吳雙雙，徐 偉，2*

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)智庫(kù)林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210037)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，施工噪聲、交通噪聲等帶來(lái)的噪聲污染影響人們的工作效率、身心健康和生活品質(zhì)，木門隔音結(jié)構(gòu)的研究與優(yōu)化一直是多功能木門的重要發(fā)展方向之一。本研究對(duì)隔音木質(zhì)門性能研究的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研與分析，梳理其主要研究方向，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)，在此基礎(chǔ)上提出一種門芯隔音結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。

1 木質(zhì)門的隔音性能研究進(jìn)展

隔音木質(zhì)門屬于功能型木門，是指以鋸材、膠合板、纖維板、刨花板、集成材、細(xì)木工板等人造板為主要材料制作的具有隔音、降噪效果的木門[1]。木質(zhì)門主要由門框和門扇組成，門扇由骨架和門芯構(gòu)成，骨架通常由單板或集成材構(gòu)成，是門扇的結(jié)構(gòu)部件，門芯材料的選用較為多樣，是門扇的功能部件，常見(jiàn)具有隔音性能的門芯填充材料有蜂窩紙板、空心刨花板等，提升門芯部件的聲學(xué)性能有助于保障木質(zhì)門的隔音效果。

根據(jù)隔音原理的不同，木質(zhì)門隔音技術(shù)主要有超厚靜音、結(jié)構(gòu)隔音、材料隔音三類[2]。

1.1 超厚隔音

超厚隔音技術(shù)的原理是基于建筑聲學(xué)中的單層墻質(zhì)量作用定律，由該定律可知，對(duì)于一定頻率的聲波，一個(gè)密實(shí)單層墻的隔聲量是由單位面積的質(zhì)量所決定，當(dāng)墻的材料確定時(shí)，通過(guò)增強(qiáng)隔墻厚度即可增加其隔聲量[3]。但隨著木材資源的日益緊缺以及厚度增加對(duì)木門的尺寸穩(wěn)定性有影響，同時(shí)厚度增加至一定程度后其隔聲量的增幅變緩，呈非線性的關(guān)系，因此該技術(shù)在隔音木質(zhì)門中的應(yīng)用已相對(duì)較少。

1.2 結(jié)構(gòu)隔音

結(jié)構(gòu)隔音技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基于雙層墻的隔聲規(guī)律，主要從結(jié)構(gòu)和材料兩方面進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，以提高木門結(jié)構(gòu)的隔音效果，主要形式有通過(guò)不同材料組合成門芯板以構(gòu)成多個(gè)聲學(xué)區(qū)間、引入共振消聲的聲學(xué)結(jié)構(gòu)、改善木門結(jié)構(gòu)的閉合性等[4]。如上海開(kāi)順特種門窗有限公司提出的一種不銹鋼隔音門，其原理是通過(guò)隔音擋板、吸音棉、高分子橡塑隔音毛氈和不銹鋼面板等材料組合成門板，形成多個(gè)聲學(xué)界面加快聲波的傳遞衰減；又如TATA的一款實(shí)木復(fù)合靜音門采用門框45°斜口設(shè)計(jì)和磁極相吸原理提高門板和門框的吸合性，同時(shí)門芯采用橋洞力學(xué)板，以提高密封隔音效果。門框斜口設(shè)計(jì)如圖1所示，橋洞力學(xué)板如圖2所示。

圖1 門框斜口設(shè)計(jì)

圖2 橋洞力學(xué)板

1.3 材料隔音

材料隔音技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)使用吸聲材料來(lái)完成，目前經(jīng)濟(jì)環(huán)保是聲學(xué)材料研發(fā)的重要方向。隔音木質(zhì)門常用的吸聲材料主要有兩大類：一類是穿孔材料，其是在金屬板、硬纖維板等表面穿孔，通常與結(jié)構(gòu)隔音配合實(shí)現(xiàn)共振吸聲，更進(jìn)一步的是在穿孔板的基礎(chǔ)上研發(fā)微穿孔板，喬厚等基于微穿孔板理論和等效流體多孔材料模型，并通過(guò)有限元分析驗(yàn)證了穿孔直徑越小或穿孔率越大時(shí)，吸聲帶寬越寬，聲學(xué)性能越好[5]。另一類是多孔材料，主要為纖維材料[6]和泡沫材料，其原理是聲波在孔隙間的黏性效應(yīng)和導(dǎo)熱性，使聲能轉(zhuǎn)化為其他能從而達(dá)到吸音效果。目前聲學(xué)材料的發(fā)展日趨多元化，復(fù)合型、環(huán)保型是其重要的發(fā)展方向，如傳統(tǒng)多孔材料與納米復(fù)合材料[7]、木基橡膠高聚物阻尼材料[8]、復(fù)合秸稈纖維砼生態(tài)板[9]等的研發(fā)。

