宽频带高降噪性复合构造木质吸声板工艺设计

郭禾苗，于海鹏

（东北林业大学生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨 150040）

木质材料具有良好的环境学品质和装饰特性，是建筑室内空间常用的装饰材料.木质材料本身的吸声性能并不理想［1］，但经过加工和结构组合形成木质吸声材料后能够具备一定的吸声功能.目前木质吸声材料主要产品形式为：木丝板［2］、软质纤维板［3－8］、普通穿孔型木质吸声板［9］、穿孔结合铣槽结构木质吸声板［10］、亥姆霍兹共振器结构吸声板［11］和穿孔板复合蜂窝夹芯构造吸声板［12］.钟祥璋［9］认为木质穿孔吸声板的吸声特性主要与空腔深度、穿孔率及板后填充的吸声材料有关；温天佑［10，13］研制出具有大小孔的吸声板及穿孔槽木平面吸声板.Takahashi等［14－16］研究了穿孔胶合板的吸声性能；Putra等［17］研究了不同孔径穿孔板的吸声性能；Shankar等［18］研究了蜂窝夹芯板的吸声性能，并分析了夹芯密度、夹芯材质、蜂窝腔口大小和夹芯结构对蜂窝夹芯板吸声性能的影响；Sakagami等［19］发现穿孔板加蜂窝夹芯不仅提高了吸声板的强度而且低频吸声性能得到改善.Toyoda等［20］对穿孔胶合板和蜂窝夹层组合结构的吸声性能进行了测试，得出该结构在500～1000Hz具有较好的吸声性能.

木丝板、穿孔吸声板的吸声机制主要是依靠板材上的多孔结构结合背后空气夹层，将进入其内的以高频为主的声波消耗吸收来达到吸声效果；孔槽复合结构吸声板和亥姆霍兹共振器结构的吸声机制是声波进入小孔后，激发空腔内的空气振动并转化为热能消耗，当声波频率与该结构共振频率相同时，腔内空气发生共振从而产生显著吸声效果；穿孔板－蜂窝夹芯板复合构造的吸声板体现了一种多亥姆霍兹共振器阵列的设计思想，具有较好的中低频吸声效果.

分析上述文献可知，木质吸声板仍然存在全频带吸声效果不够理想的情况.基于此，本文在亥姆霍兹共振器吸声结构、轻质薄板振动原理和多孔－空气层相结合的理论设想上，构建了双层蜂窝夹芯复合穿孔面板的吸声构造模型，分析了结构参数对吸声性能和吸声频带的影响，得到了较佳的工艺条件，为获得宽频带、高降噪性，兼具轻质量、低成本的木质吸声板提供了科学依据.

1 试验材料与试验方法

1.1 双层蜂窝夹芯木质吸声板的设计模型

选择张家港华谊蜂窝厂产，厚度为10，20，30mm的纸蜂窝板，按照不同组合来构造双层蜂窝夹芯；选择厚度为3.5mm 的环保型中密度纤维板做面板，按照预先设计的方案在其上钻通孔，孔径分别为2，4，6mm，穿孔率分别为3%，6%，10%；将穿孔面板与双层蜂窝夹芯组合为目标吸声板，将其加工成尺寸为φ96的试件用于吸声测试.

图1为双层蜂窝夹芯与穿孔面板复合的木质吸声板结构示意图.

图1 双层蜂窝夹芯木质吸声板结构图Fig.1 Double－layer honeycomb sandwich structural wooden acoustic board

穿孔面板（1）和前层蜂窝夹芯（2）组成多亥姆霍兹共振器阵列结构，其由许多单孔共振腔并联而成，单孔由窄颈口和大蜂窝腔组成，材料外部空间与内部蜂窝腔体通过窄颈口连接.在声波作用下，孔径中的空气柱就像活塞一样往复运动，开口处振动的空气由于摩擦而受到阻滞，使部分声能转化为热能，主要在中低频产生一定的吸声效果.两层蜂窝板之间的纸质薄层结构（3），在声波激励下产生振动变形，以此来达到消耗声能的效果，并主要在低频域起到吸声作用.后层蜂窝夹芯（4）兼有多孔板和背后空气腔结构的复合效果，由于材料内部含有大量敞开的孔隙，当声波入射到材料表面时，声波衰减主要由两种机理所引起：一是由声波振动引起孔隙内的空气运动，造成空气与孔壁进行摩擦，紧靠孔壁和纤维表面的空气因摩擦和黏滞力的作用，使相当一部分声能转化为热能，从而使得声波衰减，达到吸声目的；二是孔隙中的空气与孔壁、纤维之间的热交换所引起的热损失，也使得声能有所衰减，并主要对中高频声波起到一定的吸声作用.底板（5）主要用来对吸声结构进行黏附和机械支撑.综上所述，将穿孔面板和前层蜂窝夹芯组合可以对中低频域声波产生消耗作用，两层蜂窝夹芯之间的纸质薄层结构能对低频域声波产生消耗作用，后层蜂窝夹芯则主要对中高频域产生消耗作用.由此可见，复合结构在设计意图上体现出其在全频带范围内吸声的目的.

1.2 结构参数优选的正交试验设计

为了提高试验效率，缩小随机误差的影响，并能有效地统计分析试验结果，本文运用正交试验法，综合分析双层蜂窝夹芯木质吸声板的结构参数对吸声性能指标的影响规律和吸声效果，从而确定最优工艺方案.选取面板孔径d，面板穿孔率p，前、后蜂窝夹芯空腔深度a，b作为考察吸声性能的因素，每个因素选取3个水平.面板孔径和穿孔率的因素水平设计以当前市场常见的穿孔吸声板为依据并加以适当扩展，前、后蜂窝夹芯空腔深度的因素水平选取由购进的蜂窝夹芯板厚度所决定.数据分析过程中，由于正交表方差分析的总偏差平方和等于各列的偏差平方和，在这种情况下没有办法对误差项作出估计，所以又进行了重复试验.

