高速公路聲屏障用非織造吸聲材料的吸聲性能研究*

錢薇薇 張 瑜 高 強 李偉岸 許君海

(南通大學，南通，226007)

隨著我國高速公路的快速發展，一系列環境問題也日漸凸顯，尤其是交通噪聲問題愈發嚴重。道路無法避開居民生活區、醫院、學校等區域，為此，修建聲屏障將是一種有效的治理交通噪聲污染的方法［1］。聲屏障的核心部件，即吸聲材料，其性能的優劣極大地影響著聲屏障吸聲降噪的能力。據調研，交通路網噪聲一般在250～2 000 Hz中低聲頻范圍內。

非織造材料是纖維之間相互纏結而成的三維立體結構材料，其特有的結構賦予其特有的性能，即孔隙率高、彈性和柔軟性好，因此非織造材料十分適合作為吸聲材料。當聲波傳播到非織造材料的表面時，一部分聲音能進入到材料的內部，而另一部分即在材料表面被反射。進入到材料內部的聲音便在纖維交錯排列的縫隙中傳播，此時聲波與纖維和縫隙中的空氣產生摩擦，將聲能轉化為熱能而被消耗，從而起到吸聲的作用［2-3］。

國內外對非織造材料吸聲性能已做了一定的研究。Youngjoo等［4］研制了一種汽車頂篷使用的針刺非織造材料，并研究了材料的吸聲性與黏彈性以及孔徑大小之間的關系。Jiang等［5］研制了一種七孔中空聚酯纖維作為增強體的氯化聚乙烯復合材料，并研究了纖維含量、復合厚度和空腔深度對吸聲性能的影響。本文主要研究了滌綸的組成、纖維的橫截面、材料厚度、熱熔加固和表面處理對聲屏障用吸聲材料的吸聲性能的影響，為相關方面的設計提供參考。

1 試驗部分

1.1 原料

選用不同的滌綸作原料，其性狀見表1。

表1 不同滌綸原料性狀

1.2 工藝流程

吸聲材料制備的工藝流程見圖1。

圖1 吸聲材料制備的工藝流程

1.3 吸聲材料制備

本試驗共制備了12種針刺非織造材料樣品，其構成和基本參數見表2。

表2 針刺非織造材料樣品的原料構成與基本參數

2 吸聲性能測試

采用傳遞函數法測量針刺非織造材料的吸聲系數，駐波管內徑為100 mm，其測量頻率上限為2 000 Hz，下限為250 Hz。在聲頻中，500 Hz以下是低頻聲，500～2 000 Hz是中頻聲，2 000 Hz以上是高頻聲。

參照標準GB/T18696.2—2002《阻抗管吸聲系數和聲阻抗的測量》，用北京聲望聲電技術有限公司生產的SW463型吸隔聲測試儀測試吸聲性能。

3 試驗結果及分析

3.1 纖維線密度對吸聲性能的影響

由圖2可以看出，在250～2 000 Hz的頻段范圍內，隨著樣品中細纖維含量的增加，樣品的吸聲系數增大，即其吸聲性能提高，且隨著頻率的增加收聲系數增大的程度越加明顯。這是因為纖維越細，聲波在進入樣品內部傳播過程中與纖維接觸的機會增大，能與更多根數的纖維發生摩擦，從而將更多的聲能轉化為熱能而耗散［6］。另外，細纖維含量增加后，在刺針穿刺的作用下，樣品內部微小的孔隙明顯增加，孔隙率增大，孔隙間相互貫通，空氣穿透量增大。因此，樣品5的吸聲性能顯著提高。

圖2 不同細纖維含量樣品的吸聲系數曲線

3.2 纖維截面對吸聲性能的影響

由圖3可以看出，隨著聲波頻率的增加，中空滌綸吸聲氈的吸聲性能明顯比普通滌綸吸聲氈好。這主要是由中空滌綸的結構決定的。中空纖維在軸向上有管狀空腔的結構，使得聲波與空氣的接觸機會增大，即摩擦系數增大，聲能轉化為熱能被消散的機會也就增大。此外，中空纖維的管狀空腔結構也大大增加了纖維的比表面積，聲波與纖維摩擦接觸的概率增大，進而延長了聲波在材料內部反復的時間，從而有更多的聲能被轉化成熱能而被耗散。圖3中樣品7的吸聲性能明顯優越于樣品6。

