李輝芹， 張 楠， 溫曉丹， 鞏繼賢， 趙曉明， 王支帥

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室， 天津 300387)

噪聲污染已成為危害人類身心健康的重要環(huán)境因素[1-3]。隨著社會發(fā)展與科技進(jìn)步，噪聲控制越來越受到重視。噪聲控制有3個環(huán)節(jié)：抑制噪聲產(chǎn)生、控制噪聲傳播、保護(hù)噪聲接收器。在所有環(huán)節(jié)中，吸聲與隔音材料都是必需的。

纖維集合體已經(jīng)越來越多地被用于降噪。與剛性材料相比，纖維材料具有質(zhì)量輕、成本低、易加工等優(yōu)點[4-5]。作為多孔吸聲材料，紡織加工制備的纖維集合體具有良好的高頻吸聲性能[6]，但紡織品結(jié)構(gòu)疏松，隔音性能較差，且對中低頻噪聲吸聲效果不好。將纖維材料與其他材料復(fù)合構(gòu)建降噪結(jié)構(gòu)體是近來發(fā)展的方向[7]。有研究通過將纖維材料的多孔吸聲機(jī)制與其他材料的共振吸聲和阻尼降噪機(jī)制相結(jié)合，形成降噪效率更高、降噪頻譜分布更寬的新型產(chǎn)品[8-10]。

本文就近年來纖維材料降噪結(jié)構(gòu)體的構(gòu)建方式、降噪效果和作用機(jī)制等研究進(jìn)展進(jìn)行介紹，并對其發(fā)展前景提出展望。

1 多孔吸聲降噪結(jié)構(gòu)

1.1 多層結(jié)構(gòu)

聲波入射物體后，一部分被物體表面直接反射，另一部分進(jìn)入物體內(nèi)部被吸收，還有一部分則透射到物體另一側(cè)繼續(xù)傳播，原理圖如圖1所示。聲能被物體吸收的現(xiàn)象稱為吸聲，材料吸聲效果通常以吸聲系數(shù)α表示，α大于0.2的材料被稱為吸聲材料[11-12]。

圖1 吸聲機(jī)制簡圖Fig.1 Sketch of sound absorption mechanism

纖維材料具有多孔結(jié)構(gòu)特征，比如在紡織品中纖維間就有許多毛細(xì)孔。多孔吸聲是纖維材料降噪的基本機(jī)制。聲波進(jìn)入后引起纖維間毛細(xì)孔中空氣的振動，部分聲能在此過程中轉(zhuǎn)換為熱能，從而實現(xiàn)吸聲效果[13]。

構(gòu)建多層結(jié)構(gòu)是比較常見的降噪結(jié)構(gòu)體形成方法。多層結(jié)構(gòu)具有因?qū)Σ煌l段噪聲響應(yīng)性能不同而進(jìn)行差異化吸收的優(yōu)勢，適于頻率分布較寬的噪聲吸收[14]。有研究表明，具有不同組織結(jié)構(gòu)的雙層織物，吸聲效果有明顯不同[15-16]。為此，人們嘗試將不同結(jié)構(gòu)的紡織品進(jìn)行層合，以提高對不同頻率噪聲的整體降噪效果。

有研究用纖維材料與其他多孔材料層合，構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)，比如將水泥基膨脹珍珠巖多孔材料與活性炭纖維(ACF)非織造布結(jié)合形成復(fù)合結(jié)構(gòu)體[17-18]。研究發(fā)現(xiàn)，將水泥基膨脹珍珠巖多孔材料與3層ACF非織造布結(jié)合后，吸聲系數(shù)可增大23%～32%；將ACF置于水泥基膨脹珍珠巖多孔材料的前方與置于后方情況進(jìn)行對比，平均吸聲系數(shù)提高約20%。

1.2 夾層結(jié)構(gòu)

夾層結(jié)構(gòu)是目前纖維材料構(gòu)建吸聲結(jié)構(gòu)體的主要方式[19]。有研究采用滌綸短纖維為芯層，以滌綸非織造布為表層，制備滌綸纖維夾層結(jié)構(gòu)吸聲產(chǎn)品[20]，如圖2所示。結(jié)果表明，厚度為6.65 mm的樣品平均吸聲系數(shù)可達(dá)0.348。夾層結(jié)構(gòu)的形成增加了材料內(nèi)的分界面，應(yīng)該是提高結(jié)構(gòu)體吸聲性能的主要原因。

