隔音木质门性能研究进展及其门芯结构创新设计

吴双双，徐 伟，2*

(1.南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学智库林业产业发展中心，江苏 南京 210037)

随着我国城镇化进程的不断推进，施工噪声、交通噪声等带来的噪声污染影响人们的工作效率、身心健康和生活品质，木门隔音结构的研究与优化一直是多功能木门的重要发展方向之一。本研究对隔音木质门性能研究的现状进行调研与分析，梳理其主要研究方向，并对其未来发展趋势进行总结，在此基础上提出一种门芯隔音结构的创新设计方法。

1 木质门的隔音性能研究进展

隔音木质门属于功能型木门，是指以锯材、胶合板、纤维板、刨花板、集成材、细木工板等人造板为主要材料制作的具有隔音、降噪效果的木门[1]。木质门主要由门框和门扇组成，门扇由骨架和门芯构成，骨架通常由单板或集成材构成，是门扇的结构部件，门芯材料的选用较为多样，是门扇的功能部件，常见具有隔音性能的门芯填充材料有蜂窝纸板、空心刨花板等，提升门芯部件的声学性能有助于保障木质门的隔音效果。

根据隔音原理的不同，木质门隔音技术主要有超厚静音、结构隔音、材料隔音三类[2]。

1.1 超厚隔音

超厚隔音技术的原理是基于建筑声学中的单层墙质量作用定律，由该定律可知，对于一定频率的声波，一个密实单层墙的隔声量是由单位面积的质量所决定，当墙的材料确定时，通过增强隔墙厚度即可增加其隔声量[3]。但随着木材资源的日益紧缺以及厚度增加对木门的尺寸稳定性有影响，同时厚度增加至一定程度后其隔声量的增幅变缓，呈非线性的关系，因此该技术在隔音木质门中的应用已相对较少。

1.2 结构隔音

结构隔音技术的实现基于双层墙的隔声规律，主要从结构和材料两方面进行改良设计，以提高木门结构的隔音效果，主要形式有通过不同材料组合成门芯板以构成多个声学区间、引入共振消声的声学结构、改善木门结构的闭合性等[4]。如上海开顺特种门窗有限公司提出的一种不锈钢隔音门，其原理是通过隔音挡板、吸音棉、高分子橡塑隔音毛毡和不锈钢面板等材料组合成门板，形成多个声学界面加快声波的传递衰减；又如TATA的一款实木复合静音门采用门框45°斜口设计和磁极相吸原理提高门板和门框的吸合性，同时门芯采用桥洞力学板，以提高密封隔音效果。门框斜口设计如图1所示，桥洞力学板如图2所示。

图1 门框斜口设计

图2 桥洞力学板

1.3 材料隔音

材料隔音技术的实现主要通过使用吸声材料来完成，目前经济环保是声学材料研发的重要方向。隔音木质门常用的吸声材料主要有两大类：一类是穿孔材料，其是在金属板、硬纤维板等表面穿孔，通常与结构隔音配合实现共振吸声，更进一步的是在穿孔板的基础上研发微穿孔板，乔厚等基于微穿孔板理论和等效流体多孔材料模型，并通过有限元分析验证了穿孔直径越小或穿孔率越大时，吸声带宽越宽，声学性能越好[5]。另一类是多孔材料，主要为纤维材料[6]和泡沫材料，其原理是声波在孔隙间的黏性效应和导热性，使声能转化为其他能从而达到吸音效果。目前声学材料的发展日趋多元化，复合型、环保型是其重要的发展方向，如传统多孔材料与纳米复合材料[7]、木基橡胶高聚物阻尼材料[8]、复合秸秆纤维砼生态板[9]等的研发。

隔音木质门的相关专利[10]集中于结构创新和工艺创新两方面。除聚焦于隔音性能设计优化问题外，随着人们审美需求的提高和对健康环保关注度的提升，近两年隔音木质门的专利发表中装饰性、环保性、多功能、防变形等也受到了关注。

2 隔音木质门的发展趋势

隔音木质门所用吸声材料物理性质有一定差异、隔音结构多为空腔，极易造成木门的变形，因此对其尺寸稳定性提出了更高的要求[11]。结合对木质门隔音性能进展的研究，分析总结出隔音木质门主要有以下三大方面的发展趋势。

2.1 高声学性能

以加强声学性能研究为重点工作，主要集中在不同声学材料的组合、不同吸声结构的设计、新型功能声学材料的研发等，其中材料—结构复合形式将是新的设计思路。

2.2 结构轻量化

实木门向实木复合门、木质复合门方向的不断发展和超厚隔音技术在隔音木质门技术中被淘汰，表明了提高木材利用率、加强生态保护等对木质门的绿色设计提出了更高要求，体现在整体结构用材的减量化设计，如空心板、蜂窝板在门芯材料中的使用。

2.3 材料环保化

《中国制造2025》明确绿色发展作为五大基本方针之一，意味着将大力推行传统制造业的绿色改造。同时消费者环保意识的增强，对室内环境中有毒有害气体释放的问题高度重视[12]。隔音木质门作为室内空间中重要的木制品之一，其绿色环保性是其必然的发展趋势，如减少胶黏剂的使用，制作无胶木门、采用生态吸声材料秸秆等。

