硅藻泥-草梗复合吸声材料的测试研究

周 博，范雨琪，陈晓刚，朱小刚，林 辉

(1.江西师范大学 城市建设学院，江西 南昌 330022；2.江西师范大学 软件学院，江西 南昌 330022)

当今城市被噪声污染所困扰，它同大气、水和固体废弃物污染共同构成四大主要污染.噪声具有感觉性、不积累性、传播范围有限性等特点，它所造成的影响是广泛的.噪声不仅干扰人的工作生活、损伤听力系统、诱发身体疾病而且还损害仪器设备，噪声的频率、声强和持续时间决定了其危害的强弱.因此，吸声降噪是当前城市声环境研究的热门方向，鉴于噪声不像其他污染物可以集中处理，故需要通过特殊方式对其进行吸声处理从而减少污染.

目前最主要控制噪声污染的办法之一就是使用吸声材料来吸收噪声.吸声材料是利用材料内部的多孔构造、薄膜原理和共振结构将声能转化为热能从而具有吸声效果的材料[1].早期大量使用的吸声材料主要有棉麻等有机纤维，这些材料在中高频范围内，展现出优良的吸声效果，但因其易燃、易腐和易吸水等性能影响了材料的使用.此后，玻璃棉、岩棉等无机纤维吸声材料被研制成功，因其质量轻、难燃烧、耐久性好、性价比高等优秀特点，渐渐替代了植物纤维类吸声材料而得到广泛应用.但因其在生产加工过程中易产生粉尘影响人的健康、破坏环境，且遇水或吸湿后吸声性能大大降低，限制了其在潮湿、高温、气流大的场所使用.而泡沫吸声材料对于中高频(500 Hz以上)吸声性能优异，但低频吸声性能不理想，且泡沫塑料易老化[2].其后，泡沫金属吸声材料出现，如泡沫铝等，有强度高、耐高温、较好的耐水性和耐腐蚀性的特点，但成本过高、工艺条件不易控制.目前，被广泛使用的是聚氨酯、聚丙烯酸酯等高分子吸声材料，这些材料具有综合性能优异、性能稳定、制造成本低廉等优点[3].

作为一种新型吸声材料，硅藻泥基草梗复合吸声材料由于其独特的“分子筛”结构，不仅具有环保、净化空气、呼吸调湿、阻燃、成本低、加工方便等优点，并且拥有较强的吸声降噪的特性，能够较好地吸收高频声段，并衰减低频噪声，减少声音的混响时间.这类材料将具有广阔的应用空间.

1 实 验

1.1 材 料

硅藻泥、不同尺寸的稻草梗、氧化镁、异氰酸醋胶粘剂和早强剂等.

1.1.1 硅藻泥材料基本特性分析(硅藻泥的颗粒形貌SEM)

利用JSM-5600LV高分辨冷场发射扫描电镜、EDAX EDS能谱仪对材料内部微观结构进行成像分析.首先调整材料的观测部位，经过聚焦、消像散、调节亮度及对比度至成像；然后依据图像算法对图像进行平滑去噪、阈值选取、孔洞填充、腐蚀去噪、轮廓提取和孔洞标记等分析.测试结果如图1所示.

图1 硅藻泥粉体的SEM照片

由图1可知，硅藻泥富有多孔结构、高表面积、低密度、耐热，并具有一定的强度.硅藻泥是一种纳米级的多孔材料(孔径约0.05～0.25 μm)，孔隙率为85%～90%，从微观结构分析，其排列规整，形状多为圆形和针状，其单位面积上的微细孔数量远高于木炭，是之数千倍，孔隙间相互交叉并和外部彼此相连通，具有了多孔吸声材料的构造特征，并将材料的力学和声学性能大幅提升.

1.1.2 草梗材料基本特性分析

草梗材料成分分析的国家标准目前还没有颁布，该文中草梗的化学成分分析依据国家标准 GB5889-86 苎麻的化学成分分析方法.分析表明：草梗中主要成分为灰分，含量高达15.6%，而灰分中的主要成分为SiO2，于草梗纤维中产生非极性表面，使材料的吸附性和氢键的形成受其主要影响.另外，草梗中的乙醚抽提物成分很高，比例接近8%，主要的成分是植物纤维中的脂肪、醋和树脂.