隔音木質(zhì)門的相關(guān)專利[10]集中于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新兩方面。除聚焦于隔音性能設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題外，隨著人們審美需求的提高和對(duì)健康環(huán)保關(guān)注度的提升，近兩年隔音木質(zhì)門的專利發(fā)表中裝飾性、環(huán)保性、多功能、防變形等也受到了關(guān)注。

2 隔音木質(zhì)門的發(fā)展趨勢(shì)

隔音木質(zhì)門所用吸聲材料物理性質(zhì)有一定差異、隔音結(jié)構(gòu)多為空腔，極易造成木門的變形，因此對(duì)其尺寸穩(wěn)定性提出了更高的要求[11]。結(jié)合對(duì)木質(zhì)門隔音性能進(jìn)展的研究，分析總結(jié)出隔音木質(zhì)門主要有以下三大方面的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 高聲學(xué)性能

以加強(qiáng)聲學(xué)性能研究為重點(diǎn)工作，主要集中在不同聲學(xué)材料的組合、不同吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、新型功能聲學(xué)材料的研發(fā)等，其中材料—結(jié)構(gòu)復(fù)合形式將是新的設(shè)計(jì)思路。

2.2 結(jié)構(gòu)輕量化

實(shí)木門向?qū)嵞緩?fù)合門、木質(zhì)復(fù)合門方向的不斷發(fā)展和超厚隔音技術(shù)在隔音木質(zhì)門技術(shù)中被淘汰，表明了提高木材利用率、加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)等對(duì)木質(zhì)門的綠色設(shè)計(jì)提出了更高要求，體現(xiàn)在整體結(jié)構(gòu)用材的減量化設(shè)計(jì)，如空心板、蜂窩板在門芯材料中的使用。

2.3 材料環(huán)?；?/h3>

《中國(guó)制造2025》明確綠色發(fā)展作為五大基本方針之一，意味著將大力推行傳統(tǒng)制造業(yè)的綠色改造。同時(shí)消費(fèi)者環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)室內(nèi)環(huán)境中有毒有害氣體釋放的問(wèn)題高度重視[12]。隔音木質(zhì)門作為室內(nèi)空間中重要的木制品之一，其綠色環(huán)保性是其必然的發(fā)展趨勢(shì)，如減少膠黏劑的使用，制作無(wú)膠木門、采用生態(tài)吸聲材料秸稈等。

3 門芯隔音結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

本研究基于隔音木質(zhì)門的發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)隔音木質(zhì)門的主要功能部件門芯，提出一種隔音結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于木質(zhì)門在具備高聲學(xué)性能的同時(shí)保障了尺寸穩(wěn)定性，不易變形，同時(shí)主要結(jié)構(gòu)采用釘連接，減少膠黏劑的使用，并使用環(huán)保無(wú)害的吸聲材料。

3.1 隔音機(jī)理

通過(guò)穿孔鋁塑板和無(wú)紡布吸聲材料搭建亥姆霍茲共振系統(tǒng)，以提高門芯的隔音效果。亥姆霍茲共振系統(tǒng)是一種常見(jiàn)的消聲器，能夠有效抑制低頻噪聲，已有學(xué)者通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究證明通過(guò)串聯(lián)亥姆霍茲共振系統(tǒng)可以拓寬其消聲頻帶[13]。穿孔鋁塑板的單個(gè)微孔可以看作是一個(gè)孔頸，并與空氣腔連接。由于入射聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于孔頸長(zhǎng)度，因此腔中的氣體可視作“空氣彈簧”形成振動(dòng)系統(tǒng)，在振動(dòng)過(guò)程中聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳14]，從而達(dá)到高聲學(xué)性能的要求。同時(shí)，盧熾華等[15]通過(guò)傳遞導(dǎo)納法仿真模擬驗(yàn)證了雙層串聯(lián)微穿孔板結(jié)構(gòu)具有加寬吸聲頻帶、增加吸音效果的優(yōu)點(diǎn)。本方案中實(shí)現(xiàn)門芯隔音功能的機(jī)理是建立雙層串聯(lián)亥姆霍茲共振系統(tǒng)，提升木質(zhì)門的隔音性能。

3.2 具體說(shuō)明

隔音空心板結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3(a)和圖3(b)所示為一種用于木門門芯的隔音空心板結(jié)構(gòu)，包括由若干豎置的支撐柱1(10)和間柱11構(gòu)成的空心板間框架2，在支撐柱11左右兩側(cè)具有若干穿孔3的穿孔板4，在穿孔板4外側(cè)貼敷面板5，在穿孔板4背部設(shè)置吸聲層6，相鄰支撐柱之間設(shè)置豎直的剛性層7，剛性層位于上下兩塊穿孔板4中間，其中，穿孔板4包括穿孔板本體8，在穿孔板本體8上沿穿孔板的縱向均布若干個(gè)穿孔排9，每個(gè)穿孔排9包括沿穿孔板本體8橫向均布的若干穿孔3，同時(shí)穿孔3為亥姆霍茲共振器的頸部，穿孔板本體8與剛性層7之間的空腔為亥姆霍茲共振器的腔室。

