纖維材料降噪結構體的研究進展

李輝芹， 張 楠， 溫曉丹， 鞏繼賢， 趙曉明， 王支帥

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387；2. 天津工業大學 先進紡織復合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

噪聲污染已成為危害人類身心健康的重要環境因素[1-3]。隨著社會發展與科技進步，噪聲控制越來越受到重視。噪聲控制有3個環節：抑制噪聲產生、控制噪聲傳播、保護噪聲接收器。在所有環節中，吸聲與隔音材料都是必需的。

纖維集合體已經越來越多地被用于降噪。與剛性材料相比，纖維材料具有質量輕、成本低、易加工等優點[4-5]。作為多孔吸聲材料，紡織加工制備的纖維集合體具有良好的高頻吸聲性能[6]，但紡織品結構疏松，隔音性能較差，且對中低頻噪聲吸聲效果不好。將纖維材料與其他材料復合構建降噪結構體是近來發展的方向[7]。有研究通過將纖維材料的多孔吸聲機制與其他材料的共振吸聲和阻尼降噪機制相結合，形成降噪效率更高、降噪頻譜分布更寬的新型產品[8-10]。

本文就近年來纖維材料降噪結構體的構建方式、降噪效果和作用機制等研究進展進行介紹，并對其發展前景提出展望。

1 多孔吸聲降噪結構

1.1 多層結構

聲波入射物體后，一部分被物體表面直接反射，另一部分進入物體內部被吸收，還有一部分則透射到物體另一側繼續傳播，原理圖如圖1所示。聲能被物體吸收的現象稱為吸聲，材料吸聲效果通常以吸聲系數α表示，α大于0.2的材料被稱為吸聲材料[11-12]。

圖1 吸聲機制簡圖Fig.1 Sketch of sound absorption mechanism

纖維材料具有多孔結構特征，比如在紡織品中纖維間就有許多毛細孔。多孔吸聲是纖維材料降噪的基本機制。聲波進入后引起纖維間毛細孔中空氣的振動，部分聲能在此過程中轉換為熱能，從而實現吸聲效果[13]。

構建多層結構是比較常見的降噪結構體形成方法。多層結構具有因對不同頻段噪聲響應性能不同而進行差異化吸收的優勢，適于頻率分布較寬的噪聲吸收[14]。有研究表明，具有不同組織結構的雙層織物，吸聲效果有明顯不同[15-16]。為此，人們嘗試將不同結構的紡織品進行層合，以提高對不同頻率噪聲的整體降噪效果。

有研究用纖維材料與其他多孔材料層合，構成多層結構，比如將水泥基膨脹珍珠巖多孔材料與活性炭纖維(ACF)非織造布結合形成復合結構體[17-18]。研究發現，將水泥基膨脹珍珠巖多孔材料與3層ACF非織造布結合后，吸聲系數可增大23%～32%；將ACF置于水泥基膨脹珍珠巖多孔材料的前方與置于后方情況進行對比，平均吸聲系數提高約20%。

1.2 夾層結構

夾層結構是目前纖維材料構建吸聲結構體的主要方式[19]。有研究采用滌綸短纖維為芯層，以滌綸非織造布為表層，制備滌綸纖維夾層結構吸聲產品[20]，如圖2所示。結果表明，厚度為6.65 mm的樣品平均吸聲系數可達0.348。夾層結構的形成增加了材料內的分界面，應該是提高結構體吸聲性能的主要原因。

圖2 由短纖與非織造布組成的夾層結構Fig.2 Sandwich structure formed by staple fiber and nonwovens

文獻[21]將厚度為4 mm的2種類型非織造布作為外層，將厚度為22 mm的聚氨酯(PU)泡沫塑料作為內層，制備了3種夾層結構的吸聲材料，其在856 Hz的吸收系數達到了0.8。

Elikel等[22]以熔噴非織造布為中間層，紡粘非織造布為外層構建了結構體，如圖3所示。結果表明，以雙組分纖維做外層的夾層非織造結構體具有更好的吸聲性能，并且隨內層結構體積密度增加，吸聲效應更顯著。

圖3 由2種非織造布組成的夾層結構Fig.3 Sandwich structure formed by two types of nonwovens

1.3 梯度結構

進行多層多孔材料吸聲體的設計時，將不同孔隙率的各層按梯度順序來排列，就形成梯度結構。梯度結構也是用纖維材料構建吸聲結構體的有效方法。

有研究將2～3層孔隙性能不相同的不銹鋼纖維材料[23-24]組成梯度結構，發現這種梯度結構可有效改善材料的低頻吸聲性。實驗表明：孔隙率分別為91%、85%、80% 的不銹鋼纖維材料按照孔隙率從小到大的順序排列時，頻率低于1 600 Hz時，吸聲系數最高可達0.9；反過來按照從大到小排列時，吸聲系數最高只有0.6。

