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

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

由表5可看出，沙柳/HDPE復合碎料板隨鉆孔直徑增加聲學性能明顯提升，最大吸聲系數值從0.802上升到0.852，最小吸聲系數值從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復合碎料板各頻率吸聲系數隨孔徑增大呈上升變化，原因是當聲波通過沙柳/HDPE復合碎料板時，由于孔徑增大聲波穿過復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，還有一部分穿過障礙物；沙柳/HDPE復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，增加了聲波穿過障礙物的比例，同時聲波在通過孔道的傳播過程中不斷反射折返將聲能轉化為內能而消耗，達到良好的吸聲降噪效果。

2.5 不同孔排列形式對吸聲與降噪特性影響

沙柳/HDPE復合碎料板不同孔排列形式的聲學性能測試結果見表6，不同孔排列形式在低頻區域200～2 000 Hz的11個頻率點吸聲系數與吸聲系數變化趨勢見圖5。鉆孔孔徑2 mm，鉆孔率4%的通孔，圓形、正方形、米字形和無規則孔排列見圖1。

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

圖5 不同孔排列的沙柳/HDPE復合碎料板吸聲系數隨頻率變化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復合碎料板聲學性能明顯提高，但鉆孔樣式對聲學性能的影響不明顯，正方形孔排列聲學性能略優于其他排列形式，其最大吸聲系數值、最小吸聲系數值、平均吸聲系數和降噪系數均高于其他3種孔排列形式。這可能是因為正方形排列形式的孔徑部分集中于沙柳/HDPE復合碎料板的中心區域，孔排列規則整齊能夠較好地發揮出協同共振特性，當復合碎料板遇到入射聲波時，聲波引起孔徑中空氣運動，與材料進行往復摩擦，穿孔間共振吸聲和多孔吸聲均獲得加強，逐漸使更多聲能轉化為內能進行消耗，從而正方形孔排列吸聲性能優于其他排列形式，但是穿孔板對頻率的選擇性很強，只對共振頻率的噪聲具有較優的吸聲效果，因此不同孔排列樣式對復合材料吸聲性能影響不同[20-21]。以平均吸聲系數和降噪系數為指標進行分析，孔排列形式對沙柳/HDPE復合碎料板聲學性能影響的順序依次是正方形、米字型、無規則和圓形排列。

綜上，添加3%鈦酸酯偶聯劑增強的沙柳/HDPE復合碎料板吸聲性能優于普通刨花板的低頻平均吸聲系數0.54，鉆孔復合碎料板吸聲性能表現出木絲板的吸聲特性且平均吸聲系數>0.6。鉆孔處理可提升沙柳/HDPE復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[4-5,12]。

3 結論與討論

沙柳/HDPE復合碎料板與背腔空氣層構成的復合板/腔結構吸聲系數最小值，平均吸聲系數和降噪系均隨背腔深度增加呈則增大趨勢，最小吸聲系數向更低頻區域移動，由400 Hz移動至315 Hz；隨背腔深度增加，板/腔結構吸聲系數趨于穩定頻率呈向低頻區域移動趨勢。

圓形排列4%鉆孔率條件下，隨鉆孔深度增加，沙柳/HDPE復合碎料板吸聲系數最大值、最小值、平均吸聲系數和降噪系數均有所提高；最小吸聲系數向更低頻移動，由400 Hz移動到315 Hz，隨鉆孔深度增加復合碎料板吸聲系數趨于穩定頻率呈向低頻區域移動趨勢。

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

通孔孔徑2 mm和4%鉆孔率條件下，孔排列形式對沙柳/HDPE復合碎料板聲學性能影響的順序依次是正方形、“米”型、無規則和圓形排列，但孔排列形式對該復合材料吸聲性能影響不明顯。