纤维材料降噪结构体的研究进展

李辉芹， 张 楠， 温晓丹， 巩继贤， 赵晓明， 王支帅

(1. 天津工业大学 纺织科学与工程学院， 天津 300387；2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

噪声污染已成为危害人类身心健康的重要环境因素[1-3]。随着社会发展与科技进步，噪声控制越来越受到重视。噪声控制有3个环节：抑制噪声产生、控制噪声传播、保护噪声接收器。在所有环节中，吸声与隔音材料都是必需的。

纤维集合体已经越来越多地被用于降噪。与刚性材料相比，纤维材料具有质量轻、成本低、易加工等优点[4-5]。作为多孔吸声材料，纺织加工制备的纤维集合体具有良好的高频吸声性能[6]，但纺织品结构疏松，隔音性能较差，且对中低频噪声吸声效果不好。将纤维材料与其他材料复合构建降噪结构体是近来发展的方向[7]。有研究通过将纤维材料的多孔吸声机制与其他材料的共振吸声和阻尼降噪机制相结合，形成降噪效率更高、降噪频谱分布更宽的新型产品[8-10]。

本文就近年来纤维材料降噪结构体的构建方式、降噪效果和作用机制等研究进展进行介绍，并对其发展前景提出展望。

1 多孔吸声降噪结构

1.1 多层结构

声波入射物体后，一部分被物体表面直接反射，另一部分进入物体内部被吸收，还有一部分则透射到物体另一侧继续传播，原理图如图1所示。声能被物体吸收的现象称为吸声，材料吸声效果通常以吸声系数α表示，α大于0.2的材料被称为吸声材料[11-12]。

图1 吸声机制简图Fig.1 Sketch of sound absorption mechanism

纤维材料具有多孔结构特征，比如在纺织品中纤维间就有许多毛细孔。多孔吸声是纤维材料降噪的基本机制。声波进入后引起纤维间毛细孔中空气的振动，部分声能在此过程中转换为热能，从而实现吸声效果[13]。

构建多层结构是比较常见的降噪结构体形成方法。多层结构具有因对不同频段噪声响应性能不同而进行差异化吸收的优势，适于频率分布较宽的噪声吸收[14]。有研究表明，具有不同组织结构的双层织物，吸声效果有明显不同[15-16]。为此，人们尝试将不同结构的纺织品进行层合，以提高对不同频率噪声的整体降噪效果。

有研究用纤维材料与其他多孔材料层合，构成多层结构，比如将水泥基膨胀珍珠岩多孔材料与活性炭纤维(ACF)非织造布结合形成复合结构体[17-18]。研究发现，将水泥基膨胀珍珠岩多孔材料与3层ACF非织造布结合后，吸声系数可增大23%～32%；将ACF置于水泥基膨胀珍珠岩多孔材料的前方与置于后方情况进行对比，平均吸声系数提高约20%。

1.2 夹层结构

夹层结构是目前纤维材料构建吸声结构体的主要方式[19]。有研究采用涤纶短纤维为芯层，以涤纶非织造布为表层，制备涤纶纤维夹层结构吸声产品[20]，如图2所示。结果表明，厚度为6.65 mm的样品平均吸声系数可达0.348。夹层结构的形成增加了材料内的分界面，应该是提高结构体吸声性能的主要原因。

图2 由短纤与非织造布组成的夹层结构Fig.2 Sandwich structure formed by staple fiber and nonwovens

文献[21]将厚度为4 mm的2种类型非织造布作为外层，将厚度为22 mm的聚氨酯(PU)泡沫塑料作为内层，制备了3种夹层结构的吸声材料，其在856 Hz的吸收系数达到了0.8。

Elikel等[22]以熔喷非织造布为中间层，纺粘非织造布为外层构建了结构体，如图3所示。结果表明，以双组分纤维做外层的夹层非织造结构体具有更好的吸声性能，并且随内层结构体积密度增加，吸声效应更显著。

图3 由2种非织造布组成的夹层结构Fig.3 Sandwich structure formed by two types of nonwovens

1.3 梯度结构

进行多层多孔材料吸声体的设计时，将不同孔隙率的各层按梯度顺序来排列，就形成梯度结构。梯度结构也是用纤维材料构建吸声结构体的有效方法。

有研究将2～3层孔隙性能不相同的不锈钢纤维材料[23-24]组成梯度结构，发现这种梯度结构可有效改善材料的低频吸声性。实验表明：孔隙率分别为91%、85%、80% 的不锈钢纤维材料按照孔隙率从小到大的顺序排列时，频率低于1 600 Hz时，吸声系数最高可达0.9；反过来按照从大到小排列时，吸声系数最高只有0.6。

