针刺非织造材料形态与组合结构对材料吸声性能的影响

张锦宽 崔建伟 晏 雄 (.纺织面料教育部重点实验室，

东华大学纺织学院，上海，201620; 2.南通大学纺织服装学院，南通，226007)

针刺非织造材料形态与组合结构对材料吸声性能的影响

张锦宽1崔建伟2晏 雄1(1.纺织面料教育部重点实验室，

东华大学纺织学院，上海，201620; 2.南通大学纺织服装学院，南通，226007)

利用驻波管测试方法研究了几种不同厚度、不同密度和两种不同类型的纤维材料及其组合结构的吸声性能。研究结果表明，材料厚度的单因子条件与材料的吸声系数呈正线性相关;随着材料体积密度的增加，中低频声波的吸声系数提高，而高频声波的吸声系数呈现先提高后降低的趋势;材料的组合结构对材料的吸声性能影响很大，由中空纤维制成的低密度非织造材料与高密度非织造材料组合，并将高密度非织造材料置于表面，该组合方式的材料其吸声性能明显优于其他几种组合方式的材料。

针刺非织造材料，吸声材料，吸声系数，组合结构

随着汽车、高速铁路等交通运输工具的发展，环境噪音污染日益严重，人们对各种降噪技术越来越重视。吸声技术是噪音控制中的重要部分，吸声材料主要分为多孔性吸声材料和共振吸声材料。由于多孔性吸声材料在高频和宽频方面的优秀表现，引起了越来越多学者的关注。纤维材料集合体的一个主要特性就是多孔性，其孔隙结构复杂，孔之间相互串接，是理想的多孔性吸声材料。近年来随着非织造加工技术的发展，非织造材料以其高效率、低成本、风格多样性等特点，成为工业用材料的选择对象。特别是针刺非织造材料可以加工成厚型产品，用机械方式结合，孔隙结构多样，所以有越来越多学者在研究该类材料的吸声性能。

声波的传播理论认为，多孔性吸声材料的吸声方式是一个能量耗散的过程。当声波作用在多孔性材料上时，产生黏滞性摩擦和能量转换，从而发生了能量耗散过程。材料的流阻、孔隙率、结构因子、黏度特征长度和热力学特征长度是影响材料吸声性能的主要因素［1]。目前许多学者对不同材料进行了吸声性能测试，包括材料的种类［2]和材料的形态结构［1，3]，还有学者对非织造工艺进行了部分研究［4]，包括对环境友好型材料的探索［5]。本文主要从材料结构方面讨论材料的吸声性能与材料厚度的函数关系以及材料结构对材料吸声性能的影响。

1 试验部分

1.1 材料

选用针刺涤纶非织造材料作为吸声性能测试样品。

(1)选用同种材料不同的叠加层数，构造成不同厚度的非织造材料样品，如表1所示。

表1 不同叠加层数针刺非织造材料样品的形态参数

(2)选用同样的纤维和铺网方式加工的纤维网，通过不同的针刺道数来控制材料的密度(鉴于材料厚度控制的需要，叠加的纤维网层数也不相同)，如表2所示。

(3)选用圆形截面涤纶制取厚度为2 mm的高密度非织造材料和选用中空涤纶制取厚度为10 mm的针刺非织造材料，通过上述两种非织造材料的不同组合方式得到6种结构的样品，如表3所示。

表2 不同密度针刺非织造材料样品的形态参数

表3 组合针刺非织造材料样品的形态参数

1.2 测试方法

材料吸声性能采用驻波管测试方法中阻抗管传递函数法测试系统对样品进行测试。阻抗管测试系统(图1)满足GB/T 18696.2—2002中声学部分:阻抗管中材料的吸声系数和声阻抗的测量第2部分:传递函数法的要求。

