俞來明，王小霞

(宏升塑膠(杭州)有限公司技術(shù)研發(fā)中心，杭州 311251)

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聚氯乙烯基多層介質(zhì)復(fù)合材料對低中頻隔聲性能的影響

俞來明，王小霞

(宏升塑膠(杭州)有限公司技術(shù)研發(fā)中心，杭州 311251)

為了提高復(fù)合材料對低、中頻噪聲的隔聲性能，以三維層連玻璃纖維織物為骨架，聚氯乙烯(PVC)為基體，制備中空復(fù)合材料，并對其隔聲性能進(jìn)行測試和分析。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)聲學(xué)多層介質(zhì)傳播理論，建立了聲學(xué)多層介質(zhì)傳播模型并進(jìn)行數(shù)學(xué)分析。為了對模擬分析進(jìn)行驗證，在中空復(fù)合材料內(nèi)部灌注不同黏性流體，制備多層介質(zhì)復(fù)合材料，并對其隔聲性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明：中間層的聲阻抗對多層介質(zhì)復(fù)合材料的隔聲性能有較大的影響，該結(jié)果與模擬分析結(jié)果有較好的一致性；利用雙酚A型環(huán)氧樹脂作為層間介質(zhì)制備的復(fù)合材料，對低、中頻噪聲的隔聲性能有較大的改善。

隔聲性能；多層介質(zhì)；聚氯乙烯；復(fù)合材料；3D玻璃纖維織物

0　引　言

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，噪聲污染已成為世界性難題。眾多研究人員根據(jù)多種隔聲耗能機(jī)理[1-2]，通過使用不同原料和不同的加工方法制備泡沫型、顆粒型和粘彈型等多種隔聲材料已取得很大進(jìn)展：梁基照等[3]利用中空微珠填充復(fù)合材料，通過改變材料對頻率的敏感性以期達(dá)到降噪效果；姚躍飛等[4-5]利用煉鋼爐渣粉填充復(fù)合材料，通過增加材料面密度以期達(dá)到隔聲效果，還利用玻璃纖維織物增強(qiáng)復(fù)合材料，通過對纖維束的透氣性以及紗線單絲根數(shù)的調(diào)節(jié)來改變材料的隔聲性能。但對于以高分子為基體的多層介質(zhì)復(fù)合材料的研究相對比較薄弱。許多材料對低、中頻噪聲的隔聲效果不佳。

本研究以隔聲性能良好的聚氯乙烯(PVC)[6-7]為基體，3D層連玻璃纖維織物為骨架，用常壓澆注法制備中空復(fù)合材料，對其隔聲性能進(jìn)行分析，并基于前人的多層結(jié)構(gòu)及多層介質(zhì)隔聲傳播理論[8-10]，建立數(shù)學(xué)模型。為了對模型分析進(jìn)行驗證，在中空復(fù)合材料內(nèi)部灌注不同黏性流體，制備多層介質(zhì)復(fù)合材料，并比較分析不同黏性流體對多層復(fù)合材料低中頻噪聲隔聲性能的影響，并驗證理論模型的正確性。以期能制備對低、中頻噪聲具有更好隔聲性能的復(fù)合材料。

1　實　驗

1.1主要原材料

聚氯乙烯糊(EPVC，P-450天津渤?；び邢挢?zé)任公司)；檸檬酸三丁酯(TBC，江蘇雷蒙化工科技有限公司)；環(huán)氧大豆油(ESO，桐鄉(xiāng)嘉澳化工有限公司)；3D層連玻璃纖維織物(南京玻璃纖維研究設(shè)計院)，采用玻璃纖維進(jìn)行織造，夾芯結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是構(gòu)成表層的經(jīng)、緯紗和連接兩個表層并形成芯部Z向纖維，中空織物的織造高度范圍為2～40 mm，空間形態(tài)設(shè)計為“8”字形的三維織物；雙酚A型環(huán)氧樹脂。

1.2樣品制備

PVC澆注3D層連玻璃纖維織物復(fù)合材料的制備工藝：首先將EPVC、TBC、ESO按質(zhì)量比100∶130∶7的比例混合并攪拌均勻，待用。然后將上述混合劑澆注到3D層連玻璃纖維織物(34 cm×34 cm)表面，鋪平，再把材料放到160 ℃恒溫箱中烘燥15 min，自然冷卻制得中空復(fù)合材料。再將中空復(fù)合材料的3邊密封，并灌注不同黏性的流體，密封第4邊。并適當(dāng)調(diào)節(jié)PVC基體的含量，使灌注不同流體后的多層介質(zhì)復(fù)合材料的面密度和厚度基本相同。

