纤维截面形状对聚酯纤维材料吸声性能的影响研究

伍发元，代小敏，方 铭，刘晓磊，李 翔，蔡 俊

(1.国网江西省电力有限公司电力科学研究院，江西南昌330096；2.国网江西省电力有限公司，江西南昌330096；3.上海交通大学环境科学与工程学院，上海200240；4.山东科技大学化学与环境工程学院，山东青岛266590)

0 引 言

聚酯纤维吸声材料属于多孔纤维材料，其具有良好的吸声性能，同时也是一种环保型材料。而聚酯纤维本身是用聚对苯二甲酸乙二醇酯制成的，是当前非常普遍的一种合成纤维[1]。其材料内部有大量微小且连通的孔隙，声波沿着这些孔隙可以深入材料内部，与材料发生摩擦作用将声能转化为热能从而消耗声能[2-3]。因此，吸声性能受材料的厚度、密度、背后空腔深度及空气流阻率等多方面的影响[4-6]，国内外已有学者在此方向进行了大量研究。Narang等[7]研究发现聚酯纤维的吸声系数在 500～4 000 Hz频率范围内可以达到0.4～0.7，是较好的吸声材料。闫志鹏等[8]研究了聚酯纤维针刺非织造材料在 200～2 000 Hz频率范围内的吸声性能，从材料的厚度、针刺密度、表面粗糙度和组成纤维等方面来系统研究其吸声性能的影响因素。Chen等[9]利用有限元软件，研究了不同表面形状和多孔板的多孔材料吸声特性，证明了多孔材料的流阻率对多孔板吸声效果的显著影响。上述研究均是采用常用的圆形截面聚酯纤维为原材料，对异形截面聚酯纤维的研究未见报道。

本文选取了截面形状为“圆形”“十字形”“扁平形”“三角形”4种聚酯纤维为原料，通过热压的方式制备成纤维板，采用阻抗管测量法，探究不同截面形状聚酯纤维吸声材料的吸声系数随噪声频率的变化特性，并根据纤维材料经验模型进行验证，为建立异形截面材料吸声性能预测模型提供了理论参考。

1 聚酯纤维吸声特性理论模型

本文利用著名的Delany和Bazley提出的理论模型计算分析聚酯纤维材料的吸声系数[10]。D-B模型因其足够成熟且已得到了大量数据验证而被广泛应用[11-12]，其精确程度对于实际材料的声学性能分析有着巨大帮助。该模型根据施加到线性不变系统的声压与通过垂直于其施加点处压力方向表面产生的声学体积流速之间的关系也是线性的这一规律，通过拉普拉斯变换或傅里叶变化得到。该模型将纤维材料的特性阻抗和传播常数简单地用归一化公式fρ0r的幂函数来表示，计算公式为

式中：ZR和ZI是材料特征声阻抗Z的实部和虚部；α和β是传播常数γ的实部和虚部；c0为材料中的声速；ρ0是实验条件下的空气密度；f为入射声波频率；ρm为材料的体积密度；r为材料流阻率；C1～C8为常数。

其中，流阻率是多孔材料吸声性能的关键参数，不同材料的流阻率各不相同[13-14]。Garai等[15]对聚酯纤维材料的流阻率模型进行了修正研究，将流阻率作为其体积密度的函数，得到了较好的预测结果。其流阻率模型[15]为

其中：A =K2(d)-2；B=K1；K1、K2为常数；d为纤维直径。

通过与实验数据拟合分析，A、B数值分别为：A=25.989，B=1.404。

根据上述的公式和结果，可以求出纤维材料的吸声系数αn：

式中：Zl为聚酯纤维材料特征声阻抗，ZlR和ZlI是Zl的实部和虚部。

通过集成流阻率模型和声阻抗模型，可以在不需要测定空气流阻率的前提下，供测定材料厚度和体积密度等材料参数就能得到材料的声学特性。这样不仅可以探讨相关参数对吸声性能的影响，还能够筛选出符合实际要求的最佳参数，从而大大缩短研究工作量，提高材料的加工和选择效率。

2 实验材料及方法

2.1 原材料

实验材料的纤维参数表如表1所示。

表1 纤维参数表Table 1 Fiber parameters

由光学显微镜实测不同截面形状聚酯纤维的形态[16-17]如图1所示。

图1 光学显微镜下各纤维截面形态Fig.1 Shape of fiber cross-section under optical microscope

2.2 实验仪器、设备

LP-S-50型平板压机：泰国Labtech工程公司；BSWA SW422 490181型阻抗管：北京声望声电技术有限公司；Olympus BX 43 荧光正置显微镜：奥林匹斯(中国)有限公司。

