針刺非織造材料形態(tài)與組合結(jié)構(gòu)對材料吸聲性能的影響

張錦寬 崔建偉 晏 雄 (.紡織面料教育部重點實驗室，

東華大學紡織學院，上海，201620; 2.南通大學紡織服裝學院，南通，226007)

針刺非織造材料形態(tài)與組合結(jié)構(gòu)對材料吸聲性能的影響

張錦寬1崔建偉2晏 雄1(1.紡織面料教育部重點實驗室，

東華大學紡織學院，上海，201620; 2.南通大學紡織服裝學院，南通，226007)

利用駐波管測試方法研究了幾種不同厚度、不同密度和兩種不同類型的纖維材料及其組合結(jié)構(gòu)的吸聲性能。研究結(jié)果表明，材料厚度的單因子條件與材料的吸聲系數(shù)呈正線性相關;隨著材料體積密度的增加，中低頻聲波的吸聲系數(shù)提高，而高頻聲波的吸聲系數(shù)呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢;材料的組合結(jié)構(gòu)對材料的吸聲性能影響很大，由中空纖維制成的低密度非織造材料與高密度非織造材料組合，并將高密度非織造材料置于表面，該組合方式的材料其吸聲性能明顯優(yōu)于其他幾種組合方式的材料。

針刺非織造材料，吸聲材料，吸聲系數(shù)，組合結(jié)構(gòu)

隨著汽車、高速鐵路等交通運輸工具的發(fā)展，環(huán)境噪音污染日益嚴重，人們對各種降噪技術越來越重視。吸聲技術是噪音控制中的重要部分，吸聲材料主要分為多孔性吸聲材料和共振吸聲材料。由于多孔性吸聲材料在高頻和寬頻方面的優(yōu)秀表現(xiàn)，引起了越來越多學者的關注。纖維材料集合體的一個主要特性就是多孔性，其孔隙結(jié)構(gòu)復雜，孔之間相互串接，是理想的多孔性吸聲材料。近年來隨著非織造加工技術的發(fā)展，非織造材料以其高效率、低成本、風格多樣性等特點，成為工業(yè)用材料的選擇對象。特別是針刺非織造材料可以加工成厚型產(chǎn)品，用機械方式結(jié)合，孔隙結(jié)構(gòu)多樣，所以有越來越多學者在研究該類材料的吸聲性能。

聲波的傳播理論認為，多孔性吸聲材料的吸聲方式是一個能量耗散的過程。當聲波作用在多孔性材料上時，產(chǎn)生黏滯性摩擦和能量轉(zhuǎn)換，從而發(fā)生了能量耗散過程。材料的流阻、孔隙率、結(jié)構(gòu)因子、黏度特征長度和熱力學特征長度是影響材料吸聲性能的主要因素［1]。目前許多學者對不同材料進行了吸聲性能測試，包括材料的種類［2]和材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)［1，3]，還有學者對非織造工藝進行了部分研究［4]，包括對環(huán)境友好型材料的探索［5]。本文主要從材料結(jié)構(gòu)方面討論材料的吸聲性能與材料厚度的函數(shù)關系以及材料結(jié)構(gòu)對材料吸聲性能的影響。

1 試驗部分

1.1 材料

選用針刺滌綸非織造材料作為吸聲性能測試樣品。

(1)選用同種材料不同的疊加層數(shù)，構(gòu)造成不同厚度的非織造材料樣品，如表1所示。

表1 不同疊加層數(shù)針刺非織造材料樣品的形態(tài)參數(shù)

(2)選用同樣的纖維和鋪網(wǎng)方式加工的纖維網(wǎng)，通過不同的針刺道數(shù)來控制材料的密度(鑒于材料厚度控制的需要，疊加的纖維網(wǎng)層數(shù)也不相同)，如表2所示。

(3)選用圓形截面滌綸制取厚度為2 mm的高密度非織造材料和選用中空滌綸制取厚度為10 mm的針刺非織造材料，通過上述兩種非織造材料的不同組合方式得到6種結(jié)構(gòu)的樣品，如表3所示。

表2 不同密度針刺非織造材料樣品的形態(tài)參數(shù)

表3 組合針刺非織造材料樣品的形態(tài)參數(shù)

1.2 測試方法

材料吸聲性能采用駐波管測試方法中阻抗管傳遞函數(shù)法測試系統(tǒng)對樣品進行測試。阻抗管測試系統(tǒng)(圖1)滿足GB/T 18696.2—2002中聲學部分:阻抗管中材料的吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量第2部分:傳遞函數(shù)法的要求。

