低頻吸聲復合結構的研制與性能研究

張慧潔，劉 超，李 翔，姚智敏，蔡 俊

（1.國網安徽省電力有限公司 經濟技術研究院，合肥230022；2.上海交通大學 環境科學與工程學院，上海200240）

由于傳播距離長、衰減慢，簡單高效的低頻噪聲控制技術一直是限制聲環境質量控制和改善的難點[1-2]。眾所周知，屬于阻性多孔吸聲材料的聚酯纖維材料，因生產簡單、成本低、高頻吸聲系數高，是一種應用廣泛的吸聲材料[3-4]。而通常提高多孔纖維材料低頻吸聲性能的方法是增加背腔空氣層厚度[5]，但實際的提高效果有限。為此，與其他單元材料進行有效復合來提高和拓寬低頻性能成為聚酯纖維等多孔吸聲材料的研究趨勢[6]。

同樣使用廣泛的微穿孔板[7]和鋁纖維吸聲板[8]均具有重量輕、低頻吸聲性能良好、加工簡單、使用方便的特點。為此，有學者將微穿孔板、鋁纖維板分別與多孔材料組合進行吸聲性能的研究。裴春明等[9]將多孔吸聲材料置于微穿孔板之前，并且兩者之間有一定的空氣層時，研究發現該結構的吸聲頻帶明顯拓寬。周兵等[10]將鋁纖維板分別與聚酯纖維、亥姆霍茲共振器進行組合形成復合結構材料，研究發現組合后的復合結構相較于鋁纖維板低頻吸聲性能均有很大的提高。劉鵬等[11]在鋁纖維板與微穿孔板之間填充聚酯纖維構成新型阻抗復合吸聲材料，采用模擬仿真和試驗研究手段進一步優化其低頻吸聲能力。但上述研究并沒有對微穿孔板、鋁纖維板和聚酯纖維材料兩兩組合構成的復合結構吸聲性能進行系統的比較研究和機理分析。

為此，本研究選用微穿孔板、鋁纖維板和聚酯纖維材料以不同排列順序兩兩組合構成復合吸聲結構[12-13]，對其100 Hz～1 600 Hz吸聲性能的變化規律和相關機理進行分析研究，以期為今后得到低頻性能優良的吸聲復合結構提供參考和依據。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本研究選取的吸聲材料及相關參數見表1。

表1 吸聲材料參數表

需要指出的是，常規意義上的鋁纖維板結構是由2層鋁網孔板夾持1層鋁纖維氈所組成，其聲阻較小。為此，對市售鋁纖維板復合結構進行了改良，在背面鋁網孔板與鋁纖維氈之間增加了1 層薄鋁箔，從而可以更薄厚度、更淺空腔實現更優降噪效果。這種改良的鋁纖維板具有明顯的共振吸聲峰，其吸聲原理也被看作共振吸聲結構來分析[14-15]。

研究將鋁纖維板、微穿孔板和聚酯纖維吸音板分別兩兩組合，后留80 mm 空腔構成復合吸聲結構[16]，相應的具體結構形式見表2。結構編號中，P- polyester fiber board 聚酯纖維板，A - aluminum fiber board 鋁纖維板，M - micro-perforated board 微穿孔，最后的A-air cavity空腔。

表2 復合結構編號及示意圖

1.2 吸聲性能測試

阻抗管測試方法采用北京聲望公司的SW422型阻抗管，測試設備如圖1 所示。測試執行標準為GB/T 18696.2－2002《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》[17]。由于研究的是低頻性能，因此樣品尺寸被裁剪成10 cm的直徑。

圖1 阻抗管測試系統

將需測試的試樣置于駐波管一端，試樣與底板留有空腔，通過活塞移動確定空腔深度。每個試樣測量三遍取平均值，測試范圍為100 Hz～1 600 Hz。

2 結果與討論

研究從聚酯纖維板、微穿孔板和鋁纖維板各自后留80 mm 空腔的吸聲性能為參考，分別與另一材料兩兩組合形成復合結構，以期從材料各自的吸聲機理出發，分析材料組合引起的聲能消耗變化規律，從而進一步了解復合結構的吸聲機理。

2.1 聚酯纖維板復合結構的性能對比分析

2.1.1 聚酯纖維板前置的復合結構

圖2是聚酯纖維板及其前置復合結構的吸聲性能對比圖。從圖2中可以看出，聚酯纖維板+80 mm空腔結構本身在1 000 Hz 附近有個吸聲峰，吸聲系數達到0.98。這是由于80 mm 空腔與1 000 Hz 的1/4波長相接近，聲波反射抵消所致。聚酯纖維板后設置的不管是鋁纖維板還是微穿孔板，其復合結構均在500 Hz附近出現明顯的共振吸聲峰。

圖2 聚酯纖維板及其前置復合結構的吸聲性能曲線

由此可見，鋁纖維板或微穿孔板的加入均根本改變了聚酯纖維板后的聲波傳播方式，使得抗性共振吸聲變為主要因素。此外，鋁纖維板或微穿孔板的加入也增加了透過聚酯纖維板的聲波反射，使得共振峰后頻率范圍內的吸聲性能降低[18]。

