纺织材料的吸声隔声机理及研究进展

彭 敏，赵晓明

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)



纺织材料的吸声隔声机理及研究进展

彭 敏，赵晓明

(天津工业大学 纺织学部，天津 300387)

纺织材料因其具有疏松、透气、柔软、多孔等优良的性质，常被用作吸音隔声材料。论述了纺织材料的吸声隔声机理、纺织材料吸声隔声性能的影响因素，并对其研究进展及不足进行了阐述，指出吸声隔声纺织材料未来的发展方向。

纺织材料 噪音污染 多孔材料 吸声 隔声

随着近代工业的不断发展，噪音污染的问题也日益严重，现在更与水污染、大气污染和固体废弃物污染并称为地球里四个主要的环境问题[1]。噪音污染对人体有极大的伤害，它不仅会使人感到精神难以集中、心情烦躁还有可能会引发心血管类疾病、诱发其他疾病，从而缩短人的寿命。正因如此，噪音污染所带来的危害已被人们视为了继空气污染之后人类公共健康的第二个杀手，如何减少噪音污染已成为现今一项重要的任务。到目前为止，对于噪声污染的防治，吸声和隔声材料的应用是十分重要的技术环节，它可以有效的降低噪音污染对人体的伤害。而由纺织纤维加工而成的纺织材料因其通常具有疏松、透气、柔软、多孔等优良的性质，常被用作吸音隔声材料。在2000年时，我国“十五”计划更是将“绝缘隔音材料”归为产业用纺织品[2]。

为了更好的减少噪音污染，我们需要认识声音的产生与传播，吸声隔声的原理及吸声隔声材料的影响因素，以便可以采取有效的措施减少它的危害。本文主要阐述吸声隔声原理及纺织品在吸声隔声领域的运用。

1 声音

1.1 声音的产生与传播

声音是由于发声体的振动而产生的，是通过介质(气体、固体或液体)传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。通常情况下把正在发出振动的物体称之为声源，而声音的传播过程，实际上就是声波能量的传播过程。声波在传播的过程中会遇到各种各样的“障碍物”，即在传播过程中声波会经过很多不同的介质，并且在此过程中声音会受到阻碍、消耗或反射，使得声波的能量发生变化。

1.2 声波在多孔介质中的传播

声波在多孔介质中的传播主要可分为吸音，隔音及透射三部分，如图1所示，当声波入射到一些多孔隙、柔软、具有一定厚度的纺织多孔介质时，由于声波的进入，该多孔介质中的气体和纤维会发生振动，并且相互间产生摩摖，而由于气体与纤维之间的相互摩擦和粘滞阻力以及纤维自身的导热性能，会使得进入该多孔介质的声波能量一部分转化为热能被消耗掉，从而减弱了反射声，使得声波的总能量降低[3]，达到吸音的效果，这种方式也是在多孔介质进行噪音控制中较为常用的。而当声波入射到表面较为光滑坚硬，结构密实的介质时，会有小部分的声能被该介质吸收，而多数声能则被介质反射回来，其余部分则透出屏障，这种多数声能被反射的情况使介质能起到隔音的效果，介质的隔音效果越好则能透过介质的声波也就越少。在传播过程中，既没有被反射也没有被吸收的声能则透射过多孔介质，继续传播。

图1[4] 声波在多孔介质的传播

1.2 噪音控制

目前国内外对噪声的控制主要从两个方向进行研究，一是对噪声源进行治理，即将产生噪音较大的的设备改造成产生噪音较小或不产生噪音的设备，这是最积极最有效的措施，但这种方法有时会受到工艺技术的限制，不能达到预期的防噪效果；二是利用声音的特性在声波传播过程中通过不同的“障碍物”损耗声波的能量，即开发具有吸音隔音功能的材料，这是目前对于噪音防护常用的手段，通过吸声隔声材料的辅助，有效的减小噪音的危害。降噪材料通常分为吸声材料和隔声材料两大类。本文主要对后者吸声隔声材料的应用进行阐述。

