活性碳纤维材料吸声性能影响因素分析*

沈 岳 季 涛 高 强 刘其霞

(1.南通大学杏林学院，南通，226019;2.南通大学纺织服装学院，南通，226019)

随着我国工业、运输业的蓬勃发展，噪声污染是继空气和水污染之后的又一环境污染，成为世界环境三大污染之一，严重危害了人们的身体健康，开发质轻、面薄、价低、环保安全的吸声材料显得尤为重要［1-2］。活性碳纤维材料比表面积大，内部的大量微孔结构复杂，各微孔之间相互贯通。活性碳纤维材料还具有导电、耐高温、耐腐蚀、环境协调性优良、环境污染小、再生能力强、使用损耗小和密度小等优良的性能［3］，是一种高性能的多孔纤维吸声材料［4-5］，对改善环境噪声问题起着举足轻重的作用。随着人们环保意识的增强，环保、轻质、防火、防腐蚀的吸声材料在室内装饰、汽车内饰、道路屏障和房屋墙体等方面越来越受到青睐，具有广阔的市场前景。因此，对活性碳纤维材料吸声性能进行研究具有重要意义。

目前国内外很多专家主要从影响纤维材料吸声性能的因素和纤维材料吸声理论模型两个方面对纤维材料吸声性能展开广泛研究。影响纤维材料吸声性能的因素包括纤维微观结构、材料宏观结构、材料背后空气层的设置和工艺条件等［6-9］。对吸声性能有影响的纤维微观结构包括纤维直径和纤维截面，材料宏观结构包括材料厚度、孔隙率、密度、孔洞特征和平均孔隙直径等。材料背后设置的空腔以及不同的工艺条件对吸声性能也有很大的影响。多孔纤维材料吸声理论模型研究主要集中在三大类：经验模型、微观结构模型和唯象模型。在各种经验模型中，Delany和Bazley模型［10］最典型，在微观结构模型中的 Johnson-Allard JF模型［11-12］得到了广泛应用，Morse［13］根据声学运动和连续方程建立了多孔纤维材料吸声模型是唯象模型的基础。

在上述研究中，对活性碳纤维吸声性能的研究很少。曾有人对活性碳纤维的吸声性能进行了研究［14-15］，但没有涉及到不同因素对活性碳纤维材料吸声性能的影响程度。

为了达到既具有优良吸声性能又能节省材料的目的，需充分掌握不同因素对活性碳纤维材料吸声性能的影响。本文选择各种不同规格活性碳纤维毡，分析厚度、密度和纤维直径等因素与活性碳纤维材料吸声性能的关系，为活性碳纤维吸声材料设计提供理论依据。

1 试验部分

1.1 材料

选择7种黏胶基活性碳纤维毡，规格见表1。

表1 活性碳纤维毡基本规格

1.2 吸声性能测试

试样吸声性能测试按照国际标准ISO 10534—2：1998中传递函数法进行。采用北京声望技术公司提供的二通道测试系统，声波测量频率在250～6 300 Hz范围内，测定活性碳纤维毡法向入射吸声系数。该测试系统包括内置扬声器的SW422和SW477型铝合金阻抗管2个，阻抗管内径可为100 mm(SW422)和30 mm(SW477)，声波测量频率范围分别为60～1 800 Hz(SW422)和1 600～6 300 Hz(SW477)。每个阻抗管分别带有lMPA416型6.35 mm传声器2支，PA50型功放1个，MC3622型数据采集器1个，带有软件VA-Lab4的计算机1台。测试系统示意见图1。将活性碳纤维毡分别切割成直径为100和30 mm的圆形试样，两种不同尺寸的各试样分别放在SW422和SW477型阻抗管中，均测试5次，通过软件VALab4计算各频率吸声系数的平均值。

图1 吸声性能测试装置示意

2 不同因素对吸声性能的影响

2.1 厚度

选用同种规格的不同层数的活性碳纤维毡，构成不同厚度的活性碳纤维毡试样。图2为厚度分别为4.5、9、13.5 和18 mm 的4 种活性碳纤维毡的平均吸声系数。试样纤维直径为8.7 μm，体积密度约为52.8 kg/m3。从图2可以看出，4种不同厚度的活性碳纤维毡平均吸声系数均大于0.2，具有优异的吸声性能。这是因为活性碳纤维材料具有比表面积大，微孔结构发达且相互贯通，显示出更优异的声学性能。从图2还可以看出，在250～6 300 Hz频率范围内，随着厚度的增加，活性碳纤维毡平均吸声系数增加。这一方面是因为随着厚度的增加，使活性碳纤维毡的声容增加，材料损耗声能的能力提高，导致活性碳纤维毡吸声能力提高;另一方面是随着活性碳纤维材料厚度的增加，声波在纤维内部传播的路径变长，增加了与纤维接触的概率，使声能损耗增加，提高了活性碳纤维材料吸声系数［16］。从图2再可以看出，随着厚度的增加，活性碳纤维毡吸声性能提高的幅度减小。这可能是因为随着厚度增加，活性碳纤维毡在高频会出现吸声峰和吸声谷，导致吸声性能有所起伏;活性碳纤维毡后表面的反射影响到前表面对声波的二次吸收，随着厚度的增加，声波在材料内衰减增加，对前表面的二次吸收相对减小，导致对高频声波吸声性能下降。因此，只采用增加活性碳纤维材料厚度的方法既浪费材料，又达不到提高高频吸声系数的目的。