1.3測試方法

噪聲測試：采用北京聲望電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BSWA VS302USB雙聲學(xué)分析儀。參照標(biāo)準(zhǔn)為ISO 140-1，ISO 140-170建筑及建筑構(gòu)件的隔聲測量。試樣背襯為空氣。其中的靜音箱體積大小為1 m×1 m×1 m，測試樣的面積為35 cm×35 cm，選擇A計權(quán)網(wǎng)絡(luò)，選取聲壓級80 dB的粉紅噪聲源。數(shù)據(jù)處理Spectra LAB的聲學(xué)軟件[6-7]。聲望VS302USB系統(tǒng)、無指向性聲源及功率放大系統(tǒng)按照圖1連接。

圖1　隔聲測試系統(tǒng)的連接圖

2　結(jié)果及分析

本研究采用100～3150 Hz的16個1/3倍頻程中心頻率的隔聲量[10]來分析說明樣品對低、中頻噪聲的隔聲性能的影響。

2.1三維玻璃纖維織物復(fù)合材料的材料隔聲性能

由三維層連玻璃纖維織物和聚氯乙烯復(fù)合制備的中空復(fù)合材料的基本參數(shù)見表1。從表1中可以看出，各樣號的玻璃纖維織物量相同，但樹脂澆注量不同，因而面密度也不同。

表1　材料的有關(guān)參數(shù)

圖2是不同3D層連玻璃纖維織物復(fù)合材料對(100～3150 Hz)噪聲的隔聲曲線。從圖2可得，聚氯乙烯增塑糊澆注量對三維層連玻璃纖維織物復(fù)合材料的低頻(100～200 Hz)隔聲量有較大影響，隨增塑糊澆注量的增加，其低頻隔聲量增加，但其增加速率在下降。聚氯乙烯增塑糊的澆注量對其復(fù)合材料中高頻段的隔聲性能影響不大。究其原因，由于雙面澆注，3D層連玻璃纖維織物的紗線外面全部被聚氯乙烯增塑糊浸沒，且其結(jié)構(gòu)疏松，呈中空狀，當(dāng)聲波傳到3D層連玻璃纖維織物/聚氯乙烯復(fù)合材料時，引起該復(fù)合材料內(nèi)的分子間振動，聚氯乙烯增塑糊包裹玻璃纖維，阻礙玻璃纖維的振動，而且玻璃纖維反限制增塑糊大分子鏈的運(yùn)動，導(dǎo)致應(yīng)力、應(yīng)變相對滯后，材料的模量有明顯提高，阻尼作用得到發(fā)揮，而低頻段是由阻尼控制，因此該復(fù)合材料的低頻隔聲量有顯著提高。

圖2　不同PVC澆注量對3D層連玻璃纖維織物復(fù)合材料隔聲性能的影響

圖3是不同面密度的3D層連玻璃纖維織物復(fù)合材料對(100～3150 Hz)噪聲的平均隔聲量。由圖3可見，未澆注PVC樹脂的3D層連玻璃纖維織物(面密度為0.72 kg·m-2)，其透氣性大，隔聲性能較差。當(dāng)與樹脂復(fù)合后，其面密度一般大于2 kg·m-2，且透氣性為0，其隔聲性能有明顯的增加。但當(dāng)面密度進(jìn)一步增加時，其平均隔聲量提高幅度不大，與單一材料的面密度理論有較大的差異。說明這種復(fù)合材料的隔聲性能主要是3D層連玻璃纖維織物的吸音和隔聲在起作用，而聚氯乙烯增塑糊的阻尼作用只起輔助作用。因為3D層連玻璃纖維織物的結(jié)構(gòu)比較致密，剛性較大，當(dāng)聲波傳到此復(fù)合材料時，織物的振動不明顯，這樣聚氯乙烯增塑糊阻礙織物的振動就少，聲能的衰減也就相應(yīng)的變小。同時由于多層介質(zhì)材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)特點和內(nèi)部3D層連玻璃纖維織物第三維纖維束的存在，當(dāng)聲波入射到材料上，引起聲波在材料內(nèi)部反射、散射、折射和衍射等情況，在多次反復(fù)的反射、散射中，直接導(dǎo)致聲波的傳播途徑增加，其聲能的損耗增大。因此，3D層連玻璃纖維織物復(fù)合材料的面密度為2 kg·m-2時，已經(jīng)達(dá)到一定隔聲效果，但繼續(xù)增大面密度，效果且不夠顯著。為了改善該類復(fù)合材料的隔聲性能，對該類復(fù)合材料進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和分析，期望在理論的指導(dǎo)下，得到隔聲效果更好的復(fù)合材料。