圖3(c)和圖3(d)中，支撐柱1和10均在側(cè)面上設(shè)外側(cè)和內(nèi)側(cè)開(kāi)放的穿孔板嵌槽12，穿孔板嵌槽12的槽寬與穿孔板本體8的厚度相同，穿孔板嵌槽12的槽深不超過(guò)邊柱10寬度的1/2，事實(shí)上，邊柱10可視作直角榫頭結(jié)構(gòu)，便于機(jī)械化加工。間柱11的厚度與邊柱10的厚度相差穿孔板本體8厚度的兩倍；穿孔板4嵌設(shè)在穿孔板嵌槽12內(nèi)，穿孔板4的內(nèi)表面與間柱11的外表面靠接。穿孔板4、剛性層7與支撐框架2通過(guò)釘13連接，面板5與支撐框架2膠連接。

遵循環(huán)保綠色的設(shè)計(jì)原則，盡可能選用環(huán)保、可回收的材料，減少膠黏劑的使用。其中，支撐柱1和支撐框架2的材料為L(zhǎng)VL實(shí)木多層板；穿孔板本體8的材料為鋁塑板；面板5、剛性層7的材料為高密度板，表面可進(jìn)行直接涂飾[16-21]；吸聲層6的材料為無(wú)紡布吸聲材料，其具有質(zhì)量輕、性能好、價(jià)格低、易加工的特點(diǎn)。

常見(jiàn)的穿孔鋁塑吸音板尺寸參數(shù)見(jiàn)表1，本方案中選用厚度為3 mm、孔徑為10 mm、穿孔率為15%的鋁塑吸音板。穿孔吸聲材料是該隔音結(jié)構(gòu)的重要組成部分，同時(shí)穿孔板聲學(xué)性能受孔徑大小、孔頸長(zhǎng)度(穿孔板厚度)、穿孔率及其板厚空腔深度的影響。通過(guò)不同孔徑大小、孔頸長(zhǎng)度、穿孔率及空腔深度的組合方式，能夠得到不同性能的聲學(xué)板。根據(jù)前人的研究，在單層穿孔板結(jié)構(gòu)中，控制穿孔板厚度范圍為2.8 ～ 3.2 mm、孔徑范圍8～12 mm、穿孔率13%～18%，其聲學(xué)性能最佳。在同等條件下，采用雙層結(jié)構(gòu)能夠滿足更高水平的聲學(xué)性能需求。

圖3 隔音空心板結(jié)構(gòu)1.支撐柱；2.支撐框架；3.穿孔；4.穿孔板；5.敷面板；6.吸聲層；7.剛性層；8.穿孔板本體；9.穿孔排；10.支撐柱；11.間柱；12.嵌槽；13.釘

表1 穿孔鋁塑吸音板常見(jiàn)規(guī)格

在工作環(huán)境下，噪聲經(jīng)面板阻擋，又經(jīng)吸聲層吸收得以減弱；當(dāng)環(huán)境噪聲中的特定頻率與亥姆霍茲共振器的固有頻率相當(dāng)時(shí)，通過(guò)穿孔進(jìn)入腔室內(nèi)的特定頻率噪聲被吸收，收到良好的吸聲降噪效果。同時(shí)，門芯內(nèi)部設(shè)置鋁塑穿孔板，其具有不易變形、防水、防潮等優(yōu)良性能，有助于提高隔音木門的力學(xué)性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

在綠色健康發(fā)展的大背景下，對(duì)目前隔音木質(zhì)門聲學(xué)性能發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合消費(fèi)者需求，得出木質(zhì)門的發(fā)展趨勢(shì)是高聲學(xué)性能、結(jié)構(gòu)輕量化、綠色環(huán)保。由于木質(zhì)門的零部件較多，本研究主要針對(duì)木門的主要隔音功能部件門芯進(jìn)行一種隔音空心板的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，借鑒目前在船艦、航空等方面應(yīng)用較多的亥姆霍茲共振器進(jìn)行一種適用于木門使用的結(jié)構(gòu)改良設(shè)計(jì)。后續(xù)可通過(guò)建立等效模型進(jìn)行理論計(jì)算，采用有限元法[22]和打樣驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的實(shí)際隔音性能，在此結(jié)構(gòu)上可以選用不同的吸聲材料進(jìn)行比較和優(yōu)化，以達(dá)到更好的隔音效果并取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。