黃 偉

江西服裝學(xué)院 服裝設(shè)計(jì)學(xué)院(中國(guó))

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民的城鎮(zhèn)化是必然趨勢(shì)，人口的過(guò)度集中造成大量的問(wèn)題，噪聲即是其中重要的污染問(wèn)題之一。噪聲不僅讓人心煩意亂，工作效率低下，還能造成人體聽(tīng)覺(jué)下降，生理系統(tǒng)紊亂，嚴(yán)重影響人們的生活。世界衛(wèi)生組織的臨床醫(yī)學(xué)研究表明，噪聲會(huì)造成注意力不集中、記憶力衰退、心臟病和高血壓等多種疾病[1-2]，研究更證實(shí)了居住在高速公路附近的居民由噪聲引發(fā)心肌梗塞的概率比其他安靜環(huán)境中的居住人群高30%[3]。高強(qiáng)度、高頻率的噪聲對(duì)辦公儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和建筑物等的壽命都會(huì)產(chǎn)生極大的影響，因此對(duì)降噪機(jī)理的研究具有深遠(yuǎn)的意義?，F(xiàn)階段降噪研究主要集中在以下3種途徑：一是控制噪聲發(fā)生源；二是控制聲音的傳播途徑；三是通過(guò)對(duì)噪聲的受體進(jìn)行保護(hù)。3種途徑中通過(guò)第二種即控制聲音的傳播途徑進(jìn)行降噪最為有效，該途徑主要是利用減震材料消耗聲波的能量從而達(dá)到降噪的效果。根據(jù)作用機(jī)理可分為隔聲材料、吸聲材料與阻尼材料。本文通過(guò)分類分析紡織材料的吸聲機(jī)理與吸聲研究進(jìn)展，為開(kāi)發(fā)具有吸聲降噪功能的紡織品提供借鑒。

1 紡織品吸聲機(jī)理與數(shù)據(jù)分析模型

1.1 紡織品吸聲機(jī)理

紡織品作為柔性材料的重要組成部分，在吸聲材料的應(yīng)用上具有明顯優(yōu)勢(shì)。吸聲材料按吸聲機(jī)理可分為共振吸聲材料和多孔吸聲材料，紡織品的吸聲則多集中在后者。紡織品是由纖維材料制成的，其多孔性體現(xiàn)于整個(gè)織造過(guò)程，如部分纖維材料的中空結(jié)構(gòu)，纖維間孔隙，織物組織點(diǎn)間的孔隙，織物后整理過(guò)程中產(chǎn)生的孔隙結(jié)構(gòu)等。上述多孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的多環(huán)節(jié)性、多層次性和結(jié)構(gòu)多變性，為紡織品作為柔性吸聲材料的開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)。當(dāng)聲能接觸到紡織品時(shí)，大致有3種路徑對(duì)聲能進(jìn)行消耗：一是通過(guò)織物的反射對(duì)聲波進(jìn)行反射；二是當(dāng)反射剩余聲波通過(guò)織物內(nèi)部時(shí)，紡織品孔隙會(huì)對(duì)進(jìn)入的聲能產(chǎn)生一定的黏滯阻力，從而將聲能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉而起到吸聲的作用；三是對(duì)另一部分聲能通過(guò)紡織品內(nèi)部纖維的振動(dòng)而轉(zhuǎn)化為機(jī)械能消耗掉。上述未被消耗掉的聲能則為穿透織物成為可被檢測(cè)到的噪聲，紡織品的吸聲機(jī)理為吸聲系數(shù)的構(gòu)建創(chuàng)建了理論基礎(chǔ)[4]。

1.2 吸聲數(shù)據(jù)分析模型

紡織品屬于柔性多孔材料的吸聲材料，其吸聲數(shù)據(jù)分析模型構(gòu)建難度相對(duì)固態(tài)材料較高，現(xiàn)階段常用的數(shù)據(jù)分析模型主要為微觀結(jié)構(gòu)模型、現(xiàn)象模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。微觀結(jié)構(gòu)模型需通過(guò)現(xiàn)代高分辨率顯微鏡和掃描電鏡等觀察紡織品而建立，通過(guò)觀察計(jì)算織物的孔隙率、流阻、彎曲角度等參數(shù)構(gòu)建聲能衰減模型。該方法參數(shù)精確率高，但通用性差；現(xiàn)象模型則是將聲波在紡織品中的傳播在等效介質(zhì)中進(jìn)行模擬，較為經(jīng)典的為羅善德[5]提出的電磁流變液等效模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣t是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)材料的吸聲性能進(jìn)行定性分析，使用參數(shù)較少，分析精度較差，代表性模型為Delany-Bazley模型。還有其他一些分析模型，如史磊[6]針對(duì)非織造布構(gòu)建的回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，可針對(duì)特殊材料消除吸聲數(shù)據(jù)誤差，提高分析精確率。

