梯度結(jié)構(gòu)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(xué) 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 南通 226019；2. 江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心， 江蘇 無錫 214122)

活性碳纖維氈內(nèi)部具有錯(cuò)綜復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，微孔與微孔相互關(guān)聯(lián)，構(gòu)成了獨(dú)特的多維立體造型，是一種可降解環(huán)保型多孔輕質(zhì)吸音材料，在室內(nèi)裝飾、汽車內(nèi)飾等方面受到青睞，對(duì)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(lǐng)域應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，針對(duì)活性碳纖維材料吸聲性能研究顯得越來越重要。

目前，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)活性碳纖維吸聲分析報(bào)道很少[2-3]。課題組從吸聲性能和理論模型等方面對(duì)活性碳纖維材料進(jìn)行大量研究[4-6]。在實(shí)驗(yàn)方面，探討了制備條件、微觀和宏觀結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)對(duì)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃同F(xiàn)象模型分別建立了吸聲系數(shù)和聲學(xué)特征參數(shù)理論模型；從活性碳纖維吸聲材料本身的結(jié)構(gòu)特征，分別以Voronina模型和圓管理論模型為基礎(chǔ)，建立宏觀和微觀結(jié)構(gòu)條件下的活性碳纖維材料吸聲理論模型，為設(shè)計(jì)和開發(fā)活性碳纖維吸聲材料提供理論指導(dǎo)。但同其他多孔纖維材料一樣，單一結(jié)構(gòu)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(xiàn)較大幅度起伏，存在吸聲性能不穩(wěn)定現(xiàn)象[7-8]。為解決這個(gè)問題，可通過設(shè)計(jì)梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維材料來提高低頻吸聲性能。

為研究梯度結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對(duì)梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維吸聲性能的影響，以期為開發(fā)和設(shè)計(jì)梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維吸聲材料提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(gòu)成密度從小到大的正梯度結(jié)構(gòu)和從大到小的倒梯度結(jié)構(gòu)2類活性碳纖維氈。

1.2 吸聲性能測(cè)試

采用北京聲望技術(shù)公司的SW422和SW477型鋁合金阻抗測(cè)量管，按照ISO10534-2：1998《聲學(xué) 阻抗管吸聲系數(shù)和阻抗測(cè)定 第2部分:傳遞函數(shù)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(cè)試5次，通過VA-Lab4軟件計(jì)算各頻率下吸聲系數(shù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 活性碳纖維氈梯度方向?qū)ξ曅阅苡绊?/h3>

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

圖1 活性碳纖維氈梯度方向?qū)ξ曄禂?shù)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(jié)構(gòu)活性碳纖維氈吸聲系數(shù)大于其正梯度結(jié)構(gòu)，在高頻段正梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈吸聲系數(shù)大于倒梯度結(jié)構(gòu)；正梯度和倒梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈第一共振頻率分別為2 589、1 698 Hz，倒梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的第一共振頻率小于正梯度結(jié)構(gòu)，而第一共振吸聲系數(shù)大于正梯度結(jié)構(gòu)。從中可以發(fā)現(xiàn)，倒梯度結(jié)構(gòu)第一共振頻率向低頻移動(dòng)，吸聲頻帶變寬，使倒梯度結(jié)構(gòu)吸聲性能優(yōu)于正梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈。這可能是因?yàn)榈谝还舱耦l率和第1層密度有關(guān)，第1層密度增加，使活性碳纖維氈內(nèi)部流阻增大，空氣與孔壁摩擦機(jī)會(huì)增大，使更多的聲能轉(zhuǎn)化成熱能而衰減，第一共振頻率向低頻移動(dòng)；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(qiáng)，導(dǎo)致吸聲性能下降。

2.2 活性碳纖維氈密度對(duì)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(jié)構(gòu)試樣的吸聲系數(shù)曲線。可以看出，當(dāng)?shù)?層密度不變時(shí)，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內(nèi)，正梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈隨著第1層密度的增加，在低頻段吸聲系數(shù)增加，在高頻段吸聲系數(shù)減小；第1層密度分別為52.8、70.6、93.8 kg/m3的正梯度結(jié)構(gòu)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(dòng)，而第一共振吸聲系數(shù)隨之增加。

