具有吸聲效果的室內裝飾紡織品的設計開發

李 簫，荊妙蕾，梁周珍，高劍逸

(天津工業大學 紡織科學與工程學院，天津 300387)

噪聲污染與大氣污染、水污染和固體廢棄物污染被稱為世界4大主要環境問題。噪聲造成的生理危害最直接的表現為聽力損傷[1]，甚至噪聲還會誘發多種疾病。研究表明：長期受到噪聲干擾會使人體出現失眠、疲勞無力、記憶力衰退等癥狀，嚴重者還可能會引發神經衰弱綜合征等疾病[2-3]。為此，許多國家已經陸續制定并出臺相應的防控措施，以減少噪聲污染帶來的危害。

一般通過在聲源處、聲音傳播途中和人耳處減弱噪聲來控制噪聲污染。在聲音傳播途中，常見的2種降噪處理方式有吸聲和隔音[4]。紡織品由于其疏松多孔、質輕且易加工的特點，具有良好的吸聲性能[5]，因此，研究開發基于聲學設計的紡織面料及其制品在噪聲防控領域中具有廣泛的應用價值。

現有學者對各類紡織品的吸聲性能進行了研究，徐石勇等[6]研究了提花窗簾織物的隔音性能，得出提花窗簾織物在各頻率范圍內均能產生一定的隔音效果。鐘祥璋等[7]使用燈芯絨制成的簾幕、窗簾等紡織品在影院、劇院、學術報告廳等對聲音有特殊要求的場所都已有了廣泛的應用。王倩等[8]研究了裝飾用異面織物的吸聲性能，結果表明異面織物的吸聲系數要高于相同結構參數的機織物和針織物。

目前，將室內裝飾紡織品吸聲功能性與美觀性相結合的設計研究相對較少，本文基于對紡織品吸聲性能的理論分析，設計并織造了材料豐富、工藝簡單、適用范圍廣、具有吸聲效果的窗簾面料和軟裝壁布，以期為室內吸聲功能性裝飾紡織品設計提供參考。

1 紡織材料的吸聲性能

在噪聲防控中，通常使用的聲學材料包括吸聲材料和隔聲材料。吸聲材料即利用聲能向熱能或其他形式的能量轉化，來降低對聲波的反射；隔聲材料即用于隔檔聲波的傳播，抑制聲能的透射[9-10]。本文僅論述吸聲材料及其吸聲性能。

1.1 紡織吸聲材料

吸聲材料具有松軟多孔的共性，其表面分布有微孔隙結構，孔隙之間相互貫通并深入內部。多孔材料是目前使用最頻繁、應用范圍最為廣泛的吸聲材料之一[11-12]。部分紡織面料也具有疏松多孔、質輕且易加工的特點，能形成良好的吸聲效果。

紡織材料吸聲性能的研究已形成了不少成果。張輝等[13]對大麻織物的吸聲性能進行了系統研究，大麻纖維獨特的纖維結構，增加了其在織物內與聲波的接觸面積，增強了大麻織物對于聲能的吸收。李炳華等[14]發明了三層結構吸聲窗簾面料，使用金屬纖維和空心滌綸絲構成面料的中間層，提升了窗簾面料的吸聲性能。倪昭玉等[15]研究認為蓬松、質輕且含有較多孔隙的棉纖維和棉紗，能消耗較多的聲能，展現出良好的吸聲性能。然而天然纖維的耐火性較差，防腐、防潮性能不佳，在使用上會顯現出一定的局限性[16]。

機織物應用于吸聲降噪領域，可以作為非織造布和剛性物表面的覆蓋物，如建筑室內裝飾、汽車裝飾等。此外，在機織物背面留存足夠的空腔，能形成共振吸聲結構，如利用幕布[7]與墻面之間形成的空腔，能對中高頻段的聲波產生一定的吸聲效果。