圖2 由短纖與非織造布組成的夾層結(jié)構(gòu)Fig.2 Sandwich structure formed by staple fiber and nonwovens

文獻(xiàn)[21]將厚度為4 mm的2種類型非織造布作為外層，將厚度為22 mm的聚氨酯(PU)泡沫塑料作為內(nèi)層，制備了3種夾層結(jié)構(gòu)的吸聲材料，其在856 Hz的吸收系數(shù)達(dá)到了0.8。

Elikel等[22]以熔噴非織造布為中間層，紡粘非織造布為外層構(gòu)建了結(jié)構(gòu)體，如圖3所示。結(jié)果表明，以雙組分纖維做外層的夾層非織造結(jié)構(gòu)體具有更好的吸聲性能，并且隨內(nèi)層結(jié)構(gòu)體積密度增加，吸聲效應(yīng)更顯著。

圖3 由2種非織造布組成的夾層結(jié)構(gòu)Fig.3 Sandwich structure formed by two types of nonwovens

1.3 梯度結(jié)構(gòu)

進(jìn)行多層多孔材料吸聲體的設(shè)計時，將不同孔隙率的各層按梯度順序來排列，就形成梯度結(jié)構(gòu)。梯度結(jié)構(gòu)也是用纖維材料構(gòu)建吸聲結(jié)構(gòu)體的有效方法。

有研究將2～3層孔隙性能不相同的不銹鋼纖維材料[23-24]組成梯度結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這種梯度結(jié)構(gòu)可有效改善材料的低頻吸聲性。實驗表明：孔隙率分別為91%、85%、80% 的不銹鋼纖維材料按照孔隙率從小到大的順序排列時，頻率低于1 600 Hz時，吸聲系數(shù)最高可達(dá)0.9；反過來按照從大到小排列時，吸聲系數(shù)最高只有0.6。

Zhu等[25]采用真空燒結(jié)法將直徑為8、12、20 μm的3種不銹鋼纖維制出12種不同厚度、不同孔隙結(jié)構(gòu)的材料，并制備了1～3層孔隙率梯度結(jié)構(gòu)的吸聲材料。多層梯度結(jié)構(gòu)中所含界面更多，前方界面與后方界面間存在的聲阻率差異大時，表示系統(tǒng)中存在更多聲反射循環(huán)，即聲波在空氣-多孔材料界面和梯度材料內(nèi)部界面之間產(chǎn)生不斷反復(fù)的反射，可通過在有限厚度條件下增加界面數(shù)量，從而進(jìn)一步增加吸聲系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，敖慶波等[26-28]采用不銹鋼纖維研究制備了超薄梯度吸聲結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，對于超薄結(jié)構(gòu)，孔隙率小和孔徑小的一側(cè)朝向聲源利于增強(qiáng)全頻段的吸聲性能。

2 多孔與共振復(fù)合降噪結(jié)構(gòu)

共振式吸聲是指當(dāng)聲波進(jìn)入某一具有固定共振頻率的共振結(jié)構(gòu)時，若聲波的頻率和此共振頻率相同會發(fā)生共振，使聲能大量被耗損。共振式吸聲結(jié)構(gòu)在降噪領(lǐng)域多以穿孔板形式出現(xiàn)。

對纖維材料而言，由于孔隙結(jié)構(gòu)的限制，很難在低頻降噪上有很大突破。于是有研究者將多孔吸聲機(jī)制和共振吸聲機(jī)制復(fù)合，設(shè)計高效降噪結(jié)構(gòu)體。

呂麗華等[29]采用共混熱壓工藝，以廢舊的滌綸纖維作為增強(qiáng)材料，將熱塑性聚氨酯作為基體材料，制出廢舊滌綸纖維/聚氨酯復(fù)合材料，并將其加工為穿孔板，與廢舊滌綸纖維織物進(jìn)行貼合，制備吸聲產(chǎn)品。研究發(fā)現(xiàn)：穿孔板孔徑由1 mm增大到2 mm，產(chǎn)品對3 000 Hz噪聲吸聲系數(shù)增大71%，達(dá)到0.89；而當(dāng)穿孔板厚度增加，吸聲系數(shù)峰值會向低頻方向移動，同時峰值略有減小；隨著穿孔率的增加，材料的吸聲頻帶被拓寬，而峰值會降低；所用滌綸織物層數(shù)從1層增至3層，最大吸聲頻帶會移至800 Hz左右的區(qū)域，同時吸聲系數(shù)峰值提高76%。