圖3　不同面密度的3D層連玻璃纖維織物復(fù)合材料對(100～3150 Hz)噪聲的平均隔聲量

2.2聲學(xué)多層介質(zhì)傳播理論

圖4是三維層連玻璃纖維織物和PVC復(fù)合的中空復(fù)合材料的截面圖。圖4中上下左右兩邊可以看成是一個雙層薄板的隔聲結(jié)構(gòu)，當(dāng)在內(nèi)部灌注流體時，就形成一個多層介質(zhì)隔聲復(fù)合結(jié)構(gòu)。

當(dāng)平面波以某一角度θ入射到該介質(zhì)中，聲波在兩界面間反復(fù)反射。根據(jù)圖4，建立聲波在該復(fù)合材料傳播模型圖(如圖5)，不計內(nèi)部纖維束，內(nèi)部視為均質(zhì)材料。假設(shè)所有入射波的聲壓振幅為pa，所有反射波的聲壓振幅為pb，建立坐標(biāo)系：第一個界面的坐標(biāo)為x=x-d, 第二個界面的坐標(biāo)為x=x，視聲波在無限大的均勻介質(zhì)中，則有：

(2)

由平面波性質(zhì)，相應(yīng)的法向質(zhì)點速度則為：

(3)

其中Zm=ρmCm/cosθ為介質(zhì)的法向聲阻抗率，根據(jù)聲阻抗率的定義有：

(4)

聯(lián)立式(1)—(3)，經(jīng)過代數(shù)運(yùn)算，得：

v|x=x-d=

(5)

p|x=x-d=

=p|x=x[Zl|x=xcos(kdcosθ)+jZmsin(kdcosθ)]

(6)

圖4　中空復(fù)合材料的截面照片

圖5　聲波傳播模型

當(dāng)入射角度和入射聲強(qiáng)一定，材料的厚度一定時，kdcosθ為常數(shù)C。復(fù)合材料中間層可看作兩面板相聯(lián)的“緩沖層”。當(dāng)聲波入射到第一層面板透射到中間層時，中間層的彈性形變具有減振作用，傳遞給第二層面板的振動大為減弱。在復(fù)合材料內(nèi)部灌注黏性較大的流體時，內(nèi)部介質(zhì)的聲阻抗率Zl較大，根據(jù)式(5)和式(6)，第二個界面x=x處的波速v|x=x和聲壓振幅p|x=x都變小，也就是說聲波在第二界面x=x處體積元的總能量ΔE變小即聲能損耗變大。

(7)

由以上推論可知，內(nèi)部灌注的流體黏性越大，材料內(nèi)部的聲阻抗越大，材料的隔聲性能越好。為驗證這一推論，本研究采用空氣、自來水、雙酚A型環(huán)氧樹脂三種不同的介質(zhì)作為中間層進(jìn)行對比試驗。

2.3不同中間層對材料隔聲性能的影響

材料的灌注流體、面密度和厚度等參數(shù)見表2。

表2　材料的有關(guān)參數(shù)

從表2可以看出，通過調(diào)節(jié)試樣中PVC含量，試樣M-A、M-W，M-R的面密度和厚度基本相同。

本研究定義100～200 Hz及以下為低頻，200～3150 Hz為中頻。圖6是3種多層介質(zhì)復(fù)合材料對100～3150 Hz噪聲的隔聲曲線。由圖6可見，灌注雙酚A型環(huán)氧樹脂的多層介質(zhì)復(fù)合材料隔聲性能優(yōu)于其他兩種材料，而灌注自來水的多層介質(zhì)復(fù)合材料的隔聲性能明顯優(yōu)于灌注空氣的多層復(fù)合材料。圖7是3種多層介質(zhì)復(fù)合材料對低、中頻段噪聲隔聲值的算術(shù)平均值。從圖7可看出，在低頻和中頻，隨著所灌注流體的黏性增大，其對低頻和中頻平均隔聲量就越大。圖7中雙酚A型環(huán)氧樹脂多層介質(zhì)復(fù)合材料的中頻段平均隔聲量高達(dá)20 dB，且每個頻率段的隔聲量都優(yōu)于其他材料。

