纺织类吸声隔声材料的研究现状

彭　敏，赵晓明

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)



纺织类吸声隔声材料的研究现状

彭敏，赵晓明

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)

纺织类吸声隔声材料的研究开发目前已成为一个重要的研究方向。论述了纺织类吸声隔声材料的研究现状，相关的吸声隔声产品及其不足，未来可以努力的方向。

纺织吸声隔声材料吸声隔声性能

随着全球工业的发展，人类的生活水平越来越高，但随之而来的是空气污染、水污染、噪音污染等一系列的环境问题，给人们的衣食住行造成了很多问题，其中噪音污染给人类带来的危害是巨大的，但同时也是十分容易被忽略的。目前，在日常生活中噪音的污染源主要来自于汽车的车鸣声，施工工地的施工建设等，这些声音轻则会让人感到心情烦躁、耳鸣、注意力难以集中，重则可能会引发心脏类疾病，危害到人类的生命。因此，如何有效地解决或减轻这些由噪音污染所带来的危害已成为一个必不可少的任务。除了噪音污染会给人类及其他生物带来身体上的危害外，在现如今这个人们越来越重视隐私的社会，增强房间之间或室内外的隔音效果，保护个人的隐私也成为大家比较期望的。

对于声音的防治措施通常为声音源的防治及声音传播过程的防治，对于噪音防治两种方法皆是可行的，但受到工艺技术的限制，对噪音源的防治并不是对所有噪音源都适用；对于房间之间的隔音功能则通常只能从声音的传播过程中进行防治。本文主要论述纺织类的吸声隔声材料在噪音污染及声音隔音中的防治作用。

1　吸声隔声材料介绍

吸声隔声材料即具有吸声性能及隔声性能的材料。评价其吸声隔声性能的指标有很多，但通常用吸声系数来评价材料吸声性能的好坏，用隔声量来评价材料的隔声性能。吸声系数的值越大,表示该种材料的吸声性能就越好[1]。通常把吸声系数>0.2的材料称为吸声材料[2-4]。测量吸声系数通常有两种方法：混响室和阻抗管。混响室法是用标本吸收随机发生的声波，其测试结果较符合实际，但其对样品和环境的要求比较高；阻抗管法则是进行正入射吸收，只需要小标本即可。

2　声音在纺织类吸声隔音材料中的传播

声音在传播过程中会遇到不同的“障碍物”，并发生声音的反射、透射等现象，使得声波的能量发生变化。对于纺织类的吸声隔声材料，当声波入射到其表面时，一部分声波发生反射，即不进入材料，起到一定的隔音效果，剩余的声波则进入材料，声波的进入会使得材料内部的纤维及气体发生振动，从而产生摩擦，气体与纤维之间的相互摩擦和粘滞阻力以及纤维自身的导热性能，会使得进入该吸声隔声材料的声波能量一部分转化为热能被消耗掉，从而使得进入的声波能量再次减弱，透射过该材料而未被反射或吸收的声波则继续传播，对于吸声隔音效果越好的材料，透射过材料的声能也就越少。吸声隔声材料其吸声隔声效果还与其原材料纤维的选择、厚度、容重、结构参数等因素有关。

3　国内外的研究现状及常见纺织类吸声隔声材料

3.1国内外的研究现状

目前国内外对纺织类吸声隔声材料的研究多数是对其原材料的研究，寻找自身具有良好吸声隔声性能的原材料并对其进行加工，得到一定的研究成果或产品。国内的研究主要是在一些较为传统的原材料的基础上进行研究，如汽车内饰非织造材料的吸声隔声性能、棉麻制品的吸声性能等。国外的研究方向则在于将一些高性能的纤维加工成为一些产品，如纳米纤维、玻璃纤维等。