3 门芯隔音结构创新设计

本研究基于隔音木质门的发展趋势，针对隔音木质门的主要功能部件门芯，提出一种隔音结构创新设计。该设计的优点在于木质门在具备高声学性能的同时保障了尺寸稳定性，不易变形，同时主要结构采用钉连接，减少胶黏剂的使用，并使用环保无害的吸声材料。

3.1 隔音机理

通过穿孔铝塑板和无纺布吸声材料搭建亥姆霍兹共振系统，以提高门芯的隔音效果。亥姆霍兹共振系统是一种常见的消声器，能够有效抑制低频噪声，已有学者通过理论计算和实验研究证明通过串联亥姆霍兹共振系统可以拓宽其消声频带[13]。穿孔铝塑板的单个微孔可以看作是一个孔颈，并与空气腔连接。由于入射声波的波长远大于孔颈长度，因此腔中的气体可视作“空气弹簧”形成振动系统，在振动过程中声能转变为热能耗散[14]，从而达到高声学性能的要求。同时，卢炽华等[15]通过传递导纳法仿真模拟验证了双层串联微穿孔板结构具有加宽吸声频带、增加吸音效果的优点。本方案中实现门芯隔音功能的机理是建立双层串联亥姆霍兹共振系统，提升木质门的隔音性能。

3.2 具体说明

隔音空心板结构如图3所示。图3(a)和图3(b)所示为一种用于木门门芯的隔音空心板结构，包括由若干竖置的支撑柱1(10)和间柱11构成的空心板间框架2，在支撑柱11左右两侧具有若干穿孔3的穿孔板4，在穿孔板4外侧贴敷面板5，在穿孔板4背部设置吸声层6，相邻支撑柱之间设置竖直的刚性层7，刚性层位于上下两块穿孔板4中间，其中，穿孔板4包括穿孔板本体8，在穿孔板本体8上沿穿孔板的纵向均布若干个穿孔排9，每个穿孔排9包括沿穿孔板本体8横向均布的若干穿孔3，同时穿孔3为亥姆霍兹共振器的颈部，穿孔板本体8与刚性层7之间的空腔为亥姆霍兹共振器的腔室。

图3(c)和图3(d)中，支撑柱1和10均在侧面上设外侧和内侧开放的穿孔板嵌槽12，穿孔板嵌槽12的槽宽与穿孔板本体8的厚度相同，穿孔板嵌槽12的槽深不超过边柱10宽度的1/2，事实上，边柱10可视作直角榫头结构，便于机械化加工。间柱11的厚度与边柱10的厚度相差穿孔板本体8厚度的两倍；穿孔板4嵌设在穿孔板嵌槽12内，穿孔板4的内表面与间柱11的外表面靠接。穿孔板4、刚性层7与支撑框架2通过钉13连接，面板5与支撑框架2胶连接。

遵循环保绿色的设计原则，尽可能选用环保、可回收的材料，减少胶黏剂的使用。其中，支撑柱1和支撑框架2的材料为LVL实木多层板；穿孔板本体8的材料为铝塑板；面板5、刚性层7的材料为高密度板，表面可进行直接涂饰[16-21]；吸声层6的材料为无纺布吸声材料，其具有质量轻、性能好、价格低、易加工的特点。

常见的穿孔铝塑吸音板尺寸参数见表1，本方案中选用厚度为3 mm、孔径为10 mm、穿孔率为15%的铝塑吸音板。穿孔吸声材料是该隔音结构的重要组成部分，同时穿孔板声学性能受孔径大小、孔颈长度(穿孔板厚度)、穿孔率及其板厚空腔深度的影响。通过不同孔径大小、孔颈长度、穿孔率及空腔深度的组合方式，能够得到不同性能的声学板。根据前人的研究，在单层穿孔板结构中，控制穿孔板厚度范围为2.8 ～ 3.2 mm、孔径范围8～12 mm、穿孔率13%～18%，其声学性能最佳。在同等条件下，采用双层结构能够满足更高水平的声学性能需求。

图3 隔音空心板结构1.支撑柱；2.支撑框架；3.穿孔；4.穿孔板；5.敷面板；6.吸声层；7.刚性层；8.穿孔板本体；9.穿孔排；10.支撑柱；11.间柱；12.嵌槽；13.钉

表1 穿孔铝塑吸音板常见规格

在工作环境下，噪声经面板阻挡，又经吸声层吸收得以减弱；当环境噪声中的特定频率与亥姆霍兹共振器的固有频率相当时，通过穿孔进入腔室内的特定频率噪声被吸收，收到良好的吸声降噪效果。同时，门芯内部设置铝塑穿孔板，其具有不易变形、防水、防潮等优良性能，有助于提高隔音木门的力学性能。

4 结束语

在绿色健康发展的大背景下，对目前隔音木质门声学性能发展现状进行总结，并结合消费者需求，得出木质门的发展趋势是高声学性能、结构轻量化、绿色环保。由于木质门的零部件较多，本研究主要针对木门的主要隔音功能部件门芯进行一种隔音空心板的结构创新，借鉴目前在船舰、航空等方面应用较多的亥姆霍兹共振器进行一种适用于木门使用的结构改良设计。后续可通过建立等效模型进行理论计算，采用有限元法[22]和打样验证该结构的实际隔音性能，在此结构上可以选用不同的吸声材料进行比较和优化，以达到更好的隔音效果并取得较好的经济效益。