植物纤维吸声玻璃的原理分析及生产工艺研究

白钰 郑露 张小梅 林广延 余康欣

摘  要：针对日益加剧的城市噪音污染问题，分析了声音的产生、传播和损耗的物理过程，阐述了声波的能量损失原理。利用植物纤维内部有大量微小的连通孔隙的特点，探讨了植物纤维的吸声原理，并分析其吸声性能的主要影响因素，结合玻璃的制造过程，开展了对隔音吸声玻璃的研究和探索，提出了植物纤维吸声玻璃制造的生产工艺。

关键词：噪音污染  植物纤维  吸声降噪  单层玻璃

中图分类号：TS65   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（a）-0054-02

随着中国经济的持续高速发展，城市化进程进一步加快，人民生活水平逐渐提高，城市噪音污染也日益成为影响城市环境的突出问题。噪音污染对城市居民的健康带来很大的危害，表现为影响人类的身心健康，破坏城市生活环境，危害社会稳定，因此，控制噪音污染已成为现代社会发展中急需重视和解决的问题。

1  现状分析

1.1 噪音污染現状

我国对城市商业、居住混杂区的环境噪声限值规定：昼间≤60dB，夜间≤50dB。在居住区，对环境噪声的要求更高。过度暴露在噪声污染中，不仅会危害身体健康，还会严重影响心理健康[1]。《中国环境噪声污染防治报告（2018）》显示，2017年全国城市声环境夜间不达标率高达26%，噪声污染已成为仅次于空气污染的第二杀手[2]。同时，建筑工地施工噪音对人们生活影响也极为严重，因为其位置相对固定，具有局部性、持久性，且噪声强度较大，对周围住宅区和商区都会有很大影响。

《中华人民共和国环境噪声污染防治法》中指出，环境噪声是指工业生产、交通运输和社会生活中所产生的干扰周围环境、干扰他人正常生活、工作和学习的声音[3]。

1.2 噪音污染控制方式现状

目前我国玻璃市场大多采用隔音玻璃降低噪音，主要以中空玻璃、双层真空玻璃和夹层玻璃为主。

通过对这3类玻璃的制作原理及市场调查发现：在隔音性能方面，中空玻璃对不同频率噪音的吸声性能有所不同，能明显降低中高频率噪音（例如人的呼喊声等），但对低频噪音（例如交通噪音等）效果却不明显，因为中空玻璃内部的空气空腔会在声波低频区与外界的低频噪声发生共振，使其能够透过玻璃进行声传播，所以当前更多被应用于居住区;真空玻璃在抽真空的过程中，为了防止两片玻璃间的负压力导致玻璃内部失去含有隔音效果的真空层，所以制作真空玻璃时要在两层玻璃之间垫适宜密度的柔性支撑点或条型支撑架，这样形成的玻璃内部被抽成几乎真空，所以其隔音效果是当前玻璃市场上效果最好也是应用最广的;夹层玻璃是由两片或者多片玻璃内部交叉加入一层或多层有机聚合物中间膜，经过一定的高温预压及高温高压工艺处理后，使玻璃和其中间的膜永久粘合，从而形成复合玻璃产品。

2  原理分析

2.1 植物纤维吸声原理

声音是由于物体振动所产生的声波，同时以波的形式通过各类介质进行传播，这个介质有很多种，例如空气、水、固体等。而吸声则是声波接触到材料表面后由于空气的粘滞性以及材料的热传导，它们导致声能不断转化为热能，声能大量损耗，从而起到吸声的作用。利用声波的能量损耗原理，植物纤维材料内部含有大量微小的连通的孔隙，声波沿着这些孔隙可以穿透材料内部，同时与材料发生摩擦的作用以致声能转化为热能，与现在市面上的消声器的原理基本相似。因此，纤维材料吸声的必要条件是：材料有大量孔隙，孔隙之间互相连通，孔隙深入材料内部。

2.2 影响植物纤维吸声性能的主要影响因素

实验可得，植物纤维吸声性能的主要影响因素有以下几点[4]。

（1）孔隙率。

有效孔隙度的降低会影响材料的高频吸声，说明材料的高频吸声对内部孔隙度的变化更为敏感。

（2）厚度。

植物纤维在中低段频率时，植物纤维的厚度对其吸声性能也有很大的影响，可以通过适当地增加其厚度来提高吸声能力。

（3）密度。

在植物纤维厚度恒定的情况下，随着体积密度的增加，导致材料内部孔隙变小，声波在纤维材料中的溜阻增大，使声波接触材料内部孔壁的机会增多，材料内的声速变慢，从而导致声波反射增多，使大量的声能通过纤维孔壁的不断摩擦而转化为热能，声波在材料内部进行了损耗，提高了纤维材料的吸声性能。但当密度过大时，也会导致植物纤维材料表面由于过于密实而阻止了声波进入材料内部，影响植物纤维的吸声性能。

（4）温度[5]。

当植物纤维材料的温度升高时，材料表面的声阻、声抗随着温度的升高而增大，从而声波将更难进入材料内部进行吸声损耗，材料反射的声能增大，因而吸声系数减小（如图1所示）。

3  技术研究

3.1 普通玻璃的生产工艺

（1）原料粉碎干燥并加工处理。

（2）配合材料制备。

（3）配合料高温熔制。

（4）玻璃成型。

（5）热处理。

3.2 植物纤维吸声玻璃的生产工艺

玻璃的制作过程很复杂，需要很多工序，在它的制作过程中，必须经过高温（1550℃～1600℃）熔制，由于玻璃在熔制过程的高温下经历了激烈反应，并产生很大的形状变化，这种激烈的变化使玻璃内部产生了热应力，当热应力过大时将会降低玻璃的强度和热稳定性。如果将高温熔制后的玻璃直接冷却至常温，很可能在冷却过程中或之后的存放、运输和使用过程中自动破裂（该反应俗称玻璃的冷爆）。为了消除玻璃的冷爆现象，提高玻璃的生产效率，玻璃制品在高温成形后必须进行一个重要的过程——退火，即在某一温度范围内持续保温或让逐渐成型的玻璃缓慢降温用来消除或减少玻璃中的热应力，以至允许值。所以该产品将在玻璃退火这一阶段时，待温度逐段降低至300℃，将植物纤维溶液于侧面浇注至玻璃内部，并均匀分布，再等待玻璃完全冷却至成型，便可得到单层植物纤维吸声玻璃，并预期具有良好的吸声效果。

4  结语

利用植物纤维吸声降噪效果良好的特点，把其应用于玻璃的生产制造中。通过对植物纤维吸声原理及玻璃制作过程的分析，探索得出植物纤维玻璃的生产工艺。制作的植物纤维吸声玻璃，理论上具有质量轻、吸声性能良好、生产成本低等优点，实际效果有待进一步检验。

参考文献

[1] 胡庆琼，贺彬.城市环境噪声污染现状与防治[J].科技创新导报，2017，14（5）：90，92.

[2] 中华人民共和国生态环境部.2018年中国环境噪声污染防治报告[R].2018.

[3] 全国人民代表大会常务委员会.中华人民共和国环境噪声污染防治法[S].2018.

[4] 陈捷宇.超低密度植物纤维材料的吸声特性研究[J].福建农林大学学报，2015（4）：2-4.

[5] 张俊，陈卫华.高温环境下梯度多孔金属纤维的吸声性能及优化设计[J].西安交通大学学报，2018，1（52）：4.

[6] 刘晓勇.玻璃生产工艺技术[M].北京：化学工业出版社，2008.