Zhu等[25]采用真空烧结法将直径为8、12、20 μm的3种不锈钢纤维制出12种不同厚度、不同孔隙结构的材料，并制备了1～3层孔隙率梯度结构的吸声材料。多层梯度结构中所含界面更多，前方界面与后方界面间存在的声阻率差异大时，表示系统中存在更多声反射循环，即声波在空气-多孔材料界面和梯度材料内部界面之间产生不断反复的反射，可通过在有限厚度条件下增加界面数量，从而进一步增加吸声系数。

在此基础上，敖庆波等[26-28]采用不锈钢纤维研究制备了超薄梯度吸声结构。研究发现，对于超薄结构，孔隙率小和孔径小的一侧朝向声源利于增强全频段的吸声性能。

2 多孔与共振复合降噪结构

共振式吸声是指当声波进入某一具有固定共振频率的共振结构时，若声波的频率和此共振频率相同会发生共振，使声能大量被耗损。共振式吸声结构在降噪领域多以穿孔板形式出现。

对纤维材料而言，由于孔隙结构的限制，很难在低频降噪上有很大突破。于是有研究者将多孔吸声机制和共振吸声机制复合，设计高效降噪结构体。

吕丽华等[29]采用共混热压工艺，以废旧的涤纶纤维作为增强材料，将热塑性聚氨酯作为基体材料，制出废旧涤纶纤维/聚氨酯复合材料，并将其加工为穿孔板，与废旧涤纶纤维织物进行贴合，制备吸声产品。研究发现：穿孔板孔径由1 mm增大到2 mm，产品对3 000 Hz噪声吸声系数增大71%，达到0.89；而当穿孔板厚度增加，吸声系数峰值会向低频方向移动，同时峰值略有减小；随着穿孔率的增加，材料的吸声频带被拓宽，而峰值会降低；所用涤纶织物层数从1层增至3层，最大吸声频带会移至800 Hz左右的区域，同时吸声系数峰值提高76%。

田一等[30]开发了一种微孔纤维复合吸声板，表层为微穿孔吸声板，内层则为铝纤维吸声板，如图4所示。其吸声曲线在1 600 Hz前有2个吸声峰，在240 Hz及1 000 Hz左右时吸声系数接近1。由于二者的中间腔和背后空气腔的存在，结合成为一种双共振吸声结构，在中低频的降噪性能较好，其可以与铝纤维吸声板的高频吸声特性进行互补，结合发挥出更好的降噪效果[31-33]。

图4 微孔纤维复合吸声板Fig.4 Microporous fiber composite sound-absorbing panel

黄麻具有可生物降解的特点，并且具有良好的吸声隔音效果[34]，常作为降噪材料被用于家用洗衣机、吸尘器等电器中。将黄麻毡与微穿孔板复合，可改善黄麻毡对低频噪声的降噪性能。Bansod等[35]将3种密度不同的黄麻毡分别与空气层、穿孔率为1.23%的微穿孔板(MPP，见图5)以2种构建方式进行复合：MPP在黄麻毡之前，黄麻毡和刚性壁间有空气层；MPP在黄麻毡和空气层之间，如图5所示。测试发现，微穿孔板在声波入射的一侧时，结构体在中频区域的吸声效果较好，在500 Hz左右的吸收峰出现宽带吸收现象。

图5 微穿孔板Fig.5 Micro perforated panel

裴春明等[36]以玻璃棉和微穿孔板为原料，制备了吸声结构体。结果表明，复合结构的吸声效果明显优于微穿孔板和玻璃棉单独存在时的吸声效果，当纤维材料位于微穿孔板前方，对600～1 600 Hz频段噪声产生很好的吸收效果，吸声有效频段得到大幅拓宽，并向低频移动。

目前，以纤维材料为原料，将多孔吸声机制和共振吸声机制相结合进行复合结构设计的研究中，纤维材料多被制备成毡状或复合材料板材。在将来，其他形式的纤维结合体与共振吸声机制的结合也值得进行探索。

3 多孔与阻尼复合降噪结构

由于纺织材料轻薄、阻尼低等性质，其作为隔声材料往往效果并不显著[37]。有研究将纺织品与阻尼材料结合提高降噪性能。

阻尼减振降噪机制即增加系统的阻尼，提高系统损耗能量的能力，从而减少结构的振动及由此产生的声辐射，来达到降噪的目的[38]。黏弹性材料是阻尼减振降噪的常用材料，其性能介于黏性和弹性材料之间，受力后分子间产生相对滑移，增加系统能量的耗散。

