梯度结构活性碳纤维毡吸声性能分析

沈 岳， 蒋高明， 刘其霞

(1. 南通大学 纺织服装学院， 江苏 南通 226019；2. 江南大学 针织技术教育部工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

活性碳纤维毡内部具有错综复杂的孔隙结构，微孔与微孔相互关联，构成了独特的多维立体造型，是一种可降解环保型多孔轻质吸音材料，在室内装饰、汽车内饰等方面受到青睐，对降低噪音具有显著效果[1]。随着多孔纤维材料在噪声控制领域应用的不断扩展，针对活性碳纤维材料吸声性能研究显得越来越重要。

目前，国内外专家对活性碳纤维吸声分析报道很少[2-3]。课题组从吸声性能和理论模型等方面对活性碳纤维材料进行大量研究[4-6]。在实验方面，探讨了制备条件、微观和宏观结构和复合结构对活性碳纤维毡吸声性能影响。在理论模型方面，基于Delany和Bazley经验模型和现象模型分别建立了吸声系数和声学特征参数理论模型；从活性碳纤维吸声材料本身的结构特征，分别以Voronina模型和圆管理论模型为基础，建立宏观和微观结构条件下的活性碳纤维材料吸声理论模型，为设计和开发活性碳纤维吸声材料提供理论指导。但同其他多孔纤维材料一样，单一结构的活性碳纤维毡在中低频段吸声性能较差，在高频段吸声性能较好，出现较大幅度起伏，存在吸声性能不稳定现象[7-8]。为解决这个问题，可通过设计梯度结构活性碳纤维材料来提高低频吸声性能。

为研究梯度结构活性碳纤维材料的吸声性能，本文分析了不同方向、不同密度和不同结构对梯度结构活性碳纤维吸声性能的影响，以期为开发和设计梯度结构活性碳纤维吸声材料提供理论参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

本文实验选择5块粘胶基活性碳纤维毡(江苏苏通碳纤维有限公司)，规格如表1所示。5块活性碳纤维毡的厚度、比表面积、直径、孔容基本相同，但密度不同。

表1 活性碳纤维毡规格表Tab.1 Basic parameters of activated carbon fiber felts used in experiment

为研究密度梯度结构活性碳纤维毡吸声性能，将表1中密度不同的活性碳纤维毡两两组合，构成密度从小到大的正梯度结构和从大到小的倒梯度结构2类活性碳纤维毡。

1.2 吸声性能测试

采用北京声望技术公司的SW422和SW477型铝合金阻抗测量管，按照ISO10534-2：1998《声学 阻抗管吸声系数和阻抗测定 第2部分:传递函数法》，将活性碳纤维毡分别切割成直径为10、3 cm的圆形，将2种不同尺寸的各种试样分别放在SW422和SW477型阻抗管中各测试5次，通过VA-Lab4软件计算各频率下吸声系数的平均值。

2 结果与讨论

2.1 活性碳纤维毡梯度方向对吸声性能影响

图1示出密度分别为111.9/52.8(倒梯度结构)、52.8/111.9 kg/m3(正梯度结构)的2组试样的吸声系数曲线。可以看出，在250～6 300 Hz频率声波范围内，活性碳纤维毡在中低频段的吸声系数增加，在高频段吸声系数出现起伏。这可能是因为随着频率的增加，活性碳纤维毡内部空气振动加快，空气和材料摩擦加大，热传导加快，导致更多声能转化为热能，使吸声性能提高[9]。但在高频段相继出现波峰和波谷，吸声性能出现波动。

图1 活性碳纤维毡梯度方向对吸声系数的影响Fig.1 Impact of activated carbon fiber felts at gradient directions on acoustic absorption coefficient

