玄武岩长丝振膜织物吸声系数研究

杨瑞斌 张 鹏 钟智丽

(1.广州市纤维产品检测院，广州，510220;2.中国产业用纺织品行业测试中心，广州，510220;3.天津工业大学纺织学院，天津，300160)

玄武岩长丝振膜织物吸声系数研究

杨瑞斌1，2张 鹏1，2钟智丽3

(1.广州市纤维产品检测院，广州，510220;2.中国产业用纺织品行业测试中心，广州，510220;3.天津工业大学纺织学院，天津，300160)

用于制作玄武岩纤维振膜的玄武岩长丝涂层织物称之为玄武岩长丝振膜织物。利用VA-Lab4 IMPAT材料吸声系数测试仪，对玄武岩长丝振膜织物和玻璃纤维振膜织物的吸声系数进行测试和比较，并对玄武岩长丝振膜织物吸声系数的影响因素进行研究。结果表明，玄武岩长丝振膜织物可用于制备扬声器振膜，为玄武岩长丝振膜的研制提供试验依据，为玄武岩纤维在声学领域的应用提供数据支撑，以推动玄武岩纤维的产品开发。

玄武岩纤维，玄武岩长丝振膜织物，涂层工艺，吸声系数，传递函数法

玄武岩纤维是以高密度火山岩(多种玄武岩等)为原料，在1 450～1 500℃熔融后，通过喷丝板高速拉制而成的连续纤维。玄武岩纤维具有众多优良特性:较高的使用温度，较高的断裂强度，高模量，较低的热传导系数，高吸声系数，低吸湿性，高比体积电阻，抗紫外线，吸波功能，防辐射，防电磁，燃烧无熔滴，燃烧烟密度低，环保无污染等［1］。

本文主要依据玄武岩纤维优良的吸声效果，对其在扬声器振膜制作领域中的应用做一些基础研究。玄武岩超细纤维材料的吸声特性［2］如表1所示。

表1 玄武岩超细纤维材料的吸声特性

从表1可知，随着频率的增加，玄武岩材料的吸声系数显著提高，且材料与绝缘板间距越大，材料的吸声效果越明显。因此玄武岩纤维具有很好的隔声和吸声效果，使得玄武岩纤维制作的隔声材料在航空、船舶等领域具有广阔的应用前景。

目前，高质量振膜的材料都是昂贵的复合材料或金属材料，特别是芳纶、碳纤维、玻璃纤维在振膜上的应用越来越广泛。一个完美的振膜对材料最基本的要求是质轻、高弹性模量、较高的内阻尼和优良的吸声系数［3］。玄武岩纤维以其突出的高弹性模量和优良的隔声、吸声效果等特点，在声学材料领域占有一席之地。本文通过对玄武岩长丝振膜织物吸声系数的研究，并与玻璃纤维振膜织物进行比较，为玄武岩纤维在扬声器振膜领域的应用提供数据支撑。

1 玄武岩长丝振膜织物的制作

1.1 玄武岩长丝振膜织物的织制

采用41 tex玄武岩长丝与71 tex玻璃纤维长丝，分别织制相似织物厚度和面密度的平纹布若干，研究两种振膜织物的吸声系数。

1.2 玄武岩长丝振膜织物的涂层

1.2.1 涂料选择

目前市场上具有高弹性模量的合成纤维如芳纶、碳纤维和玻璃纤维振膜等，大都采用丙烯酸液或丙烯酸树脂作为涂料，对合成纤维振膜进行涂层以提高其内阻尼。与其他涂料相比，丙烯酸树脂具有众多优点:丙烯酸酯自身就是良好的阻尼材料，具有较好的力学性能和较高的阻尼值(tanδ＞0.3)［4］，常用于与其他聚合物或单体共混、共聚或形成IPN互穿网络结构，获得新型的阻尼材料，效果显著。以丙烯酸树脂作为成膜基料的涂料称作丙烯酸树脂涂料，该类涂料具有色浅、保色、保光、耐候、耐腐蚀和耐污染等优点。因此本文选用热塑性丙烯酸树脂作为涂料，对玄武岩长丝和玻璃纤维织物进行涂覆。

1.2.2 涂层工艺

本试验采用瑞士产WernerMathisAG LTF97885涂层机对两种织物进行涂层固化。该涂层机集涂覆、烘干、固化于一体，操作简单方便。

对涂层工艺参数进行优化，并确定了最优的固化时间。当固化温度为120℃，固化时间为30～40 min时，玄武岩长丝振膜织物的弹性模量和断裂强力达到最优。

1.2.3 试样规格

经试织和涂层工艺的振膜织物规格如表2所示。

表2 织物规格

2 振膜织物吸声系数的测定

2.1 试验设备

本试验采用VA-Lab4 IMP-AT材料测试系统(北京声望声电技术有限公司)，测量法向入射条件下声学材料的吸声系数。该测试系统符合GB/T 18696.2—2002《声学·阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量，第2部分:传递函数法》以及ISO 10534-2:1998 Acoustics-Determination ofSound Absorption Coefficient and Impedance in Impedance Tubes，Part 2:Transfer-Function Method［5］。系统主要由5部分组成:通道校准、测量设置、传递函数测量、结果计算、数据分析。