3.2纺织类吸声隔声材料的类型

以下是纺织类吸声隔声材料目前常用的原材料及研究现状。

(1)动植物纤维

最早期使用的吸声隔声材料并未对纤维或材料做任何的特殊处理，而是直接利用天然纤维所制成的材料柔软、多孔的特性对声音进行隔离吸收。

天然纤维中最常用作吸声隔声材料的是动物纤维和植物纤维。动物纤维用作吸声隔声材料原料最常用的是羊毛纤维，即将羊毛纤维进行处理制成羊毛毡、羊毛毯等制品，由羊毛加工而成的制品，其吸声性能优良。据研究表明密度36kg/m3,厚度50 mm的实贴羊毛毡的降噪系数(NRC)能达到0.90[5]。良好的降噪性能能使室内的声音变得柔和，使人感觉到舒适，而且导热系数小，有很好的保温的功效，并且羊毛制品给人感觉高贵大气，在吸声保温的同时还可以起到装饰的作用，很适宜在室内使用。作为天然纤维，羊毛制品通常可降解，不会对环境造成过大的污染，因此羊毛吸声制品也被认为是新一代的绿色环保建筑声学材料，受到将为广泛的运用。2007年谢晓丽等[6]对羊毛吸声材料的声学性能进行了分析，认为羊毛吸声材料的吸声性能与其厚度及表面处理有关，厚度越厚，其吸声性能越好，并且如果在羊毛毡的表面附上铝箔，也可以有效的提高其吸声系数。2013年钟祥璋等[7]在对羊毛制品的特性研究时指出，除羊毛毡外，羊毛吸声板也具有很多优良的性能。在一些人流量较大的地方，如大型的购物商场、车站、医院等地，采用羊毛吸声板进行装修，可以起到高效的吸声控制，减少人流噪音对人造成的影响，创造一个舒适的声环境，并且这种羊毛吸声板外形美观，还能起到很好的装饰作用。

棉纤维、麻纤维及木质纤维等植物纤维加工而成的制品，通常都具有一定的吸声隔声性能，如厚度均为5 cm、容重为117.2 kg/m3的麻纤维层在频率为125BZ～800BZ内，其平均吸声系数为0.42[8]。最常见的由天然纤维加工而成的具有吸音隔音用途的制品是窗帘、幕布及汽车内饰非织造布等。

对于动植物纤维，由于其取材方便，并且可降解，对环境的危害小，在早期时应用较广泛，但天然的动植物纤维作为吸声隔声材料的原料也具有很多缺点，由其加工而成的材料通常防火、抗酸碱、抗腐蚀性差，且易蛀虫、易老化，不适宜长期使用，更不适宜在室外使用，而在噪音的防治中，很多吸声隔声材料是需要放置在室外使用的，这就使得其使用受到了一定的限制。

(2)无机纤维

无机纤维是以天然无机物或含碳高聚物纤维为原料，通过直接碳化或人工抽丝制成的。随着无机纤维的出现，很多吸声隔声材料的研究与应用开始渐渐转向使用无机纤维。如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、岩棉纤维等都是吸声性能较好的矿物纤维，这类纤维相比动植物纤维有其优点但也有其不足。与动植物纤维相反，矿物纤维通常具有不易燃、不易蛀虫、不易老化、不易腐蚀并且强度高、成本较为低廉、制品较为轻薄等优点。如洪翠宝指出，一般的水泥墙通常是将噪音反射，虽然能够起到隔音的效果，但噪音并未被消除，这样会增大水泥墙前面的噪音。而法国GTM和Bertin公司针对这一问题将水泥和玻璃纤维进行混合，制造出玻璃纤维水泥吸声墙，这种吸声墙具有很好的吸声性能，能有效地减弱声波，并且经按法国标准531003测定,在标准的道路上噪声可降低27分贝。但这类纤维也有其严重的不足，这类纤维虽然强度高，但纤维脆，在使用过程中容易折断而形成粉尘，对环境造成很大的污染，甚至会影响呼吸，引起身体的不良反应。近年来，越来越多的环境和卫生专家经研究表明，这类无机材料对环境及人体健康都是有害的。因此，如果无法找到相应的解决方案来弥补无机纤维材料的不足，随着人们对环境和健康安全的日益重视，这类材料也无法继续广泛的使用。

(3)合成纤维

将合成纤维用作吸声隔声材料的制造也是近几年比较常见的研究方向，这类合成纤维主要有聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维等。如2015年臧传锋等[9]对涤纶非织造吸声材料的吸声性能进行了研究，发现由涤纶制成的样品具有良好的吸声效果，并且在一定的厚度内，纤维越细，厚度越厚，其吸声效果也越好。使用合成纤维制成吸声隔音材料有很多好处。其原料的成本不高，可以较为广泛的使用，其化学性质较为稳定，适用于长期使用，并且如果能够回收相关废弃物再将其制造成为吸声隔声材料，便可以起到原料的再利用。但就目前为止，将合成材料加工成为吸声隔声性能较好的材料技术还不够成熟，需要进一步的研究。

(4)金属纤维

随着不断的发展，由金属纤维[10]为原料的吸声材料开始作为新型的吸声材料出现，金属纤维也属于无机纤维中的一类，它具备无机纤维具有的优点，如强度高、不易燃、不易老化、防潮、抗氧化等，同时与玻璃纤维等无机纤维相比，由金属纤维制成的吸声隔声材料较为环保，不管是制作过程还是使用过程中都不会给环境带来太大的伤害，算是较为理想的一种吸声隔声材料的原材料。但金属纤维的成本较高，所以无法做到大批量地进行生产使用。

