紡織材料的吸聲隔聲機理及研究進展

彭 敏，趙曉明

(天津工業大學 紡織學部，天津 300387)

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紡織材料的吸聲隔聲機理及研究進展

彭 敏，趙曉明

(天津工業大學 紡織學部，天津 300387)

紡織材料因其具有疏松、透氣、柔軟、多孔等優良的性質，常被用作吸音隔聲材料。論述了紡織材料的吸聲隔聲機理、紡織材料吸聲隔聲性能的影響因素，并對其研究進展及不足進行了闡述，指出吸聲隔聲紡織材料未來的發展方向。

紡織材料 噪音污染 多孔材料 吸聲 隔聲

隨著近代工業的不斷發展，噪音污染的問題也日益嚴重，現在更與水污染、大氣污染和固體廢棄物污染并稱為地球里四個主要的環境問題[1]。噪音污染對人體有極大的傷害，它不僅會使人感到精神難以集中、心情煩躁還有可能會引發心血管類疾病、誘發其他疾病，從而縮短人的壽命。正因如此，噪音污染所帶來的危害已被人們視為了繼空氣污染之后人類公共健康的第二個殺手，如何減少噪音污染已成為現今一項重要的任務。到目前為止，對于噪聲污染的防治，吸聲和隔聲材料的應用是十分重要的技術環節，它可以有效的降低噪音污染對人體的傷害。而由紡織纖維加工而成的紡織材料因其通常具有疏松、透氣、柔軟、多孔等優良的性質，常被用作吸音隔聲材料。在2000年時，我國“十五”計劃更是將“絕緣隔音材料”歸為產業用紡織品[2]。

為了更好的減少噪音污染，我們需要認識聲音的產生與傳播，吸聲隔聲的原理及吸聲隔聲材料的影響因素，以便可以采取有效的措施減少它的危害。本文主要闡述吸聲隔聲原理及紡織品在吸聲隔聲領域的運用。

1 聲音

1.1 聲音的產生與傳播

聲音是由于發聲體的振動而產生的，是通過介質(氣體、固體或液體)傳播并能被人或動物聽覺器官所感知的波動現象。通常情況下把正在發出振動的物體稱之為聲源，而聲音的傳播過程，實際上就是聲波能量的傳播過程。聲波在傳播的過程中會遇到各種各樣的“障礙物”，即在傳播過程中聲波會經過很多不同的介質，并且在此過程中聲音會受到阻礙、消耗或反射，使得聲波的能量發生變化。

1.2 聲波在多孔介質中的傳播

聲波在多孔介質中的傳播主要可分為吸音，隔音及透射三部分，如圖1所示，當聲波入射到一些多孔隙、柔軟、具有一定厚度的紡織多孔介質時，由于聲波的進入，該多孔介質中的氣體和纖維會發生振動，并且相互間產生摩摖，而由于氣體與纖維之間的相互摩擦和粘滯阻力以及纖維自身的導熱性能，會使得進入該多孔介質的聲波能量一部分轉化為熱能被消耗掉，從而減弱了反射聲，使得聲波的總能量降低[3]，達到吸音的效果，這種方式也是在多孔介質進行噪音控制中較為常用的。而當聲波入射到表面較為光滑堅硬，結構密實的介質時，會有小部分的聲能被該介質吸收，而多數聲能則被介質反射回來，其余部分則透出屏障，這種多數聲能被反射的情況使介質能起到隔音的效果，介質的隔音效果越好則能透過介質的聲波也就越少。在傳播過程中，既沒有被反射也沒有被吸收的聲能則透射過多孔介質，繼續傳播。

圖1[4] 聲波在多孔介質的傳播

1.2 噪音控制

目前國內外對噪聲的控制主要從兩個方向進行研究，一是對噪聲源進行治理，即將產生噪音較大的的設備改造成產生噪音較小或不產生噪音的設備，這是最積極最有效的措施，但這種方法有時會受到工藝技術的限制，不能達到預期的防噪效果；二是利用聲音的特性在聲波傳播過程中通過不同的“障礙物”損耗聲波的能量，即開發具有吸音隔音功能的材料，這是目前對于噪音防護常用的手段，通過吸聲隔聲材料的輔助，有效的減小噪音的危害。降噪材料通常分為吸聲材料和隔聲材料兩大類。本文主要對后者吸聲隔聲材料的應用進行闡述。

2 吸聲

2.1 吸聲的原理及影響因素

吸聲是聲波撞擊到材料表面后能量損失的現象，是一種有效降低室內聲壓級的方法[5]。

吸聲材料主要是用于降低聲音反射，因此作為吸聲材料以下兩個條件是必不可少的：一是具有大量的孔隙，二是孔與孔之間要有一定的連通。一般來說，柔軟、疏松,且具有較多或互相貫穿微孔的紡織材料的吸聲性能較好,而反射能力較差,比較適合用作吸音材料，如羊毛氈，玻璃棉等。

