纺织材料的吸声机理与吸声研究进展

黄 伟

江西服装学院 服装设计学院(中国)

随着经济的发展，居民的城镇化是必然趋势，人口的过度集中造成大量的问题，噪声即是其中重要的污染问题之一。噪声不仅让人心烦意乱，工作效率低下，还能造成人体听觉下降，生理系统紊乱，严重影响人们的生活。世界卫生组织的临床医学研究表明，噪声会造成注意力不集中、记忆力衰退、心脏病和高血压等多种疾病[1-2]，研究更证实了居住在高速公路附近的居民由噪声引发心肌梗塞的概率比其他安静环境中的居住人群高30%[3]。高强度、高频率的噪声对办公仪器的机械结构和建筑物等的寿命都会产生极大的影响，因此对降噪机理的研究具有深远的意义。现阶段降噪研究主要集中在以下3种途径：一是控制噪声发生源；二是控制声音的传播途径；三是通过对噪声的受体进行保护。3种途径中通过第二种即控制声音的传播途径进行降噪最为有效，该途径主要是利用减震材料消耗声波的能量从而达到降噪的效果。根据作用机理可分为隔声材料、吸声材料与阻尼材料。本文通过分类分析纺织材料的吸声机理与吸声研究进展，为开发具有吸声降噪功能的纺织品提供借鉴。

1 纺织品吸声机理与数据分析模型

1.1 纺织品吸声机理

纺织品作为柔性材料的重要组成部分，在吸声材料的应用上具有明显优势。吸声材料按吸声机理可分为共振吸声材料和多孔吸声材料，纺织品的吸声则多集中在后者。纺织品是由纤维材料制成的，其多孔性体现于整个织造过程，如部分纤维材料的中空结构，纤维间孔隙，织物组织点间的孔隙，织物后整理过程中产生的孔隙结构等。上述多孔结构产生的多环节性、多层次性和结构多变性，为纺织品作为柔性吸声材料的开发提供基础。当声能接触到纺织品时，大致有3种路径对声能进行消耗：一是通过织物的反射对声波进行反射；二是当反射剩余声波通过织物内部时，纺织品孔隙会对进入的声能产生一定的黏滞阻力，从而将声能转化为热能消耗掉而起到吸声的作用；三是对另一部分声能通过纺织品内部纤维的振动而转化为机械能消耗掉。上述未被消耗掉的声能则为穿透织物成为可被检测到的噪声，纺织品的吸声机理为吸声系数的构建创建了理论基础[4]。

1.2 吸声数据分析模型

纺织品属于柔性多孔材料的吸声材料，其吸声数据分析模型构建难度相对固态材料较高，现阶段常用的数据分析模型主要为微观结构模型、现象模型和经验模型。微观结构模型需通过现代高分辨率显微镜和扫描电镜等观察纺织品而建立，通过观察计算织物的孔隙率、流阻、弯曲角度等参数构建声能衰减模型。该方法参数精确率高，但通用性差；现象模型则是将声波在纺织品中的传播在等效介质中进行模拟，较为经典的为罗善德[5]提出的电磁流变液等效模型。经验模型则是根据经验对材料的吸声性能进行定性分析，使用参数较少，分析精度较差，代表性模型为Delany-Bazley模型。还有其他一些分析模型，如史磊[6]针对非织造布构建的回归神经网络模型等，可针对特殊材料消除吸声数据误差，提高分析精确率。

2 纺织品的吸声研究进展

2.1 纤维材料的吸声研究与应用

纤维材料作为制备吸声纺织品的基础材料，其选择至关重要。目前常用的纤维吸声材料有活性碳纤维、金属纤维、纳米纤维与异形纤维。

活性碳纤维自身具备多孔的特点，极大提高了纤维的比表面积，是较为理想的吸声纤维材料，其多孔性的特点可以配合非织造织物与机织物构建多层吸声纺织品，极大地提高了织物的吸声性能。Shen等[7-8]利用磷酸二氢铵溶液对非织造布预氧化后高温碳化，从而制备吸声碳纤维毡，该款纺织品能有效改善纺织品在低频吸声能力弱的弊端。在此基础上，经过进一步优化纤维毡制备工艺，可提高纤维毡的活化时间、活化温度和碳化温度，改善其对使用环境的实用性。Chen等[9]也曾利用活性炭纤维与3层非织造布制备隔声织物，研究表明在低频状态下，活性炭纤维的吸声性能仅次于玻璃纤维。

金属纤维作为吸声纤维具有独特的优点：性能稳定、耐氧化、耐高温、强度高，适应复杂的使用环境等。以钛纤维[10]和FeCrAl纤维[11]制备的多孔梯形结构，是理想的航空发动机降噪材料。

纳米纤维作为高端纤维成果之一，其纤维细度较细，比表面积大，制备的纤维毡孔隙率高，孔隙路径曲折。纳米纤维细度较小，因此能够在较低频率引起声波与纤维共振，从而达到声能的消耗和降噪的效果[12]。Na等[13]通过制备多层纳米纤维毡，并对不同质量的纳米纤维织物进行吸声性能测试，发现在1 000～4 000 Hz范围内，纳米纤维毡的吸声性能随着纤维层数的增加而提高。