Zhu等[25]采用真空燒結法將直徑為8、12、20 μm的3種不銹鋼纖維制出12種不同厚度、不同孔隙結構的材料，并制備了1～3層孔隙率梯度結構的吸聲材料。多層梯度結構中所含界面更多，前方界面與后方界面間存在的聲阻率差異大時，表示系統中存在更多聲反射循環，即聲波在空氣-多孔材料界面和梯度材料內部界面之間產生不斷反復的反射，可通過在有限厚度條件下增加界面數量，從而進一步增加吸聲系數。

在此基礎上，敖慶波等[26-28]采用不銹鋼纖維研究制備了超薄梯度吸聲結構。研究發現，對于超薄結構，孔隙率小和孔徑小的一側朝向聲源利于增強全頻段的吸聲性能。

2 多孔與共振復合降噪結構

共振式吸聲是指當聲波進入某一具有固定共振頻率的共振結構時，若聲波的頻率和此共振頻率相同會發生共振，使聲能大量被耗損。共振式吸聲結構在降噪領域多以穿孔板形式出現。

對纖維材料而言，由于孔隙結構的限制，很難在低頻降噪上有很大突破。于是有研究者將多孔吸聲機制和共振吸聲機制復合，設計高效降噪結構體。

呂麗華等[29]采用共混熱壓工藝，以廢舊的滌綸纖維作為增強材料，將熱塑性聚氨酯作為基體材料，制出廢舊滌綸纖維/聚氨酯復合材料，并將其加工為穿孔板，與廢舊滌綸纖維織物進行貼合，制備吸聲產品。研究發現：穿孔板孔徑由1 mm增大到2 mm，產品對3 000 Hz噪聲吸聲系數增大71%，達到0.89；而當穿孔板厚度增加，吸聲系數峰值會向低頻方向移動，同時峰值略有減小；隨著穿孔率的增加，材料的吸聲頻帶被拓寬，而峰值會降低；所用滌綸織物層數從1層增至3層，最大吸聲頻帶會移至800 Hz左右的區域，同時吸聲系數峰值提高76%。

田一等[30]開發了一種微孔纖維復合吸聲板，表層為微穿孔吸聲板，內層則為鋁纖維吸聲板，如圖4所示。其吸聲曲線在1 600 Hz前有2個吸聲峰，在240 Hz及1 000 Hz左右時吸聲系數接近1。由于二者的中間腔和背后空氣腔的存在，結合成為一種雙共振吸聲結構，在中低頻的降噪性能較好，其可以與鋁纖維吸聲板的高頻吸聲特性進行互補，結合發揮出更好的降噪效果[31-33]。

圖4 微孔纖維復合吸聲板Fig.4 Microporous fiber composite sound-absorbing panel

黃麻具有可生物降解的特點，并且具有良好的吸聲隔音效果[34]，常作為降噪材料被用于家用洗衣機、吸塵器等電器中。將黃麻氈與微穿孔板復合，可改善黃麻氈對低頻噪聲的降噪性能。Bansod等[35]將3種密度不同的黃麻氈分別與空氣層、穿孔率為1.23%的微穿孔板(MPP，見圖5)以2種構建方式進行復合：MPP在黃麻氈之前，黃麻氈和剛性壁間有空氣層；MPP在黃麻氈和空氣層之間，如圖5所示。測試發現，微穿孔板在聲波入射的一側時，結構體在中頻區域的吸聲效果較好，在500 Hz左右的吸收峰出現寬帶吸收現象。

圖5 微穿孔板Fig.5 Micro perforated panel

裴春明等[36]以玻璃棉和微穿孔板為原料，制備了吸聲結構體。結果表明，復合結構的吸聲效果明顯優于微穿孔板和玻璃棉單獨存在時的吸聲效果，當纖維材料位于微穿孔板前方，對600～1 600 Hz頻段噪聲產生很好的吸收效果，吸聲有效頻段得到大幅拓寬，并向低頻移動。

目前，以纖維材料為原料，將多孔吸聲機制和共振吸聲機制相結合進行復合結構設計的研究中，纖維材料多被制備成氈狀或復合材料板材。在將來，其他形式的纖維結合體與共振吸聲機制的結合也值得進行探索。

3 多孔與阻尼復合降噪結構

由于紡織材料輕薄、阻尼低等性質，其作為隔聲材料往往效果并不顯著[37]。有研究將紡織品與阻尼材料結合提高降噪性能。

阻尼減振降噪機制即增加系統的阻尼，提高系統損耗能量的能力，從而減少結構的振動及由此產生的聲輻射，來達到降噪的目的[38]。黏彈性材料是阻尼減振降噪的常用材料，其性能介于黏性和彈性材料之間，受力后分子間產生相對滑移，增加系統能量的耗散。

