仿生木材结构穿孔纤维板吸声性能

贾世芳，刘静怡，林贤铣，孙伟圣，郭玺，曹惠敏，王文斌

(浙江农林大学工程学院，杭州 311300)

噪声污染与水污染、大气污染、废物污染被列为全球四大污染。噪声不仅影响人们的休息，降低工作效率，还会引发听觉、心脑血管及内分泌系统损伤，对人类健康造成极大危害[1]。因此，防治噪声污染已成为环境治理过程中的热点问题。噪声治理主要有2种方式，室外主要以隔声材料为主，室内大多采用吸声材料进行降噪[2]。木质材料是常用的室内装修吸声材料，其中，中密度纤维板以其较高的力学性能、良好的机械加工性及优良的装饰性能，被广泛应用于木质穿孔板的制备[3]。

吸声材料按照吸声机理差异可分为多孔吸声材料和共振吸声结构材料，穿孔板是基于共振吸声原理的吸声材料[4]。左言言等[5]提出穿孔板主要用于吸收中低频率的噪声，偏离共振频率后吸声系数急剧下降，具有很强的选择性；朱广勇等[3]研究表明穿孔中密度纤维板的吸声性能由板厚、孔径、穿孔率和板后空腔深度等因子共同决定；Yang等[6]研究了声波入射方向对微穿孔板吸声特性的影响，结果表明，吸声结构穿孔方向发生变化时，声波进入穿孔后传播路径不同，其吸声峰值与共振频率均发生改变；何立燕等[7]利用溶芯浇注成型方法制备具有变截面孔的环氧树脂基微穿孔板，调整直孔为变截面孔后，吸声频带有所拓宽，平均吸声系数增大；潘路希等[8]利用数学统筹的方法，探讨不同孔径的分布对穿孔板吸声效果的影响，结果表明，大小孔径对不同频率的吸声是有选择的。综上所述，当前研究主要集中于木质穿孔板的直孔结构研究，吸声频段窄，吸声性能局限性较大[9]；此外，一些变截面微穿孔板吸声性能虽有所改善，但是在原材料的选择以及穿孔板制备工艺方面均不具备大批量生产的可能性。因此，可工业化应用的多频段吸声木质穿孔板具有很高的研究价值。

开展仿生结构功能一体化材料的研究具有重要意义。木材是天然复合材料，形态各异的木材分级多孔结构为仿生材料制备提供了模板[10]，其中空的细胞结构对于新型吸声材料的构建奠定了良好的基础[11]，但木材生长周期较长、利用率低，不适合制备吸声材料。将木材多孔结构合理运用，对于开发良好的吸声材料具有重要作用。董明锐等[12]模拟木材内部导管和纹孔，利用3D打印技术制备了仿生木材结构吸声板，在多频段获得良好的吸声特性，但是3D打印技术效率低、成本高，无法实现批量生产。笔者在3D打印材料制备穿孔板基础上，以中密度纤维板为基材，对仿生木材吸声结构进行优化设计，利用分层加工工艺制备具有优良吸声效果的仿生木材结构穿孔纤维板，实现了木质穿孔板的多频段吸声，为木质吸声材料的开发提供了新思路。

1 材料与方法

1.1 仿生木材结构设计

董明锐等[12]设计的仿生木材复孔吸声结构见图1a，该结构由两部分构成，其中，主孔仿生木材导管，侧孔仿生木材导管壁纹孔。为方便木质材料加工，将仿生木材吸声结构进行优化变形，以圆柱形直孔仿生木材导管，直孔内壁开槽侧孔仿生木材导管壁上的纹孔，数个侧孔近似为直径大于主孔的圆形(图1b)，大圆半径与主孔半径间的差值记为侧孔深度值。本研究设计的用于木质穿孔板的仿生木材结构立体图见图1c。相比直孔结构，当声波作用在纤维板表面时，由于侧孔的作用，会增加声波在穿孔内部的反射频率，声波与孔道内壁发生多次碰撞，引起的摩擦和空气黏滞消耗加剧，声波进出穿孔板损耗增加，从而使声能衰减(图2)。