圖3 不同纖維截面樣品的吸聲系數曲線

3.3 材料厚度對吸聲性能的影響

厚度對材料吸聲性能的影響十分明顯，通過增加厚度來提高材料吸聲性能是行之有效的方法。由圖4可以看出：在中低頻段內隨頻率增加，厚度大的樣品7吸聲系數增加的幅度明顯增大，樣品8增加的幅度不大，而厚度最小的樣品9的曲線則趨于平緩。縱觀三條曲線可以發現，在低頻聲段內厚度的增加對材料的吸聲性能的提高不太明顯，但隨著頻率的提高(在中頻聲段內)，其厚度的增加對材料吸聲性能的影響十分明顯。材料的厚度增加后，聲波進入樣品內部傳播的時間變長，聲波與更多的纖維接觸，從而摩擦增加，聲能轉化為熱能的概率增加，吸聲性能便顯著提高。此外，聲波是靠空氣壓縮和膨脹進行傳播的，空氣在聲波傳播過程中起到阻尼作用，材料的厚度增加后，材料內部包含的空氣量相應變多，聲波因在空氣中傳播而聲能被減弱的機會增大，即材料吸收聲能的機會增大，材料的吸聲性能就明顯提高［7-8］。有資料表明，材料達到一定厚度后，對吸聲性能的提高已經沒有多大的作用［9］。該現象提醒人們，在研究材料吸聲性能時不要盲目提高材料的厚度，應根據材料的實際應用情況、成本和工藝等多方面因素來適當提高材料的厚度。

圖4 不同厚度樣品的吸聲系數曲線

3.4 不同加工工藝對吸聲性能的影響

圖5是熱熔處理過的吸聲材料(樣品11)的掃描電鏡照片。吸聲材料的熱熔處理時間為10 min，熱熔溫度為165℃。由圖5可清晰地看出，熱熔處理后的材料中纖維與纖維的交叉點被粘連。樣品12是經過等離子處理(功率為300 W，處理時間為15 min，真空度為50 Pa)的樣品，其掃描電鏡照片見圖6。可以看出，等離子處理后的樣品其纖維表面比較粗糙。這是因為等離子處理是利用兩極電壓的壓差來產生一束束具有高能量的電子束，這些電子束以高速撞擊纖維的表面，從而使纖維表面產生蝕刻形變。

圖5 熱熔處理過的吸聲材料ESM照片

圖6 等離子處理過的纖維表面

圖7為不同加工工藝吸聲材料的吸聲系數曲線。可以看出，經過熱熔處理的樣品11吸聲性能比未處理的樣品10要好。熱熔處理采用的是熱風穿透工藝，熱熔過程使得材料內的低熔點滌綸融化并流至非低熔點纖維的交叉點處，因為熱風穿透會使材料的厚度有所增加，冷卻成型后材料內纖維間的空隙增多，材料的孔隙率增大，所包含的空氣量變多，聲能耗散增加，從而提高材料的吸聲性能。從圖7還可以明顯看出，在整個聲段范圍內，等離子處理后的樣品12吸聲性能明顯提高。這主要是由于等離子處理使纖維表面粗糙，從而纖維的表面積增大，當聲音入射時，聲波與纖維的接觸機會增大，聲阻變大，聲能由于摩擦而轉換成熱能的部分增大，使得材料的吸聲性能增強。

圖7 不同加工工藝吸聲材料的吸聲系數曲線

4 結論

(1)在樣品厚度和面密度相近的情況下，細纖維含量越多的樣品其吸聲性能越好，在2 000 Hz的頻率下，純細纖維樣品的吸聲性能比不含細纖維的樣品提高48.6%。

(2)不同截面纖維對吸聲材料的吸聲性能有較明顯的影響。在中低頻聲波范圍內，滌綸線密度一定、加工工藝相同時，由中空截面的滌綸制成的吸聲材料比由普通滌綸(圓形截面)制成的吸聲材料的吸聲性能要好。

(3)厚度是影響吸聲材料的重要的因素。當吸聲材料厚度由3 mm增加到6 mm時，在250～2 000 Hz中低頻聲波范圍內，滌綸吸聲材料的吸聲性能隨材料的厚度增加而明顯增加。

(4)經過熱熔處理和等離子共同處理后的滌綸吸聲材料，在2 000 Hz聲頻下的吸聲系數比未經處理的材料提高27.5%。

［1］周新祥.噪聲控制及應用實例［M］.北京：海洋出版社，1999：129-135.

［2］張錦寬，崔建偉，晏雄.針刺非織造材料形態與組合結構對材料吸聲性能的影響［J］.產業用紡織品，2010，28(11)：5-8.

［3］閆志鵬，靳向煜.聚酯纖維針刺非織造材料的吸聲性能研究［J］.產業用紡織品，2006，24(12)：13-16.

［4］NA Y，CHO G.Sound absorption and viscoelastic property of acoustical automotive nonwovens and their plasma treatment［J］.Fibers and Polymers 2010，11(5)：782-789.

［5］JIANG Sheng，XU Yunyan，ZHANG Huiping，et al.Seven-hole hollow polyester fibers as reinforcement in sound absorption chlorinated polyethylene composites［J］.Applied Acoustics，2011，9(6)：2-5.

［6］胡立晨，陳福源，晏雄.柔性針刺非織造材料吸聲性能分析［J］.玻璃鋼/復合材料，2010(1)：53-56.

［7］馬永喜，王洪，靳向煜.復合針刺非織造布的結構與吸聲性能研究［J］.非織造布，2009(8)：32-34.

［8］徐傳友，茍鳳祥，杜鑫，等.吸聲材料研究的進展［J］.磚瓦，2008(9)：11-14.

［9］蘇文，李新禹，劉樹森.厚度和容重對非織造布吸聲材料吸聲性能的影響［J］.天津工業大學學報，2009(6)：35-36.