1.2 吸聲影響因素

1.2.1 內部因素

纖維種類、織物組織結構、孔隙率和厚度等物理結構均會影響紡織制品的吸聲性能[17-18]。

羊毛纖維具有天然的鱗片層和三維立體卷曲，是優良的吸聲材料[19]。麻纖維表面有橫節和縱向溝紋，使其具有了良好的吸聲性能，張輝等[13]和羅業等[20]均對麻纖維的吸聲性能進行研究，得出大麻織物的吸聲性能要優于滌綸和棉織物，尤其是吸收低頻聲波的效果更佳；含有苧麻和黃麻纖維的增強復合材料，其吸聲性能要優于含玻璃纖維的增強復合材料，且含苧麻纖維的增強復合材料在全頻段內的吸聲性能都較優。木棉纖維的中空率可達到80%～90%[17]，是天然的中空纖維，其纖維獨特的薄壁、大中腔、圓形管狀結構賦予了其優異的聲阻尼特性，使得其在低頻段能產生較好的吸聲效果，Liu等[21]對比研究了木棉纖維與中空聚酯纖維的吸聲性能，發現5mm厚度的木棉纖維織物在低頻時的吸聲效果要優于相同厚度條件下的中空聚酯纖維。

織物組織結構配置影響織物的孔隙率和厚度。蔡澤農等[22]認為組織點飛數為1的織物吸聲性能要優于組織點飛數為2和3的織物。范曉丹[23]實驗后給出在單位密度和單位厚度一定的條件下，平紋織物表現出了較好的吸聲效果。多層結構的織物增加了材料的厚度，層與層之間所形成的微薄空氣層，加強了聲波在材料中的反射和透射作用[24]。此外，倪昭玉等[15]的研究表明，材料的吸聲效果隨著厚度的增加而增加。

1.2.2 外部因素

外部因素影響著吸聲材料在實際中的應用以及在應用過程中功能的有效性。環境的相對溫濕度、材料的表面處理工藝、材料放置位置、通過材料的氣流速度等均會影響吸聲材料在實際應用中的吸聲性能[17]。

溫度變化會影響聲波的傳播速度與波長，材料的吸聲峰隨著溫度的升降變化在高、低頻區域之間移動[25]；濕度主要影響材料的孔隙率和密度，纖維材料尤其是天然纖維，在吸濕后會出現孔隙率降低、密度增大的現象，進而導致吸聲性能下降；材料的后背空腔會影響材料的共振吸聲頻率，適當增加空腔的深度，可以改善材料在低頻段的吸聲性能；通過材料的氣體流速，尤其是高速氣流，會破壞組織結構較為疏松的多孔材料，易產生變形甚至破裂，進而影響材料的吸聲性能。

2 室內裝飾紡織品設計

消費者們在考量裝飾織物裝飾美化性的同時，也更加注重其實用功能。基于聲學設計的室內裝飾紡織品逐漸涌入并不斷地推陳出新。在電影院、戲劇院、錄音棚、會議室等對于聲音有著特殊要求的室內環境中，往往能見到室內設計師使用簾幕、窗簾、壁布等紡織品來改善聲音環境。

2.1 吸聲窗簾設計實例

窗簾織物[26]是兼具實用性和藝術性的室內裝飾用紡織品，是室內軟裝的重要組成部分，其在一定程度上為室內環境奠定了基調，直接影響著居室的美觀。在實際情況中，窗簾與窗戶之間并非直接完全貼合，而是留有一定的距離(即空腔)[27]。有研究表明，空腔的深度和材料的低頻吸聲系數成正相關，當空腔深度增加時，材料在低頻段的吸聲性能將會有大幅的提高[28-29]。

2.1.1 窗簾織物組織設計

棉纖維本身具有蓬松、質輕、多孔隙的特點，因而棉織物能夠產生良好的吸聲效果。蜂巢織物較為松軟、厚實，保溫性能好，表面具有顯著的立體感，其一般相較于平紋、斜紋織物顯現出質輕、柔軟、彈性好等特點[27,30]。織物本身疏松的組織結構使其具有了良好的吸聲性能。接結雙層織物在棉、毛織物中有較廣泛的應用，一般用于織制正反面兩用織物、家居織物等。利用蜂巢組織獨特的組織特點，通過雙層織物接結復合，在一定程度上增加了織物的厚度，雙層織物間形成的較大空隙中滯留有靜止空氣，可以同時賦予面料吸聲和隔熱的功能。因此，本文吸聲窗簾的設計實例采用接結雙層組織作為織物組織，其中表、里組織為蜂巢組織，接結方法為下接上接結法，邊組織為2/2經重平組織。圖1所示為表、里組織組織圖。