圖1 VA-Lab4 IMP-AT材料測試系統(tǒng)

2 結(jié)果與討論

2.1 材料厚度對吸聲性能的影響

圖2為表1所示的6種不同厚度的針刺非織造材料的吸聲性能比較。從1層和2層疊層樣品的比較可以看出，隨著厚度的增加材料的吸聲性能在整個聲波頻率段都有增加;而隨著厚度繼續(xù)增加，材料的吸聲性能在低頻段增加明顯而在高頻段卻降低，表現(xiàn)在2～6層疊層樣品的比較上。按照目前聲波的傳播及能量耗散理論解釋，多孔材料的吸聲系數(shù)應該是隨著厚度的增加而增加，因為聲波在材料中傳播距離越長，其耗散的能量也越多。該理論可以解釋圖2所示的大部分試驗結(jié)果，但當材料厚度增加時在高頻段卻出現(xiàn)了相反的結(jié)果，出現(xiàn)這個結(jié)果可能有兩方面的原因。一是本研究方法可能在材料較厚的狀態(tài)下，測得高頻段時材料的吸聲性能不呈現(xiàn)線性增加的規(guī)律;另一是在聲波作用在多孔性材料上的吸聲理論中，降噪因子可能還要加入其他影響因子，該因子是和頻率有關的量。

圖2 不同厚度針刺非織造材料的吸聲系數(shù)曲線

從聲波的傳播行為來看，在空氣中的傳播是按照縱波在空間中的分布規(guī)律進行的，使空氣不停地壓縮或膨脹，空氣本身就可以起到阻尼作用。在多孔材料內(nèi)部聲波的傳播表現(xiàn)在有效孔的長度越長，空氣因膨脹和壓縮運動與材料的摩擦就越多，越有利于聲能的耗散。聲波在界面處的反射以及對纖維產(chǎn)生的擾動導致纖維材料的微運動摩擦也可能是另一種聲能的耗散模式。從多孔材料的結(jié)構(gòu)上看，當厚度增加時孔的路徑增加，摩擦增加，有利于聲能的耗散。因此，高頻聲波在多孔材料中耗散過程隨材料厚度增加的變化在以上理論中是無法解釋的。鑒于上述分析，出現(xiàn)高頻聲波吸聲系數(shù)測定數(shù)據(jù)降低現(xiàn)象的原因可能在于測量方法，當材料厚度增加時，高頻聲波被反射回去的部分就越多，所以有可能導致吸聲能力降低。

圖3是幾種不同厚度針刺非織造材料的吸聲系數(shù)散點圖及其線性回歸曲線，吸聲系數(shù)的計算方法參照平均吸聲系數(shù)計算方法。從圖3可以看出，材料的吸聲系數(shù)隨著厚度的遞增呈線性增加，用回歸方程y=A+Bx在95%的顯著水平下擬合得到一個擬合結(jié)果。試驗所選材料的線性回歸方程是y=0.07x+0.15，擬合優(yōu)度 R 值為 0.980 86?；旧峡梢哉J為在其他條件一定的情況下，材料的吸聲系數(shù)與材料的厚度呈線性關系。該方程有助于在選定吸聲材料后設計其厚度。

圖3 不同厚度針刺非織造材料的吸聲系數(shù)線性回歸曲線

2.2 材料體積密度對吸聲性能的影響

圖4是4種不同體積密度非織造材料(對應于表2所示的樣品1～樣品4)的吸聲系數(shù)隨頻率的變化曲線。通過控制材料的鋪網(wǎng)厚度和針刺密度使各樣品具有不同的體積密度。從圖4可以看出，隨著材料體積密度的提高，材料的吸聲系數(shù)在低頻段呈增加趨勢，而在高頻段是先增加后降低。該結(jié)果與材料的厚度因子具有相似性。從面密度角度來看，體積密度和厚度兩個因子是同一個變化因子，但是在結(jié)構(gòu)上卻是不同的結(jié)構(gòu)類型。一般認為針刺密度提高，纖維堆積密度就提高，單位體積內(nèi)纖維數(shù)增加，材料的孔隙形態(tài)參數(shù)將會產(chǎn)生變化。前人的研究結(jié)果認為材料的表面積增加能夠提高材料的吸聲性能［1]，因為當材料具有更多的作用表面，其摩擦耗散聲能的概率更大。材料的孔隙形態(tài)也可能發(fā)生變化，如孔徑變小、孔的有效長度變短、孔的數(shù)量變多。按照聲波傳播理論解釋，孔徑變小和孔的有效長度變短的結(jié)果是材料的阻尼降噪能力降低，但是孔數(shù)絕對量的增多卻可以彌補這一缺陷。在材料的體積密度由低向高過程中，前期材料的孔數(shù)因素水平高，而后期材料的孔數(shù)因素水平降低，從而吸聲系數(shù)的增加速率變緩甚至還有下降的趨勢，因此材料只有在適當?shù)捏w積密度時才能達到更好的降噪效果。另一方面，材料的降噪性能也是聲波頻率的函數(shù)，即每個因素在不同的聲波頻率下表達的因素水平有可能是不同的，從而導致高頻段吸聲系數(shù)的降低。