圖6　多層介質(zhì)復(fù)合材料對100～3150Hz噪聲的隔聲曲線

圖7　多層介質(zhì)復(fù)合材料對低頻段與中頻段噪聲的隔聲性能比較

由于雙酚A型環(huán)氧樹脂黏性相對于其他兩種流體大，在20℃，標(biāo)準(zhǔn)壓強(qiáng)下[11]，Z空氣=514N·s·m-3，Z自來水=1.48×106N·s·m-3，Z樹脂=2.7～3.4×106N·s·m-3。即內(nèi)部介質(zhì)聲阻抗率Z樹脂>Z自來水>Z空氣，根據(jù)上述的聲學(xué)多層介質(zhì)傳播模型可知，假設(shè)第一個界面x=x-d處的波速v|x=x-d和聲壓振幅p|x=x-d是聲波剛?cè)肷鋾r的波速和聲壓振幅，即不同中間層情況下數(shù)值一樣，根據(jù)式(5)和式(6)可知，第二個界面x=x處的波速v|x=x∝Z-1，和聲壓振幅p|x=x∝Z-1。聲阻抗率Z樹脂>Z自來水>Z空氣，可以得出第二個界面x=x處的波速v|x=x和聲壓振幅p|x=x，v樹脂

雙酚A型環(huán)氧樹脂能作為一種良好的黏性阻尼材料，它可通過薄板運(yùn)動帶動內(nèi)部分子間運(yùn)動，使動能轉(zhuǎn)化熱能而減小薄板的振動。雙酚A型環(huán)氧樹脂的各種結(jié)構(gòu)單元影響隔聲性能：環(huán)氧基和羥基賦予樹脂反應(yīng)性，使樹脂具有很強(qiáng)的內(nèi)聚力和粘接力；羥基是極性基團(tuán)，有助于提高材料的浸潤性和黏附力，同時醚鍵和C-C鍵使大分子具有一定的柔順性。正由于雙酚A型樹脂的分子結(jié)構(gòu)特點，環(huán)氧樹脂黏性相對于其他流體才比較大，表現(xiàn)出的聲阻抗相對較大。利用雙酚A型環(huán)氧樹脂作為三維層連玻璃纖維織物層間介質(zhì)制備的復(fù)合材料，其對中、低頻噪聲的隔聲性能有較大的改善。

3　結(jié)　論

基于多層介質(zhì)隔聲傳播理論構(gòu)建數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，利用三維層連玻璃纖維織物、聚氯乙烯、雙酚A型環(huán)氧樹脂制備多層介質(zhì)復(fù)合材料。通過隔聲測試分析后發(fā)現(xiàn)：

a) 灌注的流體黏性越大，材料內(nèi)部的聲阻抗越大，材料的隔聲性能越好。

b) 聚氯乙烯基多層介質(zhì)復(fù)合材料的隔聲性能有別于常規(guī)的均一材料，其隔聲量增長量與均一材料的理論計算相比有較大的差異。

c) 中間層的聲阻抗對多層介質(zhì)復(fù)合材料的隔聲性能有較大的影響。利用雙酚A型環(huán)氧樹脂作為三維層連玻璃纖維織物層間介質(zhì)制備的復(fù)合材料，其對中、低頻噪聲的隔聲性能有較大的改善。

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(責(zé)任編輯： 張祖堯)

Influene of Multilayer Dielectric PVC-composites on Low- and Medium-Frequency Sound Insulation Property

YULaiming,WANGXiaoxia

(Technology Research and Development Center of Hongsheng Plastics (Hangzhou) Co., Ltd., Hangzhou 311251, China)

In order to improve the low- and medium-frequency sound insulation property of composite material, the hollow composite material is prepared with 3D glass fabric as the framework and the PVC as the basal body, to test and analyze its sound insulation property. The acoustic model of multilayer medium transmitting is founded and numerically analyzed based on the multilayer medium transmitting theory. For proving the simulation, the multilayer medium PVC-composites are prepared and poured interiorly with different viscous fluids. The sound insulation property was analyzed. The result indicated that the sound insulation property of the multilayer medium composites was obviously affected by sound impedance of middle medium. It was a good agreement between experimental results and the simulative analysis. The sound insulation property of composites that poured by the viscosity of biphenyl A-epoxy resin has better improvement at low and middle frequency.

acoustic insulation property; multilayer dielectric; PVC; composites; 3D glass fabric

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.03.006

2015-05-07

俞來明(1983-)，男，浙江杭州人，工程師，碩士，主要從事給排水材料科學(xué)與工程方面的研究。

TQ325.3

A

1673- 3851 (2016) 02- 0187- 05 引用頁碼： 030206