2.2 吸聲系數

吸聲系數是評價材料吸聲性能好壞的主要指數之一，吸聲系數的范圍在0到1之間，吸聲系數的值越大,表示該種材料的吸聲性能就越好[6]。通常把吸聲系數>0.2的材料稱為吸聲材料。

在實際應用中，吸聲系數的大小通常與該聲波的入射條件、頻率及該吸聲材料的原料、組織結構參數等有關, 如公式[1]所示為固體介質材料的吸聲系數的計算公式，由公式可知a為被固體介收聲能E3與入射全部聲能E0之比[6]。

a=(E0-E1-E2)/E0=E3/E0=1-r………[1]

E1—被材料反射的聲能

E2—透過材料的聲能

E3—被材料吸收的聲能

r—反射系數

2.3 影響吸聲性能的因素

對于紡織材料，尤其是非織造纖維材料，其原材料種類的選擇、材料的厚度、密度、孔隙率、材料中空氣流阻等因素都會對其吸聲性能產生影響。

2.3.1 纖維的種類

對于制作吸音隔聲材料，其原材料的選擇十分重要，正確的原材料由于自身具有良好的吸聲效果，因此由其制成的吸聲材料不僅具有較好的吸聲效果，還可以避免后期較為繁雜的后整理。在吸聲材料中較為傳統的吸聲材料是一些由天然纖維制成的吸聲材料，如毛氈，棉麻制品等，這一類的吸聲材料因其在中高頻范圍內有較好的吸聲效果，在過去常被用作吸聲制品，如窗簾、汽車內飾、幕布等，但這種傳統的吸聲材料的防火、抗酸堿、抗潮濕能力較差，并且易老化、易腐蝕，在很多場合特別是室外環境下不宜長期使用。

隨著不斷地發展，由金屬纖維為原料的吸聲材料開始作為新型的吸聲材料出現，金屬纖維材料較傳統纖維有很多優點，如強度高、防火防潮、抗氧化等且由金屬纖維材料制成的吸聲隔聲材料較為環保，其制造過程不會對環境造成較大的污染，目前應用較多的金屬纖維吸聲材料有：①鋁纖維，2002年雷恩指出，由于鋁纖維具有很多優良的特性，由其加工制作而成的吸聲板具有強度高、材料輕薄及一定的電磁屏蔽作用，并且耐水耐火能經得起風吹日曬，是非常理想的室外吸聲材料；②不銹鋼纖維，作為金屬纖維，不銹鋼纖維具有耐沖擊、易加工、耐高溫高強等優良的性質，因此可以作為用在一些高溫、高強的特殊環境下的吸聲纖維材料；③其他金屬纖維材料，如鈦纖維、銅纖維等 。這些金屬材料通常都性能優良，可以在不同的場合下作為吸聲材料，但由于金屬纖維原料的成本一般較高，無法進行大批量的生產，因此我們不僅要根據不同的吸聲效果需求選擇合適的材料，更需要開發出具有高性能的紡織吸聲材料。

2.3.2 厚度

對于紡織材料，其吸聲的原理主要是利用聲波在材料中能量的逐漸消耗，而達到吸音的效果。因此，對于紡織材料其吸聲性能與該材料的厚度存在一定的關系。在一定的范圍內，對于同一種多孔材料,隨著其厚度的增加,吸聲的頻率范圍從高頻向中、低頻移動，并且吸聲材料的有效頻率范圍也會擴大。

對于不同結構的紡織材料，厚度對吸聲性能的影響也存在差異，2007年謝曉麗等[5]人在研究羊毛吸聲性能時發現羊毛氈的吸聲效果與其厚度有關，在一定的范圍內，保持其他影響因素不變，隨著羊毛氈厚度的增加，該羊毛氈的吸聲系數也會隨之增大，并且這一規律隨著聲波頻率的增大趨勢更加明顯，對于同等厚度的材料其高頻時的吸聲系數大于低頻時的吸聲系數。

2006年，Tilak Dias等[7]人在研究了針織物的吸聲性能時表明，當聲波頻率在1 000Hz～3 000Hz范圍內時，保持其他條件不變，隨著針織物厚度的增加，可以提高其吸聲的效果。但當聲波頻率低于1 000 Hz和高于3 000 Hz時，增加針織物的厚度對其吸聲性能的影響并不明顯。

