材料和空腔深度对吸声系数测定影响的研究

周理杰++罗胜利++晏雄++谢火胜++廖银琳

摘要：

本文研究了以棉、苎麻、丝、羊毛、粘胶纤维、聚酯纤维、锦纶和腈纶8种纺织材料在不同空腔深度条件下的吸声系数。结果表明，苎麻的吸声效果较其他纤维织物好，被测试样背后空腔深度对测试结果影响显著，且随空腔深度的增加而影响越大。

关键词：织物；吸声系数；空腔深度

1 引言

目前噪声的控制主要有4种方式：隔音、吸音、阻尼和隔振。吸声和阻尼是最基本、应用最广泛的两种方式。控制声场环境质量一般采用吸声材料。吸声材料按结构和吸声特性可以分为多孔吸声材料、薄板振动吸声材料、共振吸声穿孔板组合吸声材料及帘幕吸声材料等[1]。其吸声机理也各不相同，多孔材料的吸声性能是通过内部大量连通的孔洞和微小空隙来实现[2]。当声波入射到材料表面时，一部分在材料的表面反射掉，另一部分则透入到材料内部向前传播。纺织材料属于多孔吸声材料，当声波沿着间隙或空隙进入材料后，激发起间隙或微孔内的空气振动，空气与孔壁摩擦产生热传导作用，而空气因具有粘滞性，在微孔和间隙内产生相应的粘滞阻力，使振动空气的能量转化为热能而被消耗掉。使声能减弱从而达到吸声的目的。因此，孔结构紧密、相互连通的材料，其吸声性能就好，反之，就较差。本文就8种不同纤维种类平纹织物的吸聲性能以及在不同空腔深度下它们的吸声特性进行了对比研究分析，为日后在吸声材料设计的选材和设计上给出了一定建议。

2 试验

2.1 试验样品选取与制作

选用色牢度试验中常用的8种单纤维贴衬织物作为研究对象。样品名称及具体规格和参数见表1所示。本次试验采用激光裁样机随机在样品上取样，每个样品裁取3组。其中高频测试的样品直径为（29±0.5）mm的圆形试样，低频测试的样品直径为（100±0.5）mm的圆形试样。试样大小可以合适地安装在试件筒内。测试前在GB/T 6529规定的标准大气环境条件下进行调湿平衡24h。

2.2 吸声系数的测定

本次试验根据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》标准，采用丹麦B&K PLUSE声学材料测试系统（4206-T阻抗管及其配套设备）测试了8种具有不同纤维材质、相同织物组织结构的色牢度试验用单纤维标准贴衬织物的吸声系数。同时，对这8种单纤维标准贴衬织物背后空层厚度（即空腔深度）为0mm、5mm、10mm、15mm、20mm、50mm、100mm、150mm时各织物的吸声系数进行了测试。测试频率范围为50Hz～6300Hz。

测试时，将织物夹在试件筒与阻抗管连接处，并在连接处涂上凡士林，然后，紧贴阻抗管试件筒的一端，并密封。试件不可过分受压，不能太紧或鼓起。测试材料在一定空腔深度下测定吸声系数时，可通过调节试件筒推杆调节深度。管中的平面声波由（无规噪声、伪随机序列噪声或线性调频脉冲）声源产生。在靠近试样的两个位置上测量声压，求得两个传声器信号的声传递函数，从而用此计算试件的法向入射吸声系数[3]。

3 结果与讨论

3.1 无空腔深度下材料吸声性能比较

通常，测定纺织织物吸声系数时，材料后背是刚性壁面。当材料与壁面之间存在一定的空隙时，空隙之间的距离被称为空腔的深度，有时简称为空腔。 从图1中可以看出，当8种织物后面的空腔深度为0mm（即空气层厚度0mm，也就是说试样紧贴）时，吸声系数均很小。在整个测试频率范围内，这8种织物的吸声系数最大峰值仅涤纶在5000Hz时超过0.1。在50Hz～3500Hz范围内的吸声系数十分接近，吸声系数值均很小，表示它们对这一频段的声波基本上不具有吸声能力。

3.2 相同空腔深度下不同纤维织物吸声性能比较

从图2至图8看出，无论是5 mm、10 mm、50 mm还是150 mm的空腔深度下，这8种织物在同一空腔深度、同一频率下的吸声性能大致可分为三个集团，其中桑蚕丝织物和苎麻织物的吸声系数在高频区的吸声系数最为可观，属于第一集团。粘纤、涤纶、棉和锦纶的吸声系数在有空腔的情况下提高较大，属于第二集团，虽不如第一集团的桑蚕丝织物和苎麻织物，但比第三集团的毛织物和腈纶织物吸声效果要好。另外，还可看出，8种织物在相同空腔深度时，吸声系数的频谱变化趋势大都相似，只是数值高低存在一定的差异。再结合表1可以看出，织物的吸声特性一定程度上符合材料克重的增加使其吸声系数频谱曲线整体上移这一规律。

但是，这8种织物中桑蚕丝织物的频谱图与其他7种织物的频谱图又存在明显的不同：在空腔深度不大时，桑蚕丝织物的吸声频谱图出现的拐点明显比其他织物要早，表现出与众不同的特性。根据织物紧密程度和克重来看，由于桑蚕丝织物结构相对紧密、克重小而轻薄，形成膜吸声结构，产生膜振动效应，因而在低频段的吸声性能变得较为优越，吸声系数提高明显，其在低频段的吸声频谱图变化较快。