田一等[30]開發(fā)了一種微孔纖維復(fù)合吸聲板，表層為微穿孔吸聲板，內(nèi)層則為鋁纖維吸聲板，如圖4所示。其吸聲曲線在1 600 Hz前有2個吸聲峰，在240 Hz及1 000 Hz左右時吸聲系數(shù)接近1。由于二者的中間腔和背后空氣腔的存在，結(jié)合成為一種雙共振吸聲結(jié)構(gòu)，在中低頻的降噪性能較好，其可以與鋁纖維吸聲板的高頻吸聲特性進(jìn)行互補，結(jié)合發(fā)揮出更好的降噪效果[31-33]。

圖4 微孔纖維復(fù)合吸聲板Fig.4 Microporous fiber composite sound-absorbing panel

黃麻具有可生物降解的特點，并且具有良好的吸聲隔音效果[34]，常作為降噪材料被用于家用洗衣機(jī)、吸塵器等電器中。將黃麻氈與微穿孔板復(fù)合，可改善黃麻氈對低頻噪聲的降噪性能。Bansod等[35]將3種密度不同的黃麻氈分別與空氣層、穿孔率為1.23%的微穿孔板(MPP，見圖5)以2種構(gòu)建方式進(jìn)行復(fù)合：MPP在黃麻氈之前，黃麻氈和剛性壁間有空氣層；MPP在黃麻氈和空氣層之間，如圖5所示。測試發(fā)現(xiàn)，微穿孔板在聲波入射的一側(cè)時，結(jié)構(gòu)體在中頻區(qū)域的吸聲效果較好，在500 Hz左右的吸收峰出現(xiàn)寬帶吸收現(xiàn)象。

圖5 微穿孔板Fig.5 Micro perforated panel

裴春明等[36]以玻璃棉和微穿孔板為原料，制備了吸聲結(jié)構(gòu)體。結(jié)果表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲效果明顯優(yōu)于微穿孔板和玻璃棉單獨存在時的吸聲效果，當(dāng)纖維材料位于微穿孔板前方，對600～1 600 Hz頻段噪聲產(chǎn)生很好的吸收效果，吸聲有效頻段得到大幅拓寬，并向低頻移動。

目前，以纖維材料為原料，將多孔吸聲機(jī)制和共振吸聲機(jī)制相結(jié)合進(jìn)行復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究中，纖維材料多被制備成氈狀或復(fù)合材料板材。在將來，其他形式的纖維結(jié)合體與共振吸聲機(jī)制的結(jié)合也值得進(jìn)行探索。

3 多孔與阻尼復(fù)合降噪結(jié)構(gòu)

由于紡織材料輕薄、阻尼低等性質(zhì)，其作為隔聲材料往往效果并不顯著[37]。有研究將紡織品與阻尼材料結(jié)合提高降噪性能。

阻尼減振降噪機(jī)制即增加系統(tǒng)的阻尼，提高系統(tǒng)損耗能量的能力，從而減少結(jié)構(gòu)的振動及由此產(chǎn)生的聲輻射，來達(dá)到降噪的目的[38]。黏彈性材料是阻尼減振降噪的常用材料，其性能介于黏性和彈性材料之間，受力后分子間產(chǎn)生相對滑移，增加系統(tǒng)能量的耗散。

近年來，阻尼性能優(yōu)良的樹脂、泡沫鋁等材料常被應(yīng)用到降噪中。紡織材料可通過和阻尼材料復(fù)合成降噪結(jié)構(gòu)體，來獲得更好的降噪效果。當(dāng)基體材料接收到聲波，發(fā)生彎曲振動，阻尼層反復(fù)受到拉伸、壓縮，由此實現(xiàn)聲能耗散，達(dá)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聲隔音效果[40-41]。

Yan等[42]采用溶液共混法將納米黏土填料加入聚丙烯(PP)中，制備出PP/黏土納米復(fù)合隔聲材料。測試發(fā)現(xiàn)，加入納米黏土填料可顯著提高復(fù)合材料的全頻隔聲性能，在3 200～6 400 Hz高頻下，PP/6.5%黏土樣品的隔聲量比純PP樣品提高7～14.8 dB。這種納米復(fù)合材料性能的增強(qiáng)歸因于聚合物基體與納米填料之間的協(xié)同效應(yīng)。