图1 仿生木材结构图Fig. 1 Bionic wood structure diagram

图2 声波反射示意图Fig. 2 Acoustic reflection diagram

1.2 试验方案

仿生木材结构穿孔纤维板由5层厚度为3 mm的中密度纤维板胶合而成(图3)。

图3 仿生木材结构穿孔纤维板Fig. 3 Bionic perforated wood structure fiberboard

1)以主孔直径(d)、穿孔率(P)和倾斜角度(α，即主孔与竖直方向夹角，0°≤α<90°)为变量，设计正交试验(表1)研究基础结构因素对穿孔纤维板吸声性能的影响。试件规格为200 mm×500 mm×15 mm，在长方形板的任意位置按照测试要求选取直径分别为30和100 mm的试件进行测试，长方形板穿孔率分别为3.14%，4.18%和5.84%。由于孔型涉及倾斜穿孔，圆形测试样品边缘部分倾斜孔被截断，因此，有效穿孔面积以单孔完全穿透试件为标准，则样品实际穿孔率分别为2.78%，3.48%和4.54%。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Orthogonal experimental factor level table

2)穿孔纤维板仿生木材结构示意图见图4，侧孔深度h=0，1，2，3和4 mm，即偶数层孔径(D)分别为3，5，7，9和11 mm。长方形板穿孔率3.14%，样品实际穿孔率2.89%，主孔直径3 mm，倾斜角度30°。利用分层加工法对中密度纤维板进行打孔加工，同时制备一组不开孔的试件为对照组。

每个水平加工3组试件，每组试件重复测试3次，取均值。

图4 穿孔纤维板仿生木材结构示意图Fig. 4 Schematic diagram of wood structure of bionic perforated fiberboard

1.3 仿生木材结构穿孔纤维板的制备

1.3.1 试验材料与加工设备

中密度纤维板尺寸为500 mm×200 mm×3 mm，密度为750.0 kg/m3，购于临安恒定建筑材料有限公司。AQUENCE KL 3051LV白乳胶，购于汉高(中国)投资有限公司。

XLB-D500×500型平板硫化机，湖州东方机械有限公司；CHKJ-1325型木材数控雕刻机，杭州超翰科技有限公司；MDEL Z512-2型台式钻床，杭州西湖台钻有限公司。

1.3.2 制备方法

分层加工工艺示意图如图5所示，分别在每层中密度纤维板上以一定的孔径和穿孔率排布对应孔型，利用木材数控雕刻机和台式钻床加工被测试件，将加工好的5层纤维板单面辊涂白乳胶，施胶量为75 g/m2，然后用热压机热压成型，热压时间30 min、热压压力1.0 MPa、热压温度35 ℃。

图5 分层加工工艺示意图Fig. 5 Schematic diagram of layered processing technology

1.4 仿生木材结构穿孔纤维板的吸声性能测试

参照GB/T 18696.2—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》测定仿生木材结构穿孔纤维板的吸声性能。采用北京声望公司生产的四通道阻抗管测试系统检测，高频选用小管SW477，试件直径30 mm；中低频选用大管SW422，试件直径100 mm，板后空腔深度设置为50 mm。测试环境温度为20.0 ℃，相对湿度50.0%，大气压力101.325 kPa。在测试时以2 Hz为步长，保存每2 Hz的吸声系数，频率范围64～6 300 Hz，分析穿孔纤维板吸声规律走势。

2 结果与分析

2.1 主孔直径、穿孔率、倾斜角度对吸声性能影响

穿孔纤维板中低频段吸声系数峰值如表2所示。由表2可知，对吸声系数峰值影响最大的因素为倾斜角度，其次为主孔直径，再次为穿孔率。制备工艺因素对吸声系数峰值影响的方差分析如表3所示，结果表明，主孔直径、穿孔率、倾斜角度3个因素对于吸声系数峰值的影响均具有显著性。