2.1.2 聚酯纖維板后置的復合結構

圖3 是聚酯纖維板及其后置復合結構的吸聲性能曲線。在低頻范圍內，微穿孔板和鋁纖維板的加入使得復合結構吸聲性能均有提升。其中，在300 Hz以下的頻率范圍，APA結構的吸聲性能最佳。

圖3 聚酯纖維板及其后置復合結構的吸聲性能曲線

對比圖2 可以發現，微穿孔板或鋁纖維板后置聚酯纖維構成的復合結構性能要優于聚酯纖維前置的復合結構。這是由于后置的聚酯纖維不僅沒有改變抗性結構的耗能方式，而且增加了抗性結構的聲阻，從而進一步提高和拓寬了抗性吸聲結構的吸聲頻帶。

2.2 鋁纖維板復合結構的性能對比分析

2.2.1 鋁纖維板前置的復合結構

圖4是鋁纖維板及其前置復合結構的吸聲性能曲線。

圖4 鋁纖維板及其前置復合結構的吸聲性能曲線

從圖中可以看出，鋁纖維板+80 mm空腔結構在800 Hz 附近有個吸聲峰，吸聲系數達到0.98。鋁纖維板后設置的不管是聚酯纖維板還是微穿孔板，吸聲峰均移到更低的500 Hz 附近，且吸聲峰寬變窄，即吸聲峰后的吸聲系數快速下降。這是由于當鋁纖維板前置時，相當一部分中高頻聲波將被反射，微穿孔板的抗性共振吸聲作用和聚酯纖維板的阻性吸聲作用均得不到充分發揮。

2.2.2 鋁纖維板后置的復合結構

圖5是鋁纖維板及其后置復合結構的吸聲性能曲線。在鋁纖維板前面疊加微穿孔板和聚酯纖維板，其復合結構吸聲峰也向低頻移動。由于聚酯纖維前置的PAA結構有利于中高頻聲波的吸收，因此相比圖4 中的APA 結構，吸聲峰后的吸聲曲線比較平穩。

圖5 鋁纖維板及其后置復合結構的吸聲性能曲線

2.3 微穿孔板復合結構的性能對比分析

2.3.1 微穿孔板前置的復合結構

圖6是微穿孔板及其前置復合結構的吸聲性能曲線。從圖中可以看出，微穿孔板+80 mm空腔結構在800 Hz 附近出現吸聲峰，吸聲系數達到0.48。在微穿孔板后不管是設置聚酯纖維材料還是鋁纖維板，復合結構的吸聲性能尤其是低頻吸聲性能得到明顯提高。這是由于微穿孔板的聲質量降低了聚酯纖維材料或鋁纖維板的共振頻率，而后置材料反過來也增加了微穿孔板孔徑處的聲阻，增加了聲能的進一步消耗[19]。

圖6 微穿孔板及其前置復合結構的吸聲性能曲線

2.3.2 微穿孔板后置的復合結構

圖7是微穿孔板及其后置復合結構的吸聲性能曲線。在微穿孔板前不管是設置聚酯纖維材料還是鋁纖維板，復合結構的吸聲性能均能得到明顯提高，而且吸聲峰均向低頻方向移動。對于PMA 復合結構，部分中高頻聲波首先被前置的聚酯纖維材料所吸收，位于后面的微穿孔板則起到吸收低頻聲波的作用。而對于AMA復合結構，由于鋁纖維板共振頻率與微穿孔板的基本一致，因此認為是與微穿孔板發生了耦合共振吸聲現象。

圖7 微穿孔板及其后置復合結構的吸聲性能曲線

2.4 復合結構的低頻吸聲性能對比研究

為了進一步分析上述復合結構的低頻吸聲性能，本研究采用上述復合結構100 Hz、200 Hz吸聲系數和100 Hz～500 Hz平均吸聲系數作為指標來進行對比研究。

從表3中的吸聲性能對比可以看出，鋁纖維板+聚酯纖維吸聲板+空腔（APA）復合結構無論是在100 Hz和200 Hz處，還是在100 Hz～500 Hz頻率范圍內，其低頻吸聲效果更為顯著。由此，借助常用吸聲材料組合構成的APA 復合結構具有進一步作為低頻噪聲治理措施的應用潛力。

表3 復合結構100 Hz、200 Hz吸聲系數和100 Hz～500 Hz平均吸聲系數的統計表

3 結語

本文以聚酯纖維板、微穿孔板和鋁纖維板為研究對象，以各自材料+80 mm 空腔的吸聲性能為依據，分別與另一材料兩兩組合形成復合結構，從聲波傳播過程的衰減機理入手探討了材料組合及排列順序對復合結構吸聲性能的影響。通過復合結構吸聲性能的對比分析研究，篩選出低頻吸聲性能最佳的鋁纖維板+聚酯纖維吸聲板+空腔（APA）復合吸聲結構。該復合結構形式簡單，制作方便，因此有望實際應用于需要低頻降噪的環境，具有巨大的市場應用前景。