2 吸声

2.1 吸声的原理及影响因素

吸声是声波撞击到材料表面后能量损失的现象，是一种有效降低室内声压级的方法[5]。

吸声材料主要是用于降低声音反射，因此作为吸声材料以下两个条件是必不可少的：一是具有大量的孔隙，二是孔与孔之间要有一定的连通。一般来说，柔软、疏松,且具有较多或互相贯穿微孔的纺织材料的吸声性能较好,而反射能力较差,比较适合用作吸音材料，如羊毛毡，玻璃棉等。

2.2 吸声系数

吸声系数是评价材料吸声性能好坏的主要指数之一，吸声系数的范围在0到1之间，吸声系数的值越大,表示该种材料的吸声性能就越好[6]。通常把吸声系数>0.2的材料称为吸声材料。

在实际应用中，吸声系数的大小通常与该声波的入射条件、频率及该吸声材料的原料、组织结构参数等有关, 如公式[1]所示为固体介质材料的吸声系数的计算公式，由公式可知a为被固体介收声能E3与入射全部声能E0之比[6]。

a=(E0-E1-E2)/E0=E3/E0=1-r………[1]

E1—被材料反射的声能

E2—透过材料的声能

E3—被材料吸收的声能

r—反射系数

2.3 影响吸声性能的因素

对于纺织材料，尤其是非织造纤维材料，其原材料种类的选择、材料的厚度、密度、孔隙率、材料中空气流阻等因素都会对其吸声性能产生影响。

2.3.1 纤维的种类

对于制作吸音隔声材料，其原材料的选择十分重要，正确的原材料由于自身具有良好的吸声效果，因此由其制成的吸声材料不仅具有较好的吸声效果，还可以避免后期较为繁杂的后整理。在吸声材料中较为传统的吸声材料是一些由天然纤维制成的吸声材料，如毛毡，棉麻制品等，这一类的吸声材料因其在中高频范围内有较好的吸声效果，在过去常被用作吸声制品，如窗帘、汽车内饰、幕布等，但这种传统的吸声材料的防火、抗酸碱、抗潮湿能力较差，并且易老化、易腐蚀，在很多场合特别是室外环境下不宜长期使用。

随着不断地发展，由金属纤维为原料的吸声材料开始作为新型的吸声材料出现，金属纤维材料较传统纤维有很多优点，如强度高、防火防潮、抗氧化等且由金属纤维材料制成的吸声隔声材料较为环保，其制造过程不会对环境造成较大的污染，目前应用较多的金属纤维吸声材料有：①铝纤维，2002年雷恩指出，由于铝纤维具有很多优良的特性，由其加工制作而成的吸声板具有强度高、材料轻薄及一定的电磁屏蔽作用，并且耐水耐火能经得起风吹日晒，是非常理想的室外吸声材料；②不锈钢纤维，作为金属纤维，不锈钢纤维具有耐冲击、易加工、耐高温高强等优良的性质，因此可以作为用在一些高温、高强的特殊环境下的吸声纤维材料；③其他金属纤维材料，如钛纤维、铜纤维等 。这些金属材料通常都性能优良，可以在不同的场合下作为吸声材料，但由于金属纤维原料的成本一般较高，无法进行大批量的生产，因此我们不仅要根据不同的吸声效果需求选择合适的材料，更需要开发出具有高性能的纺织吸声材料。

2.3.2 厚度

对于纺织材料，其吸声的原理主要是利用声波在材料中能量的逐渐消耗，而达到吸音的效果。因此，对于纺织材料其吸声性能与该材料的厚度存在一定的关系。在一定的范围内，对于同一种多孔材料,随着其厚度的增加,吸声的频率范围从高频向中、低频移动，并且吸声材料的有效频率范围也会扩大。