从图1还可看出：在低频段，111.9/52.8 kg/m3倒梯度结构活性碳纤维毡吸声系数大于其正梯度结构，在高频段正梯度结构活性碳纤维毡吸声系数大于倒梯度结构；正梯度和倒梯度结构活性碳纤维毡第一共振频率分别为2 589、1 698 Hz，倒梯度结构活性碳纤维毡的第一共振频率小于正梯度结构，而第一共振吸声系数大于正梯度结构。从中可以发现，倒梯度结构第一共振频率向低频移动，吸声频带变宽，使倒梯度结构吸声性能优于正梯度结构活性碳纤维毡。这可能是因为第一共振频率和第1层密度有关，第1层密度增加，使活性碳纤维毡内部流阻增大，空气与孔壁摩擦机会增大，使更多的声能转化成热能而衰减，第一共振频率向低频移动；在高频段，由于声波主要通过活性碳纤维毡表面被吸收，第1层密度增加，使得活性碳纤维毡流阻增大，表面反射能力增强，导致吸声性能下降。

2.2 活性碳纤维毡密度对吸声性能影响

图2(a)示出第2层密度为111.9 kg/m3，第1层密度分别为52.8、70.6、93.8 kg/m3的3组正梯度结构试样的吸声系数曲线。可以看出，当第2层密度不变时，在250～6 300 Hz频率声波范围内，正梯度结构活性碳纤维毡随着第1层密度的增加，在低频段吸声系数增加，在高频段吸声系数减小；第1层密度分别为52.8、70.6、93.8 kg/m3的正梯度结构活性碳纤维毡第一共振频率分别为2 589、2 183、1 649 Hz，说明第一共振频率向低频移动，而第一共振吸声系数随之增加。

图2 活性碳纤维毡密度对正梯度结构吸声系数的影响Fig.2 Impact of density on acoustic absorption coefficient of activated carbon fiber felts with positive gradient structure. (a)Impact of density of first layer;(b)Impact of density of second layer

图2(b)示出第1层密度为52.8 kg/m3，第2层密度分别为70.6、93.8、111.9 kg/m3的3组正梯度结构试样的吸声系数曲线。可以看出：当第1层密度不变时，在250～6 300 Hz频率声波范围内，正梯度结构活性碳纤维毡随着第2层密度的增加，在低频段吸声系数增加，在高频段吸声系数基本不变；3组样品的第一共振频率均在2 600 Hz左右，基本保持不变，而第一共振吸声系数随第2层密度的增加而增加。

图3(a)示出第2层密度为52.8 kg/m3，第1层密度分别为70.6、93.8、111.9 kg/m3的3组倒梯度结构试样的吸声系数曲线。可以看出，当第2层密度不变时，在250～6 300 Hz频率声波范围内，倒梯度结构活性碳纤维毡随着第1层密度的增加，在低频段吸声系数增加，在高频段吸声系数减小；第1层密度分别为70.6、93.8、111.9 kg/m3的倒梯度结构活性碳纤维毡第一共振频率分别为2 283、2 040、1 698 Hz，说明第一共振频率向低频移动，而第一共振吸声系数增加。

图3 活性碳纤维毡密度对倒梯度结构吸声系数的影响Fig.3 Impact of density on acoustic absorption coefficient of activated carbon fiber felts with negative gradient structure. (a)Impact of density of first layer;(b)Impact of density of second layer

图3(b)示出第1层密度为111.9 kg/m3，第2层密度分别为52.8、70.6、93.8 kg/m3的3组倒梯度结构试样的吸声系数曲线。可以看出，当第1层密度不变时，在250～6 300 Hz频率声波范围内，倒梯度结构活性碳纤维毡随着第2层密度的增加，在低频段吸声系数增加，在高频段吸声系数基本不变；3组样品第一共振频率均在1 650 Hz左右，基本保持不变，而第一共振吸声系数增加。

对比图2、3可以发现，在250～6 300 Hz频率声波范围内，无论是倒梯度结构还是正梯度结构，梯度结构活性碳纤维毡的第一共振频率和第1层密度变化有关，但和第2层密度变化无关，随着第1层密度的增加，第一共振频率向低频移动；第一共振吸声系数和总密度有关，随着总密度的增加，第一共振吸声系数增加。在低频段，梯度结构活性碳纤维毡的吸声性能与其总密度有关，随着梯度结构总密度的增加，活性碳纤维毡在低频段的吸声性能提高；在高频段，梯度结构活性碳纤维毡的吸声性能和第1层的密度有关，无论是倒梯度结构还是正梯度结构，随着第1层密度增加，活性碳纤维毡在高频段吸声性能降低，第1层密度相同，在高频段梯度结构吸声系数基本相同。

