材料和空腔深度對吸聲系數測定影響的研究

周理杰++羅勝利++晏雄++謝火勝++廖銀琳

摘要：

本文研究了以棉、苧麻、絲、羊毛、粘膠纖維、聚酯纖維、錦綸和腈綸8種紡織材料在不同空腔深度條件下的吸聲系數。結果表明，苧麻的吸聲效果較其他纖維織物好，被測試樣背后空腔深度對測試結果影響顯著，且隨空腔深度的增加而影響越大。

關鍵詞：織物；吸聲系數；空腔深度

1 引言

目前噪聲的控制主要有4種方式：隔音、吸音、阻尼和隔振。吸聲和阻尼是最基本、應用最廣泛的兩種方式。控制聲場環境質量一般采用吸聲材料。吸聲材料按結構和吸聲特性可以分為多孔吸聲材料、薄板振動吸聲材料、共振吸聲穿孔板組合吸聲材料及簾幕吸聲材料等[1]。其吸聲機理也各不相同，多孔材料的吸聲性能是通過內部大量連通的孔洞和微小空隙來實現[2]。當聲波入射到材料表面時，一部分在材料的表面反射掉，另一部分則透入到材料內部向前傳播。紡織材料屬于多孔吸聲材料，當聲波沿著間隙或空隙進入材料后，激發起間隙或微孔內的空氣振動，空氣與孔壁摩擦產生熱傳導作用，而空氣因具有粘滯性，在微孔和間隙內產生相應的粘滯阻力，使振動空氣的能量轉化為熱能而被消耗掉。使聲能減弱從而達到吸聲的目的。因此，孔結構緊密、相互連通的材料，其吸聲性能就好，反之，就較差。本文就8種不同纖維種類平紋織物的吸聲性能以及在不同空腔深度下它們的吸聲特性進行了對比研究分析，為日后在吸聲材料設計的選材和設計上給出了一定建議。

2 試驗

2.1 試驗樣品選取與制作

選用色牢度試驗中常用的8種單纖維貼襯織物作為研究對象。樣品名稱及具體規格和參數見表1所示。本次試驗采用激光裁樣機隨機在樣品上取樣，每個樣品裁取3組。其中高頻測試的樣品直徑為（29±0.5）mm的圓形試樣，低頻測試的樣品直徑為（100±0.5）mm的圓形試樣。試樣大小可以合適地安裝在試件筒內。測試前在GB/T 6529規定的標準大氣環境條件下進行調濕平衡24h。

2.2 吸聲系數的測定

本次試驗根據GB/T 18696.2—2002《聲學 阻抗管中吸聲系數和聲阻抗的測量，第2部分：傳遞函數法》標準，采用丹麥B&K PLUSE聲學材料測試系統（4206-T阻抗管及其配套設備）測試了8種具有不同纖維材質、相同織物組織結構的色牢度試驗用單纖維標準貼襯織物的吸聲系數。同時，對這8種單纖維標準貼襯織物背后空層厚度（即空腔深度）為0mm、5mm、10mm、15mm、20mm、50mm、100mm、150mm時各織物的吸聲系數進行了測試。測試頻率范圍為50Hz～6300Hz。

測試時，將織物夾在試件筒與阻抗管連接處，并在連接處涂上凡士林，然后，緊貼阻抗管試件筒的一端，并密封。試件不可過分受壓，不能太緊或鼓起。測試材料在一定空腔深度下測定吸聲系數時，可通過調節試件筒推桿調節深度。管中的平面聲波由（無規噪聲、偽隨機序列噪聲或線性調頻脈沖）聲源產生。在靠近試樣的兩個位置上測量聲壓，求得兩個傳聲器信號的聲傳遞函數，從而用此計算試件的法向入射吸聲系數[3]。

