影响离心玻璃棉吸声性能的因素分析

龚凤海+聂京凯+樊超+刘主光

【摘 要】采用实验的方法通过改变离心玻璃棉的含水率、选用不同容重的样品以及改变离心玻璃棉与罩面板之间的内衬材料以验证这些因素对吸声系数的影响，为实际应用提供了指导。

【关键词】 离心玻璃棉；含水率；容重；内衬

【Abstract】This paper uses the method of experiment to verify the effect of these factors on the sound absorption coefficient bychanging the rate of water content， with different density of samples and lining materials during centrifugal glass wooland cover panel.

【Key Words】centrifugal glass wool； rate ofwater content； density； lining

1 引言

從多孔吸声材料的吸声特性曲线可以看出，其吸声性能的总变化趋势是吸声系数随频率的增加而增大，曲线从低频到高频是逐渐升高的，在高频段会有不同程度的起伏，随着频率的增加，起伏逐步缩小，趋向一个缓慢变化的数值[1]。多孔吸声材料的优点在于高频吸声系数高、密度小，缺点则是低频吸声性能不佳。目前，由于其取材范围广加工制造相对简单且价格比较低廉，并且一些新型多孔材料的低频吸声性能已经有较大的提升，多孔吸声材料在日常生活中有着非常广泛的应用[2]。

但是，在实际使用中，多孔材料的吸声性能会受到许多外界环境或者自身因素的影响而不能长久保持下来，比如温湿度变化、本身的散落等。笔者针对离心玻璃棉含水率的高低、容重的大小以及离心玻璃棉与罩面板内衬的选择等方面进行了实际验证，发现了这些因素对离心玻璃棉吸声系数的影响趋势，从而对实际的应用做出指导。

文中的吸声系数测试均是使用驻波管法进行的。测量设备包括驻波管、声源系统、接收系统等部分。测试系统见图1。

2 含水率对吸声性能的影响

含水率是指多孔材料的含水重量与干燥重量的差值除以含水重量后的百分率。以下实验中未注明处均默认为干燥状态。

由于离心玻璃棉使用环境的差异，干燥或者潮湿的环境会使离心玻璃棉的含水率发生变化，环境潮湿时，含水率升高，离心玻璃棉的孔隙会变小或堵塞，孔隙率降低。而离心玻璃棉的吸声性能和孔隙率有很大的关系，孔隙率低时，吸声性能比较差，高频段多峰现象不明显，进而影响整体的吸声效果。尤其是在极端潮湿的环境中，空气湿度常常达到80%以上，此时离心玻璃棉的吸声性能已经变得很差，必须要采取适当的防护措施来应对。本节针对含水率进行验证。

2.1 含水率变化实验内容

实验使用厚度为100 mm，容重为32 kg/m3的干燥离心玻璃棉作为实验样块，采用驻波管法测量其100 Hz～4 kHz、1/3倍频程下的吸声系数，然后逐步改变其含水率，并逐一记录相应的吸声系数，通过作图法比较同一样块在不同含水率下吸声系数在不同频段内的变化情况。

2.2 实验结果及分析

不同含水率样品的吸声系数测试结果见图2。

根据图2发现，含水率低于50%的三条曲线基本是一致的，说明含水率在一定范围内（约50%以内）吸声系数的变化并不明显，因为在这一范围内，含水率对离心玻璃棉孔隙率的影响有限，吸声系数就是材料本身的吸声系数，吸声性能不受影响；而随着含水率的继续增加，孔隙堵塞现象严重，离心玻璃棉材料的孔隙率有了很明显的降低，导致低频段吸声系数逐步增加，而中高频段吸声系数有明显下降，尤其是在含水率达到80%时，离心玻璃棉的孔隙率已经很低，高频吸声性能已经很弱，吸声系数在4 kHz处下降约0.7，此时的吸声性能已经同离心玻璃棉常见的特性有了很大的差别，几乎无法起到吸声材料的作用。

根据实验结果，在实际应用时要考虑到环境湿度对离心玻璃棉的影响。湿度较低时，可以按照材料本身的吸声性能进行设计施工；而如果使用场所湿度比较大，导致离心玻璃棉的含水率达到一个很高的水平，则不能按照材料本身的吸声能力进行设计，必须要考虑环境湿度导致的吸声体含水率的变化，并尽量采取避免措施，如放置干燥剂等，在要求严格的地方甚至需要选择其他种类的吸声材料或结构，否则，将无法达到预期的效果。

3 容重对吸声性能的影响

材料的容重是指单位容积内物体的重量。

对于离心玻璃棉来说，其纤维、筋络、颗粒本身的大小、直径以及固体密度都不尽相同，在这些因素的影响下，其容重会有很大的不同，从而对该材料的吸声系数产生不同的影响。例如纤维直径不同，其吸声系数就会有差异。研究表明，对于一定的纤维排列，确定吸声特性的因素是纤维表面积的总和，在其他因素都相同的情况下，纤维直径越小，总的表面积越大，则平均吸声系数越大。