2013年，沈岳等[8]人在研究活性炭纖維材料吸聲性能時發現，當活性炭纖維材料的厚度增加時，其吸聲系數隨之增加，但平均吸聲系數的增幅在逐漸的減小。

對于機織物，由于其織物密度較大，相較非織造物及針織物而言，更加適宜作為隔音材料，而非吸音材料。而對于一些無機纖維或高性能纖維，由于其本身比表面積大等結構因素，比較適合作為吸聲材料的原料。因此在進行實際設計時,通常按照中、低頻范圍所需要的吸聲系數值選擇材料厚度[6]。

2.3.3 密度

對于同種紡織多孔材料，其材料的密度越大，孔隙率越小，比流阻越大。當密度較小時，其孔隙率增加，但密度過小則會使得內部空氣和纖維之間的摩摖減小，導致其對聲能的消耗減弱，從而吸聲性能變差；適當的增加其密度。可以使吸聲材料內部的聲阻抗提高，使得低頻的吸聲系數得到提高, 但隨著密度的增大，材料會變得厚實緊密，引起流阻的增大，使得空氣的透過量減少，造成吸聲系數的下降，因此對于吸聲材料其密度過大或過小都不利于其吸聲，故存在一個最佳的密度可以使得該材料的吸聲能力最好，并且對于不同的吸聲材料其最佳密度也有所差異。因此在進行實際應用時，要根據吸聲材料實際的用途、材料的原料、結構參數等實際需要來確定該吸聲材料的密度。當吸聲材料的厚度受到一定限制時，通過控制其密度來控制其吸聲性能是常見的手段之一。

2.3.4 纖維細度

在同一條件下，纖維原料的細度會對其吸聲性能造成一定的影響，特別是對于非織造材料。這是因為纖維原材料越細，所形成的非織造吸聲材料的孔隙率越大，纖維的表面積也就越多，使得聲波在傳播過程中引起的空氣和纖維之間振動摩擦增多，消耗的聲能越大[9]。2009年馬永喜等[9]人在研究針刺非織造布時指出，當針刺非織造布中所含的纖維越細，或其細纖維的含量越高時，其吸聲系數也就越大，并且這一規律隨著聲波頻率的增加而愈加明顯。

除上述四種因素外，影響材料吸聲的因素還有纖維的形狀及是否在背后設置空氣層等因素，并且根據聲波的頻率及能量的不同，其影響因素也會有所區別。

3 隔聲

3.1 隔聲的原理及影響因素

將噪聲源和接收者分開或隔離,阻斷空氣聲的傳播,從而達到降噪目的的措施稱作隔聲[6]。隔聲作用主要是通過聲波傳播過程中介質對聲音的反射及吸收從而抑制聲音的透射而實現的。對于不同的材料其透聲特性與吸聲特性會有所不同,對于隔聲材料來說，其隔聲效果主要取決于材料的原材料、密實程度、厚度、組織結構以及表面聲阻抗。一般來說,材料表面堅硬光滑,結構緊密厚實的材料的吸聲性能較差,但其反射性能強,即隔聲效果較好，可以用作隔聲材料。目前常用在公路兩旁作為的隔音板以隔絕汽車噪音給居民造成的騷擾或用在建筑方面提高房屋的隔音性。

3.2 隔聲量

衡量材料隔聲效果的主要指標之一是隔聲量(亦稱傳聲損失)R

R =10lg(1/τ)………[2]

如公式[2]所示為隔聲量的公式，其中τ為透聲系數,是透過固體介質的聲能與入射到固體上的聲能的比值。隔聲量與聲波頻率密切相關,通常在聲音低頻時其隔聲量較低,而高頻時的隔聲量較高。

4 測試方法

目前測試吸聲系數常用的方法有混響室方法和駐波管方法兩種[9]。兩種方法也各自具備其優缺點，適用的對象也有所區別，并且測量的方法不同其測量結果也會存在差異，不能直接進行比較。混響室法，可測定各種角度的入射音，其測試條件更加接近于實際的使用條件，測試結果也更加接近于實際，但該方法要求每個混響室都要有堅硬的壁面和足夠大的體積，且要求試樣的尺寸不能太小，但對于紡織品而言，該測試方法不僅測試成本高，且對尺寸要求高，導致該方法的可行性較低。相較混響室法，駐波法對試樣的尺寸要求低，適用于紡織品的測試，但其測試結果誤差較大。

除上述兩種方法外，受實驗條件的影響，許多研究人員在測試是選擇改良測試設備或自制測試設備。如1997年陳躍華[10]在研究紡織材料隔音性能時將整個系統采用透射式的測試方法來進行測試，2007年韓瀟【11】等人自制的聲音發射及采集裝置，并通過相關的聲音分析軟件對機織物的隔音效果進行檢測。