3 結果與討論

3.1 無空腔深度下材料吸聲性能比較

通常，測定紡織織物吸聲系數時，材料后背是剛性壁面。當材料與壁面之間存在一定的空隙時，空隙之間的距離被稱為空腔的深度，有時簡稱為空腔。 從圖1中可以看出，當8種織物后面的空腔深度為0mm（即空氣層厚度0mm，也就是說試樣緊貼）時，吸聲系數均很小。在整個測試頻率范圍內，這8種織物的吸聲系數最大峰值僅滌綸在5000Hz時超過0.1。在50Hz～3500Hz范圍內的吸聲系數十分接近，吸聲系數值均很小，表示它們對這一頻段的聲波基本上不具有吸聲能力。

3.2 相同空腔深度下不同纖維織物吸聲性能比較

從圖2至圖8看出，無論是5 mm、10 mm、50 mm還是150 mm的空腔深度下，這8種織物在同一空腔深度、同一頻率下的吸聲性能大致可分為三個集團，其中桑蠶絲織物和苧麻織物的吸聲系數在高頻區的吸聲系數最為可觀，屬于第一集團。粘纖、滌綸、棉和錦綸的吸聲系數在有空腔的情況下提高較大，屬于第二集團，雖不如第一集團的桑蠶絲織物和苧麻織物，但比第三集團的毛織物和腈綸織物吸聲效果要好。另外，還可看出，8種織物在相同空腔深度時，吸聲系數的頻譜變化趨勢大都相似，只是數值高低存在一定的差異。再結合表1可以看出，織物的吸聲特性一定程度上符合材料克重的增加使其吸聲系數頻譜曲線整體上移這一規律。

但是，這8種織物中桑蠶絲織物的頻譜圖與其他7種織物的頻譜圖又存在明顯的不同：在空腔深度不大時，桑蠶絲織物的吸聲頻譜圖出現的拐點明顯比其他織物要早，表現出與眾不同的特性。根據織物緊密程度和克重來看，由于桑蠶絲織物結構相對緊密、克重小而輕薄，形成膜吸聲結構，產生膜振動效應，因而在低頻段的吸聲性能變得較為優越，吸聲系數提高明顯，其在低頻段的吸聲頻譜圖變化較快。

3.3 不同空腔深度下相同纖維織物吸聲性能比較

采用駐波管測試系統測試各纖維織物在背后空腔深度為0mm、 5mm、10mm、15mm、20mm、50mm、100mm和150mm時的吸聲系數。結果表明，當各織物背后出現空腔時，它們在各頻段的吸聲系數比沒有空腔（即織物緊貼測試儀的剛性壁）時的吸聲系數明顯提高。如圖9至圖16所示。各織物對16Hz～3500Hz頻段的吸聲系數有一定提高，在高頻段的吸聲系數提高幅度尤為明顯，而且，隨著空腔深度加大，8種織物均表現出相同的特性：第一共振吸收頻率逐漸向低頻方向移動，桑蠶絲織物和苧麻織物的吸聲系數提高尤為明顯。

再結合表1可以看出，絲織物雖然克重較小，當絲織物背后存在空腔時，其吸聲系數在空腔深度變化初期，隨著空腔深度的加大而逐漸增大，且在測試波段的吸聲系數比其他7種織物提高得更快。如絲織物在空腔深度為5mm、10mm、20mm時，其吸聲系數頻譜特征曲線均不不同于其他纖維織物，其他7種織物未出現極大值和極小值，而絲織物則已經出現了一個極大值和極小值，并且隨著空腔深度的進一步加大，極大值和極小值出現的位置逐漸向低頻移動。這是因為絲織物結構組織緊密且較薄，織物與阻抗管的剛性壁之間的空氣層形成了共振吸聲結構，在共振頻率處出現最大吸收系數，并且是吸聲平帶得到了一定的拓寬[4]。