2.2 试验原理

不同频率的声波入射到同一材料中，材料的吸声系数不同。通常所说的材料吸声系数指的是对应频率的吸声系数，或是以倍频程的中心频率(125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz)下吸声系数的算术平均值来表示材料的吸声性能。材料吸声系数的测量方法有阻抗管法和混响室法［6］，其中阻抗管法是指通过对管中沿轴向传播的单频率平面声波在材料表面反射而形成的驻波进行测量，进而确定材料的吸声系数;而混响室法是通过测定混响室的混响时间来确定材料的吸声系数。本文采用的VA-Lab4 IMP-AT材料吸声系数测试系统属于阻抗管法中的传递函数法。传递函数法的出现使材料吸声系数的测量得到了极大的改进，它不仅使吸声系数从单频测量跨越为宽频测量，节省了大量测试时间，而且采用现代频谱分析方法，使吸声系数的测量速度和准确度得到显著提高［7］。传递函数法测量原理如图1所示。

图1 传递函数法测量原理示意图

2.3 吸声系数的测定

将表2中的1～7号振膜织物分别剪成直径为7 cm的圆形布样，如图2所示。

图2 振膜织物试样

通过图1的测试系统，可快速精确地测出振膜织物的吸声系数。

3 玄武岩长丝与玻璃纤维振膜织物吸声系数的比较

3.1 不同厚度玄武岩长丝振膜织物的吸声系数

测试1～4号试样的吸声系数，结果如图3所示。

图3 不同涂层厚度的玄武岩长丝振膜织物的吸声系数

由图3可知，同一种振膜织物对不同频率的声波吸声系数不同，并且差别很大;不同涂层厚度的玄武岩长丝振膜织物对同一频率的吸声系数也存在差异。但是从总体上看，玄武岩长丝振膜织物对高频声波的吸声系数较大，对中低频(400～1 500 Hz)声波的吸声系数相对较小。随着玄武岩长丝振膜织物涂层厚度的增加，对高频声波的吸声系数增大，并且总体吸声系数(所有频率声波吸声系数的算术平均值)也增大，见图4。当涂层厚度大约为0.10 mm时，高频声波和总体吸声系数达到最大值。当涂层厚度大于0.10 mm后，随着涂层厚度的增加，高频声波和总体吸声系数有逐渐减小的趋势，试样4的涂层厚度为0.29 mm，其高频声波和总体吸声系数比涂层厚度为0.095 mm的试样3明显要小。

图4 不同涂层厚度的玄武岩长丝振膜织物与其总体吸声系数的关系

3.2 玄武岩长丝与玻璃纤维振膜织物吸声系数的比较

玻璃纤维与玄武岩长丝在性能上较为相似，故选择玻璃纤维振膜织物作为玄武岩长丝振膜织物用于扬声器振膜声学性能比较的参考对象。

测量玻璃纤维振膜织物试样5～试样7的吸声系数，结果如图5所示。

图5 玻璃纤维振膜织物的吸声系数

由图5可知，玻璃纤维与玄武岩长丝振膜织物的吸声系数呈现相同的变化趋势，随着涂层厚度的增加，玻璃纤维振膜织物的高频声波吸声系数明显提高。如试样5(未涂层玻璃纤维织物)的高频声波吸声系数最小;试样7(涂层厚度为0.10 mm)的高频声波吸声系数最大。图6为玻璃纤维振膜织物的总体吸声系数。由图6可见，随着涂层厚度的增加，玻璃纤维振膜织物总体吸声系数的变化规律与玄武岩长丝振膜织物一样，都是逐渐增大的。

图6 玻璃纤维振膜织物的总体吸声系数

由表2可知，试样1和试样5的涂层厚度为0，且具有相近的织物厚度和纱线密度;试样2和试样6、试样3和试样7同样具有相近的织物厚度和纱线密度。在织造和涂层过程中，很难控制织物厚度和涂层厚度，因此要达到织物厚度和涂层厚度完全一致几乎是不可能的。为了增加试验的可比性，减小试验误差，应尽可能使织物厚度和涂层厚度相似或相近。所以，试样1和试样5、试样2和试样6、试样3和试样7可作为相似厚度的玄武岩长丝振膜织物与玻璃纤维振膜织物的三组比较物。分别对三组比较物对2 500 Hz高频声波的吸声系数和总体吸声系数进行比较，如图7和图8所示。

由图7和图8可知:在涂料、织物厚度、涂层厚度和纱线密度相同或相近的条件下，玄武岩长丝振膜织物的高频声波吸声系数和总体吸声系数都比玻璃纤维振膜织物的大，说明玄武岩长丝振膜织物的吸声性能比玻璃纤维振膜织物更好，因此玄武岩长丝可作为振膜材料制作扬声器振膜。