圖4 不同體積密度針刺非織造材料的吸聲系數(shù)曲線

2.3 材料組合結(jié)構(gòu)對吸聲性能的影響

圖5是兩種不同材料通過不同組合方式制得的材料(對應于表3所示的樣品1～樣品6)其吸聲系數(shù)隨頻率的變化曲線。從圖5可以看出，樣品1和樣品2的吸聲系數(shù)均較低;樣品4(樣品2和樣品1的疊加材料，且以低體積密度的中空纖維針刺非織造材料面對聲源)的吸聲系數(shù)也很低;樣品3(樣品1和樣品2的疊加材料，且以高體積密度的針刺非織造材料面對聲源)的吸聲系數(shù)有顯著提高;樣品3比樣品5的吸聲系數(shù)高，即高體積密度的針刺非織造材料貼附低體積密度的中空纖維針刺非織造材料的吸聲性能要比高體積密度的針刺非織造材料背后有10 mm空腔結(jié)構(gòu)材料的吸聲性能好;樣品6(可看作為高體積密度的針刺非織造材料背后有10 mm高體積密度的針刺非織造材料)的吸聲系數(shù)在聲波的高頻段明顯降低，而在聲波的低頻段卻有提高，這可能是因為高頻聲波在入射到高體積密度材料中時，透過去的聲波與背后空間發(fā)生作用，填充一定密度纖維材料的空間有比較好的吸聲效果。

圖5 不同組合方式針刺非織造材料的吸聲系數(shù)曲線

3 結(jié)論

(1)針刺非織造材料的厚度與材料的吸聲系數(shù)呈線性關系;在聲波頻率尺度上，隨著材料厚度的增加在聲波的中低頻段材料的吸聲系數(shù)提高，而在聲波的高頻段材料的吸聲系數(shù)是先增加達一定值后降低;

(2)隨著針刺非織造材料體積密度的增加，在聲波的中低頻段材料的吸聲系數(shù)提高，而在聲波的高頻段材料的吸聲系數(shù)是先提高后降低;

(3)材料的吸聲性能與材料的組合結(jié)構(gòu)有關，高體積密度的針刺非織造材料貼附低體積密度的針刺非織造材料能夠達到相對于其他幾種組合方式更好的吸聲效果。

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［5]PARIKH D V，CHEN Y，SUN L.Reducing automotive interior noise with natural fibre nonwoven floor covering systems［J].Textile Research Journal，2006，76(11):813-820.

The influence of morphological and compound structure on sound absorption property of needle-punched nonwovens

Zhang Jinkuan1，Cui Jianwei2and Yan Xiong1(1.The Key Lab of Textile Science and Technology，Ministry of Education，College of Textile，Donghua University; 2.School of Textile and Clothing，Nantong University)

The sound absorption properties of needle-punched nonwovens with various thickness and needle-punch density and that of two types of fibers compound materials were studied by standing wave tube test method.The results showed that the material thickness was relation to its coefficient of sound absorption linearly，by increase of material density，its coefficient of sound absorption onto low and middle frequency sonic wave would enhance and that onto high frequency sonic wave would enhance at first and then to decrease.The compound structure of material has influence greatly on its sound absorption property，when hollow fiber needle-punched nonwovens of low density combined with high density needle-punched nonwovens which located on the surface of the composites，the measured sound absorption property were better than other several composites obviously.

needle-punched nonwovens，sound absorption material，sound absorption factor，compound structure

TS176.3

A

1004－7093(2010)11－0005－04

2010－07－02

張錦寬，男，1985年生，在讀碩士研究生。主要研究方向是產(chǎn)業(yè)用紡織品。