目前制作吸声隔声材料较常用的金属纤维原料有很多，如铝纤维、钛纤维、不锈钢纤维、铜纤维等。如2005年王佐民等人在研究金属纤维的吸声性能时指出，在高温下由金属纤维加工而成的多孔吸声隔声材料的高频吸声性能虽有所下降，但仍然具有较好的吸声效果，如铁铬铝纤维多孔材料在温度为500℃、频率为950BZ～2000BZ时，其平均吸声系数仍大于0.7。2013年Nicolas Lippitz等[11]指出，飞机发动机的噪声可以通过安装多孔衬垫的消声器来降低，而在高热量、高腐蚀性以及疲劳负载下，由传统材料制造的消声器是无法使用的，但由金属纤维制成的消声器则可以在此环境下使用，并且其消声效果取决于金属纤维毡的厚度、大小、形状和毡上孔的开孔数、孔的密度及大小等。除此之外，金属纤维还有很多优良的特性，如铝纤维等还具有对电磁波的屏蔽作用。

(5)高性能纤维

除了传统的纤维外，对于新型纤维的开发也是一个很重要的研究方向。现在运用较多的新型纤维有纳米纤维及一些复合纤维材料，但对于这方面的研究目前并不是很多。如在2012年Youngjoo Na等[12]在其文章中介绍了纳米纤维作为一种新型的吸声材料，在频率范围1000BZ～4000BZ时，纳米纤维层的吸收系数较超细纤维织物更好。由纳米纤维加工而成的吸声隔声材料具有较好的抑制或减少声音的降噪能力，能将声波的反射能量转化为热能，其吸声性能受到该纺织材料的结构、密度、厚度和加工方法的影响。2013年徐晟等[13]发现竹原纤维 / 聚氨酯复合隔音材料作为一种低密度薄层的隔音材料，不仅具有隔音效果并且还能发挥出竹原纤维抗菌除臭及防紫外线的优良特性。

3.3常见的吸声隔声纺织类产品

(1)窗帘

早期人们购买窗帘，主要根据其遮光性是否优良、外观是否美观作为评价的标准，随着噪音污染的日益严重，特别是对生活在车道两旁的居民们，汽车的车鸣声给人们造成了极大的困扰，严重影响其睡眠、学习及工作的效率，在购买窗帘时，窗帘是否具有一定的吸声隔声性已渐渐成为消费者评价窗帘的标准之一。

(2)地毯

地毯是最常见的装饰类纺织品之一，地毯不仅可以对房间起到装饰、保温的作用，并且具有良好的吸声效果。当声波入射到地毯上时会有部分声波被地毯吸收从而减弱了声波的能量，使得室内的声音变得清晰柔和，不会感到刺耳。目前，国内外有很多生产地毯的企业都会将地毯的吸声效果作为其选择纤维原料、地毯的厚度及结构参数的标准之一，并且在不同的场合对地毯吸声效果的需求都会有所不同。

(3)汽车内饰

汽车噪声主要来自于发动机的噪音、轮胎与地面摩摖的噪音、行驶过程中风的噪音及车厢内的噪音等。这些噪音如果不能及时的被消除，会对车内人员造成很大的伤害。特别是对于驾驶员，噪音会使其精神难以集中，容易引发交通事故。因此，现在的汽车内饰材料通常都是具有吸声隔声功能的。例如在汽车的地板上贴上吸音垫或具有吸声隔声功能的地毯用于隔绝地板与车外地面的噪音，在车门挤车后的行李箱中铺设吸音毯以起到吸声隔声的效果。美国通用公司、日本尼桑公司、德国Wcrke公司等很多全球较大的汽车生产商都致力于研究新型的纺织类吸声隔声材料，使得其降噪性能更高，保持汽车内舒适安静的环境。

(4)消声器

消声器是目前运用比较广泛的降噪产品，根据其实际的应用环境对消声器的实际要求是不同的。在普通环境下的消声器，用一些天然纤维或再生纤维做一定的加工，即可实现其消声作用。但对于一些高温、高压环境下使用的消声器，则需要运用一些特殊的材料。目前运用较为广泛的是使用金属纤维或一些耐高温高压的纤维复合材料作为原料加工而成的消声器，如运用在飞机发动机上的消声器等。

(5)其他产品

隔声板、隔音门窗等也是目前研究的方向之一。在国内外研究人员将具有隔声功能的材料与其他原料如水泥等混合，加工成为吸声隔声水泥墙，运用于建筑中；将隔声板安放在公路两旁，将公路两旁的居民与汽车的噪音隔离，营造一个安静舒适的居住环境。这一类的产品在国内处在研究阶段的较多，真正的运用并不是十分广泛。