近年來，阻尼性能優良的樹脂、泡沫鋁等材料常被應用到降噪中。紡織材料可通過和阻尼材料復合成降噪結構體，來獲得更好的降噪效果。當基體材料接收到聲波，發生彎曲振動，阻尼層反復受到拉伸、壓縮，由此實現聲能耗散，達到降噪效果[39]。另外，加入降噪功能的填料也有利于提高材料的吸聲隔音效果[40-41]。

Yan等[42]采用溶液共混法將納米黏土填料加入聚丙烯(PP)中，制備出PP/黏土納米復合隔聲材料。測試發現，加入納米黏土填料可顯著提高復合材料的全頻隔聲性能，在3 200～6 400 Hz高頻下，PP/6.5%黏土樣品的隔聲量比純PP樣品提高7～14.8 dB。這種納米復合材料性能的增強歸因于聚合物基體與納米填料之間的協同效應。

Kim等[43]同樣采取溶液共混法將黏土、碳納米管混合納米填料加入到PP中，制備出了PP/黏土/碳納米管復合隔聲材料。研究發現：PP/4.8%黏土/0.5%碳納米管復合材料在高頻(3 200～6 400 Hz)下的隔聲量比純PP高15～21 dB，在低頻(580～620 Hz)下隔聲量比純PP高8～14 dB；加入混合填料的復合結構體隔聲性能強于加入單種填料的復合結構體。

椰殼纖維源于廢棄天然產物，其中空的單個纖維細胞賦予其較好的聲學性能，在降噪領域有著可替代玻璃纖維、巖棉等材料的杰出潛力。Mamtaz等[44]制備出椰殼纖維多孔材料，并將圓柱形稻殼纖維顆粒作為填料通過黏合劑和多孔材料復合到一起。研究發現：隨著樣品厚度、纖維顆粒組分、黏接劑用量增加和纖維粒徑的減小，吸聲系數峰值逐漸向著低頻移動；在最佳條件下，752 Hz時吸聲系數的最佳峰值達0.86。這項研究除了構建降噪結構體，也利于用較低成本實現用天然廢料作為降噪材料的再利用。

潘涵等[45]選取由硫酸鋇粉末填充的聚氯乙烯(PVC)基復合材料作為基體材料，選用EW100和EW200 2種不同型號的玻璃纖維織物作為增強材料與之復合，制備出層合結構玻璃纖維織物/PVC基復合材料，如圖6所示。結果發現，玻璃纖維織物/PVC基復合材料與單層的PVC基復合材料相比，拉伸載荷大大提高，常溫環境下的阻尼性能提高。

圖6 玻璃纖維織物/PVC基復合材料層合結構Fig.6 Samples of several laminated structures. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3; (d) Sample 4; (e) Sample 5

在降噪材料的研發過程中，成本及環保問題也時刻被關注。Zhou等[46]使用再生橡膠(R-Rubber)與七孔中空聚酯纖維(SHPF)為原料，制備了低成本的環保R-Rubber/SHPF復合材料，在較寬的溫度范圍內具有優異的阻尼性能。該復合材料的SHPF含量、厚度對聲學性能有顯著影響，橡膠材料與纖維材料質量比為100∶25且厚度為1 mm的復合材料，在2 500 Hz時吸聲系數峰值為0.407；質量比為100∶20的復合材料其厚度由0.5 mm增加至2 mm時，該結構體在中低頻率下表現出較好的吸聲性能。

4 結束語

降噪結構體的制備可以通過結構的構建，使材料發揮出更好的降噪效果；但在材料復合的過程中，厚度、質量的增加，會限制復合結構體的應用，如在交通工具及有限空間內，因此，降噪結構體的研究方向必然會趨于輕薄型。

目前，纖維材料制備的降噪結構體多對高頻噪聲效果更顯著，但對低頻噪聲的降噪效果還不理想；但是在很多情況下，如室內空間，外界噪聲經墻體阻隔后，進入室內的更多是中低頻噪聲，所以，如何實現對中低頻噪聲的高效降噪仍是今后研究的重點。

近年來，隨著環保意識的增強，人們對綠色制造與產品的生態性要求越來越高。將來人們對降噪產品在原料的無害化、加工過程的清潔化、產品的生態化等方面會更加注重。而且，對降噪產品而言，多功能化也是將來發展的重要方向。人們對家用紡織品、裝修裝飾材料等與降噪有關的產品，除吸聲隔音要求外，還希望具有阻燃、防紫外線、保溫、拒污等多種功能。