圖1 接結雙層表、里組織的組織圖Fig.1 Weave diagram of stitching double outer and inner weave.(a)Outer weave;(b)Inner weave

2.1.2 窗簾織物圖案及配色設計

早晨的朝陽是本設計的靈感來源。整體織物設計為橫向條紋，在每個循環的連接處配置平紋組織，蜂巢組織和平紋組織相互交錯，使得面料富有層次，更具立體感。色彩設計上，該面料以藍色和橘紅色為主調，使用少量米白色進行裝飾。色經、色緯排列如表1所示。

表1 色經色緯排列Tab.1 Color warp and weft arrangement

2.1.3 窗簾織物織造工藝設計

由于棉型織物保形性、硬挺性相對較差，故選用滌棉混紡紗線，以改善其保形性，且棉和滌綸纖維、紗線均具有較好的吸聲效果[15]。織物成品規格與上機工藝如表2、3所示。

表2 窗簾織物成品規格Tab.2 Finished curtain fabric specifications

表3 窗簾織物上機工藝Tab.3 Curtain fabric looming process

織物使用半自動小提花小樣織機(天津工業大學紡織科學與工程學院自主設計研發)進行織造，織物上機圖如圖2所示。織造上機時，分為前、后區穿綜，其中邊經穿入前2片綜內，表經穿入前區綜片，里經穿入后區綜片。織造過程中，緯紗按照米白色∶藍色∶橘紅色=48∶8∶8的順序進行投緯。

圖2 窗簾織物上機圖Fig.2 Looming drafting of curtain fabric

2.1.4 窗簾織物織造實物及效果模擬

圖3所示為面料A、B面織造實物圖。使用Adobe Photoshop軟件對面料進行應用效果模擬，織物模擬應用效果圖如圖4所示。

圖3 面料A、B面織造實物圖Fig.3 Weaving figure of fabric(a) A and(b) B side

圖4 窗簾織物模擬應用效果圖Fig.4 Curtain fabric simulation application renderings

2.1.5 窗簾織物吸聲性能測試

使用阻抗管法對窗簾織物的吸聲性能進行測試，測試設備為SCM201型阻抗管(比利時LMS公司)，并以吸聲系數作為評價指標，測試結果如圖5所示。

圖5 面料A、B面分別作受聲面時的頻率-吸聲系數曲線Fig.5 Frequency-sound absorption coefficient curves of fabrics A and B side with receiving surface

從圖5可以看出，隨著聲波頻率的增加，織物的吸聲系數逐漸增大。當頻率在3 500～5 000 Hz時，吸聲系數在0.2數值處上下波動。將2條吸聲曲線進行對比發現，以面料的A面作為受聲面時，其吸聲系數在3 500～3 750 Hz范圍內均大于0.2，要優于以面料的B面作為受聲面時的吸聲性能。此外，對比同類研究[23]中，使用滌綸纖維分別設計織造的單層平紋和蜂巢組織織物，其吸聲系數在聲波頻率為3 500～5 000 Hz的范圍內，均小于0.2，且吸聲系數曲線的波動略大。

2.2 軟裝壁布設計實例

軟裝壁布被稱為“墻面上的時裝”，同時，壁布也被視為一種極佳的吸聲材料，室內空間里的聲音經墻布吸收、衰減處理后，又通過漫反射傳入人耳，聲音變得更加清晰圓潤[31-32]。