图2为草梗纤维纵向转曲的扫描电镜照片.从图2中可以观察到草梗纤维纵向是由多根微细纤维结合而成的束纤维，呈螺旋结构.草梗纤维这种互相排列、相互联结的螺旋结构使其表面产生大量的缝隙和网孔，从而使其有较好的吸声性能.

图2 草梗纤维纵向转曲的SEM照片

1.2 试件制备

由于草梗中高灰分，纤维中高脂肪、醋和树脂，草梗的表面较光滑等特性，均影响彼此之间的黏结[4].因此，试件进行测试前，需要对稻草梗进行生石灰浸泡脱膜处理，去除表面的蜡质层，以便加强材料之间的黏结力.然后，材料经过配比、称重、搅拌、制模、冷压、养护等工序得到试件，然后开展吸声性能的测试.部分测试样品照片如图3所示.

图3 部分测试样品照片

1.3 硅藻泥-草梗复合吸声材料基本特性分析

图4为硅藻泥-草梗复合吸声材料的扫描电镜照片.由图4可以看出，此复合材料的结构特征是纤维与纤维、纤维与硅藻泥之间堆积形成空间连通的多孔结构，从而使材料具备优良的吸声性能.

图4 硅藻泥-草梗复合吸声材料的SEM照片

1.4 吸声性能的测试方法

利用驻波管法测试硅藻泥-草梗吸声材料的吸声系数.该系统由声频信号发生器，驻波产生与驻波峰值、谷值检测部分，计算机数据处理、分析与计算3部分组成.该套系统工作的步骤是：音频信号发生器作为声源产生声波，经过音频放大器和扬声器扩大功率，进入驻波管内形成驻波，由探声管、声压拾音器和自动跟踪音频滤波处理，将声压信号扩大，利用检测器测出声压级，最后经过计算机数据处理并计算得出结果[5].驻波管法吸声系数测定仪构造如图5所示.

1:刚性活塞; 2: 驻波管; 3: 探管; 4: 扬声器; 5: 传声器小车; 6: 轨道及标尺; 7: 信号发生器; 8: 传声器放大器; 9: 窄带滤波器.图5 驻波管法吸声系数测定仪示意图

2 硅藻泥-草梗复合吸声材料的吸声原理

根据硅藻泥的微观照片可知硅藻矿物具有多孔性，孔隙率高，排列次序统一，形状规则，孔隙间相互连通.由于硅藻泥和草梗复合材料在黏结剂和增强剂的作用下，纤维堆积形成空间连通的多孔结构，这样进一步提高了复合多孔吸声材料的孔隙率.当声源震动产生声波入射到材料面层时，由于材料面层的反射作用，反射回一部分声波，而剩余部分则进入材料内部.声波在材料内带动质点依次震动，并彼此相互传递下去.而孔隙中的空气由于震动和材料壁产生摩擦，临近材料壁的空气不易流动而产生黏滞性，黏滞阻力迫使空气传播的动能转换为摩擦生成热能，使得声能逐渐衰减.声波通过介质时，使质点震动产生横向和纵向位移，从而造成质点分布不均匀,在质点间形成温度差,声能通过热传导而损耗.因为纤维的振动导致空气质点振动的速度加快，热交换的速度也加快，因此耗散声能[6]. 总体上说，硅藻泥-草梗复合吸声材料的吸声，是靠材料本身多孔的特性来实现.

3 测试结果与数据分析

3.1 草梗掺量与硅藻泥-草梗复合吸声材料吸声性能的关系曲线

图6是草梗掺量与硅藻泥-草梗复合吸声材料吸声性能变化的曲线.

图6 草梗掺量与硅藻泥-草梗复合吸声材料吸声性能的关系曲线

图6显示，试验中草梗含量分别为5%，7.5%，10%时，材料的平均吸声系数分别为0.52，0.66，0.58，总的平均吸声系数是随着草梗含量增加而波动变化.从500 Hz以内的低频曲线中，吸声性能随着材料中草梗含量减少而升高，这主要是草梗含量越低、孔隙率少，对低频的吸声效果越好.在高频阶段，吸声系数随着草梗含量增加而增大.综合考虑，当材料草梗含量控制在7.5%时，硅藻泥-草梗复合吸声材料的综合性能最好[7].