5 研究現狀與發展趨勢

5.1 紡織材料在吸聲隔聲領域的研究現狀

目前紡織材料在吸聲隔聲領域的運用主要是利用紡織材料為多孔材料這一特性對聲波進行吸收，并且研究與應用方向多為非織造材料。如汽車內飾中常用到非織造材料，如車頂內飾、門內飾、后行李廂蓋板等。2005年Soriano等【12】人用玻璃棉管作為空調的吸水管，從而起到降噪的作用。2013年Nicolas Lippitz等【13】人利用金屬纖維氈作為飛機發動機的消聲器的材料，從而有效的降低噪音。

傳統的隔聲材料大多是通過物理改性來實現其吸聲隔聲功能，導致材料厚重、成本高并且有的材料對環境具有一定的污染性。為了滿足實際需要，獲得高效廉價并且對環境無污染或污染較小的吸聲隔聲材料，就需要研究出更適宜作為降噪新材料的纖維原料。目前國內外有不少研究人員對此進行研究， 2012年Youngjoo Na等【14】人對用納米纖維作為一種新的吸聲紡織材料進行了研究；Mansur對竹絲網增強水泥復合材料進行了研究；2013年徐晟等【15】人對用竹原纖維/聚氨酯復合成為隔音材料進行了研究；2014年劉世鋒等【16】人對鈦纖維多孔材料的吸聲性能進行了研究等。

5.2 發展趨勢

目前對于紡織材料在吸聲隔聲領域的研究主要還是在其物理改性及對其纖維材料的種類的研究上，并且研究的對象基本上都是非織造材料，并未更加深入的研究紡織材料的性能，再加之沒有特別適用于測試紡織材料吸聲隔聲性的設備，導致測試結果無法有一個統一的標準去評價不同材料的吸聲隔聲性能。

隨著噪音污染的日益嚴重，人們對于吸聲隔聲材料的需求也在增大，怎樣根據不同的需求研制出高性能的吸聲隔聲產品也將成為一個重要的研究方向。因此對于紡織材料在吸聲隔聲領域的研究不能只停留在對其物理改性或單一原料的研究上，而是應該著手開發出高性能的復合纖維材料，使其不僅具有良好的吸聲隔聲效果還適合在特定環境下的其他性能，能付諸于實際應用中；另外材料的織物結構對吸聲隔聲性的影響，及對材料進行化學改性，如對材料進行涂層，增加其隔音性能等方向也是下一步值得深入研究的方向。

[1] 馮剛.淺談防治環境污染和公害的措施[J]. 黑龍江科技信息,2015(5):13

[2] 于偉東．紡織材料學[M]．北京：中國紡織出版社，2006.

[3] 梁麗娟.經編間隔織物的聲學性能研究[D]. 上海：東華大學，2011.

[4] 顧平，高小華．織物隔聲與吸聲的工作機理[J]. 南通紡織職業技術學院學報,2008,8(3):1-4.

[5] 謝曉麗，狄劍鋒. 羊毛吸聲材料聲學性能分析[J]. 五邑大學學報(自然科學版)，2007，21(3):7-11

[6] 李康.層合多孔吸聲隔音復合材料[D].上海：東華大學，2011.

[7] Tilak Dias，Ravi Monaragala．Sound absorbtion in knitted structures for interior noise reduction in automobiles[J]．Measurement Science and Technology，2006(17)：2499-2505

[8] 沈岳，蔣高明，季濤，等. 活性炭纖維材料吸聲性能分析[J].紡織學報.2013,34(3):1-4.

[9] 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(4):31-34.

[10]陳躍華. 紡織材料隔音性能測試研究[J]. 紡織學報，1997,18(3):142-145.

[11]韓瀟，洪劍寒，周羅慶.機織物隔聲性能的測試與分析[J].紡織科技進展.2007(2)：64-67.

[12]Soriano, E.Acoustic absorption in ducts: new developments [J].Acta Acustica United With Acustica,2005(9-10)：130.

[13]Nicolas Lippitz,Joachim Rosler and Bjorn Hinze.Potential of Metal Fibre Felts as Passive Absorbers in Absorption Silencers [J].Metals，2013(3)：150-158.

[14]Youngjoo Na, Tove Agnhage, and Gilsoo Cho.Sound Absorption of Multiple Layers of Nanofiber Webs and the Comparison of Measuring Methods for Sound Absorption Coefficients [J].Fibers and Polymers, 2012, 13(10)：1348-1352

[15]徐晟,樓利琴,丁佳蓓,等.竹原纖維/聚氨酯復合隔音材料的發展前景[J]. 山東紡織經濟.2013(7):54-56.

[16]劉世鋒,湯慧萍,劉波,等. 鈦纖維多孔材料孔徑分布與吸聲性能研究[J]. 四川大學學報(自然科學版).2014,51(1):160-163.

2016-03-08

國家自然科學基金項目(51206122)

彭敏(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料的吸聲隔聲機理。

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導師。

TS101

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1008-5580(2016)04-0173-05