对于不同结构的纺织材料，厚度对吸声性能的影响也存在差异，2007年谢晓丽等[5]人在研究羊毛吸声性能时发现羊毛毡的吸声效果与其厚度有关，在一定的范围内，保持其他影响因素不变，随着羊毛毡厚度的增加，该羊毛毡的吸声系数也会随之增大，并且这一规律随着声波频率的增大趋势更加明显，对于同等厚度的材料其高频时的吸声系数大于低频时的吸声系数。

2006年，Tilak Dias等[7]人在研究了针织物的吸声性能时表明，当声波频率在1 000Hz～3 000Hz范围内时，保持其他条件不变，随着针织物厚度的增加，可以提高其吸声的效果。但当声波频率低于1 000 Hz和高于3 000 Hz时，增加针织物的厚度对其吸声性能的影响并不明显。

2013年，沈岳等[8]人在研究活性炭纤维材料吸声性能时发现，当活性炭纤维材料的厚度增加时，其吸声系数随之增加，但平均吸声系数的增幅在逐渐的减小。

对于机织物，由于其织物密度较大，相较非织造物及针织物而言，更加适宜作为隔音材料，而非吸音材料。而对于一些无机纤维或高性能纤维，由于其本身比表面积大等结构因素，比较适合作为吸声材料的原料。因此在进行实际设计时,通常按照中、低频范围所需要的吸声系数值选择材料厚度[6]。

2.3.3 密度

对于同种纺织多孔材料，其材料的密度越大，孔隙率越小，比流阻越大。当密度较小时，其孔隙率增加，但密度过小则会使得内部空气和纤维之间的摩摖减小，导致其对声能的消耗减弱，从而吸声性能变差；适当的增加其密度。可以使吸声材料内部的声阻抗提高，使得低频的吸声系数得到提高, 但随着密度的增大，材料会变得厚实紧密，引起流阻的增大，使得空气的透过量减少，造成吸声系数的下降，因此对于吸声材料其密度过大或过小都不利于其吸声，故存在一个最佳的密度可以使得该材料的吸声能力最好，并且对于不同的吸声材料其最佳密度也有所差异。因此在进行实际应用时，要根据吸声材料实际的用途、材料的原料、结构参数等实际需要来确定该吸声材料的密度。当吸声材料的厚度受到一定限制时，通过控制其密度来控制其吸声性能是常见的手段之一。

2.3.4 纤维细度

在同一条件下，纤维原料的细度会对其吸声性能造成一定的影响，特别是对于非织造材料。这是因为纤维原材料越细，所形成的非织造吸声材料的孔隙率越大，纤维的表面积也就越多，使得声波在传播过程中引起的空气和纤维之间振动摩擦增多，消耗的声能越大[9]。2009年马永喜等[9]人在研究针刺非织造布时指出，当针刺非织造布中所含的纤维越细，或其细纤维的含量越高时，其吸声系数也就越大，并且这一规律随着声波频率的增加而愈加明显。

除上述四种因素外，影响材料吸声的因素还有纤维的形状及是否在背后设置空气层等因素，并且根据声波的频率及能量的不同，其影响因素也会有所区别。

3 隔声

3.1 隔声的原理及影响因素

将噪声源和接收者分开或隔离,阻断空气声的传播,从而达到降噪目的的措施称作隔声[6]。隔声作用主要是通过声波传播过程中介质对声音的反射及吸收从而抑制声音的透射而实现的。对于不同的材料其透声特性与吸声特性会有所不同,对于隔声材料来说，其隔声效果主要取决于材料的原材料、密实程度、厚度、组织结构以及表面声阻抗。一般来说,材料表面坚硬光滑,结构紧密厚实的材料的吸声性能较差,但其反射性能强,即隔声效果较好，可以用作隔声材料。目前常用在公路两旁作为的隔音板以隔绝汽车噪音给居民造成的骚扰或用在建筑方面提高房屋的隔音性。

3.2 隔声量

衡量材料隔声效果的主要指标之一是隔声量(亦称传声损失)R

R =10lg(1/τ)………[2]