图1 VA-Lab4 IMP-AT材料测试系统

2 结果与讨论

2.1 材料厚度对吸声性能的影响

图2为表1所示的6种不同厚度的针刺非织造材料的吸声性能比较。从1层和2层叠层样品的比较可以看出，随着厚度的增加材料的吸声性能在整个声波频率段都有增加;而随着厚度继续增加，材料的吸声性能在低频段增加明显而在高频段却降低，表现在2～6层叠层样品的比较上。按照目前声波的传播及能量耗散理论解释，多孔材料的吸声系数应该是随着厚度的增加而增加，因为声波在材料中传播距离越长，其耗散的能量也越多。该理论可以解释图2所示的大部分试验结果，但当材料厚度增加时在高频段却出现了相反的结果，出现这个结果可能有两方面的原因。一是本研究方法可能在材料较厚的状态下，测得高频段时材料的吸声性能不呈现线性增加的规律;另一是在声波作用在多孔性材料上的吸声理论中，降噪因子可能还要加入其他影响因子，该因子是和频率有关的量。

图2 不同厚度针刺非织造材料的吸声系数曲线

从声波的传播行为来看，在空气中的传播是按照纵波在空间中的分布规律进行的，使空气不停地压缩或膨胀，空气本身就可以起到阻尼作用。在多孔材料内部声波的传播表现在有效孔的长度越长，空气因膨胀和压缩运动与材料的摩擦就越多，越有利于声能的耗散。声波在界面处的反射以及对纤维产生的扰动导致纤维材料的微运动摩擦也可能是另一种声能的耗散模式。从多孔材料的结构上看，当厚度增加时孔的路径增加，摩擦增加，有利于声能的耗散。因此，高频声波在多孔材料中耗散过程随材料厚度增加的变化在以上理论中是无法解释的。鉴于上述分析，出现高频声波吸声系数测定数据降低现象的原因可能在于测量方法，当材料厚度增加时，高频声波被反射回去的部分就越多，所以有可能导致吸声能力降低。

图3是几种不同厚度针刺非织造材料的吸声系数散点图及其线性回归曲线，吸声系数的计算方法参照平均吸声系数计算方法。从图3可以看出，材料的吸声系数随着厚度的递增呈线性增加，用回归方程y=A+Bx在95%的显著水平下拟合得到一个拟合结果。试验所选材料的线性回归方程是y=0.07x+0.15，拟合优度 R 值为 0.980 86。基本上可以认为在其他条件一定的情况下，材料的吸声系数与材料的厚度呈线性关系。该方程有助于在选定吸声材料后设计其厚度。

图3 不同厚度针刺非织造材料的吸声系数线性回归曲线

2.2 材料体积密度对吸声性能的影响

图4是4种不同体积密度非织造材料(对应于表2所示的样品1～样品4)的吸声系数随频率的变化曲线。通过控制材料的铺网厚度和针刺密度使各样品具有不同的体积密度。从图4可以看出，随着材料体积密度的提高，材料的吸声系数在低频段呈增加趋势，而在高频段是先增加后降低。该结果与材料的厚度因子具有相似性。从面密度角度来看，体积密度和厚度两个因子是同一个变化因子，但是在结构上却是不同的结构类型。一般认为针刺密度提高，纤维堆积密度就提高，单位体积内纤维数增加，材料的孔隙形态参数将会产生变化。前人的研究结果认为材料的表面积增加能够提高材料的吸声性能［1]，因为当材料具有更多的作用表面，其摩擦耗散声能的概率更大。材料的孔隙形态也可能发生变化，如孔径变小、孔的有效长度变短、孔的数量变多。按照声波传播理论解释，孔径变小和孔的有效长度变短的结果是材料的阻尼降噪能力降低，但是孔数绝对量的增多却可以弥补这一缺陷。在材料的体积密度由低向高过程中，前期材料的孔数因素水平高，而后期材料的孔数因素水平降低，从而吸声系数的增加速率变缓甚至还有下降的趋势，因此材料只有在适当的体积密度时才能达到更好的降噪效果。另一方面，材料的降噪性能也是声波频率的函数，即每个因素在不同的声波频率下表达的因素水平有可能是不同的，从而导致高频段吸声系数的降低。

