孔形态对沙柳/HDPE复合碎料板吸声性能的影响

韩 望，永 军，杨媛媛，安 珍*

(1.内蒙古农业大学 材料科学与艺术设计学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.呼和浩特职业学院 计算机信息学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

随着工业化社会的发展，城镇居民的生活水平不断得到提升，人们开始追求高质量和安静舒适的生活环境，但是来自于工厂设备、建筑设施、交通工具以及生活噪声等方面的噪音污染，越来越显著地影响着居民的居住环境。噪音污染与水污染、空气污染、固体废弃物污染是21世纪的四大污染[1-2]，当前除在声源处减少噪音外，在声波传播过程降低噪声能量，使之达到生活环境中人们可舒适生活的程度，成为声学研究的热点内容之一。

木塑复合材料(WPC)具有抗强酸碱、防腐、防霉、价格低廉、可批量化生产等特点，因此该材料广泛应用于室内装饰和建筑行业等领域，如音乐厅、会议室、电影院、KTV等[3-5]。作为室内装饰材料，可通过安装工艺和改变材料结构使其具备较优的吸声性能[6-8]。本研究以自制的沙柳(Salixpsammophila)/高密度聚乙烯(HDPE)复合碎料板为对象，考察不同背腔深度、不同孔形态(钻孔深度、钻孔直径和孔排列形式)对沙柳/HDPE复合碎料板在200～2 000 Hz吸声性能的影响规律，以期为生物质基复合材料在声波传播过程降低噪声污染提供理论依据，并促进沙生灌木资源的可持续开发利用。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

试验材料：沙柳产自鄂尔多斯市达拉特旗王爱召镇(2～3 a)，经剥皮、切段、粉碎，根据筛网筛分结果，沙柳碎料规格分布为<10目占10.6%，10～20目占36.5%，20～40目占40.2%，>40目占12.7%，烘干至含水率3%～5%；高密度聚乙烯(HDPE)颗粒购于东莞市樟木头乐华塑胶原料商行；钛酸脂偶联剂401购于广州市守正化工科技有限公司。

主要设备：JTZB驻波管吸声系数测试系统，北京世纪建通科技发展有限公司；万能试验压机，BY602×2/2 150T，苏州新协力企业发展有限公司；冷压机，中华人民共和国上海人造板机器厂；万能力学试验机，天津机械制造有限公司；WS-GDI-225A型高低温交变湿热试验箱，天津伟思实验仪器科技有限公司；FZ-102型粉碎机，天津泰斯特仪器有限公司；电子天平、游标卡尺等。

1.2 板材制备

沙柳/HDPE复合碎料板设计密度为0.65 g·cm-3，制品规格350 mm×350 mm×18 mm。按照沙柳碎料质量分数75%和HDPE质量分数25%准确称取原料，均匀喷雾总质量3%的钛酸脂偶联剂于HDPE颗粒表面，人工将沙柳碎料和HDPE混合均匀并铺装成板坯送入热压机，

热压后冷压固化成型，制备的沙柳/HDPE复合碎料板经高低温交变湿热试验箱处理含水率至平衡状态，含水率约8%。热压工艺：热压温度175℃，热压时间20 min，热压压力2.5 MPa；冷压工艺：冷压时间20 min，冷压压力2.5 MPa，室温[9-11]。

1.3 测试方法

按照GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》方法测定沙柳碎料/HDPE复合板静曲强度(MOR)、弹性模量(MOE)、内结合强度(IB)和2 h吸水厚度膨胀率(TS)等性能。

吸声性能按照GB/T18696.2-2002《声学 阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量 第2部分：传递函数法》方法测定。试件直径100 mm，测定200、250、315、400、500、630、800、1 000、1 250、1 600 Hz和2 000 Hz共11个频率的吸声系数并计算降噪系数。