2 紡織品的吸聲研究進(jìn)展

2.1 纖維材料的吸聲研究與應(yīng)用

纖維材料作為制備吸聲紡織品的基礎(chǔ)材料，其選擇至關(guān)重要。目前常用的纖維吸聲材料有活性碳纖維、金屬纖維、納米纖維與異形纖維。

活性碳纖維自身具備多孔的特點(diǎn)，極大提高了纖維的比表面積，是較為理想的吸聲纖維材料，其多孔性的特點(diǎn)可以配合非織造織物與機(jī)織物構(gòu)建多層吸聲紡織品，極大地提高了織物的吸聲性能。Shen等[7-8]利用磷酸二氫銨溶液對(duì)非織造布預(yù)氧化后高溫碳化，從而制備吸聲碳纖維氈，該款紡織品能有效改善紡織品在低頻吸聲能力弱的弊端。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化纖維氈制備工藝，可提高纖維氈的活化時(shí)間、活化溫度和碳化溫度，改善其對(duì)使用環(huán)境的實(shí)用性。Chen等[9]也曾利用活性炭纖維與3層非織造布制備隔聲織物，研究表明在低頻狀態(tài)下，活性炭纖維的吸聲性能僅次于玻璃纖維。

金屬纖維作為吸聲纖維具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、耐氧化、耐高溫、強(qiáng)度高，適應(yīng)復(fù)雜的使用環(huán)境等。以鈦纖維[10]和FeCrAl纖維[11]制備的多孔梯形結(jié)構(gòu)，是理想的航空發(fā)動(dòng)機(jī)降噪材料。

納米纖維作為高端纖維成果之一，其纖維細(xì)度較細(xì)，比表面積大，制備的纖維氈孔隙率高，孔隙路徑曲折。納米纖維細(xì)度較小，因此能夠在較低頻率引起聲波與纖維共振，從而達(dá)到聲能的消耗和降噪的效果[12]。Na等[13]通過(guò)制備多層納米纖維氈，并對(duì)不同質(zhì)量的納米纖維織物進(jìn)行吸聲性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在1 000～4 000 Hz范圍內(nèi)，納米纖維氈的吸聲性能隨著纖維層數(shù)的增加而提高。

異形纖維是現(xiàn)階段較為經(jīng)濟(jì)可行的纖維吸聲材料，其多變的截面使纖維立體感強(qiáng)，蓬松度高，具有較高的孔隙率。基于赫姆霍茲共振腔原理可知異形纖維可通過(guò)改變纖維截面而改變不同頻率聲波的吸收性能，從而提高吸收聲波的覆蓋頻率，具有很強(qiáng)的吸聲效能。Harting[14]將采用聚丙烯與聚乙烯的異形纖維紗紡制的針織物應(yīng)用在壓縮空氣裝置上，測(cè)試表明其具有很好的吸聲降噪效果。隨著紡絲技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，越來(lái)越多的橫截面異形、內(nèi)部中空的纖維品種被開(kāi)發(fā)紡制，其可以通過(guò)中空結(jié)構(gòu)與入射聲波產(chǎn)生共振，從而達(dá)到對(duì)聲能消耗的效果。Mahmoud等[15]使用中空聚酯纖維(質(zhì)量分?jǐn)?shù)45%)與非中空聚酯纖維(質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%)紡制成的吸聲非織造布，并在汽車(chē)內(nèi)飾中進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明當(dāng)織物的面密度為600 g/m2時(shí)，具有較好的吸聲降噪效果。除紡絲制備的異形纖維外，很多天然纖維橫截面不規(guī)則，且纖維內(nèi)部有中空結(jié)構(gòu)，如棉纖維等，該類纖維均具有較好的吸聲性能。

2.2 織物參數(shù)對(duì)吸聲性能的影響

織物的吸聲性能除了受織造纖維材料性能影響外，還與織物的織造工藝密切相關(guān)，如織物結(jié)構(gòu)、織物厚度、后整理工藝等。后文將從織物結(jié)構(gòu)參數(shù)與后整理工藝兩方面分析織物參數(shù)對(duì)織物吸聲性能的影響。

