仿生木材結構穿孔纖維板吸聲性能

賈世芳，劉靜怡，林賢銑，孫偉圣，郭璽，曹惠敏，王文斌

(浙江農林大學工程學院，杭州 311300)

噪聲污染與水污染、大氣污染、廢物污染被列為全球四大污染。噪聲不僅影響人們的休息，降低工作效率，還會引發聽覺、心腦血管及內分泌系統損傷，對人類健康造成極大危害[1]。因此，防治噪聲污染已成為環境治理過程中的熱點問題。噪聲治理主要有2種方式，室外主要以隔聲材料為主，室內大多采用吸聲材料進行降噪[2]。木質材料是常用的室內裝修吸聲材料，其中，中密度纖維板以其較高的力學性能、良好的機械加工性及優良的裝飾性能，被廣泛應用于木質穿孔板的制備[3]。

吸聲材料按照吸聲機理差異可分為多孔吸聲材料和共振吸聲結構材料，穿孔板是基于共振吸聲原理的吸聲材料[4]。左言言等[5]提出穿孔板主要用于吸收中低頻率的噪聲，偏離共振頻率后吸聲系數急劇下降，具有很強的選擇性；朱廣勇等[3]研究表明穿孔中密度纖維板的吸聲性能由板厚、孔徑、穿孔率和板后空腔深度等因子共同決定；Yang等[6]研究了聲波入射方向對微穿孔板吸聲特性的影響，結果表明，吸聲結構穿孔方向發生變化時，聲波進入穿孔后傳播路徑不同，其吸聲峰值與共振頻率均發生改變；何立燕等[7]利用溶芯澆注成型方法制備具有變截面孔的環氧樹脂基微穿孔板，調整直孔為變截面孔后，吸聲頻帶有所拓寬，平均吸聲系數增大；潘路希等[8]利用數學統籌的方法，探討不同孔徑的分布對穿孔板吸聲效果的影響，結果表明，大小孔徑對不同頻率的吸聲是有選擇的。綜上所述，當前研究主要集中于木質穿孔板的直孔結構研究，吸聲頻段窄，吸聲性能局限性較大[9]；此外，一些變截面微穿孔板吸聲性能雖有所改善，但是在原材料的選擇以及穿孔板制備工藝方面均不具備大批量生產的可能性。因此，可工業化應用的多頻段吸聲木質穿孔板具有很高的研究價值。

開展仿生結構功能一體化材料的研究具有重要意義。木材是天然復合材料，形態各異的木材分級多孔結構為仿生材料制備提供了模板[10]，其中空的細胞結構對于新型吸聲材料的構建奠定了良好的基礎[11]，但木材生長周期較長、利用率低，不適合制備吸聲材料。將木材多孔結構合理運用，對于開發良好的吸聲材料具有重要作用。董明銳等[12]模擬木材內部導管和紋孔，利用3D打印技術制備了仿生木材結構吸聲板，在多頻段獲得良好的吸聲特性，但是3D打印技術效率低、成本高，無法實現批量生產。筆者在3D打印材料制備穿孔板基礎上，以中密度纖維板為基材，對仿生木材吸聲結構進行優化設計，利用分層加工工藝制備具有優良吸聲效果的仿生木材結構穿孔纖維板，實現了木質穿孔板的多頻段吸聲，為木質吸聲材料的開發提供了新思路。

1 材料與方法

1.1 仿生木材結構設計

董明銳等[12]設計的仿生木材復孔吸聲結構見圖1a，該結構由兩部分構成，其中，主孔仿生木材導管，側孔仿生木材導管壁紋孔。為方便木質材料加工，將仿生木材吸聲結構進行優化變形，以圓柱形直孔仿生木材導管，直孔內壁開槽側孔仿生木材導管壁上的紋孔，數個側孔近似為直徑大于主孔的圓形(圖1b)，大圓半徑與主孔半徑間的差值記為側孔深度值。本研究設計的用于木質穿孔板的仿生木材結構立體圖見圖1c。相比直孔結構，當聲波作用在纖維板表面時，由于側孔的作用，會增加聲波在穿孔內部的反射頻率，聲波與孔道內壁發生多次碰撞，引起的摩擦和空氣黏滯消耗加劇，聲波進出穿孔板損耗增加，從而使聲能衰減(圖2)。