图4 不同体积密度针刺非织造材料的吸声系数曲线

2.3 材料组合结构对吸声性能的影响

图5是两种不同材料通过不同组合方式制得的材料(对应于表3所示的样品1～样品6)其吸声系数随频率的变化曲线。从图5可以看出，样品1和样品2的吸声系数均较低;样品4(样品2和样品1的叠加材料，且以低体积密度的中空纤维针刺非织造材料面对声源)的吸声系数也很低;样品3(样品1和样品2的叠加材料，且以高体积密度的针刺非织造材料面对声源)的吸声系数有显著提高;样品3比样品5的吸声系数高，即高体积密度的针刺非织造材料贴附低体积密度的中空纤维针刺非织造材料的吸声性能要比高体积密度的针刺非织造材料背后有10 mm空腔结构材料的吸声性能好;样品6(可看作为高体积密度的针刺非织造材料背后有10 mm高体积密度的针刺非织造材料)的吸声系数在声波的高频段明显降低，而在声波的低频段却有提高，这可能是因为高频声波在入射到高体积密度材料中时，透过去的声波与背后空间发生作用，填充一定密度纤维材料的空间有比较好的吸声效果。

图5 不同组合方式针刺非织造材料的吸声系数曲线

3 结论

(1)针刺非织造材料的厚度与材料的吸声系数呈线性关系;在声波频率尺度上，随着材料厚度的增加在声波的中低频段材料的吸声系数提高，而在声波的高频段材料的吸声系数是先增加达一定值后降低;

(2)随着针刺非织造材料体积密度的增加，在声波的中低频段材料的吸声系数提高，而在声波的高频段材料的吸声系数是先提高后降低;

(3)材料的吸声性能与材料的组合结构有关，高体积密度的针刺非织造材料贴附低体积密度的针刺非织造材料能够达到相对于其他几种组合方式更好的吸声效果。

［1]KINO N，UENO T.Evaluation of acoustical and nonacoustical properties of sound absorbing materials made of polyester fibres of various cross-sectional shapes［J].Applied Acoustics，2008，69:575-582.

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［3]TASCAN M，VAUGHN E A.Effect of total surface area and fabric density on the acoustical behavior of needlepunched nonwoven fabrics［J].Textile Research Journal，2008，78(4):289-296.

［4]苏文，李新禹，刘树森.厚度和容重对非织造布吸声材料吸声性能的影响［J].天津工业大学学报，2009，28(3):34-36.

［5]PARIKH D V，CHEN Y，SUN L.Reducing automotive interior noise with natural fibre nonwoven floor covering systems［J].Textile Research Journal，2006，76(11):813-820.

The influence of morphological and compound structure on sound absorption property of needle-punched nonwovens

Zhang Jinkuan1，Cui Jianwei2and Yan Xiong1(1.The Key Lab of Textile Science and Technology，Ministry of Education，College of Textile，Donghua University; 2.School of Textile and Clothing，Nantong University)

The sound absorption properties of needle-punched nonwovens with various thickness and needle-punch density and that of two types of fibers compound materials were studied by standing wave tube test method.The results showed that the material thickness was relation to its coefficient of sound absorption linearly，by increase of material density，its coefficient of sound absorption onto low and middle frequency sonic wave would enhance and that onto high frequency sonic wave would enhance at first and then to decrease.The compound structure of material has influence greatly on its sound absorption property，when hollow fiber needle-punched nonwovens of low density combined with high density needle-punched nonwovens which located on the surface of the composites，the measured sound absorption property were better than other several composites obviously.

needle-punched nonwovens，sound absorption material，sound absorption factor，compound structure

TS176.3

A

1004－7093(2010)11－0005－04

2010－07－02

张锦宽，男，1985年生，在读硕士研究生。主要研究方向是产业用纺织品。