近年来，阻尼性能优良的树脂、泡沫铝等材料常被应用到降噪中。纺织材料可通过和阻尼材料复合成降噪结构体，来获得更好的降噪效果。当基体材料接收到声波，发生弯曲振动，阻尼层反复受到拉伸、压缩，由此实现声能耗散，达到降噪效果[39]。另外，加入降噪功能的填料也有利于提高材料的吸声隔音效果[40-41]。

Yan等[42]采用溶液共混法将纳米黏土填料加入聚丙烯(PP)中，制备出PP/黏土纳米复合隔声材料。测试发现，加入纳米黏土填料可显著提高复合材料的全频隔声性能，在3 200～6 400 Hz高频下，PP/6.5%黏土样品的隔声量比纯PP样品提高7～14.8 dB。这种纳米复合材料性能的增强归因于聚合物基体与纳米填料之间的协同效应。

Kim等[43]同样采取溶液共混法将黏土、碳纳米管混合纳米填料加入到PP中，制备出了PP/黏土/碳纳米管复合隔声材料。研究发现：PP/4.8%黏土/0.5%碳纳米管复合材料在高频(3 200～6 400 Hz)下的隔声量比纯PP高15～21 dB，在低频(580～620 Hz)下隔声量比纯PP高8～14 dB；加入混合填料的复合结构体隔声性能强于加入单种填料的复合结构体。

椰壳纤维源于废弃天然产物，其中空的单个纤维细胞赋予其较好的声学性能，在降噪领域有着可替代玻璃纤维、岩棉等材料的杰出潜力。Mamtaz等[44]制备出椰壳纤维多孔材料，并将圆柱形稻壳纤维颗粒作为填料通过黏合剂和多孔材料复合到一起。研究发现：随着样品厚度、纤维颗粒组分、黏接剂用量增加和纤维粒径的减小，吸声系数峰值逐渐向着低频移动；在最佳条件下，752 Hz时吸声系数的最佳峰值达0.86。这项研究除了构建降噪结构体，也利于用较低成本实现用天然废料作为降噪材料的再利用。

潘涵等[45]选取由硫酸钡粉末填充的聚氯乙烯(PVC)基复合材料作为基体材料，选用EW100和EW200 2种不同型号的玻璃纤维织物作为增强材料与之复合，制备出层合结构玻璃纤维织物/PVC基复合材料，如图6所示。结果发现，玻璃纤维织物/PVC基复合材料与单层的PVC基复合材料相比，拉伸载荷大大提高，常温环境下的阻尼性能提高。

图6 玻璃纤维织物/PVC基复合材料层合结构Fig.6 Samples of several laminated structures. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3; (d) Sample 4; (e) Sample 5

在降噪材料的研发过程中，成本及环保问题也时刻被关注。Zhou等[46]使用再生橡胶(R-Rubber)与七孔中空聚酯纤维(SHPF)为原料，制备了低成本的环保R-Rubber/SHPF复合材料，在较宽的温度范围内具有优异的阻尼性能。该复合材料的SHPF含量、厚度对声学性能有显著影响，橡胶材料与纤维材料质量比为100∶25且厚度为1 mm的复合材料，在2 500 Hz时吸声系数峰值为0.407；质量比为100∶20的复合材料其厚度由0.5 mm增加至2 mm时，该结构体在中低频率下表现出较好的吸声性能。

4 结束语

降噪结构体的制备可以通过结构的构建，使材料发挥出更好的降噪效果；但在材料复合的过程中，厚度、质量的增加，会限制复合结构体的应用，如在交通工具及有限空间内，因此，降噪结构体的研究方向必然会趋于轻薄型。

目前，纤维材料制备的降噪结构体多对高频噪声效果更显著，但对低频噪声的降噪效果还不理想；但是在很多情况下，如室内空间，外界噪声经墙体阻隔后，进入室内的更多是中低频噪声，所以，如何实现对中低频噪声的高效降噪仍是今后研究的重点。

近年来，随着环保意识的增强，人们对绿色制造与产品的生态性要求越来越高。将来人们对降噪产品在原料的无害化、加工过程的清洁化、产品的生态化等方面会更加注重。而且，对降噪产品而言，多功能化也是将来发展的重要方向。人们对家用纺织品、装修装饰材料等与降噪有关的产品，除吸声隔音要求外，还希望具有阻燃、防紫外线、保温、拒污等多种功能。