1.3 吸声性能测试

利用杭州爱华仪器有限公司生产的AWA 6122A 型驻波管，按照GBJ 88—1985《驻波管法吸声系数与声阻抗率测量范围》进行试验，测量双层蜂窝夹芯木质吸声板的法向吸声率；按照GB 3240—1982《声学测量中的常用频率》测试125，250，500，1000，2000，4000Hz这6个倍频程频率的吸声率，在工程中依据250，500，1000，2000Hz处吸声率的算术平均值来计算降噪系数.

2 结果与分析

2.1 正交试验结果

正交试验和重复试验的数据及结果如表1所示.以降噪系数NRC为考察指标.

表1 正交试验的数据及结果Table 1 Orthogonal test scheme and results

2.2 极差分析

表2为正交试验的极差分析，其中面板穿孔直径d，面板穿孔率p，蜂窝前腔深度a 和后腔深度b分别对应A，B，C 和D 这4个因素；Ki表示各因素在同一水平下试验结果的平均值（i＝1，2，3）；ΣKi表示各因素在同一水平下的试验结果之和；R 表示K 值的最大值与最小值之差.由表2可知，在试验因素水平变化范围内，影响降噪系数NRC 的各因素顺序为：蜂窝后腔深度＞蜂窝前腔深度＞面板穿孔直径＞面板穿孔率.

表2 正交试验的极差分析Table 2 Orthogonal test range analysis mm

图2为降噪系数与结构因素关系图，由图2可知，蜂窝夹芯的前腔深度取10mm 或20mm 均可，但从缩减体积和降低成本考虑，应首取10mm；后腔深度取20mm 最佳；面板穿孔直径和穿孔率的影响不大，可根据实际加工条件确定.

2.3 方差分析

图2 降噪系数与结构因素关系图Fig.2 Relation diagram between noise reduction coefficient and structural factors

虽然极差分析可以直观地表示各因素对考核指标影响的主次顺序，但它未把试验过程中由试验条件改变与由试验误差所引起的数据波动严格地区别开来，也没有提供一个用来判断所考察因素的作用是否显著的标准.为了弥补极差分析的不足，现采用方差分析的方法，其结果见表3.方差分析结果同样表明：蜂窝夹芯的前、后腔深度对单穿孔板双层木质蜂窝夹芯吸声性能有极显著的影响，而孔径和穿孔率影响则不显著.因此，可初步确定双层木质蜂窝夹芯吸声板的较佳工艺方案为：蜂窝前腔深度为10mm，蜂窝后腔深度为20 mm，面板穿孔孔径为2～6mm，面板穿孔率为3%～10%.

表3 正交试验的方差分析Table 3 Orthogonal test variance analysis

2.4 验证试验

优选出双层蜂窝夹芯木质吸声板的工艺参数后，根据最佳结构参数进行验证试验，测定其吸声系数，测试重复进行3次，以确保试验结果的准确性，结果如表4所示.由表4可知，双层蜂窝夹芯木质吸声板的平均降噪系数为60.17%，已达到Ⅰ级降噪水平，这证明该优选工艺方案是科学可行的.由图3所示的最佳工艺条件对应的降噪性能曲线可知：面板穿孔直径d为4mm，穿孔率p 为6%，前、后蜂窝夹芯厚度a，b分别为10，20mm 的复合结构吸声板在250Hz处的吸声率就已超过20%，在500 Hz处接近60%，在1000Hz处达到70%，在2000Hz处更是高达90%.

表4 验证试验结果Table 4 Results of verification test

图3 最佳工艺条件下的吸声性能曲线Fig.3 Acoustic curve of the acoustic boards with the best structural parameters

2.5 与相近结构吸声板的性能比较

选择单层蜂窝夹芯木质吸声板作为比照对象，除芯层层数不同外，两者的面板材料均为3.5 mm厚中密度纤维面板，穿孔直径均为4mm，穿孔率均为3%.单层蜂窝夹芯木质吸声板的蜂窝层厚度为30mm，双层蜂窝夹芯木质吸声板的前层蜂窝芯厚度为10mm，后层蜂窝芯厚度为20mm，两层之间的纸质薄层厚1mm.两者经驻波管测试得到的吸声曲线如图4所示.由图4可以发现，与单层蜂窝夹芯木质吸声板相比，双层蜂窝夹芯木质吸声板在250，500，1000Hz处吸声性能均得到明显提高，吸声频带范围增宽.这种结果表明双层蜂窝夹芯结构结合了比单层蜂窝夹芯结构更多的吸声机制，具有符合设计预期的吸声效果，而在原料投入、占据空间、制造成本方面却相差无几.因此，采用双层蜂窝结构具有更好的性价比优势，拥有市场潜力和发展空间.

3 结论

图4 单、双层蜂窝夹芯木质吸声板吸声性能曲线Fig.4 Acoustic curves of both single and double honeycomb sandwich structure wooden acoustic board

双层蜂窝夹芯木质吸声板组合了多孔、亥姆霍兹共振器和轻质薄板共振的吸声机制，实现了宽频带的吸声降噪效果.蜂窝芯层的厚度及组合是影响其吸声性能的关键因素.在最佳工艺参数（前层蜂窝芯厚度10mm，后层蜂窝芯厚度20mm，面板穿孔直径2～6mm，面板穿孔率3%～10%）下，该吸声板在250，500，1000，2000 Hz的吸声率分别达到24%，60%，70%，90%，降噪系数达到60.17%，满足Ⅰ～Ⅱ级降噪需求.

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