背腔深度为沙柳/HDPE复合碎料板与驻波管间的预留空腔层深度，实验设置背腔深度分别为0、10、20、30、40、50 mm。本试验钻孔率取4%，钻孔率为钻孔面积占试件面积的比例，即在试件上钻100个φ 2 mm孔[4，12]。孔排列样式见图1，圆形排列时在直径20、40、60、80 mm的同心圆上分别钻孔10、20、30、40个φ2 mm孔；米形排列时在直径20、40、60、80 mm的同心圆上各钻孔25个φ2 mm孔；正方形排列时在直径20、40、60、80、100 mm同心圆内接正四边形周长上均匀分布12、16、20、24、24个φ2 mm孔，余4个孔分布外侧；无规则排列为在试件上均匀随机钻取100个φ2 mm孔。钻孔深度依次为沙柳/HDPE复合碎料板厚度的1/4、2/4、3/4和通孔，即孔深4.5、9、13.5 mm和18 mm。钻孔直径选择φ2、φ3、φ4、φ5 mm。

2 结果与分析

2.1 沙柳/HDPE复合碎料板物理力学与吸声性能

沙柳/HDPE复合碎料板物理力学性能测试结果见表1，200～2 000 Hz低频范围吸声性能见表2。

由表1可以看出，添加3%钛酸酯偶联剂增强的沙柳/HDPE复合碎料板力学性能优于GB/T 4897-2015规定的干燥状态下使用的普通刨花板物理力学性能。由表2表明，沙柳/HDPE复合碎料板吸声系数随频率增加出现先减小后增大变化趋势，最小吸声系数出现在400Hz处为0.257，最大吸声系数出现在2 000 Hz处为0.802，略优于木丝板吸声性能[12]。

注：a：圆形排列；b：正方形排列；c：米形排列；d：无规则排列。图1 沙柳/HDPE复合碎料板钻孔排列模型Fig.1 Hole arrangement model of Salix/HDPE particleboard

表1 沙柳/HDPE复合碎料板物理力学性能Table 1 Physical and mechanical properties of Salix/HDPE particleboard

表2 沙柳/HDPE复合碎料板各频率吸声性能Table 2 Sound absorption properties of Salix/HDPE particleboard

2.2 不同背腔深度对吸声与降噪特性影响

木塑复合材料的中低频吸声性能不佳，在木塑复合材料背后预留一定空腔与空气层距离，留有空腔可使声音透射过板材后，经过声波与刚性管壁的反射与吸收，消耗其入射的大部分声能，从而利用空腔结构达到吸收低频声波的目的。

为明确沙柳/HDPE复合碎料板在实际安装时背腔深度对复合碎料板吸声特性的影响，对未开孔复合碎料板6种不同背腔深度(0、10、20、30、40、50 mm)进行分析，不同背腔深度对复合碎料板声学性能影响结果见表3，不同背腔深度复合碎料板在低频区域200～2 000 Hz的11个频率点吸声系数与吸声系数变化趋势见图2。

表3 不同背腔深度对沙柳/HDPE复合碎料板吸声性能的影响Table 3 Sound absorption properties of Salix/HDPE particleboard with different back depth

由图2可知，随背腔深度的增加，沙柳/HDPE复合碎料板与背腔空气层构成的复合结构最小吸声值均有所提高且向低频方向移动，最小吸声系数频率从400 Hz降至315 Hz；背腔深度0 mm的复合碎料板吸声系数在1 250 Hz以后变化较小，而背腔深度增加后板/腔复合结构吸声系数在1 000 Hz以后基本稳定。由表3可知，最小吸声系数从0.257提升到0.305，最大吸声系数从0.802提升到0.846；原因是随背腔深度增加穿过复合材料的声波往返路径延长，同时背腔空气与复合材料形成新的声波反射界面，两者协同作用增加了声波在传输过程中的能量消耗，从而提升吸声效果。由表3看出：1)复合材料平均吸声系数随背腔深度增加呈增大变化趋势，其值从0.529提升至0.637，提升了20.41%，原因是增加背腔深度相当于增加复合材料背面与驻波管间的空气层厚度，部分声波穿透沙柳/HDPE复合碎料板遇到驻波管面反弹，此时声波在空气中产生振动使声能大部分转化为内能被消耗，从而提高复合材料的吸声性能[13-15]；2)复合材料降噪系数随背腔深度增加呈增大变化趋势，从0.570上升至0.681，提升了19.47%，这是因为降噪系数是特定频率下吸声系数的平均值，因此降噪系数变化规律进一步验证吸声系数随背腔深度增加的变化规律。综上，背腔深度增加，可提高沙柳/HDPE复合碎料板与背腔空气层构成的复合结构的声学性能，通过控制安装木塑复合材料与墙体之间间隙，可提升室内空间的吸声效果和调整吸声频段。

