梯度結構活性碳纖維氈吸聲性能分析

沈 岳， 蔣高明， 劉其霞

(1. 南通大學 紡織服裝學院， 江蘇 南通 226019；2. 江南大學 針織技術教育部工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

活性碳纖維氈內部具有錯綜復雜的孔隙結構，微孔與微孔相互關聯(lián)，構成了獨特的多維立體造型，是一種可降解環(huán)保型多孔輕質吸音材料，在室內裝飾、汽車內飾等方面受到青睞，對降低噪音具有顯著效果[1]。隨著多孔纖維材料在噪聲控制領域應用的不斷擴展，針對活性碳纖維材料吸聲性能研究顯得越來越重要。

目前，國內外專家對活性碳纖維吸聲分析報道很少[2-3]。課題組從吸聲性能和理論模型等方面對活性碳纖維材料進行大量研究[4-6]。在實驗方面，探討了制備條件、微觀和宏觀結構和復合結構對活性碳纖維氈吸聲性能影響。在理論模型方面，基于Delany和Bazley經驗模型和現象模型分別建立了吸聲系數和聲學特征參數理論模型；從活性碳纖維吸聲材料本身的結構特征，分別以Voronina模型和圓管理論模型為基礎，建立宏觀和微觀結構條件下的活性碳纖維材料吸聲理論模型，為設計和開發(fā)活性碳纖維吸聲材料提供理論指導。但同其他多孔纖維材料一樣，單一結構的活性碳纖維氈在中低頻段吸聲性能較差，在高頻段吸聲性能較好，出現較大幅度起伏，存在吸聲性能不穩(wěn)定現象[7-8]。為解決這個問題，可通過設計梯度結構活性碳纖維材料來提高低頻吸聲性能。

為研究梯度結構活性碳纖維材料的吸聲性能，本文分析了不同方向、不同密度和不同結構對梯度結構活性碳纖維吸聲性能的影響，以期為開發(fā)和設計梯度結構活性碳纖維吸聲材料提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本文實驗選擇5塊粘膠基活性碳纖維氈(江蘇蘇通碳纖維有限公司)，規(guī)格如表1所示。5塊活性碳纖維氈的厚度、比表面積、直徑、孔容基本相同，但密度不同。

表1 活性碳纖維氈規(guī)格表Tab.1 Basic parameters of activated carbon fiber felts used in experiment

為研究密度梯度結構活性碳纖維氈吸聲性能，將表1中密度不同的活性碳纖維氈兩兩組合，構成密度從小到大的正梯度結構和從大到小的倒梯度結構2類活性碳纖維氈。

1.2 吸聲性能測試

采用北京聲望技術公司的SW422和SW477型鋁合金阻抗測量管，按照ISO10534-2：1998《聲學 阻抗管吸聲系數和阻抗測定 第2部分:傳遞函數法》，將活性碳纖維氈分別切割成直徑為10、3 cm的圓形，將2種不同尺寸的各種試樣分別放在SW422和SW477型阻抗管中各測試5次，通過VA-Lab4軟件計算各頻率下吸聲系數的平均值。

2 結果與討論

2.1 活性碳纖維氈梯度方向對吸聲性能影響

圖1示出密度分別為111.9/52.8(倒梯度結構)、52.8/111.9 kg/m3(正梯度結構)的2組試樣的吸聲系數曲線。可以看出，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內，活性碳纖維氈在中低頻段的吸聲系數增加，在高頻段吸聲系數出現起伏。這可能是因為隨著頻率的增加，活性碳纖維氈內部空氣振動加快，空氣和材料摩擦加大，熱傳導加快，導致更多聲能轉化為熱能，使吸聲性能提高[9]。但在高頻段相繼出現波峰和波谷，吸聲性能出現波動。

圖1 活性碳纖維氈梯度方向對吸聲系數的影響Fig.1 Impact of activated carbon fiber felts at gradient directions on acoustic absorption coefficient