4　不足与研究方向

目前对于纺织类的吸声隔声材料吸声性能的改性，主要还是在原材料纤维的选择上，但每一种纤维都有其优缺点，并且在加工制作吸声隔声材料时，我们考察的已不仅是其吸声隔音的功能，还要因为实际情况使其附加上别的性能。因此，单纯的进行物理改性或原材料的改变已无法满足实际的需求，我们需要更加深入的研究，研究方向主要分为以下几点：

(1)对高性能纤维或纺织类吸声隔声复合材料的开发

由具有高吸声性能的纤维原材料加工而成的吸声隔声材料，在不进行任何后处理的情况下也能具有较好的吸声隔声作用，因此对新的纤维复合材料的开发是十分必要的。单一的纤维原料总会有其缺陷和不足，开发新型纤维复合材料可以使其能发挥出两种材料的优点、弥补其不足。

(2)研究材料的结构对其性能的影响

不同的织物结构对其性能的影响是十分明显的，如通常情况下非织造物的吸声性能高于机织物的吸声性能，因此我们可以通过改变材料的结构、密度等参数，从而研究在不同的结构参数下对其吸声性能的影响。

(3)对材料进行化学处理

当材料的原材料及结构受限或无法提高其吸声隔音性能时，能否采用一定化学处理的手段如涂层、改性等提高其吸声隔声性能或增加一些其他的实际需求的功能，这是未来研究的重要方向之一。

5　结语

纺织材料作为吸声隔声材料有着很多优势，但研究表明，国内外研究纺织类吸声隔声材料的研究人员虽然不少，但研究的内容都相对比较单一，通常都是对其原材料的研究比较多，很少对其相应的产品进行开发及性能的测试，缺少对纺织类吸声隔声材料实用性的开发。如何在兼顾成本、保证性能、保护环境的前提下，将新材料、新工艺运用于纺织类吸声隔声材料中，使其在家居、交通、航空等方面发挥更大的作用，是我们需要努力的方向，也是未来吸声隔声材料发展的一大趋势。

[1]闵祥斗.高速列车车内噪声预测及车体平稳舒适性分析[D].江苏：江苏大学.2014.

[2]Xie Z Ki，Ikeda T，Okuda Y，et al．Sound absorption characteristics of lotus-type porous copper fabricated by unidirectional solidification[J]．Mater Sci Eng A，2004，386：390.

[3]Ctmsta M ，Cobo P，Fermlndez A，Pfretzschner J．Using a thin actuator as secondary source for hybrid Passive/active absorption in an impedance tube[J]．Applied Acoustics，2006，67：15．

[4]苑改红，王宪成．吸声材料研究现状与展望[J]．机械工程师，2006(6)：l7.

[5]陈伟佳.浅谈羊毛吸声制品在营造绿色声环境中的作用[A]. 2012全国环境声学学术会议论文集[C].2012.

[6]谢晓丽，狄剑锋. 羊毛吸声材料声学性能分析[J]. 五邑大学学报：自然科学版,2007，21(3):7-11.

[7]钟祥璋，朱子根．羊毛吸声制品的材料特性及应用[J]. 音响技术,2013(3):5-9.

[8]徐凡,张辉,张新安.大麻纤维的吸声性能研究[J]. 纺织科技进展,2008(5):75-78.

[9]臧传锋,姚子川,任煜,等. 涤纶非织造吸声材料的吸声性能研究[J].棉纺织技术,2015,43(6):6-9.

[10]Wang C N，Torng J H．Experimental study of the absorption characteristics of some porous fibrous materials[J]．Appfied Acoustics，2001，62：447．

[11]Nicolas Lippitz,Joachim Rosler and Bjorn Hinze.Potential of Metal Fibre Felts as Passive Absorbers in Absorption Silencers [J].Metals，2013(3)：150-158.

[12]Youngjoo Na, Tove Agnhage, and Gilsoo Cho.Sound Absorption of Multiple Layers of Nanofiber Webs and the Comparison of Measuring Methods for Sound Absorption Coefficients [J].Fibers and Polymers, 2012, 13(10)：1348-1352.

[13]徐晟,楼利琴,丁佳蓓,等.竹原纤维/聚氨酯复合隔音材料的发展前景[J]. 山东纺织经济,2013(7):54-56.

1008-5580(2016)03-0199-04

2016-03-31

国家自然科学基金项目(51206122)

彭敏(1993-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织材料的吸声隔声机理。

赵晓明(1963-)，男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

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