1)主孔直径对吸声系数峰值的影响。由表2可知，随着主孔直径的增大，吸声系数峰值逐渐降低。当穿孔纤维板主孔直径小于3 mm时，主孔直径对吸声系数峰值影响较大；而当主孔直径大于3 mm后，吸声系数峰值变化趋于平缓，均呈下降趋势。这是因为穿孔声阻随着主孔直径的平方反比增加[13]，当穿孔纤维板主孔直径增加时，穿孔纤维板结构的声阻和声抗均减小，声能进出穿孔纤维板时消耗降低，吸声系数峰值减小，这与Putra等[14]的研究结论相符。

表2 正交试验吸声系数峰值结果Table 2 Peak results of sound absorption coefficients in orthogonal experiment

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

2)穿孔率对吸声系数峰值的影响。由表2可知，穿孔率的增加会导致吸声系数峰值先减小后增大。穿孔率增加后，穿孔纤维板上的穿孔面积增大，声阻减小，声波经过穿孔纤维板时没有发生充分振动，便从板后空腔反射传出穿孔纤维板，因而吸声系数峰值降低[15]。相比穿孔率3.14%，当穿孔率增大到4.18%时，纤维板吸声系数峰值下降了8.37%；当穿孔率增大到5.84%时，吸声系数峰值下降了2.17%。在穿孔率从4.18%增加至5.84%过程中，吸声系数峰值有所增加，这可能是由于中密度纤维板自身因素和加工方式造成的。中密度纤维板是以多种纤维为原料，经打碎、纤维分离、干燥后施加胶黏剂热压而成的板材，经打孔加工后，一些细小的纤维暴露出来，从而使粗糙的纤维表面具有一定吸声效果。

3)倾斜角度对吸声系数峰值的影响。由表2可知，随着倾斜角度的增大，吸声系数峰值先增大后减小，当穿孔倾斜角度为30°时，吸声效果较好。根据S=πdt+2dt(1/cosα-1)可计算声波与孔壁的接触面积(S)，其中，t为材料厚度。垂直穿孔时，孔道内壁面积为1.413 cm2；穿孔倾斜角度为30°时，孔道内壁面积为1.548 cm2；穿孔倾斜角度小于30°时，随着倾斜角度的增大，声波与孔壁接触面积增大，声能消耗增大，吸声系数峰值升高。倾斜穿孔时孔截面呈椭圆形，当穿孔角度为60°时，椭圆长轴为6 mm，穿孔结构声阻抗减小，声能损耗减小，同时，角度过大会导致垂直入射的声波较难进入穿孔，因而吸声系数峰值有所下降。这与宁景锋等[16]研究斜置微穿孔板结构吸声性能的试验结论相符，穿孔纤维板斜置角度对其吸声性能有一定影响，适当调整穿孔角度可获得理想的吸声效果。

根据正交试验，当穿孔纤维板吸声系数峰值最大时，加工工艺为主孔直径2 mm、穿孔率3.14%、倾斜角度30°。由于穿孔纤维板穿孔直径较小时加工较困难，对刀具及各种精度要求较高，生产成本较高，本研究制备的穿孔纤维板优选工艺参数为主孔直径3 mm、穿孔率3.14%、倾斜角度30°。

2.2 侧孔深度对吸声性能的影响

侧孔深度对仿生木材结构穿孔纤维板中低频吸声性能的影响如图6a所示，具体数值见表4。测试结果表明，未穿孔的纤维板不具备吸声性能；当侧孔深度小于2 mm时，随着侧孔深度的增大，仿生木材结构穿孔纤维板吸声系数峰值无明显差异，均在0.94以上，共振频率向高频方向偏移，有效吸声频带宽度逐渐变宽；当侧孔深度大于2 mm后，随着侧孔深度的增大，仿生木材结构穿孔纤维板吸声系数峰值基本不变，均达0.96以上，共振频率向低频方向移动，有效吸声频带宽度逐渐变窄，但仍大于直孔结构穿孔纤维板。