2.3 实验方法

2.3.1 样品制备

将4种截面形状聚酯纤维分别与低熔点聚酯纤维按照质量比为1:1混合，在190℃下，热压8 min成型。每种纤维材料制备2个样品。将制备得到的聚酯纤维材料按照测试仪器的截面要求，分别裁剪成直径为 100 mm(测试频率范围 80～1 600 Hz)和30 mm(测试频率范围 1 000～6 300 Hz)的圆形试样，如图2所示，所需试样体积密度均为150 kg·m-3左右，厚度均为15.6 mm。

图2 聚酯纤维吸声板成品Fig.2 Product of polyester fiber sound absorption board

2.3.2 性能测试

利用阻抗管声学分析仪，按照GB/T18696.2-2002《阻抗管中吸声系数和声阻抗的测试第2部分：传递函数法》进行吸声系数测试，将需测试的试样置于驻波管一端，保证其背后无空气层存在，且试样与管壁处无缝隙。每个试样测量3次取平均值，测试频率范围为80～6 300 Hz。

3 结果与分析

3.1 吸声系数测试数据分析

图3为不同截面形状的聚酯纤维吸声板对吸声系数的影响。由图3可知，在低频阶段，由于材料厚度较小以及未添加空气层辅助，材料的吸声系数整体较小，变化不大；在300～3 000 Hz频率范围内，吸声系数是频率的单调函数，即随着频率的增加，吸声系数增大，且十字形、三角形与扁平形聚酯纤维吸声板的吸声系数均高于圆形聚酯纤维的吸声系数；在3 000～6 300 Hz频率范围内，异形聚酯纤维吸声板的吸声系数开始下降，并低于圆形聚酯纤维吸声板的吸声系数，而圆形聚酯纤维吸声板的吸声系数在此范围内保持持续上升并趋于稳定。

图3 不同截面形状对吸声系数的影响Fig.3 The influences of different cross-section shapes on sound absorption coefficient

3.2 理论模型与实验结果对比

表2为全频段不同截面形状聚酯纤维材料吸声系数的实测值与预测值误差，图4为不同截面聚酯纤维吸声板吸声系数实测值与理论计算值对比。从表2及图4可以看出，运用集成模型对于圆形聚酯纤维吸声板具有良好的预测效果。对于异形聚酯纤维吸声板，在中低频部分预测值总是比实测值偏低，但由于在低频部分整体吸声性能较低，所以偏差不大；而在高频部分，理论值又偏高，这说明，此预测模型仅仅适用于截面为圆形的聚酯纤维，而对于异形截面的聚酯纤维，其结果有较大出入。这是由于异形截面聚酯纤维具有更多的纤维界面和更细微的孔隙，不能单纯地通过体积密度计算获得流阻率进而得到吸声系数，需要通过实测流阻率，进而与理论计算值进行对比，找出偏差的原因。

表2 全频段不同截面形状聚酯纤维材料吸声系数的实测值与预测值误差Table 2 Deviations between measured and predicted sound absorption coefficients of polyester fiber materials with different cross-sections in full frequency band

图4 不同截面聚酯纤维吸声板吸声系数实测值与理论计算值对比Fig.4 Comparison between the measured and the calculated sound absorption coefficients of the polyester fiber sound absorption board with different cross-section shapes

4 结 论

本研究通过热压法制备得到不同截面的聚酯纤维吸声板，再由阻抗管法系统测试得到吸声性能。研究结果表明，异形聚酯纤维的吸声性能在中低频阶段较优于普通圆形聚酯纤维，其中扁平形截面纤维性能最优，平均吸声系数达到0.404。

此外，本研究通过声阻抗和流阻率集成模型理论计算与实测结果对比表明：集成模型对于圆形聚酯纤维有良好的预测效果，而对于异形聚酯纤维，预测值与实测值有较大偏差，后续研究将在此模型基础上进一步改进。

聚酯纤维作为一种零污染、可循环、廉价易得的纤维材料，其作为吸声材料的理论模型还有待进一步研究。本研究结果可为降低纤维吸声材料的研发成本、新型纤维降噪材料的开发提供基础。