图2 不同背腔深度的沙柳/HDPE复合碎料板吸声系数随频率变化Fig.2 Sound absorption coefficient changes with frequency of Salix/HDPE particleboard with different back cavity depths

2.3 不同钻孔深度对吸声与降噪特性影响

沙柳/HDPE复合碎料板在钻孔深度为板材厚度1/4、2/4、3/4和通孔时的声学性能测试见表4，不同钻孔深度在低频区域200～2 000 Hz的11个频率点吸声系数与吸声系数变化趋势见图3，钻孔孔径2 mm，钻孔率4%，孔排列形式见图1a。

由图3可以看出，不同钻孔深度的沙柳/HDPE复合碎料板吸声系数均在250 Hz处出现第1个峰值，钻孔后最小吸声系数出现向更低频区域移动的变化，即从400 Hz移动到315 Hz处；相对于未钻孔复合碎料板，吸声系数趋于稳定频率，呈从1 250 Hz向左移动至1 000 Hz处的变化趋势。由表4可知，随钻孔深度增加沙柳/HDPE复合碎料板平均吸声系数和降噪系数均呈现增大的变化趋势，最大吸声系数值从0.802上升到0.850，最小吸声系数值从0.257上升到0.301；通孔平均吸声性能比未钻孔提高了17.96%，降噪性能提高了16.67%。钻孔比未钻孔复合材料的吸声性能有明显提升，原因是声波在传播过程中由于空气阻力消耗掉一小部分能量，而大部分声能是声波在孔深路径中折返时不断摩擦产生内能消耗的结果[16]，而随钻孔深度不断增加声波折返路径延长，路径越长消耗的内能就越大，从而达到更好的吸声效果。综上，增加钻孔深度可提高复合材料的声学性能，这与周晓鸥[17]的结论相一致。

表4 不同钻孔深度的沙柳/HDPE复合碎料板吸声性能Table 4 Sound absorption properties of Salix/HDPE particleboard with different hole depths

图3 不同钻孔深度的沙柳/HDPE复合碎料板吸声系数随频率变化Fig.3 Sound absorption coefficient changes with frequency of Salix/HDPE particleboard with different hole depths

2.4 不同孔径对吸声与降噪特性影响

沙柳/HDPE复合碎料板在钻孔直径为2、3、4 mm和5 mm时的声学性能测试见表5，不同钻孔直径在低频区域200～2 000 Hz的11个频率点吸声系数与吸声系数变化趋势见图4，钻孔孔径2mm时钻孔率4%，其余保持孔数不变而增大孔径的测试方法，孔排列形式见图1a。

表5 不同孔径的沙柳/HDPE复合碎料板吸声性能Table 5 Sound absorption properties of Salix/HDPE particleboard with different apertures

图4 不同孔径的沙柳/HDPE复合碎料板吸声系数随频率变化Fig.4 Sound absorption coefficient changes with frequency of Salix/HDPE particleboard with different apertures

由表5可看出，沙柳/HDPE复合碎料板随钻孔直径增加声学性能明显提升，最大吸声系数值从0.802上升到0.852，最小吸声系数值从0.257上升到0.331，平均吸声性能提高了22.12%，降噪性能提高了23.34%。由图4可知，沙柳/HDPE复合碎料板各频率吸声系数随孔径增大呈上升变化，原因是当声波通过沙柳/HDPE复合碎料板时，由于孔径增大声波穿过复合材料部分明显增多，因而随孔径增大吸声性能也随之提升[18-19]。声波在传播的过程遇到障碍物一部分被反射，一部分被障碍物吸收，还有一部分穿过障碍物；沙柳/HDPE复合碎料板随钻孔直径增加，减小了声波被障碍物反射的能力，增加了声波穿过障碍物的比例，同时声波在通过孔道的传播过程中不断反射折返将声能转化为内能而消耗，达到良好的吸声降噪效果。