2.3 活性碳纤维毡结构对吸声性能影响

为分析不同结构活性碳纤维毡的吸声性能，选择单一结构、正梯度结构和倒梯度结构3种进行对比。图4示出密度分别为82.3/82.3、52.8/111.9、93.8/70.6 kg/m3的3组试样的吸声系数曲线。

图4 活性碳纤维毡梯度结构对吸声系数的影响Fig.4 Impact of activated carbon fiber felt gradient structures on acoustic absorption coefficient

可以看出，在250～6 300 Hz频率声波范围内，当组合总密度相同时，低频段82.3/82.3单一结构活性碳纤维毡的吸声系数比93.8/70.6倒梯度结构小，但比52.8/111.9正梯度结构活性碳纤维毡的吸声系数大；在高频段单一结构活性碳纤维毡的吸声系数比倒梯度结构的大，但比正梯度结构活性碳纤维毡的吸声系数小。单一结构、正梯度结构、倒梯度结构活性碳纤维毡的第一共振频率分别为2 255、2 589、 1 785 Hz。单一结构活性碳纤维毡第一共振频率大于倒梯度结构，但小于正梯度结构；单一结构活性碳纤维毡的第一共振吸声系数小于倒梯度结构，但大于正梯度结构。

对比可以发现，在低频段单一结构活性碳纤维毡的吸声性能比正梯度结构的好，比倒梯度结构的差，在高频段单一结构活性碳纤维毡的吸声性能比正梯度结构的差，比倒梯度结构的好。单一结构第一共振频率比正梯度结构低，比倒梯度结构高，单一结构吸声频带比正梯度结构宽，比倒梯度窄，说明倒梯度结构活性碳纤维毡的吸声性能优于单一结构活性碳纤维毡。

单一结构和梯度结构活性碳纤维毡的吸声性能不同，这可能与材料的表面声阻抗率有关。当厚度为l的1块活性碳纤维毡置于刚性壁面时，其表面声阻抗率Zs1[10]可表示为：

Zs1=Zc1cothγ1l

(1)

式中：Zc1为紧靠刚性壁面的第1块活性碳纤维毡的特性阻抗；γ1为紧靠刚性壁面的第1块活性碳纤维毡传播常数。

将单一结构的2块活性碳纤维毡置于刚性壁面时，根据式(1)表面声阻抗率，利用声阻抗转移方法，单一结构活性碳纤维毡表面声阻抗率Zs2可表示为：

(2)

将厚度同样为l的第2块活性碳纤维毡紧靠在第1块活性碳纤维毡上，根据式(1)表面声阻抗率，利用声阻抗转移方法，梯度结构活性碳纤维毡表面声阻抗率Zs3可表示为：

(3)

式中：Zc2为第2块活性碳纤维毡特性阻抗；γ2为第2块活性碳纤维毡传播常数。

从式(2)和(3)可以看出，单一结构表面声阻抗和梯度结构表面声阻抗是不一样的。随着声阻值增加，吸声系数增加；随着声抗值增加，吸声系数减小，导致吸声性能有所区别。

3 结 论

本文通过研究梯度结构活性碳纤维毡的不同方向、不同密度和不同结构对其吸声性能的影响, 得出如下结论。

1)在低频段，倒梯度结构活性碳纤维毡的吸声性能优于正梯度结构；在高频段正梯度结构活性碳纤维毡的吸声性能优于倒梯度结构。

2)在低频段，随着梯度结构总密度的增加，活性碳纤维毡的吸声性能提高；在高频段，随着梯度结构第1层密度增加，吸声性能降低，第1层密度不变，在高频段吸声系数基本相同。

3)在低频段单一结构活性碳纤维毡的吸声系数小于倒梯度结构活性碳纤维毡的吸声系数，但大于正梯度结构的；在高频段单一结构活性碳纤维毡吸声系数大于倒梯度结构，但小于正梯度结构。

4)随着第1层密度的增加，活性碳纤维毡的第一共振频率向低频移动；随着总密度的增加，活性碳纤维毡的第一共振吸声系数增加。