不同层数三维角连锁织物增强复合材料隔声性能探讨

2016-05-10单晶晶余国平靳雯雯

纺织科学与工程学报 2016年1期

关键词：面密度隔声层数

单晶晶，余国平，马　菲，许　鹤，靳雯雯

(1.中原工学院纺织学院，河南郑州 450007；2.际华三五零九纺织有限公司，湖北汉川 431616)

不同层数三维角连锁织物增强复合材料隔声性能探讨

单晶晶1，余国平2，马菲2，许鹤2，靳雯雯1

(1.中原工学院纺织学院，河南郑州 450007；2.际华三五零九纺织有限公司，湖北汉川 431616)

摘要：以玻璃纤维为原料，设计出5种不同层数三维角连锁织物组织结构，经半自动SGA598小样织机设备织制，利用真空辅助成型工艺制成复合材料。分别从厚度、面密度、纤维体积分数三个方面分析了不同层数三维角联锁织物增强复合材料的隔声性能。

关键词：角连锁织物复合材料隔声纤维体积分数

0引言

在人们生活和生产的环境里，存在着各种各样的声音。声音是用来传递信息的，然而，随着现代化工业、交通运输和城市建设的快速发展，大量声音已变成一种污染，它影响着人们的工作和休息，甚至危害到人体的健康。这种对周围环境造成不良影响的声音称为噪音。特别是随着城市人口的急剧增加，噪音污染已变得日益严重。因此，降噪材料的研究与开发至关重要[1～3]。

利用纺织品吸声、隔声技术来治理噪声污染已是社会中普遍使用的手段[4]。但是，在国内的市场上，大多数纺织品隔声、吸声的材料都是非织造材料，即便有机织的纺织品隔声、吸声材料，对三维机织物的隔声吸声性能研究也不是很多，而且并没有对此进行深入研究。

角联锁织物是一种最常见的三维机织物，它独特的结构，使得它具有独特的、有别于其它三维织物的性能[5,6]，因此，对其作为增强体的复合材料隔声性能进行探讨，在降噪材料领域的应用意义重大。

1实验材料制备

1.1三维角联锁织物的织造

五种角联锁织物均以玻璃纤维为材料，其线密度为113.94te×2，采用SGA598半自动小样织机上实现织造过程。其组织参数设计如下：预设织物小样的幅宽和经密分别为15cm和300根/10cm，每筘齿穿4根纱线，五种不同层数角联锁织物结构图如图1[7～10]。

2层角联锁织物组织结构

3层角联锁织物组织结构

4层角联锁织物组织结构

5层角联锁织物组织结构

1.2复合材料成型

根据本实验需求采用的加工方法为真空辅助成型法，其示意图如图2。

图2　真空辅助成型法示意图

(1)实验材料：不同层数角联锁织物、闭模成型树脂LSP-802013、固化剂Promox P200TX、外用脱模剂802、密封胶带AT-199、脱模布PeePlySC01、丙酮、铁钳、直径为3cm和1cm的橡胶管、玻璃板(40cm×40cm×0.8cm和20cm×25cm×0.8cm)。

(2)试验仪器设备：1L 0.06Mpa抽滤瓶和XD-010型真空泵、电子秤、剪刀、2寸羊毛刷、塑料瓶。

2各实验参数的计算与隔声性能的测试

2.1实验测试部分

2.1.1测试试样准备

本实验试样为2至6层角连锁机织物复合材料，将所需材料分别裁取为直径为11.5cm和6.5cm两种规格的圆板[11,12]。

图3　隔声测试试样

2.1.2复合材料各参数的测试结果及纤维体积分数的计算

(1)用织物厚度仪、电子秤分别测出试验所用复合材料试样的厚度和质量，各测量五次然后算出各自的平均值。

(2)计算所用材料的纤维体积分数(Vf)的公式[13]如下：

(3-1)

(3-2)

(3-3)

式中：ρs为复合材料密度；ρf为玻纤密度；ρm为树脂密度；Vs为试样的体积；D为试样的直径；h为试样的厚度；Ms为复合材料试样的质量。

(3)计算试样的面密度ρa的公式如下：

(3-4)