圖1 仿生木材結構圖Fig. 1 Bionic wood structure diagram

圖2 聲波反射示意圖Fig. 2 Acoustic reflection diagram

1.2 試驗方案

仿生木材結構穿孔纖維板由5層厚度為3 mm的中密度纖維板膠合而成(圖3)。

圖3 仿生木材結構穿孔纖維板Fig. 3 Bionic perforated wood structure fiberboard

1)以主孔直徑(d)、穿孔率(P)和傾斜角度(α，即主孔與豎直方向夾角，0°≤α<90°)為變量，設計正交試驗(表1)研究基礎結構因素對穿孔纖維板吸聲性能的影響。試件規格為200 mm×500 mm×15 mm，在長方形板的任意位置按照測試要求選取直徑分別為30和100 mm的試件進行測試，長方形板穿孔率分別為3.14%，4.18%和5.84%。由于孔型涉及傾斜穿孔，圓形測試樣品邊緣部分傾斜孔被截斷，因此，有效穿孔面積以單孔完全穿透試件為標準，則樣品實際穿孔率分別為2.78%，3.48%和4.54%。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Orthogonal experimental factor level table

2)穿孔纖維板仿生木材結構示意圖見圖4，側孔深度h=0，1，2，3和4 mm，即偶數層孔徑(D)分別為3，5，7，9和11 mm。長方形板穿孔率3.14%，樣品實際穿孔率2.89%，主孔直徑3 mm，傾斜角度30°。利用分層加工法對中密度纖維板進行打孔加工，同時制備一組不開孔的試件為對照組。

每個水平加工3組試件，每組試件重復測試3次，取均值。

圖4 穿孔纖維板仿生木材結構示意圖Fig. 4 Schematic diagram of wood structure of bionic perforated fiberboard

1.3 仿生木材結構穿孔纖維板的制備

1.3.1 試驗材料與加工設備

中密度纖維板尺寸為500 mm×200 mm×3 mm，密度為750.0 kg/m3，購于臨安恒定建筑材料有限公司。AQUENCE KL 3051LV白乳膠，購于漢高(中國)投資有限公司。

XLB-D500×500型平板硫化機，湖州東方機械有限公司；CHKJ-1325型木材數控雕刻機，杭州超翰科技有限公司；MDEL Z512-2型臺式鉆床，杭州西湖臺鉆有限公司。

1.3.2 制備方法

分層加工工藝示意圖如圖5所示，分別在每層中密度纖維板上以一定的孔徑和穿孔率排布對應孔型，利用木材數控雕刻機和臺式鉆床加工被測試件，將加工好的5層纖維板單面輥涂白乳膠，施膠量為75 g/m2，然后用熱壓機熱壓成型，熱壓時間30 min、熱壓壓力1.0 MPa、熱壓溫度35 ℃。

圖5 分層加工工藝示意圖Fig. 5 Schematic diagram of layered processing technology

1.4 仿生木材結構穿孔纖維板的吸聲性能測試

參照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》測定仿生木材結構穿孔纖維板的吸聲性能。采用北京聲望公司生產的四通道阻抗管測試系統檢測，高頻選用小管SW477，試件直徑30 mm；中低頻選用大管SW422，試件直徑100 mm，板后空腔深度設置為50 mm。測試環境溫度為20.0 ℃，相對濕度50.0%，大氣壓力101.325 kPa。在測試時以2 Hz為步長，保存每2 Hz的吸聲系數，頻率范圍64～6 300 Hz，分析穿孔纖維板吸聲規律走勢。

2 結果與分析

2.1 主孔直徑、穿孔率、傾斜角度對吸聲性能影響

穿孔纖維板中低頻段吸聲系數峰值如表2所示。由表2可知，對吸聲系數峰值影響最大的因素為傾斜角度，其次為主孔直徑，再次為穿孔率。制備工藝因素對吸聲系數峰值影響的方差分析如表3所示，結果表明，主孔直徑、穿孔率、傾斜角度3個因素對于吸聲系數峰值的影響均具有顯著性。