如公式[2]所示为隔声量的公式，其中τ为透声系数,是透过固体介质的声能与入射到固体上的声能的比值。隔声量与声波频率密切相关,通常在声音低频时其隔声量较低,而高频时的隔声量较高。

4 测试方法

目前测试吸声系数常用的方法有混响室方法和驻波管方法两种[9]。两种方法也各自具备其优缺点，适用的对象也有所区别，并且测量的方法不同其测量结果也会存在差异，不能直接进行比较。混响室法，可测定各种角度的入射音，其测试条件更加接近于实际的使用条件，测试结果也更加接近于实际，但该方法要求每个混响室都要有坚硬的壁面和足够大的体积，且要求试样的尺寸不能太小，但对于纺织品而言，该测试方法不仅测试成本高，且对尺寸要求高，导致该方法的可行性较低。相较混响室法，驻波法对试样的尺寸要求低，适用于纺织品的测试，但其测试结果误差较大。

除上述两种方法外，受实验条件的影响，许多研究人员在测试是选择改良测试设备或自制测试设备。如1997年陈跃华[10]在研究纺织材料隔音性能时将整个系统采用透射式的测试方法来进行测试，2007年韩潇【11】等人自制的声音发射及采集装置，并通过相关的声音分析软件对机织物的隔音效果进行检测。

5 研究现状与发展趋势

5.1 纺织材料在吸声隔声领域的研究现状

目前纺织材料在吸声隔声领域的运用主要是利用纺织材料为多孔材料这一特性对声波进行吸收，并且研究与应用方向多为非织造材料。如汽车内饰中常用到非织造材料，如车顶内饰、门内饰、后行李厢盖板等。2005年Soriano等【12】人用玻璃棉管作为空调的吸水管，从而起到降噪的作用。2013年Nicolas Lippitz等【13】人利用金属纤维毡作为飞机发动机的消声器的材料，从而有效的降低噪音。

传统的隔声材料大多是通过物理改性来实现其吸声隔声功能，导致材料厚重、成本高并且有的材料对环境具有一定的污染性。为了满足实际需要，获得高效廉价并且对环境无污染或污染较小的吸声隔声材料，就需要研究出更适宜作为降噪新材料的纤维原料。目前国内外有不少研究人员对此进行研究， 2012年Youngjoo Na等【14】人对用纳米纤维作为一种新的吸声纺织材料进行了研究；Mansur对竹丝网增强水泥复合材料进行了研究；2013年徐晟等【15】人对用竹原纤维/聚氨酯复合成为隔音材料进行了研究；2014年刘世锋等【16】人对钛纤维多孔材料的吸声性能进行了研究等。

5.2 发展趋势

目前对于纺织材料在吸声隔声领域的研究主要还是在其物理改性及对其纤维材料的种类的研究上，并且研究的对象基本上都是非织造材料，并未更加深入的研究纺织材料的性能，再加之没有特别适用于测试纺织材料吸声隔声性的设备，导致测试结果无法有一个统一的标准去评价不同材料的吸声隔声性能。

随着噪音污染的日益严重，人们对于吸声隔声材料的需求也在增大，怎样根据不同的需求研制出高性能的吸声隔声产品也将成为一个重要的研究方向。因此对于纺织材料在吸声隔声领域的研究不能只停留在对其物理改性或单一原料的研究上，而是应该着手开发出高性能的复合纤维材料，使其不仅具有良好的吸声隔声效果还适合在特定环境下的其他性能，能付诸于实际应用中；另外材料的织物结构对吸声隔声性的影响，及对材料进行化学改性，如对材料进行涂层，增加其隔音性能等方向也是下一步值得深入研究的方向。

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2016-03-08

国家自然科学基金项目(51206122)

彭敏(1993-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织材料的吸声隔声机理。

赵晓明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

TS101

A

1008-5580(2016)04-0173-05