2.2.1 壁布織物組織設計

麻型織物表面較為粗糙，具有較好的吸聲性能[33]。此外，大麻、羅布麻等麻纖維是天然的抗菌抑菌材料，具有獨特的布面風格及保健性能。

鳥眼組織設計如圖6所示。相較于透孔組織而言，鳥眼組織孔隙較小且粗糙，在低頻范圍內對聲波有較強的衰減作用，且吸聲系數比較大，在高、低頻段內的吸聲性能波動較小[13]。同時，鳥眼組織中部分結構的平均浮長線較長、交織點少，這使得織物結構較為蓬松，內部含有更多的空氣[34]。因此，本文軟裝壁布的設計實例短纖維采用鳥眼組織作為布身的基本組織，并在其周圍配置四枚破斜紋和平紋組織，布邊組織為2/2經重平。

圖6 鳥眼組織圖Fig.6 Weave diagram bird’s eye tissue

2.2.2 壁布圖案及配色設計

考慮麻型織物獨特的粗獷風格，此面料在整體圖案上設計為格子花紋。

軟裝壁布是對室內墻面進行裝飾，壁布色彩在一定程度上能為室內空間的設計定下基調。亮色的設計可以提升整體空間的明亮度，在視覺上增加空間的區域面積。在色彩設計上做了2種配色設計，主要是通過緯紗的換色來改變面料色彩。配色1(C)的主色調為黃綠色，使用白色和黃色作為經紗顏色，綠色和金色作為緯紗顏色；配色2(D)的主色調為黃紫色，經紗顏色不變，緯紗顏色為紫色和金色。金色提升了整體面料的亮度，使得空間更顯寬敞、明亮。

2.2.3 壁布織造工藝設計

在本文設計中，經紗選用白色純棉S捻合股紗線和黃色麻毛混紡紗線，按24∶8進行色紗排列；緯紗使用綠色紗線和金色粘膠紗線，織造時緯紗按照16∶4的順序進行投緯。織物成品規格與上機工藝如表4、5所示。

表4 壁布織物成品規格Tab.4 Finished wall fabric specifications

表5 壁布織物上機工藝Tab.5 Wall fabric looming process

織物使用由天津工業大學紡織科學與工程學院自主設計研發的半自動小提花小樣織機進行織造，織物上機圖如圖7所示。

圖7 軟裝壁布織物上機圖Fig.7 Looming drafting of soft wall fabric

2.2.4 壁布織造實物及效果模擬

圖8所示為2種配色面料C、D實物圖。使用Adobe Photoshop軟件對面料進行應用效果模擬，織物模擬應用效果圖如圖9所示。

圖8 2種配色面料C、D實物圖Fig.8 Weaving figure of two colors matching fabrics. (a) C and (b) D

圖9 軟裝壁布模擬應用效果圖Fig.9 Soft wall fabric simulation application renderings

2.2.5 壁布吸聲性能測試

使用阻抗管法對面料進行吸聲性能測試，測試設備為SCM201型阻抗管(比利時LMS公司)，并以吸聲系數作為評價指標，測試結果如圖10所示。

圖10 面料C、D的頻率—吸聲系數曲線Fig.10 Frequency-sound absorption coefficient curves of fabrics C and D

從圖10可以看出，面料C、D的吸聲系數曲線在3 500～5 000 Hz的頻率范圍內于0.2數值處上下波動。對比2條頻率—吸聲系數曲線發現，在聲波頻率為3 500～3 750 Hz時，面料D的吸聲系數均大于0.2，其吸聲性能在此頻率范圍內要優于面料C。

3 結束語

本文通過對紡織材料的吸聲性能和室內裝飾紡織品吸聲功能的理論研究，從織物組織設計、圖案及配色設計、織造工藝設計和實物織造及效果模擬方面綜合考慮織物的裝飾美觀性和吸聲功能性，設計并織造了具有吸聲效果的2種面料：由蜂巢組織所形成的接結雙層棉型織物和以鳥眼組織為基礎織制的單層麻型織物。對面料進行阻抗管法吸聲測試，得出結論：2種面料在3 500～5 000 Hz頻率范圍內，吸聲系數在0.2數值處上下波動，2種面料均具有一定的吸聲能力。通過對吸聲功能性室內裝飾紡織品的設計實踐，以期為室內紡織品的功能性設計提供更多的設計靈感。