1)主孔直徑對吸聲系數峰值的影響。由表2可知，隨著主孔直徑的增大，吸聲系數峰值逐漸降低。當穿孔纖維板主孔直徑小于3 mm時，主孔直徑對吸聲系數峰值影響較大；而當主孔直徑大于3 mm后，吸聲系數峰值變化趨于平緩，均呈下降趨勢。這是因為穿孔聲阻隨著主孔直徑的平方反比增加[13]，當穿孔纖維板主孔直徑增加時，穿孔纖維板結構的聲阻和聲抗均減小，聲能進出穿孔纖維板時消耗降低，吸聲系數峰值減小，這與Putra等[14]的研究結論相符。

表2 正交試驗吸聲系數峰值結果Table 2 Peak results of sound absorption coefficients in orthogonal experiment

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

2)穿孔率對吸聲系數峰值的影響。由表2可知，穿孔率的增加會導致吸聲系數峰值先減小后增大。穿孔率增加后，穿孔纖維板上的穿孔面積增大，聲阻減小，聲波經過穿孔纖維板時沒有發生充分振動，便從板后空腔反射傳出穿孔纖維板，因而吸聲系數峰值降低[15]。相比穿孔率3.14%，當穿孔率增大到4.18%時，纖維板吸聲系數峰值下降了8.37%；當穿孔率增大到5.84%時，吸聲系數峰值下降了2.17%。在穿孔率從4.18%增加至5.84%過程中，吸聲系數峰值有所增加，這可能是由于中密度纖維板自身因素和加工方式造成的。中密度纖維板是以多種纖維為原料，經打碎、纖維分離、干燥后施加膠黏劑熱壓而成的板材，經打孔加工后，一些細小的纖維暴露出來，從而使粗糙的纖維表面具有一定吸聲效果。

3)傾斜角度對吸聲系數峰值的影響。由表2可知，隨著傾斜角度的增大，吸聲系數峰值先增大后減小，當穿孔傾斜角度為30°時，吸聲效果較好。根據S=πdt+2dt(1/cosα-1)可計算聲波與孔壁的接觸面積(S)，其中，t為材料厚度。垂直穿孔時，孔道內壁面積為1.413 cm2；穿孔傾斜角度為30°時，孔道內壁面積為1.548 cm2；穿孔傾斜角度小于30°時，隨著傾斜角度的增大，聲波與孔壁接觸面積增大，聲能消耗增大，吸聲系數峰值升高。傾斜穿孔時孔截面呈橢圓形，當穿孔角度為60°時，橢圓長軸為6 mm，穿孔結構聲阻抗減小，聲能損耗減小，同時，角度過大會導致垂直入射的聲波較難進入穿孔，因而吸聲系數峰值有所下降。這與寧景鋒等[16]研究斜置微穿孔板結構吸聲性能的試驗結論相符，穿孔纖維板斜置角度對其吸聲性能有一定影響，適當調整穿孔角度可獲得理想的吸聲效果。

根據正交試驗，當穿孔纖維板吸聲系數峰值最大時，加工工藝為主孔直徑2 mm、穿孔率3.14%、傾斜角度30°。由于穿孔纖維板穿孔直徑較小時加工較困難，對刀具及各種精度要求較高，生產成本較高，本研究制備的穿孔纖維板優選工藝參數為主孔直徑3 mm、穿孔率3.14%、傾斜角度30°。

2.2 側孔深度對吸聲性能的影響

側孔深度對仿生木材結構穿孔纖維板中低頻吸聲性能的影響如圖6a所示，具體數值見表4。測試結果表明，未穿孔的纖維板不具備吸聲性能；當側孔深度小于2 mm時，隨著側孔深度的增大，仿生木材結構穿孔纖維板吸聲系數峰值無明顯差異，均在0.94以上，共振頻率向高頻方向偏移，有效吸聲頻帶寬度逐漸變寬；當側孔深度大于2 mm后，隨著側孔深度的增大，仿生木材結構穿孔纖維板吸聲系數峰值基本不變，均達0.96以上，共振頻率向低頻方向移動，有效吸聲頻帶寬度逐漸變窄，但仍大于直孔結構穿孔纖維板。