3.2 草梗尺寸与硅藻泥-草梗复合吸声材料吸声性能的关系曲线

试验中，分别选用2.0 mm×40 mm、2.0 mm×60 mm、2.0 mm×80 mm、2.0 mm×100 mm尺寸的草梗，图7表明，在低频区域，硅藻泥-草梗复合吸声材料的低频吸声性能随着草梗长度的增加而减小，在中高频区域，硅藻泥-草梗复合吸声材料的中高频吸声性能随着草梗长度的增加而增大.这是因为多孔材料吸声主要是材料之间形成连通的空隙空间，短小尺寸的草梗和硅藻泥结合更紧密，空隙越细材料吸声效果越好，而对于高频声音则反而降低.当长度大于80 mm后，通过增加草梗长度来改善吸声性能的效果就不明显了[8].

图7 草梗尺寸与吸声性能的关系曲线

3.3 硅藻泥-草梗复合吸声材料的密度与吸声性能的关系曲线

以声学相关理论为依据，硅藻泥-草梗复合吸声材料的密度与吸声性能的关系曲线如图8所示.

图8 硅藻泥-草梗复合吸声材料的密度与吸声性能的关系曲线

对图8中的曲线进行分析可知，当硅藻泥-草梗复合吸声材料层的厚度固定不变时，材料密度增加吸声系数也增大，最大吸声系数向低频方向移动[9].随着材料密度逐渐增加，相对低频区域吸声的效果较好.

此外，根据多孔吸声材料的特点，不仅材料的孔隙构造、构造元素对其吸声性能产生影响，而且材料两侧的压力差与气流线速度的比值即流阻与其吸声性能也密切相关.流阻大的材料，声波在其表面反射就强，通过孔隙进入材料内部的声波少，声波摩擦材料而损耗的小；流阻小的材料，声波摩擦损耗小，吸声性能差.材料的流阻与密度成正比.图8佐证了材料密度越大，吸声系数趋于向低频区域偏移，在此范围吸声效果越好[10].

3.4 硅藻泥-草梗复合吸声材料的厚度与吸声性能的关系曲线

当以多孔材料为无限厚度为假定条件时，材料表面接触到入射声波，便产生了透过材料向其内部绕射的状态，在材料的内部声波逐渐扩展并延伸传播，伴随声波传递距离的增长，声能量及声压逐渐衰减[11].经过试验分析发现，其衰减量并不与材料的厚度成正比.这主要由材料的密度决定，材料是疏松散状而且密度较小，若要提高材料对低频声音的吸音效果可通过增加材料厚度的方法来实现.但当流阻升高到一定限定值时，材料的吸声效率与厚度变化关系就不大了.所以，为了获得最佳吸声效果，多孔材料的厚度也需要控制一个最佳浮动值.在自然常态下，中高频声音范围内多孔材料有较高的吸声系数，而相对低频声音吸声系数却较低.当逐渐增加材料厚度时，吸声频率曲线由高频向低频转移，低频区域吸声系数变大，吸声材料厚度和吸声系数两者显示为动态变化关系[12].

图9所示为硅藻泥-草梗复合吸声材料的厚度与吸声性能的关系曲线.

图9 硅藻泥-草梗复合吸声材料的厚度与吸声性能的关系曲线

图9表明，2 cm厚材料的平均吸声系数在低频范围较低.材料厚度为2,4,6,8,10 cm时的平均吸声系数分别为0.58,0.65,0.72,0.80,0.76，材料的厚度与吸声系数成正比，厚度增加则吸声系数变大，反之则降低，但把材料厚度提高到8 cm后，吸声性能则表现较为稳定，不会有大幅提高，波动较为平稳，与文中前部分所分析的结果一致，也表明材料的吸声效果不能单靠增加材料厚度来提高.随着对城市声环境的深入研究，城市中噪声的组成很大一部分是由车辆行驶时的交通噪声所构成，而其发出的频率大部分是中低频，所以，改善城市声环境，降低噪声对生活的影响，选择合适的材料厚度，将是改善声环境的重要措施之一[13].

3.5 硅藻泥-草梗复合吸声材料背后空腔与吸声性能的关系曲线

材料背后增加空腔可以改善其吸声性能，考虑在施工安装过程中市场通用龙骨的厚度，吸声材料固定在龙骨上所形成的背部空腔尺寸选为3 cm，图10为硅藻泥-草梗复合吸声材料背后有无空腔时与吸声性能的关系.

图10 材料背后空腔与吸声性能的关系曲线

图10表明，当硅藻泥-草梗复合吸声材料背部的空腔为3 cm时，材料对于低频声音的吸声效果显著提高，吸声曲线由中高频向低频移动，但整体分析所测试的频率范围内的材料平均吸声系数浮动不大.因此，在材料厚度不变情况下，要提高吸声性能，材料背部增加空腔是不错的选择，也具有非常大的实践意义[14].

