低频吸声复合结构的研制与性能研究

张慧洁，刘 超，李 翔，姚智敏，蔡 俊

（1.国网安徽省电力有限公司 经济技术研究院，合肥230022；2.上海交通大学 环境科学与工程学院，上海200240）

由于传播距离长、衰减慢，简单高效的低频噪声控制技术一直是限制声环境质量控制和改善的难点[1-2]。众所周知，属于阻性多孔吸声材料的聚酯纤维材料，因生产简单、成本低、高频吸声系数高，是一种应用广泛的吸声材料[3-4]。而通常提高多孔纤维材料低频吸声性能的方法是增加背腔空气层厚度[5]，但实际的提高效果有限。为此，与其他单元材料进行有效复合来提高和拓宽低频性能成为聚酯纤维等多孔吸声材料的研究趋势[6]。

同样使用广泛的微穿孔板[7]和铝纤维吸声板[8]均具有重量轻、低频吸声性能良好、加工简单、使用方便的特点。为此，有学者将微穿孔板、铝纤维板分别与多孔材料组合进行吸声性能的研究。裴春明等[9]将多孔吸声材料置于微穿孔板之前，并且两者之间有一定的空气层时，研究发现该结构的吸声频带明显拓宽。周兵等[10]将铝纤维板分别与聚酯纤维、亥姆霍兹共振器进行组合形成复合结构材料，研究发现组合后的复合结构相较于铝纤维板低频吸声性能均有很大的提高。刘鹏等[11]在铝纤维板与微穿孔板之间填充聚酯纤维构成新型阻抗复合吸声材料，采用模拟仿真和试验研究手段进一步优化其低频吸声能力。但上述研究并没有对微穿孔板、铝纤维板和聚酯纤维材料两两组合构成的复合结构吸声性能进行系统的比较研究和机理分析。

为此，本研究选用微穿孔板、铝纤维板和聚酯纤维材料以不同排列顺序两两组合构成复合吸声结构[12-13]，对其100 Hz～1 600 Hz吸声性能的变化规律和相关机理进行分析研究，以期为今后得到低频性能优良的吸声复合结构提供参考和依据。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

本研究选取的吸声材料及相关参数见表1。

表1 吸声材料参数表

需要指出的是，常规意义上的铝纤维板结构是由2层铝网孔板夹持1层铝纤维毡所组成，其声阻较小。为此，对市售铝纤维板复合结构进行了改良，在背面铝网孔板与铝纤维毡之间增加了1 层薄铝箔，从而可以更薄厚度、更浅空腔实现更优降噪效果。这种改良的铝纤维板具有明显的共振吸声峰，其吸声原理也被看作共振吸声结构来分析[14-15]。

研究将铝纤维板、微穿孔板和聚酯纤维吸音板分别两两组合，后留80 mm 空腔构成复合吸声结构[16]，相应的具体结构形式见表2。结构编号中，P- polyester fiber board 聚酯纤维板，A - aluminum fiber board 铝纤维板，M - micro-perforated board 微穿孔，最后的A-air cavity空腔。

表2 复合结构编号及示意图

1.2 吸声性能测试

阻抗管测试方法采用北京声望公司的SW422型阻抗管，测试设备如图1 所示。测试执行标准为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》[17]。由于研究的是低频性能，因此样品尺寸被裁剪成10 cm的直径。

图1 阻抗管测试系统

将需测试的试样置于驻波管一端，试样与底板留有空腔，通过活塞移动确定空腔深度。每个试样测量三遍取平均值，测试范围为100 Hz～1 600 Hz。

2 结果与讨论

研究从聚酯纤维板、微穿孔板和铝纤维板各自后留80 mm 空腔的吸声性能为参考，分别与另一材料两两组合形成复合结构，以期从材料各自的吸声机理出发，分析材料组合引起的声能消耗变化规律，从而进一步了解复合结构的吸声机理。

2.1 聚酯纤维板复合结构的性能对比分析

2.1.1 聚酯纤维板前置的复合结构

图2是聚酯纤维板及其前置复合结构的吸声性能对比图。从图2中可以看出，聚酯纤维板+80 mm空腔结构本身在1 000 Hz 附近有个吸声峰，吸声系数达到0.98。这是由于80 mm 空腔与1 000 Hz 的1/4波长相接近，声波反射抵消所致。聚酯纤维板后设置的不管是铝纤维板还是微穿孔板，其复合结构均在500 Hz附近出现明显的共振吸声峰。

图2 聚酯纤维板及其前置复合结构的吸声性能曲线

由此可见，铝纤维板或微穿孔板的加入均根本改变了聚酯纤维板后的声波传播方式，使得抗性共振吸声变为主要因素。此外，铝纤维板或微穿孔板的加入也增加了透过聚酯纤维板的声波反射，使得共振峰后频率范围内的吸声性能降低[18]。