除絲織物外的其他7種織物試樣只有在空腔深度為50mm時，接近出現了兩個極大值和極小值；當空腔深度為100 mm時，各纖維織物吸聲系數已經出現了3個極大值和極小值，且極大值和極小值逐漸向低頻移動，也呈現一定的周期性。空腔深度大于100 mm時，絲織物的膜振動吸收作用已不再明顯，其吸聲系數頻譜曲線的極大值和極小值與其他織物基本同步，平均吸收系數呈現先增大后減小的趨勢。當空腔深度為150mm時，出現了4個極大值和3個極小值，各纖維織物吸聲系數頻譜圖第一個極大值和極小值繼續向低頻段移動，而高頻段頻譜曲線變得較為平緩。極大值和極小值的差距逐漸縮小，高頻段吸聲系數的頻譜圖變得平緩。除前面提到的因產生膜振動效應的絲織物外，其他各織物的最大共振吸收頻率和最小共振吸收頻率移動速度也基本同步[5]。各材料在不同空腔距離時，吸聲系數極大值和極小值的頻率位置基本出現在同一頻率上，幾乎與纖維的材質無關。

因此，結合圖1可看出，隨著織物背后空腔深度變化，8種織物的吸聲頻譜圖在整個測量頻率范圍內極小值和極大值的個數明顯增加，而且基本出現在同一頻率上。另外，綜合各圖可以看出，材料在不同空腔距離時吸聲系數極大值和極小值出現的頻率位置呈現出的規律性，與當D≈（1/4）λ1、（3 /4）λ2、（5/4）λ3，…或λ≈ 4D/（2n-1）λn=1，2，3，…時出現吸聲系數極大，當D ≈（1/2）λ1、λ2 、（3/2）λ3，…或λ ≈ 2D/nλn=1，2，3，…時出現吸聲系數極小這一結論有較好的吻合[6]。也在一定程度上驗證了以色列Y.Shaoshani以及丹麥F.Ingerslev關于單層薄布和機織物吸聲性能的測試結果，即背后空氣層厚度D≈λ/2時出現吸聲極小值，而D≈λ/4、（3/4）λ時出現吸聲極大值。其產生該現象的原因可用德國聲學家H.Kuttruff認為的“在1/2波長出現吸聲系數小是由于聲波質點速度極小的原因造成的”來解釋[7，8]。

4 結論

（1）織物結構緊密的輕薄絲織物，在存在一定空腔深度時，因為存在膜振動效應，其吸聲性能變得較為優越，其在低頻段的吸聲頻譜圖變化較快。

（2）同一材料在不同空腔深度時，吸聲系數極大值和極小值出現的頻率位置具有明顯的規律性：在空腔深度較小時，隨著空腔深度增加，吸聲系數頻譜圖向低頻方向移動，材料低頻吸聲系數逐漸增加。也就是說，空腔深度的變化，使得纖維織物的高頻和低頻的吸聲性能也產生了明顯差異。

（3）除非發生一定的膜振動效應，否則各纖維織物在不同空腔距離，吸聲系數極大值和極小值的頻率位置基本出現在同一頻率上，幾乎與纖維材質無關。

參考文獻：

[1] 石宇熙. 體育館聲學吸聲材料設計與應用[J]. 房材與應用， 2003（05）：22-24.

[2] 何冬林， 郭占成， 廖洪強，等.多孔吸聲材料的研究進展及發展趨勢[J]. 材料導報，2012，26（19）：303-306，333.

[3] ISO 10534-2：1998（E） Acoustics — Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes —Part 2： Transfer-function method[S].

[4] 徐凡， 張 輝. 大麻織物空心微珠涂層吸聲性能研究 [J].天津工業大學報. 2009（1）：49-52.

[5] 張新安. 膜振動理論在纖維材料吸聲性能研究中的應用[J]. 陜西師范大學學報， 2006（34）：25-27.

[6] 張新安.振動吸聲理論及聲學設計[M]. 西安： 西安交通大學出版社， 2007：111-120.

[7] 張沛商， 姜亢. 噪聲控制工程[M]. 北京： 北京經濟學院出版社， 1991：154-165.

[8] 馬大猷.噪聲與振動控制手冊[M]. 北京： 機械工業出版社， 2002： 395-443.

（作者單位：周理杰、羅勝利、謝火勝、廖銀琳，廣州纖維產品檢測研究院；周理杰、晏雄，東華大學）