4 与其他类型多孔吸声材料性能比较

将硅藻泥-草梗复合吸声材料与其他常用多孔材料吸声性能进行比较，揭示硅藻泥-草梗复合吸声材料的特点和应用前景如表1所示.

表1 硅藻泥-草梗复合吸声材料与其他吸声材料比较

注:吸声材料厚度为4～5 cm；NRC：平均吸声系数；除了硅藻泥-草埂复合吸声材料外，其他材料的相关数据均来自于文献[15].

由表1可以看出，除了超细玻璃棉毡外，硅藻泥-草梗复合吸声材料的平均吸声系数高于其他常用的吸声材料，但硅藻泥-草梗复合吸声材料在部分中频的吸声性能要优于超细玻璃棉毡，吸声性能略高于尿基米波罗.对比其他一些类型的吸声材料如非织造布、铝纤维板等的研究结果[16]，发现在厚度基本相同情况下的平均吸声系数均在0.5以下；底灰和水泥制备材料的平均吸声系数最高也仅仅0.30，远低于厚度稍小的硅藻泥-草梗复合吸声材料的平均吸声系数；而对多孔玻璃的研究结果显示[17]，其在200～2 000 Hz的平均吸声系数在0.5左右，与硅藻泥-草梗复合吸声材料的吸声性能相近，但在低频处的吸声性能要低于硅藻泥-草梗复合吸声材料.

将驻波管法所测试的材料吸声系数近似换算成混响法吸声系数[18]，换算可得硅藻泥-草梗复合吸声材料的混响法吸声系数为0.84，依据建筑吸声材料吸声性能的分级标准，硅藻泥-草梗复合吸声材料吸声性能为Ⅰ级[19]，在吸声产品中属于具有优良吸声性能的产品.

5 结束语

通过以上测试表明，硅藻泥-草梗复合吸声材料结构特征为硅藻泥的分子筛结构、草梗纤维与草梗纤维、草梗纤维与硅藻泥之间堆积所形成的多孔结构，其吸声性能受草梗含量、尺寸，复合材料的密度、厚度、背部空腔的设置影响.

(1) 硅藻泥-草梗复合吸声材料中的草梗是吸声性能中重要的因子之一.在低频区域，随着草梗含量的增加、尺寸的增长，复合材料的吸声性能逐渐降低；在高频区域，则随着草梗含量的增加、尺寸的增长，复合材料的吸声性能逐渐增强.草梗含量为5%～10%，长度尺寸为40～60 mm，复合材料的综合吸声性能最优.

(2) 硅藻泥-草梗复合吸声材料的低频吸声性能受材料厚度的影响.随着厚度增加，低频吸声性能提高，并且吸声曲线由高频向低频变化.当材料厚度增加到8 cm时，平均吸声系数达到0.8，吸声性能最优，此后通过增加材料的厚度，吸声系数未有明显的提高，变化不大，比较稳定.

(3) 硅藻泥-草梗复合吸声材料的密度也是改变低频吸声性能的重要因素.复合材料的吸声系数随密度的增大而增大，最大吸声系数向低频区域移动，复合材料密度为400～500 kg·m-3时，综合吸声性能最优.

(4) 硅藻泥-草梗复合吸声材料背部空腔的增设，将改善复合材料的低频吸声性能，可以通过调节背部空腔大小改变不同吸声频率的幅度，既提高了吸声效果又节约了材料.空腔的增设相当于提高了复合材料的厚度，当材料厚度不变，背部空腔控制在3 cm时，对低频吸声性能较好.

(5) 将硅藻泥-草梗复合吸声材料与常用纤维类、泡沫材料和灰泥制品等类型材料吸声性能进行对比可知，在材料厚度相同的情况下，硅藻泥-草梗复合吸声材料NRC值可达到0.59，仅次于超细玻璃棉毡，而优于其他常用吸声材料.

综上所述，硅藻泥-草梗复合吸声材料是一种优良的新型多孔吸声材料，尤其对于500～ 2 000 Hz频率的声音具有良好的吸声效果，同时其具有密度低、质量轻、吸附甲醛和净化空气等优点.新型硅藻泥-草梗复合吸声材料的研制丰富了吸声材料的类型，可适用于电影院、音乐厅等对声音有较高要求的室内场所.

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