侧孔深度对仿生木材结构穿孔纤维板中高频吸声性能的影响如图6b所示，共振吸声峰对应的吸声系数峰值与共振频率值见表5。从图6b中可以看出，未增加侧孔结构时，穿孔纤维板的中高频吸声系数峰值仅为0.27，几乎不具备高频段吸声性能；仿生木材结构穿孔纤维板侧孔深度大于1 mm后，在中高频段及高频段均出现2个较为明显的共振吸声峰。随着侧孔深度的增大，吸声系数峰值升高，当侧孔深度为4 mm时，吸声系数峰值可达0.67；共振频率随着侧孔深度的增大先升高后降低，当侧孔深度为2 mm时，其共振频率最大为4 492 Hz；有效吸声频带宽度总体呈拓宽趋势。

图6 侧孔深度对仿生木材结构穿孔纤维板吸声性能的影响Fig. 6 Effect of side hole depth on sound absorption of perforated fiberboard with bionic wood structure

表4 不同侧孔深度仿生木材结构穿孔纤维板中低频吸声系数Table 4 Medium and low frequency sound absorption coefficients of bionic wood structure perforated fiberboard with different side hole depths

表5 不同侧孔深度仿生木材结构穿孔纤维板中高频吸声系数Table 5 Medium and high frequency sound absorption coefficients of bionic wood structure perforated fiberboard with different side hole depths

根据上述分析可知，仿生木材结构穿孔纤维板在增加侧孔结构之后，吸声性能改善明显。在中低频，侧孔深度对穿孔纤维板吸声系数峰值影响较小，吸声系数峰值均在0.94以上；在中高频，侧孔深度对吸声系数峰值影响较大，随侧孔深度增加，吸声系数峰值显著提高，吸声系数峰值相差0.40。未加侧孔时，普通柱状单孔道内壁面积为1.548 cm2；增加侧孔后，声波与孔内壁接触面积依据S1=πdt+1.2dt(1/cosα-1)+0.8πht计算：当侧孔深度分别为1，2，3，4 mm时，孔道内壁面积分别为 1.871，2.248，2.624，3.000 cm2。随着侧孔深度的增加，孔道内壁面积增加，声波与孔道内壁摩擦作用增加，声能转化为热能损耗增加，吸声系数峰值升高。侧孔深度变化对穿孔纤维板共振频率有一定影响，共振频率随侧孔深度增加先增大后减小，中低频、中高频共振频率变化规律一致。根据赫姆霍兹共振结构对共振频率的影响[17]可知，随侧孔深度的增大(即赫姆霍兹共振腔体积增加)，吸声结构共振频率先向高频方向移动，达到极值后，继而向低频方向偏移。穿孔纤维板吸声原理可归因于多个赫姆霍兹共振器的并联效应[18]，本研究讨论的仿生木材结构穿孔纤维板在直孔上增加侧孔结构，每个主孔与侧孔之间的连接组成一个赫姆霍兹共振器，这是仿生木材结构穿孔纤维板在中高频段和高频段产生共振吸声峰的原因。

3 结 论

通过分层加工方式，制备了具有侧孔结构的仿生木材结构穿孔纤维板，解决了传统机械方式无法加工复杂孔型的技术难题，主要获得以下结论：

1)影响穿孔纤维板吸声系数峰值的各因素主次顺序为倾斜角度>主孔直径>穿孔率；制备仿生木材结构穿孔纤维板优选工艺参数为主孔直径3 mm、穿孔率3.14%、倾斜角度30°。

2)侧孔深度对穿孔纤维板共振频率和吸声系数峰值具有较大影响。在中低频，随着侧孔深度的增大，共振频率先增加后减小，吸声系数峰值变化不明显，均高于0.94；在高频，随着侧孔深度的增大，共振频率先增加后减小，吸声系数峰值不断升高，当侧孔深度为4 mm时，穿孔纤维板在高频3 632 Hz处的吸声效果最好，吸声系数峰值为0.67。

3)本研究有助于了解仿生木材穿孔结构的吸声特性，以主孔仿生木材导管、侧孔仿生木材导管壁上的纹孔。当侧孔深度大于1 mm时，在测试全频段(64～6 300 Hz)出现3个共振吸声峰，在竖直穿孔中增加侧孔结构后，能够实现穿孔纤维板多频段吸声的效果。