從圖1還可看出：在低頻段，111.9/52.8 kg/m3倒梯度結構活性碳纖維氈吸聲系數大于其正梯度結構，在高頻段正梯度結構活性碳纖維氈吸聲系數大于倒梯度結構；正梯度和倒梯度結構活性碳纖維氈第一共振頻率分別為2 589、1 698 Hz，倒梯度結構活性碳纖維氈的第一共振頻率小于正梯度結構，而第一共振吸聲系數大于正梯度結構。從中可以發(fā)現，倒梯度結構第一共振頻率向低頻移動，吸聲頻帶變寬，使倒梯度結構吸聲性能優(yōu)于正梯度結構活性碳纖維氈。這可能是因為第一共振頻率和第1層密度有關，第1層密度增加，使活性碳纖維氈內部流阻增大，空氣與孔壁摩擦機會增大，使更多的聲能轉化成熱能而衰減，第一共振頻率向低頻移動；在高頻段，由于聲波主要通過活性碳纖維氈表面被吸收，第1層密度增加，使得活性碳纖維氈流阻增大，表面反射能力增強，導致吸聲性能下降。

2.2 活性碳纖維氈密度對吸聲性能影響

圖2(a)示出第2層密度為111.9 kg/m3，第1層密度分別為52.8、70.6、93.8 kg/m3的3組正梯度結構試樣的吸聲系數曲線。可以看出，當第2層密度不變時，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內，正梯度結構活性碳纖維氈隨著第1層密度的增加，在低頻段吸聲系數增加，在高頻段吸聲系數減小；第1層密度分別為52.8、70.6、93.8 kg/m3的正梯度結構活性碳纖維氈第一共振頻率分別為2 589、2 183、1 649 Hz，說明第一共振頻率向低頻移動，而第一共振吸聲系數隨之增加。

圖2 活性碳纖維氈密度對正梯度結構吸聲系數的影響Fig.2 Impact of density on acoustic absorption coefficient of activated carbon fiber felts with positive gradient structure. (a)Impact of density of first layer;(b)Impact of density of second layer

圖2(b)示出第1層密度為52.8 kg/m3，第2層密度分別為70.6、93.8、111.9 kg/m3的3組正梯度結構試樣的吸聲系數曲線。可以看出：當第1層密度不變時，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內，正梯度結構活性碳纖維氈隨著第2層密度的增加，在低頻段吸聲系數增加，在高頻段吸聲系數基本不變；3組樣品的第一共振頻率均在2 600 Hz左右，基本保持不變，而第一共振吸聲系數隨第2層密度的增加而增加。

圖3(a)示出第2層密度為52.8 kg/m3，第1層密度分別為70.6、93.8、111.9 kg/m3的3組倒梯度結構試樣的吸聲系數曲線。可以看出，當第2層密度不變時，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內，倒梯度結構活性碳纖維氈隨著第1層密度的增加，在低頻段吸聲系數增加，在高頻段吸聲系數減小；第1層密度分別為70.6、93.8、111.9 kg/m3的倒梯度結構活性碳纖維氈第一共振頻率分別為2 283、2 040、1 698 Hz，說明第一共振頻率向低頻移動，而第一共振吸聲系數增加。

圖3 活性碳纖維氈密度對倒梯度結構吸聲系數的影響Fig.3 Impact of density on acoustic absorption coefficient of activated carbon fiber felts with negative gradient structure. (a)Impact of density of first layer;(b)Impact of density of second layer

圖3(b)示出第1層密度為111.9 kg/m3，第2層密度分別為52.8、70.6、93.8 kg/m3的3組倒梯度結構試樣的吸聲系數曲線。可以看出，當第1層密度不變時，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內，倒梯度結構活性碳纖維氈隨著第2層密度的增加，在低頻段吸聲系數增加，在高頻段吸聲系數基本不變；3組樣品第一共振頻率均在1 650 Hz左右，基本保持不變，而第一共振吸聲系數增加。

對比圖2、3可以發(fā)現，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內，無論是倒梯度結構還是正梯度結構，梯度結構活性碳纖維氈的第一共振頻率和第1層密度變化有關，但和第2層密度變化無關，隨著第1層密度的增加，第一共振頻率向低頻移動；第一共振吸聲系數和總密度有關，隨著總密度的增加，第一共振吸聲系數增加。在低頻段，梯度結構活性碳纖維氈的吸聲性能與其總密度有關，隨著梯度結構總密度的增加，活性碳纖維氈在低頻段的吸聲性能提高；在高頻段，梯度結構活性碳纖維氈的吸聲性能和第1層的密度有關，無論是倒梯度結構還是正梯度結構，隨著第1層密度增加，活性碳纖維氈在高頻段吸聲性能降低，第1層密度相同，在高頻段梯度結構吸聲系數基本相同。