由以上公式得出角连锁复合材料的纤维体积分数。相关数值如表1。

表1　织物试样的纤维体积分数

2.2复合材料隔音性能测试

隔声性能测试使用四通道阻抗管数据采集设备，系统设备基于声望的 SW 阻抗管系列开发的VA-Lab软件(系统均由北京声望声电技术有限公司提供)。隔声测试使用四通道阻抗管数据采集设备如图4，阻抗大管型号为SW100-L:内径100mm的发声管(内置扬声器，带三个传声器插槽)和SW100-E:内径100mm的隔声扩展管，频率范围是 250Hz～1600Hz。阻抗小管型号为SW030-L:内径30mm的发声管(内置扬声器，带两个传声器插槽)和SW030-E:内径30mm的隔声扩展管，频率范围是1000Hz～6300Hz[14]。

a:四通道隔声大管

b:四通道隔声小管

3讨论与分析

3.1不同层数角连锁织物增强复合材料隔声性能的测试表征

通过实验测试，最后拟合数据得出不同层数角连锁织物增强复合材料隔声性能的测试表征，传递损失拟合曲线图如图5。

图5不同层数角连锁织物增强复合材料传递损失/TL拟合曲线图

从曲线图5能够看出，对所测得频率范围来说，在250Hz～3500Hz频率范围内，材料的隔声传递损失量减少，说明其隔声性能减小；而在500Hz～1500Hz频率范围内，传递损失增加且达最高值，表明材料隔声在该频率段隔声性能越来越好，且在1300Hz时，隔声性能最好。随后，随着频率的增加，其隔声性能逐渐减弱。

3.2材料厚度对隔声性能的影响

对样品进行厚度与隔声性能关系的研究，结果如图6所示。

图6　材料厚度对隔声性能的影响

由图6可以看出，在相同频率下，复合材料的越厚，其隔声效果越好，随着频率的增加，隔声量相对减少，依然在1300Hz频率段，隔声量最高，说明其隔声性能最好。厚度是决定材料的隔声性能的主要因素。增加材料的厚度相当于提高材料的声阻率，延长了入射声波在材料中的传播时间，声波在材料中的反射增多，在经过多层反射后，透射声波减弱，从而提高了材料的隔声性能。

3.3材料面密度对其隔声性能的影响

根据表1中计算出的复合材料面密度，取样品二层、三层、五层复合材料进行面密度与隔声性能的研究，结果如图7所示。

图7　面密度对隔声性能的影响

由图7可以看出，相同频率范围内，材料的的面密度越大，其隔声性能相对较大，不同的面密度样品对应相同频率的隔声量随着密度的增大而增加。说明面密度对隔声作用的影响是比较显著的。在不同频率范围内，随着频率的增加，隔声性能并不呈规律增加，而是在中低频率段其隔声性能最好。

3.4材料纤维体积分数对其隔声性能的影响

结合表1和图5分析，从纤维体积分数来看，2—6层角连锁复合材料的纤维体积分数呈递增的趋势，恰好它们的隔声性能也是越来越好，即材料纤维体积分数越大的话，传递损失的数值就大，表明隔声性能越好。这是由于入射波在接触到复合材料表面的时候，特别容易发生折射和反射现象多次。而声波在反射状态下转变了材料外部的传播路径，折射到复合材料内部的声波一部分在内部与材料摩擦以热能形式消耗掉，另一部分被折射，从而改变了它的传播路径，延长了传播时间，加强了复合材料对声波的衰减程度，提高隔音量。就文中所述的五种材料而言，纤维体积分数越大，复合材料的隔声性能与纤维体积分数存在着一种正比的关系。因此，复合材料的纤维体积分数对其材料的隔声性能影响很大。

4结论

(1)对于不同层数角连锁织物复合材料而言，随着层数的增加，复合材料的厚度越厚，其隔声性能也随之增强。

(2)面密度不同的样品对应相同频率的隔声量随着密度的增大而增加。说明面密度对隔声作用的影响是比较显著的。同时，从图7还可以看出，随着面密度的增大，中高频的隔音性能的稳定性减弱，所以也不可盲目的提高材料的面密度。

(3)从纤维体积分数来看，纤维体积分数越大，复合材料的隔声性能与纤维体积分数存在着一种正比的关系。因此，复合材料的纤维体积分数对其材料的隔声性能影响很显著。

参考文献

[1]周曦亚，等.吸声材料研究的进展[J].中国陶瓷，2004，40(5).

[2]陈跃华.纺织材料隔音性能测试研究[C].上海：中国纺织大学,1997.

[3]张娟，等.纺织材料的吸声性能及机理[C].天津：天津纺织科技，1982.

[4]高小华.机织物隔声性能的试验研究[D].苏州:苏州大学,2007.

[5]易洪雷，等.三维机织复合材料的弹性性能预报模型[J].力学学报,2003，35(5).

[6]顾平.多重纬角连锁三维机织物结构设计[J].苏州大学材料工程学院,2002，30(4).

[7]顾平.织物隔声与吸声的工作机理[J].南通纺织职业技术学院学报,2008，8(3).