Kim等[43]同樣采取溶液共混法將黏土、碳納米管混合納米填料加入到PP中，制備出了PP/黏土/碳納米管復(fù)合隔聲材料。研究發(fā)現(xiàn)：PP/4.8%黏土/0.5%碳納米管復(fù)合材料在高頻(3 200～6 400 Hz)下的隔聲量比純PP高15～21 dB，在低頻(580～620 Hz)下隔聲量比純PP高8～14 dB；加入混合填料的復(fù)合結(jié)構(gòu)體隔聲性能強(qiáng)于加入單種填料的復(fù)合結(jié)構(gòu)體。

椰殼纖維源于廢棄天然產(chǎn)物，其中空的單個纖維細(xì)胞賦予其較好的聲學(xué)性能，在降噪領(lǐng)域有著可替代玻璃纖維、巖棉等材料的杰出潛力。Mamtaz等[44]制備出椰殼纖維多孔材料，并將圓柱形稻殼纖維顆粒作為填料通過黏合劑和多孔材料復(fù)合到一起。研究發(fā)現(xiàn)：隨著樣品厚度、纖維顆粒組分、黏接劑用量增加和纖維粒徑的減小，吸聲系數(shù)峰值逐漸向著低頻移動；在最佳條件下，752 Hz時吸聲系數(shù)的最佳峰值達(dá)0.86。這項研究除了構(gòu)建降噪結(jié)構(gòu)體，也利于用較低成本實現(xiàn)用天然廢料作為降噪材料的再利用。

潘涵等[45]選取由硫酸鋇粉末填充的聚氯乙烯(PVC)基復(fù)合材料作為基體材料，選用EW100和EW200 2種不同型號的玻璃纖維織物作為增強(qiáng)材料與之復(fù)合，制備出層合結(jié)構(gòu)玻璃纖維織物/PVC基復(fù)合材料，如圖6所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維織物/PVC基復(fù)合材料與單層的PVC基復(fù)合材料相比，拉伸載荷大大提高，常溫環(huán)境下的阻尼性能提高。

圖6 玻璃纖維織物/PVC基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)Fig.6 Samples of several laminated structures. (a) Sample 1; (b) Sample 2; (c) Sample 3; (d) Sample 4; (e) Sample 5

在降噪材料的研發(fā)過程中，成本及環(huán)保問題也時刻被關(guān)注。Zhou等[46]使用再生橡膠(R-Rubber)與七孔中空聚酯纖維(SHPF)為原料，制備了低成本的環(huán)保R-Rubber/SHPF復(fù)合材料，在較寬的溫度范圍內(nèi)具有優(yōu)異的阻尼性能。該復(fù)合材料的SHPF含量、厚度對聲學(xué)性能有顯著影響，橡膠材料與纖維材料質(zhì)量比為100∶25且厚度為1 mm的復(fù)合材料，在2 500 Hz時吸聲系數(shù)峰值為0.407；質(zhì)量比為100∶20的復(fù)合材料其厚度由0.5 mm增加至2 mm時，該結(jié)構(gòu)體在中低頻率下表現(xiàn)出較好的吸聲性能。

4 結(jié)束語

降噪結(jié)構(gòu)體的制備可以通過結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，使材料發(fā)揮出更好的降噪效果；但在材料復(fù)合的過程中，厚度、質(zhì)量的增加，會限制復(fù)合結(jié)構(gòu)體的應(yīng)用，如在交通工具及有限空間內(nèi)，因此，降噪結(jié)構(gòu)體的研究方向必然會趨于輕薄型。

目前，纖維材料制備的降噪結(jié)構(gòu)體多對高頻噪聲效果更顯著，但對低頻噪聲的降噪效果還不理想；但是在很多情況下，如室內(nèi)空間，外界噪聲經(jīng)墻體阻隔后，進(jìn)入室內(nèi)的更多是中低頻噪聲，所以，如何實現(xiàn)對中低頻噪聲的高效降噪仍是今后研究的重點。

近年來，隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，人們對綠色制造與產(chǎn)品的生態(tài)性要求越來越高。將來人們對降噪產(chǎn)品在原料的無害化、加工過程的清潔化、產(chǎn)品的生態(tài)化等方面會更加注重。而且，對降噪產(chǎn)品而言，多功能化也是將來發(fā)展的重要方向。人們對家用紡織品、裝修裝飾材料等與降噪有關(guān)的產(chǎn)品，除吸聲隔音要求外，還希望具有阻燃、防紫外線、保溫、拒污等多種功能。