2.1.2 聚酯纤维板后置的复合结构

图3 是聚酯纤维板及其后置复合结构的吸声性能曲线。在低频范围内，微穿孔板和铝纤维板的加入使得复合结构吸声性能均有提升。其中，在300 Hz以下的频率范围，APA结构的吸声性能最佳。

图3 聚酯纤维板及其后置复合结构的吸声性能曲线

对比图2 可以发现，微穿孔板或铝纤维板后置聚酯纤维构成的复合结构性能要优于聚酯纤维前置的复合结构。这是由于后置的聚酯纤维不仅没有改变抗性结构的耗能方式，而且增加了抗性结构的声阻，从而进一步提高和拓宽了抗性吸声结构的吸声频带。

2.2 铝纤维板复合结构的性能对比分析

2.2.1 铝纤维板前置的复合结构

图4是铝纤维板及其前置复合结构的吸声性能曲线。

图4 铝纤维板及其前置复合结构的吸声性能曲线

从图中可以看出，铝纤维板+80 mm空腔结构在800 Hz 附近有个吸声峰，吸声系数达到0.98。铝纤维板后设置的不管是聚酯纤维板还是微穿孔板，吸声峰均移到更低的500 Hz 附近，且吸声峰宽变窄，即吸声峰后的吸声系数快速下降。这是由于当铝纤维板前置时，相当一部分中高频声波将被反射，微穿孔板的抗性共振吸声作用和聚酯纤维板的阻性吸声作用均得不到充分发挥。

2.2.2 铝纤维板后置的复合结构

图5是铝纤维板及其后置复合结构的吸声性能曲线。在铝纤维板前面叠加微穿孔板和聚酯纤维板，其复合结构吸声峰也向低频移动。由于聚酯纤维前置的PAA结构有利于中高频声波的吸收，因此相比图4 中的APA 结构，吸声峰后的吸声曲线比较平稳。

图5 铝纤维板及其后置复合结构的吸声性能曲线

2.3 微穿孔板复合结构的性能对比分析

2.3.1 微穿孔板前置的复合结构

图6是微穿孔板及其前置复合结构的吸声性能曲线。从图中可以看出，微穿孔板+80 mm空腔结构在800 Hz 附近出现吸声峰，吸声系数达到0.48。在微穿孔板后不管是设置聚酯纤维材料还是铝纤维板，复合结构的吸声性能尤其是低频吸声性能得到明显提高。这是由于微穿孔板的声质量降低了聚酯纤维材料或铝纤维板的共振频率，而后置材料反过来也增加了微穿孔板孔径处的声阻，增加了声能的进一步消耗[19]。

图6 微穿孔板及其前置复合结构的吸声性能曲线

2.3.2 微穿孔板后置的复合结构

图7是微穿孔板及其后置复合结构的吸声性能曲线。在微穿孔板前不管是设置聚酯纤维材料还是铝纤维板，复合结构的吸声性能均能得到明显提高，而且吸声峰均向低频方向移动。对于PMA 复合结构，部分中高频声波首先被前置的聚酯纤维材料所吸收，位于后面的微穿孔板则起到吸收低频声波的作用。而对于AMA复合结构，由于铝纤维板共振频率与微穿孔板的基本一致，因此认为是与微穿孔板发生了耦合共振吸声现象。

图7 微穿孔板及其后置复合结构的吸声性能曲线

2.4 复合结构的低频吸声性能对比研究

为了进一步分析上述复合结构的低频吸声性能，本研究采用上述复合结构100 Hz、200 Hz吸声系数和100 Hz～500 Hz平均吸声系数作为指标来进行对比研究。

从表3中的吸声性能对比可以看出，铝纤维板+聚酯纤维吸声板+空腔（APA）复合结构无论是在100 Hz和200 Hz处，还是在100 Hz～500 Hz频率范围内，其低频吸声效果更为显著。由此，借助常用吸声材料组合构成的APA 复合结构具有进一步作为低频噪声治理措施的应用潜力。

表3 复合结构100 Hz、200 Hz吸声系数和100 Hz～500 Hz平均吸声系数的统计表

3 结语

本文以聚酯纤维板、微穿孔板和铝纤维板为研究对象，以各自材料+80 mm 空腔的吸声性能为依据，分别与另一材料两两组合形成复合结构，从声波传播过程的衰减机理入手探讨了材料组合及排列顺序对复合结构吸声性能的影响。通过复合结构吸声性能的对比分析研究，筛选出低频吸声性能最佳的铝纤维板+聚酯纤维吸声板+空腔（APA）复合吸声结构。该复合结构形式简单，制作方便，因此有望实际应用于需要低频降噪的环境，具有巨大的市场应用前景。