图7 2 500 Hz高频声波吸声系数对比

图8 总体吸声系数对比

通过上述分析，选用丙烯酸树脂作为涂料对41 tex玄武岩长丝的平纹织物进行涂层，固化温度120℃，固化时间 30～40 min，涂层厚度为0.05 mm，获得的玄武岩长丝振膜织物能同时满足扬声器对振膜质轻、高弹性模量的要求。而玄武岩长丝振膜吸声系数最重要的影响因素:一是材料自身的性能;二是涂料的性能。所以选用优化工艺参数，通过改变涂层厚度来获得最好的吸声性能，从而使玄武岩长丝振膜织物的阻尼效果最优。

由图4可以看出涂层厚度与玄武岩长丝振膜织物总体吸声系数的变化关系。采用Matlab 7.0数学处理软件，对玄武岩长丝振膜织物的总体吸声系数和涂层厚度进行一元二次回归分析，得出涂层厚度(x)对玄武岩长丝振膜织物总体吸声系数(y)的影响方程式:y=0.150 3x－0.479 2x2+0.071 9，并绘出其曲线，见图9。

图9 涂层厚度与总体吸声系数的曲线图

由图9可以看到，随着涂层厚度x的增加，玄武岩长丝振膜织物的总体吸声系数逐渐增大;当x=0.16时，玄武岩长丝振膜织物的总体吸声系数达到最大值，即曲线图的最高点;当x＞0.16时，随着x的增加，玄武岩长丝振膜织物的总体吸声系数反而逐渐减小。因此涂层厚度为0.16 mm时，将使玄武岩长丝振膜织物的吸声性能达到最优。

4 结语

通过不同涂层厚度的玄武岩长丝振膜织物吸声系数的比较，发现随着涂层厚度的增加，玄武岩长丝振膜织物对高频声波的吸声系数增大，且总体吸声系数也增大。通过分析涂层厚度对玄武岩长丝振膜织物吸声系数的影响关系可知，当涂层厚度为0.16 mm时，玄武岩长丝振膜织物的吸声性能达到最优。

研究表明，选择适当的涂料，优化各项工艺参数，可使玄武岩长丝振膜织物的弹性模量、内阻尼和吸声性能达到最优;同时，玄武岩长丝振膜织物的声学性能优于玻璃纤维振膜织物。因此玄武岩长丝振膜织物符合扬声器振膜的性能要求，完全适合制作扬声器振膜，并以其众多优异性能可部分替代昂贵的碳纤维、芳纶纤维振膜，具有广阔的应用空间和发展前景。

［1］JIIR Militky，VLADIMIR Kovacic，JOTLA Rubnerov.Influence of thermal treatment on tensile failure of basalt fiber［J］.Engineering Fracture Mechanic，2002(69):1000-1005.

［2］谢尔盖，李中程.玄武岩纤维材料的应用前景［J］.纤维复合材料，2004(3):17-19.

［3］周彦武.扬声器的振膜［J］.视听技术，1998(7):36-37.

［4］曾威，李树才.胶乳型互穿聚合物网络阻尼材料［J］.高分子通报，2001(1):68-72.

［5］中国科学院声学研究所.GB/T 18696.2—2002声学阻抗管中吸声系数和声阻抗的测量·第二部分:传递函数法［S］.北京:中国标准出版社，2002.

［6］MAYR Hans.Theory of low-frequency loudspeakers［J］.Alta Frequenza，1974，43(12):1023-1032.

［7］SU Yong，LIN Weizheng.Measurements of material’s acoustic velocity and attenuation by signal analysis［J］.Journal of Building Materials，2001，4(1):65-69.

Research on the sound absorption coefficient of the basalt filament diaphragm fabric

Yang Ruibin1，2，Zhang Peng1，2，Zhong Zhili3
(1.Guangzhou Fibre Product Testing Institute;2.China Nonwovens＆ Industrial Textiles Testing Center;3.School of Textiles，Tianjin Polytechnic University)

The basalt filament coated fabric，used for manufacturing the basalt fiber diaphragm，is called basalt filament membrane fabric.The sound absorption coefficients of the basalt filament diaphragm fabric and glass fiber diaphragm fabric were measured by using the VA-Lab4 IMP-AT Materials Testing.The influence factors of the acoustic performance of basalt filament diaphragm fabric were studied and compared.The results showed that the basalt filament diaphragm fabric can be used for loudspeaker diaphragm，and provided a scientific basis for manufacturing the basalt filament diaphragm and the basalt fiber’s application in acoustics area.It will promote the product development of basalt fiber.

basalt fiber，basalt filament diaphragm fabric，coating technology，sound absorption coefficient，transfer-function method

TS102.4

A

1004－7093(2011)08－0019－05

2011－04－20

杨瑞斌，男，1985年生，工程师。主要从事产业用纺织品检测技术研究及开发。