圖2 活性碳纖維氈密度對(duì)正梯度結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)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(jié)構(gòu)試樣的吸聲系數(shù)曲線。可以看出：當(dāng)?shù)?層密度不變時(shí)，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內(nèi)，正梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈隨著第2層密度的增加，在低頻段吸聲系數(shù)增加，在高頻段吸聲系數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)試樣的吸聲系數(shù)曲線。可以看出，當(dāng)?shù)?層密度不變時(shí)，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內(nèi)，倒梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈隨著第1層密度的增加，在低頻段吸聲系數(shù)增加，在高頻段吸聲系數(shù)減小；第1層密度分別為70.6、93.8、111.9 kg/m3的倒梯度結(jié)構(gòu)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(dòng)，而第一共振吸聲系數(shù)增加。

圖3 活性碳纖維氈密度對(duì)倒梯度結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)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(jié)構(gòu)試樣的吸聲系數(shù)曲線。可以看出，當(dāng)?shù)?層密度不變時(shí)，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內(nèi)，倒梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈隨著第2層密度的增加，在低頻段吸聲系數(shù)增加，在高頻段吸聲系數(shù)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(shù)增加。

對(duì)比圖2、3可以發(fā)現(xiàn)，在250～6 300 Hz頻率聲波范圍內(nèi)，無論是倒梯度結(jié)構(gòu)還是正梯度結(jié)構(gòu)，梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的第一共振頻率和第1層密度變化有關(guān)，但和第2層密度變化無關(guān)，隨著第1層密度的增加，第一共振頻率向低頻移動(dòng)；第一共振吸聲系數(shù)和總密度有關(guān)，隨著總密度的增加，第一共振吸聲系數(shù)增加。在低頻段，梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲性能與其總密度有關(guān)，隨著梯度結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲性能和第1層的密度有關(guān)，無論是倒梯度結(jié)構(gòu)還是正梯度結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)基本相同。

2.3 活性碳纖維氈結(jié)構(gòu)對(duì)吸聲性能影響

為分析不同結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲性能，選擇單一結(jié)構(gòu)、正梯度結(jié)構(gòu)和倒梯度結(jié)構(gòu)3種進(jìn)行對(duì)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(shù)曲線。

圖4 活性碳纖維氈梯度結(jié)構(gòu)對(duì)吸聲系數(shù)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(nèi)，當(dāng)組合總密度相同時(shí)，低頻段82.3/82.3單一結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲系數(shù)比93.8/70.6倒梯度結(jié)構(gòu)小，但比52.8/111.9正梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲系數(shù)大；在高頻段單一結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲系數(shù)比倒梯度結(jié)構(gòu)的大，但比正梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲系數(shù)小。單一結(jié)構(gòu)、正梯度結(jié)構(gòu)、倒梯度結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)活性碳纖維氈第一共振頻率大于倒梯度結(jié)構(gòu)，但小于正梯度結(jié)構(gòu)；單一結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的第一共振吸聲系數(shù)小于倒梯度結(jié)構(gòu)，但大于正梯度結(jié)構(gòu)。

對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在低頻段單一結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲性能比正梯度結(jié)構(gòu)的好，比倒梯度結(jié)構(gòu)的差，在高頻段單一結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲性能比正梯度結(jié)構(gòu)的差，比倒梯度結(jié)構(gòu)的好。單一結(jié)構(gòu)第一共振頻率比正梯度結(jié)構(gòu)低，比倒梯度結(jié)構(gòu)高，單一結(jié)構(gòu)吸聲頻帶比正梯度結(jié)構(gòu)寬，比倒梯度窄，說明倒梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲性能優(yōu)于單一結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈。

單一結(jié)構(gòu)和梯度結(jié)構(gòu)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(guān)。當(dāng)厚度為l的1塊活性碳纖維氈置于剛性壁面時(shí)，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(shù)。

將單一結(jié)構(gòu)的2塊活性碳纖維氈置于剛性壁面時(shí)，根據(jù)式(1)表面聲阻抗率，利用聲阻抗轉(zhuǎn)移方法，單一結(jié)構(gòu)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(jù)式(1)表面聲阻抗率，利用聲阻抗轉(zhuǎn)移方法，梯度結(jié)構(gòu)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(shù)。

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

3 結(jié) 論

本文通過研究梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的不同方向、不同密度和不同結(jié)構(gòu)對(duì)其吸聲性能的影響, 得出如下結(jié)論。

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

2)在低頻段，隨著梯度結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)基本相同。

3)在低頻段單一結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲系數(shù)小于倒梯度結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈的吸聲系數(shù)，但大于正梯度結(jié)構(gòu)的；在高頻段單一結(jié)構(gòu)活性碳纖維氈吸聲系數(shù)大于倒梯度結(jié)構(gòu)，但小于正梯度結(jié)構(gòu)。

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(dòng)；隨著總密度的增加，活性碳纖維氈的第一共振吸聲系數(shù)增加。