3.3 不同空腔深度下相同纤维织物吸声性能比较

采用驻波管测试系统测试各纤维织物在背后空腔深度为0mm、 5mm、10mm、15mm、20mm、50mm、100mm和150mm时的吸声系数。结果表明，当各织物背后出现空腔时，它们在各频段的吸声系数比没有空腔（即织物紧贴测试仪的刚性壁）时的吸声系数明显提高。如图9至图16所示。各织物对16Hz～3500Hz频段的吸声系数有一定提高，在高频段的吸声系数提高幅度尤为明显，而且，随着空腔深度加大，8种织物均表现出相同的特性：第一共振吸收频率逐渐向低频方向移动，桑蚕丝织物和苎麻织物的吸声系数提高尤为明显。

再结合表1可以看出，丝织物虽然克重较小，当丝织物背后存在空腔时，其吸声系数在空腔深度变化初期，随着空腔深度的加大而逐渐增大，且在测试波段的吸声系数比其他7种织物提高得更快。如丝织物在空腔深度为5mm、10mm、20mm时，其吸声系数频谱特征曲线均不不同于其他纤维织物，其他7种织物未出现极大值和极小值，而丝织物则已经出现了一个极大值和极小值，并且随着空腔深度的进一步加大，极大值和极小值出现的位置逐渐向低频移动。这是因为丝织物结构组织紧密且较薄，织物与阻抗管的刚性壁之间的空气层形成了共振吸声结构，在共振频率处出现最大吸收系数，并且是吸声平带得到了一定的拓宽[4]。

除丝织物外的其他7种织物试样只有在空腔深度为50mm时，接近出现了两个极大值和极小值；当空腔深度为100 mm时，各纤维织物吸声系数已经出现了3個极大值和极小值，且极大值和极小值逐渐向低频移动，也呈现一定的周期性。空腔深度大于100 mm时，丝织物的膜振动吸收作用已不再明显，其吸声系数频谱曲线的极大值和极小值与其他织物基本同步，平均吸收系数呈现先增大后减小的趋势。当空腔深度为150mm时，出现了4个极大值和3个极小值，各纤维织物吸声系数频谱图第一个极大值和极小值继续向低频段移动，而高频段频谱曲线变得较为平缓。极大值和极小值的差距逐渐缩小，高频段吸声系数的频谱图变得平缓。除前面提到的因产生膜振动效应的丝织物外，其他各织物的最大共振吸收频率和最小共振吸收频率移动速度也基本同步[5]。各材料在不同空腔距离时，吸声系数极大值和极小值的频率位置基本出现在同一频率上，几乎与纤维的材质无关。

因此，结合图1可看出，随着织物背后空腔深度变化，8种织物的吸声频谱图在整个测量频率范围内极小值和极大值的个数明显增加，而且基本出现在同一频率上。另外，综合各图可以看出，材料在不同空腔距离时吸声系数极大值和极小值出现的频率位置呈现出的规律性，与当D≈（1/4）λ1、（3 /4）λ2、（5/4）λ3，…或λ≈ 4D/（2n-1）λn=1，2，3，…时出现吸声系数极大，当D ≈（1/2）λ1、λ2 、（3/2）λ3，…或λ ≈ 2D/nλn=1，2，3，…时出现吸声系数极小这一结论有较好的吻合[6]。也在一定程度上验证了以色列Y.Shaoshani以及丹麦F.Ingerslev关于单层薄布和机织物吸声性能的测试结果，即背后空气层厚度D≈λ/2时出现吸声极小值，而D≈λ/4、（3/4）λ时出现吸声极大值。其产生该现象的原因可用德国声学家H.Kuttruff认为的“在1/2波长出现吸声系数小是由于声波质点速度极小的原因造成的”来解释[7，8]。

4 结论

（1）织物结构紧密的轻薄丝织物，在存在一定空腔深度时，因为存在膜振动效应，其吸声性能变得较为优越，其在低频段的吸声频谱图变化较快。

（2）同一材料在不同空腔深度时，吸声系数极大值和极小值出现的频率位置具有明显的规律性：在空腔深度较小时，随着空腔深度增加，吸声系数频谱图向低频方向移动，材料低频吸声系数逐渐增加。也就是说，空腔深度的变化，使得纤维织物的高频和低频的吸声性能也产生了明显差异。

（3）除非发生一定的膜振动效应，否则各纤维织物在不同空腔距离，吸声系数极大值和极小值的频率位置基本出现在同一频率上，几乎与纤维材质无关。

参考文献：

[1] 石宇熙. 体育馆声学吸声材料设计与应用[J]. 房材与应用， 2003（05）：22-24.

[2] 何冬林， 郭占成， 廖洪强，等.多孔吸声材料的研究进展及发展趋势[J]. 材料导报，2012，26（19）：303-306，333.

[3] ISO 10534-2：1998（E） Acoustics — Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes —Part 2： Transfer-function method[S].

[4] 徐凡， 张 辉. 大麻织物空心微珠涂层吸声性能研究 [J].天津工业大学报. 2009（1）：49-52.

[5] 张新安. 膜振动理论在纤维材料吸声性能研究中的应用[J]. 陕西师范大学学报， 2006（34）：25-27.

[6] 张新安.振动吸声理论及声学设计[M]. 西安： 西安交通大学出版社， 2007：111-120.

[7] 张沛商， 姜亢. 噪声控制工程[M]. 北京： 北京经济学院出版社， 1991：154-165.

[8] 马大猷.噪声与振动控制手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2002： 395-443.

（作者单位：周理杰、罗胜利、谢火胜、廖银琳，广州纤维产品检测研究院；周理杰、晏雄，东华大学）