2.3 活性碳纖維氈結構對吸聲性能影響

為分析不同結構活性碳纖維氈的吸聲性能，選擇單一結構、正梯度結構和倒梯度結構3種進行對比。圖4示出密度分別為82.3/82.3、52.8/111.9、93.8/70.6 kg/m3的3組試樣的吸聲系數曲線。

圖4 活性碳纖維氈梯度結構對吸聲系數的影響Fig.4 Impact of activated carbon fiber felt gradient structures on acoustic absorption coefficient

可以看出，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內，當組合總密度相同時，低頻段82.3/82.3單一結構活性碳纖維氈的吸聲系數比93.8/70.6倒梯度結構小，但比52.8/111.9正梯度結構活性碳纖維氈的吸聲系數大；在高頻段單一結構活性碳纖維氈的吸聲系數比倒梯度結構的大，但比正梯度結構活性碳纖維氈的吸聲系數小。單一結構、正梯度結構、倒梯度結構活性碳纖維氈的第一共振頻率分別為2 255、2 589、 1 785 Hz。單一結構活性碳纖維氈第一共振頻率大于倒梯度結構，但小于正梯度結構；單一結構活性碳纖維氈的第一共振吸聲系數小于倒梯度結構，但大于正梯度結構。

對比可以發(fā)現，在低頻段單一結構活性碳纖維氈的吸聲性能比正梯度結構的好，比倒梯度結構的差，在高頻段單一結構活性碳纖維氈的吸聲性能比正梯度結構的差，比倒梯度結構的好。單一結構第一共振頻率比正梯度結構低，比倒梯度結構高，單一結構吸聲頻帶比正梯度結構寬，比倒梯度窄，說明倒梯度結構活性碳纖維氈的吸聲性能優(yōu)于單一結構活性碳纖維氈。

單一結構和梯度結構活性碳纖維氈的吸聲性能不同，這可能與材料的表面聲阻抗率有關。當厚度為l的1塊活性碳纖維氈置于剛性壁面時，其表面聲阻抗率Zs1[10]可表示為：

Zs1=Zc1cothγ1l

(1)

式中：Zc1為緊靠剛性壁面的第1塊活性碳纖維氈的特性阻抗；γ1為緊靠剛性壁面的第1塊活性碳纖維氈傳播常數。

將單一結構的2塊活性碳纖維氈置于剛性壁面時，根據式(1)表面聲阻抗率，利用聲阻抗轉移方法，單一結構活性碳纖維氈表面聲阻抗率Zs2可表示為：

(2)

將厚度同樣為l的第2塊活性碳纖維氈緊靠在第1塊活性碳纖維氈上，根據式(1)表面聲阻抗率，利用聲阻抗轉移方法，梯度結構活性碳纖維氈表面聲阻抗率Zs3可表示為：

(3)

式中：Zc2為第2塊活性碳纖維氈特性阻抗；γ2為第2塊活性碳纖維氈傳播常數。

從式(2)和(3)可以看出，單一結構表面聲阻抗和梯度結構表面聲阻抗是不一樣的。隨著聲阻值增加，吸聲系數增加；隨著聲抗值增加，吸聲系數減小，導致吸聲性能有所區(qū)別。

3 結 論

本文通過研究梯度結構活性碳纖維氈的不同方向、不同密度和不同結構對其吸聲性能的影響, 得出如下結論。

1)在低頻段，倒梯度結構活性碳纖維氈的吸聲性能優(yōu)于正梯度結構；在高頻段正梯度結構活性碳纖維氈的吸聲性能優(yōu)于倒梯度結構。

2)在低頻段，隨著梯度結構總密度的增加，活性碳纖維氈的吸聲性能提高；在高頻段，隨著梯度結構第1層密度增加，吸聲性能降低，第1層密度不變，在高頻段吸聲系數基本相同。

3)在低頻段單一結構活性碳纖維氈的吸聲系數小于倒梯度結構活性碳纖維氈的吸聲系數，但大于正梯度結構的；在高頻段單一結構活性碳纖維氈吸聲系數大于倒梯度結構，但小于正梯度結構。

4)隨著第1層密度的增加，活性碳纖維氈的第一共振頻率向低頻移動；隨著總密度的增加，活性碳纖維氈的第一共振吸聲系數增加。