2.5 不同孔排列形式对吸声与降噪特性影响

沙柳/HDPE复合碎料板不同孔排列形式的声学性能测试结果见表6，不同孔排列形式在低频区域200～2 000 Hz的11个频率点吸声系数与吸声系数变化趋势见图5。钻孔孔径2 mm，钻孔率4%的通孔，圆形、正方形、米字形和无规则孔排列见图1。

表6 不同孔排列的沙柳/HDPE复合碎料板吸声性能Table 6 Sound absorption properties of Salix/HDPE particleboard with different hole arrangements

图5 不同孔排列的沙柳/HDPE复合碎料板吸声系数随频率变化Fig.5 Sound absorption coefficient changes with frequency of Salix/HDPE particleboard with differenthole arrangements

观察表6和图5可知，开孔后沙柳/HDPE复合碎料板声学性能明显提高，但钻孔样式对声学性能的影响不明显，正方形孔排列声学性能略优于其他排列形式，其最大吸声系数值、最小吸声系数值、平均吸声系数和降噪系数均高于其他3种孔排列形式。这可能是因为正方形排列形式的孔径部分集中于沙柳/HDPE复合碎料板的中心区域，孔排列规则整齐能够较好地发挥出协同共振特性，当复合碎料板遇到入射声波时，声波引起孔径中空气运动，与材料进行往复摩擦，穿孔间共振吸声和多孔吸声均获得加强，逐渐使更多声能转化为内能进行消耗，从而正方形孔排列吸声性能优于其他排列形式，但是穿孔板对频率的选择性很强，只对共振频率的噪声具有较优的吸声效果，因此不同孔排列样式对复合材料吸声性能影响不同[20-21]。以平均吸声系数和降噪系数为指标进行分析，孔排列形式对沙柳/HDPE复合碎料板声学性能影响的顺序依次是正方形、米字型、无规则和圆形排列。

综上，添加3%钛酸酯偶联剂增强的沙柳/HDPE复合碎料板吸声性能优于普通刨花板的低频平均吸声系数0.54，钻孔复合碎料板吸声性能表现出木丝板的吸声特性且平均吸声系数>0.6。钻孔处理可提升沙柳/HDPE复合碎料板的吸声性能，钻孔深度、钻孔直径和孔排列形式均影响吸声特性，其中正方形孔排列共振吸声效果较强[4-5,12]。

3 结论与讨论

沙柳/HDPE复合碎料板与背腔空气层构成的复合板/腔结构吸声系数最小值，平均吸声系数和降噪系均随背腔深度增加呈则增大趋势，最小吸声系数向更低频区域移动，由400 Hz移动至315 Hz；随背腔深度增加，板/腔结构吸声系数趋于稳定频率呈向低频区域移动趋势。

圆形排列4%钻孔率条件下，随钻孔深度增加，沙柳/HDPE复合碎料板吸声系数最大值、最小值、平均吸声系数和降噪系数均有所提高；最小吸声系数向更低频移动，由400 Hz移动到315 Hz，随钻孔深度增加复合碎料板吸声系数趋于稳定频率呈向低频区域移动趋势。

圆形排列相同钻孔深度条件下，沙柳/HDPE复合碎料板吸声系数最大值、最小值、平均吸声系数和降噪系数均随直径的增大而增加；钻孔直径为5mm的通孔时，复合材料最大吸声系数值0.852，最小吸声系数值0.331，平均吸声系数0.646，降噪系数0.703。

通孔孔径2 mm和4%钻孔率条件下，孔排列形式对沙柳/HDPE复合碎料板声学性能影响的顺序依次是正方形、“米”型、无规则和圆形排列，但孔排列形式对该复合材料吸声性能影响不明显。