图2 不同厚度活性碳纤维毡的平均吸声系数

2.2 密度

图3是纤维直径约为8.6 μm，体积密度分别为 52.8、70.6、91.5 和 111.9 kg/m3的两层厚度的活性碳纤维毡平均吸声系数。从图3可以看出，活性碳纤维毡在250～6 300 Hz频率范围内，在活性碳纤维毡纤维直径和厚度不变时，随着体积密度的增加，活性碳纤维毡平均吸声系数增加。这是因为在厚度不变的情况下，随着体积密度增加，内部孔隙变小，声波在活性碳纤维材料中的流阻增大，使声波接触材料内部孔壁的机会增多，材料内的声速变慢，导致声波反射增多，使大量的声能通过与孔壁的不断摩擦而转化为热能，提高了活性碳纤维材料吸声性能［17］。但体积密度过大，材料表面越来越密实，材料内部基本没有孔隙，声波很难进入材料内部，声波大部分都被反射回去，也会导致活性碳纤维材料吸声性能下降。因此，对于一定厚度的活性碳纤维材料，有一个相应合理的体积密度，过大或过小都无法使材料有良好的吸声性能。

图3 不同密度的活性碳纤维毡平均吸声系数

2.3 纤维直径

图4 不同纤维直径的活性碳纤维毡平均吸声系数

图4是体积密度约为52.7 kg/m3，纤维直径分别为 5.8、8.7、10.9 和 12.8 μm 的三层厚度试样的平均吸声系数。从图4可以看出，在250～6 300 Hz频率范围内，在活性碳纤维毡厚度和体积密度不变时，减小纤维直径，可以显著提高活性碳纤维毡吸声性能。这是因为随着纤维变细，活性碳纤维材料的孔隙和界面增加，纤维的表面积越大，声波在活性碳纤维材料传播过程中与孔壁的接触机会增加，容易使声能与纤维产生更多的摩擦转化为热能而消耗掉，导致吸声性能明显提高［18］。

3 活性碳纤维吸声性能关联度分析

为了分析厚度、密度和纤维直径对活性碳纤维毡吸声性能的影响程度，采用邓氏灰色关联度方法［19］，对活性碳纤维毡不同因素与平均吸声系数进行关联度分析，找出吸声性能对活性碳纤维毡三个因素的依赖程度排序。

3.1 灰关联模型

3.1.1 数据处理

各数据之间量纲不同，为防止对关联度产生影响，对原始数据进行均值化处理，使之无量纲化：

i=1，2，…，n k=0，1，2，…，N

式中：xi(k)——第i块活性碳纤维毡的第k个影响因素值(k≠0);

xi'(k)——第i块活性碳纤维毡的第k个影响因素值变换后的新值(k≠0);

n——活性碳纤维毡的数量;

N——活性碳纤维毡吸声性能影响因素的个数。

3.1.2 绝对差 Δ(i)

第i块活性碳纤维毡的平均吸声系数新值xi'(0)与各个影响因素新值xi'(k)的绝对差Δ(i)：

式中：xi(0)——第i块活性碳纤维毡的平均吸声系数值;

xi'(0)——第i块活性碳纤维毡的平均吸声系数值变换后的新值。

3.1.3 关联系数 εk(i)［20］

式中：ρ——分辨系数，ρ∈［0，1］，ρ越小，分辨率越高，一般取 ρ=0.5［19］;

εk(i)——xi'(k)对 xi'(0)的关联系数。

3.1.4 关联度 r(k)

关联度r(k)越大，表明该因素对活性碳纤维毡吸声性能影响越大。

3.2 结果分析

根据不同因素对吸声性能影响的12组活性碳纤维毡平均吸声系数的测试数据，按照公式(1)、公式(2)、公式(3)和公式(4)，计算得出厚度、密度和纤维直径三个因素对活性碳纤维毡吸声性能的关联度分别为：

r(1)=0.66; r(2)=0.62; r(3)=0.69

根据灰色关联原则，活性碳纤维毡吸声性能对厚度、密度和纤维直径依赖程度由大到小的顺序为：纤维直径、厚度和密度。

4 结论

(1)活性碳纤维毡平均吸声系数均大于0.2，表明该材料具有优异的吸声性能。

(2)随着厚度和密度的增加，活性碳纤维毡吸声性能提高;随着纤维直径变粗，活性碳纤维毡吸声性能下降。

(3)活性碳纤维毡吸声性能对厚度、密度和纤维直径依赖程度最大为纤维直径，其次为厚度，最小为密度。

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