异形纤维是现阶段较为经济可行的纤维吸声材料，其多变的截面使纤维立体感强，蓬松度高，具有较高的孔隙率。基于赫姆霍兹共振腔原理可知异形纤维可通过改变纤维截面而改变不同频率声波的吸收性能，从而提高吸收声波的覆盖频率，具有很强的吸声效能。Harting[14]将采用聚丙烯与聚乙烯的异形纤维纱纺制的针织物应用在压缩空气装置上，测试表明其具有很好的吸声降噪效果。随着纺丝技术研究的进一步深入，越来越多的横截面异形、内部中空的纤维品种被开发纺制，其可以通过中空结构与入射声波产生共振，从而达到对声能消耗的效果。Mahmoud等[15]使用中空聚酯纤维(质量分数45%)与非中空聚酯纤维(质量分数55%)纺制成的吸声非织造布，并在汽车内饰中进行测试验证，结果表明当织物的面密度为600 g/m2时，具有较好的吸声降噪效果。除纺丝制备的异形纤维外，很多天然纤维横截面不规则，且纤维内部有中空结构，如棉纤维等，该类纤维均具有较好的吸声性能。

2.2 织物参数对吸声性能的影响

织物的吸声性能除了受织造纤维材料性能影响外，还与织物的织造工艺密切相关，如织物结构、织物厚度、后整理工艺等。后文将从织物结构参数与后整理工艺两方面分析织物参数对织物吸声性能的影响。

2.2.1 织物结构参数对织物吸声性能的影响

织物的织造工艺对织物吸声的影响主要集中在织物厚度和织物的密度与孔隙率方面。织物的厚度与织物的吸声性能关系密切，其机理为声波在穿越织物时振动与摩擦使得声能转化为热能从而达到吸声效果。研究表明，织物厚度的增加可以有效降低中低频声波的传播。这是由于中低频声波的波长较高，当织物厚度较低时，织物自身声容较小，易被声波穿过，而织物厚度增加则提高了织物的声容，有效降低中低频声波的传播[16]。除厚度外，织物的密度与孔隙率也是影响其吸声性能的重要因素，多数条件下，织物的密度与孔隙率呈负相关。织物的多孔性是织物具备吸声性能的必备条件。研究表明，将织物的孔隙率控制在70%以内时，随着织物孔隙率的增加，织物的吸声性能逐渐上升，当织物的孔隙率超过70%时，声波穿过织物能力增强，声能衰减降低，造成纤维振动能耗降低，吸声效果下降。Berardi等[17]论述了红麻纤维织物孔隙率高低对中高频声波吸声效果的影响，发现孔隙率适当降低能显著提高中高频声波的吸声性能。吸声织物的设计还体现在多层结构的织物上，现常用的布局结构有梯度结构、夹层结构和多层结构3种。梯度结构是利用不同孔隙率的织物按照次序排列，构造一个具有梯度的多层织物结构，从而形成具有消耗不同频率的声波的作用。研究表明，依次采用孔隙率为80%、85%和91%的不锈钢纤维织物排列构造的多层织物对低于1 600 Hz的声波的吸声系数为0.9，反之为0.6，验证了梯度织物结构布局对吸声性能的有效性[18-19]。夹层结构则是在织物层间注入有吸声效果的纤维夹层，该法是现阶段利用较多的一种吸声织物制备方法。试验测试表明，在厚度为4 mm的非织造织物中注入22 mm厚的聚氨酯泡沫，可使吸声系数升至0.8[20]。多层结构原理大致等同于梯度结构，但无对孔隙率排列的要求，即通过多层织物层合达到对不同频率声波的吸收性能。

2.2.2 后整理工艺对织物吸声性能的影响

对织物吸声性能的后整理是在织物表面与织物孔隙内部浸入一定量的整理液，以改变织物的厚度、孔隙率与织物表面特征等。其原理大致相仿，均为通过改变织物的参数以增加空气流阻和多孔性，从而达到吸声效果。现阶段常用的吸声后整理工艺有浸渍法和涂层法。文献利用聚乙二醇和质量分数为30%的二氧化硅制成的整理液对织物进行吸声整理后，织物内部纤维间、纱线间与织物组织的孔隙率得到一定程度的降低，同时织物表面多孔性与面密度也均有不同程度的提高，测试表明整理后织物的吸声性能增加了近10倍[21]。傅雅琴等[22]利用浸渍法整理使聚氯乙烯/玻璃纤维织物的面密度和厚度分别提高至0.678 kg/m2和0.5 mm，有效降低中低频声波。涂层法是将吸声材料连续涂层于目标织物，使其紧密黏合。该类整理工艺不胜凡举，在此不再赘述。

3 结语

在纺织品吸声机理与数据分析模型的基础上，阐述了纤维材料、织造工艺与后整理工艺对织物吸声性能的影响与应用，分析了柔性吸声纺织品的开发的可行性。选用细度小、纤维截面异形等结构纤维，通过合理布局织物结构和选用合适后整理工艺，可有效提高织物吸声性能。