纤维基柔性非织造材料吸声性能研究

范晓丹,李辉芹,巩继贤

(天津工业大学 纺织学院,天津300387)

当声波入射到物体的表面时,有一部分声波会被反射回去,而另一部分声波会进入物体,进而被物体吸收而转化为热能。声波能量被物体吸收的现象称为吸声[1]。根据吸声原理,吸声材料可以分为两大类,一类是共振吸声结构,它是利用入射声波在结构内产生共振,从而使大量的能量耗散;另一类是多孔吸声结构,它是使大量的声波更易进入结构内部,随着声波在多孔材料内部的传播,使其能量逐渐逸散[2-3]。随着人们对健康问题的日益关注,吸声材料已经成为学者们的研究热点[4-6]。

本文从噪声传播途径着手,有机结合吸声、隔声多种降噪机理,经筛选比较,用非织造布作为吸声材料[7-8]。

非织造材料作为一种柔性、多孔的吸声材料,其吸声性能的研究已有很多报道。如日本帝人公司用PET短纤通过湿法制备纤维纵向排列的非织造布“VLAP”[9],不仅质轻,而且吸音性优良,且具有减震的功效,该产品已被日本三菱(Mitsubishi)公司用于其Outlander越野车地毯的背面。英国Pritex公司也开发了一种将非织造材料面层与一薄型吸音纤维材料复合的新型吸音材料[10]。美国3 M公司采用熔喷复合成形工艺开发了“Thinsulate”[11]系列车用吸音材料,材料轻薄,吸音性能极佳,阻燃性、拒水性优良。有研究表明:非织造材料的吸声性能与其结构有着直接的关系。如臧传锋等[12]利用具有细度梯度的涤纶纤维制备了12种非织造吸声材料,测试分析了不同加固方式、纤维细度、针刺密度和材料厚度对涤纶纤维非织造吸声材料吸声性能的影响。于伟东等[13-14]测试了不同非织造布的厚度、面密度以及孔洞特征对吸声性能的影响,研究表明:材料的孔洞特征,特别是平均孔径是影响吸收峰频率的主要参数。

1 试验部分

1.1 仪器

烧杯、磁力搅拌器、胶头滴管;PD-B型卧式轧车(莱州元茂仪器有限公司);GZX-GF101-1-S-Ⅱ型电热恒温鼓风干燥箱(上海贺德实验设备有限公司);Z4025型台式钻床(滕州市广速数控机床有限公司);OHAUS先行者通用型天平(苏州盛世衡器有限公司);YG141LA型数字式织物厚度仪(莱州市电子仪器有限公司);SCM201型8通道单阻抗管(比利时L MS国际公司)。

1.2 材料

分别配制30 g/L的FeS、Cu O、Fe2O3和BaSO4溶液,待搅拌均匀后,将3种非织造布分别浸入溶液中,5 min后,置于浸压辊上浸压(带液率70%),然后烘干(100℃),之后重复浸没—浸压—烘干2次,即可得到整理后的试样。将整理后的非织造布用钻床切成直径为3.5 c m的圆形试样。

1.3 参数测试

1.3.1 厚度

使用YG141LA型数字式织物厚度仪,测试的厚度结果如表1所示。

1.3.2 面密度

非织造布的面密度如表2所示。

表1 非织造布的厚度

注:-前的数字1,2,3表示非织造布的种类,-后的数字表示整理剂的种类:0未经整理;1经FeS整理;2经Cu O整理;3经Fe2O3整理;4经BaSO4整理。

表2 非织造布的面密度

2 吸声性能测试

2.1 测试方法

吸声系数的测量方法有阻抗管法和混响室法。通过比较,我们最终选择阻抗管法。

表3 测试方法的比较

2.2 测试仪器

试验参照GB/T 18696.1-2004《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量》,仪器如图1所示,为八通道单阻抗管。

图1 八通道单阻抗管

2.3 测试原理[15]

当声波从一种媒质入射到声学特性不同的另一种媒质时,在两种媒质的分界面处将发生反射,使入射声波的一部分能量返回到第一种媒质。在斜入射时,反射角与入射角相等。在反射点处,反射波声压与入射波声压之比称为反射系数γ。

材料吸收和透过的声能与入射到材料上的总声能之比,称为吸声系数α。

当入射声能被完全反射时α=0,表示材料无吸声作用;当入射声波完全没有被反射时α=1,表示声波完全被材料吸收。事实上,所有材料的吸声系数α基于0～1之间,也就是不可能全部反射也不可能全部吸收。α值越大表示吸声效果越好,它是目前表征吸声性能最常用的参数。

3 结果与分析

阻抗管测试的结果如图2所示,横坐标是声波的频率,纵坐标为吸声系数。如果以厚度为自变量,吸声效果很难清楚地表达,所以我们通过计算整个频段的平均吸声系数,一次来代表非织造材料整体的吸声性能。平均吸声系数是指对材料不同频率的吸声系数进行算术平均,按平均吸声系数的大小来评价材料的吸声性能,优点是一个数值,简单易记,便于比较[16-17]。与降噪系数NRC比起来,平均吸声系数涵盖所有频率下的吸声系数,而降噪系数只是中心频率为250、500、1 000和2 000 Hz 4个倍频程吸声系数的算术平均值。

图2 非织造布1的频率-吸声系数谱图

3.1 整理剂种类对吸声效果的影响

从图3可以看出,对于非织造布1来说,经过FeS和Fe2O3整理后,吸声效果有了明显的提高;而对于非织造布2来说,整理剂的参与反而使它丧失了原来的吸声效果,Fe2O3和BaSO4对其影响相对较小;对于非织造布3来说,各整理剂对其吸声效果的影响相差无几,严格来说,Fe2O3和BaSO4对其影响相对较大。总的来说,可选择的整理剂为Fe2O3和BaSO4。

图3 非织造布以及整理剂的种类对平均吸声系数的影响

3.2 厚度对吸声效果的影响

进行多项式拟合,R2=0.845 95,如图4所示。

图4 厚度与平均吸声系数的多项式拟合曲线

从图4中可以看出,在一定的范围内,材料的吸声效果会随着厚度的增加而呈现变差的趋势,但超过这个范围之后,材料的吸声效果会越来越好。这是由于当平面波向一多孔材料的平面边界辐射时,会向材料内绕射。绕射波在材料内部传播一段距离后,其声压有所衰减,但其衰减量并不总是随厚度的增加而增大。

3.3 面密度对吸声效果的影响

多项式拟合结果如图5所示,R2=0.769 73。

从图5可以看出,材料的平均吸声系数与材料面密度成正相关关系,当材料面密度增加时,材料的平均吸声系数随之增加。这是因为非织造材料结构疏松,当材料面密度增加时,材料的致密程度增加,声波入射到材料内部时带动周围空气与纤维壁发生摩擦、碰撞,从而使得声能转化成热能,声能损失增加。

图5 面密度与平均吸声系数的多项式拟合曲线

4 结语

对非织造材料进行功能整理是提高其吸声性能的一条便捷而可行的途径。通过试验,我们不难看出:Fe2O3和BaSO42种整理剂对于非织造布的吸声性能的影响是很显著的。非织造布本身的结构特征对其吸声性能的影响也是不容小觑的,它的吸声性能会随着厚度的增加呈现先减小后增大的趋势,而又随着面密度的增大呈现增大的趋势。只要能合理地利用,就可以设计出能够达到预想吸声效果的非织造材料。

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