側孔深度對仿生木材結構穿孔纖維板中高頻吸聲性能的影響如圖6b所示，共振吸聲峰對應的吸聲系數峰值與共振頻率值見表5。從圖6b中可以看出，未增加側孔結構時，穿孔纖維板的中高頻吸聲系數峰值僅為0.27，幾乎不具備高頻段吸聲性能；仿生木材結構穿孔纖維板側孔深度大于1 mm后，在中高頻段及高頻段均出現2個較為明顯的共振吸聲峰。隨著側孔深度的增大，吸聲系數峰值升高，當側孔深度為4 mm時，吸聲系數峰值可達0.67；共振頻率隨著側孔深度的增大先升高后降低，當側孔深度為2 mm時，其共振頻率最大為4 492 Hz；有效吸聲頻帶寬度總體呈拓寬趨勢。

圖6 側孔深度對仿生木材結構穿孔纖維板吸聲性能的影響Fig. 6 Effect of side hole depth on sound absorption of perforated fiberboard with bionic wood structure

表4 不同側孔深度仿生木材結構穿孔纖維板中低頻吸聲系數Table 4 Medium and low frequency sound absorption coefficients of bionic wood structure perforated fiberboard with different side hole depths

表5 不同側孔深度仿生木材結構穿孔纖維板中高頻吸聲系數Table 5 Medium and high frequency sound absorption coefficients of bionic wood structure perforated fiberboard with different side hole depths

根據上述分析可知，仿生木材結構穿孔纖維板在增加側孔結構之后，吸聲性能改善明顯。在中低頻，側孔深度對穿孔纖維板吸聲系數峰值影響較小，吸聲系數峰值均在0.94以上；在中高頻，側孔深度對吸聲系數峰值影響較大，隨側孔深度增加，吸聲系數峰值顯著提高，吸聲系數峰值相差0.40。未加側孔時，普通柱狀單孔道內壁面積為1.548 cm2；增加側孔后，聲波與孔內壁接觸面積依據S1=πdt+1.2dt(1/cosα-1)+0.8πht計算：當側孔深度分別為1，2，3，4 mm時，孔道內壁面積分別為 1.871，2.248，2.624，3.000 cm2。隨著側孔深度的增加，孔道內壁面積增加，聲波與孔道內壁摩擦作用增加，聲能轉化為熱能損耗增加，吸聲系數峰值升高。側孔深度變化對穿孔纖維板共振頻率有一定影響，共振頻率隨側孔深度增加先增大后減小，中低頻、中高頻共振頻率變化規律一致。根據赫姆霍茲共振結構對共振頻率的影響[17]可知，隨側孔深度的增大(即赫姆霍茲共振腔體積增加)，吸聲結構共振頻率先向高頻方向移動，達到極值后，繼而向低頻方向偏移。穿孔纖維板吸聲原理可歸因于多個赫姆霍茲共振器的并聯效應[18]，本研究討論的仿生木材結構穿孔纖維板在直孔上增加側孔結構，每個主孔與側孔之間的連接組成一個赫姆霍茲共振器，這是仿生木材結構穿孔纖維板在中高頻段和高頻段產生共振吸聲峰的原因。

3 結 論

通過分層加工方式，制備了具有側孔結構的仿生木材結構穿孔纖維板，解決了傳統機械方式無法加工復雜孔型的技術難題，主要獲得以下結論：

1)影響穿孔纖維板吸聲系數峰值的各因素主次順序為傾斜角度>主孔直徑>穿孔率；制備仿生木材結構穿孔纖維板優選工藝參數為主孔直徑3 mm、穿孔率3.14%、傾斜角度30°。

2)側孔深度對穿孔纖維板共振頻率和吸聲系數峰值具有較大影響。在中低頻，隨著側孔深度的增大，共振頻率先增加后減小，吸聲系數峰值變化不明顯，均高于0.94；在高頻，隨著側孔深度的增大，共振頻率先增加后減小，吸聲系數峰值不斷升高，當側孔深度為4 mm時，穿孔纖維板在高頻3 632 Hz處的吸聲效果最好，吸聲系數峰值為0.67。

3)本研究有助于了解仿生木材穿孔結構的吸聲特性，以主孔仿生木材導管、側孔仿生木材導管壁上的紋孔。當側孔深度大于1 mm時，在測試全頻段(64～6 300 Hz)出現3個共振吸聲峰，在豎直穿孔中增加側孔結構后，能夠實現穿孔纖維板多頻段吸聲的效果。