在一定条件下，增加容重会使低频的吸声系数增加，但是容重过大并不会使吸声系数有明显的提升，最佳容重值往往可由实验得出[1]。

3.1 实验方法

实验材料选用同一厚度（100 mm）、不同容重（分别为32 kg/m3、48 kg/m3、80 kg/m3）的离心玻璃棉，同样使用驻波管法进行测量，测试范围为100 Hz～4 kHz，采用1/3倍频程，验证在不同频段容重影响吸声系数的规律。

3.2 实验结果及分析

不同容重样品吸声系数测试结果见图3。根据图3实测数据可以看出，在低频区段，随着容重的增加，吸声系数增加很多，这从容重32 kg/m3与48 kg/m3两个样品曲线的对比看得尤其明显，从100 Hz到630 Hz，后者平均比前者吸声系数高0.15；而到了高频则影响很小。由此可见，容重的改变确实对于低频的影响更大，对高频的影响较小；容重过高的时候，中高频吸声性能有下降的趋势。

4 内衬材料对吸声性能的影响

在实际应用中，由于离心玻璃棉松散、易碎或易脱落的特点，所以经常要加装穿孔罩面板，以保护离心玻璃棉，延长其使用寿命。一般情况下，当穿孔率超过20%时，穿孔板的声质量已经非常小，声学作用降低，因此带来的声能损失可以忽略，整个吸声结构的吸声性能主要由板后的离心玻璃棉决定，此时穿孔板仅仅起吸声材料护面板的作用[1]。因此，为了保证离心玻璃棉的吸声性能不受影响，且不会因外力或自身重力的影响而降低使用寿命，常常使用穿孔率很高（一般大于20%）的罩面板来保护离心玻璃棉。

由于罩面板的穿孔率很高，难以避免外界尘埃或杂质通过板孔进入离心玻璃棉堵塞微孔，或者离心玻璃棉自身碎屑脱落，散入外界，污染环境，因此，常常在罩面板与离心玻璃棉中间加一层内衬，内衬层位置见图4。为减小该层织物对吸声系数的影响，一般选用透气性高、流阻小的材料。尽管如此，该内衬层的存在还是或多或少会影响吸声性能，本节就对此进行了验证。

4.1 实验方法

本次实验所用样件外层为穿孔率32.6%的罩面板，板厚0.8 mm，内层为厚度100 mm的离心玻璃棉板，容重为32 kg/m3，样品截面示意图见图4。实验时，在罩面板内侧分别贴附无纺布、无碱憎水玻璃丝布以及不加内衬，采用驻波管法进行测试，测试范围为100 Hz～4 kHz，采用1/3倍频程。

4.2 实验结果及分析

选用不同内衬材料時的吸声系数测试结果见图5。

从图5中曲线可以看出，无纺布的内衬对吸声效果的影响非常微小，和无内衬离心玻璃棉的吸声特性曲线几乎是一致的，仅仅是在低频有细微的差别，比起无内衬材料吸声性能有所降低；而无碱憎水玻璃丝内衬和无内衬材料的离心玻璃棉吸声性能相比，低频吸声性能增加，中高频吸声能力大幅减低。因此，若不是对低频吸声有特殊要求，应尽量避免选用该种内衬材料。

由此可见，内衬材料的不同也会对离心玻璃棉的吸声性能产生影响，实际选用时应予以考虑，为保证离心玻璃棉本身的特性，建议选用对离心玻璃棉吸声系数影响较小的内衬材料（如无纺布）。

5 总结

综上所述，离心玻璃棉的含水率、容重以及内衬材料均对离心玻璃棉的吸声性能有影响，具体如下：

（1）含水率在某一范围内（低于50%）时，离心玻璃棉吸声性能随含水率变化不明显；当含水率继续增加时，低频吸声性能提升，同时中高频吸声性能明显降低，吸声效果大大降低，将会影响使用效果；

（2）容重不同影响离心玻璃棉的吸声性能。在本项实验中，容重最大值为80 kg/m3。在此范围内，容重主要对离心玻璃棉的低频吸声性能产生影响，随着容重的增加，离心玻璃棉的低频吸声系数会提升，容重过高时，中高频的吸声性能也会降低。

（3）内衬材料的选取对吸声系数也有一定的影响，在本项实验中，无纺布内衬的测试结果对实际吸声系数影响很小，而玻璃丝内衬对吸声系数却有较大的影响，它会提升低频同时会降低中高频，在实际应用时必须加以考虑。

参考文献：

[1] 马大猷. 噪声与振动控制工程手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

[2] 苑改红，王宪成. 吸声材料研究现状与展望[J]. 化工时刊，2007，21（2）：63.