2.2.1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)織物吸聲性能的影響

織物的織造工藝對(duì)織物吸聲的影響主要集中在織物厚度和織物的密度與孔隙率方面。織物的厚度與織物的吸聲性能關(guān)系密切，其機(jī)理為聲波在穿越織物時(shí)振動(dòng)與摩擦使得聲能轉(zhuǎn)化為熱能從而達(dá)到吸聲效果。研究表明，織物厚度的增加可以有效降低中低頻聲波的傳播。這是由于中低頻聲波的波長(zhǎng)較高，當(dāng)織物厚度較低時(shí)，織物自身聲容較小，易被聲波穿過(guò)，而織物厚度增加則提高了織物的聲容，有效降低中低頻聲波的傳播[16]。除厚度外，織物的密度與孔隙率也是影響其吸聲性能的重要因素，多數(shù)條件下，織物的密度與孔隙率呈負(fù)相關(guān)?？椢锏亩嗫仔允强椢锞邆湮曅阅艿谋貍錀l件。研究表明，將織物的孔隙率控制在70%以內(nèi)時(shí)，隨著織物孔隙率的增加，織物的吸聲性能逐漸上升，當(dāng)織物的孔隙率超過(guò)70%時(shí)，聲波穿過(guò)織物能力增強(qiáng)，聲能衰減降低，造成纖維振動(dòng)能耗降低，吸聲效果下降。Berardi等[17]論述了紅麻纖維織物孔隙率高低對(duì)中高頻聲波吸聲效果的影響，發(fā)現(xiàn)孔隙率適當(dāng)降低能顯著提高中高頻聲波的吸聲性能。吸聲織物的設(shè)計(jì)還體現(xiàn)在多層結(jié)構(gòu)的織物上，現(xiàn)常用的布局結(jié)構(gòu)有梯度結(jié)構(gòu)、夾層結(jié)構(gòu)和多層結(jié)構(gòu)3種。梯度結(jié)構(gòu)是利用不同孔隙率的織物按照次序排列，構(gòu)造一個(gè)具有梯度的多層織物結(jié)構(gòu)，從而形成具有消耗不同頻率的聲波的作用。研究表明，依次采用孔隙率為80%、85%和91%的不銹鋼纖維織物排列構(gòu)造的多層織物對(duì)低于1 600 Hz的聲波的吸聲系數(shù)為0.9，反之為0.6，驗(yàn)證了梯度織物結(jié)構(gòu)布局對(duì)吸聲性能的有效性[18-19]。夾層結(jié)構(gòu)則是在織物層間注入有吸聲效果的纖維夾層，該法是現(xiàn)階段利用較多的一種吸聲織物制備方法。試驗(yàn)測(cè)試表明，在厚度為4 mm的非織造織物中注入22 mm厚的聚氨酯泡沫，可使吸聲系數(shù)升至0.8[20]。多層結(jié)構(gòu)原理大致等同于梯度結(jié)構(gòu)，但無(wú)對(duì)孔隙率排列的要求，即通過(guò)多層織物層合達(dá)到對(duì)不同頻率聲波的吸收性能。

2.2.2 后整理工藝對(duì)織物吸聲性能的影響

對(duì)織物吸聲性能的后整理是在織物表面與織物孔隙內(nèi)部浸入一定量的整理液，以改變織物的厚度、孔隙率與織物表面特征等。其原理大致相仿，均為通過(guò)改變織物的參數(shù)以增加空氣流阻和多孔性，從而達(dá)到吸聲效果?，F(xiàn)階段常用的吸聲后整理工藝有浸漬法和涂層法。文獻(xiàn)利用聚乙二醇和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的二氧化硅制成的整理液對(duì)織物進(jìn)行吸聲整理后，織物內(nèi)部纖維間、紗線間與織物組織的孔隙率得到一定程度的降低，同時(shí)織物表面多孔性與面密度也均有不同程度的提高，測(cè)試表明整理后織物的吸聲性能增加了近10倍[21]。傅雅琴等[22]利用浸漬法整理使聚氯乙烯/玻璃纖維織物的面密度和厚度分別提高至0.678 kg/m2和0.5 mm，有效降低中低頻聲波。涂層法是將吸聲材料連續(xù)涂層于目標(biāo)織物，使其緊密黏合。該類整理工藝不勝凡舉，在此不再贅述。

3 結(jié)語(yǔ)

在紡織品吸聲機(jī)理與數(shù)據(jù)分析模型的基礎(chǔ)上，闡述了纖維材料、織造工藝與后整理工藝對(duì)織物吸聲性能的影響與應(yīng)用，分析了柔性吸聲紡織品的開(kāi)發(fā)的可行性。選用細(xì)度小、纖維截面異形等結(jié)構(gòu)纖維，通過(guò)合理布局織物結(jié)構(gòu)和選用合適后整理工藝，可有效提高織物吸聲性能。