紡織材料吸聲性能測(cè)試與評(píng)價(jià)

范曉丹，李輝芹，鞏繼賢

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

紡織材料吸聲性能測(cè)試與評(píng)價(jià)

范曉丹，李輝芹，鞏繼賢

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

吸聲材料是降低噪聲輻射的主要措施，合理選擇吸聲材料對(duì)吸聲降噪具有非常重要的意義。衡量材料吸聲性能的主要參數(shù)是吸聲系數(shù)，因此實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速的測(cè)量對(duì)聲學(xué)材料研制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化有指導(dǎo)作用。對(duì)比分析了吸聲性能測(cè)試的兩種方法，介紹了阻抗管的吸聲性能測(cè)試的各個(gè)測(cè)試指標(biāo)，并在已有的吸聲性能評(píng)價(jià)的方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的評(píng)價(jià)方法。

吸聲性能；阻抗管；評(píng)價(jià)方法

噪聲容易使人感到耳鳴、心慌、煩躁，嚴(yán)重影響了人們的身體健康和生活質(zhì)量[1]。隨著人們健康意識(shí)增強(qiáng)，吸聲材料的使用已經(jīng)普及建筑、交通等各個(gè)領(lǐng)域[2-4]。吸聲材料是降低噪聲輻射的主要措施，合理選擇吸聲材料對(duì)吸聲降噪具有非常重要的意義。衡量材料吸聲性能的主要參數(shù)是吸聲系數(shù)[5]，因此實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確、快速的測(cè)量，對(duì)聲學(xué)材料的研制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化有指導(dǎo)作用。

吸聲系數(shù)不僅與材質(zhì)、密度、厚度等有關(guān)，也與頻率有關(guān)，不同頻率的吸聲系數(shù)是存在差異的[6-7]。不同頻帶的吸聲系數(shù)組成材料的吸聲頻率特性，它能比較全面準(zhǔn)確地反映材料的吸聲性能，同時(shí)也是聲學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算必不可少的數(shù)據(jù)。

1 吸聲性能的測(cè)試方法

GB/T 18696.1-2004《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測(cè)量》提到，吸聲性能的測(cè)試方法包括阻抗管法和混響室法[8-9]。阻抗管法[10-11]又稱傳遞函數(shù)法，它是在阻抗管內(nèi)完成的，可以測(cè)量聲波在垂直入射條件下材料的吸聲系數(shù)。該方法對(duì)兩通道的聲壓信號(hào)進(jìn)行處理，通過頻域變換，實(shí)現(xiàn)在寬頻聲源激勵(lì)條件下吸聲系數(shù)的測(cè)量。但該方法的雙通道傳聲器信號(hào)存在相位失配和相位畸變問題，測(cè)量結(jié)果容易產(chǎn)生誤差，需進(jìn)行校正，且雙傳聲器的準(zhǔn)確安裝位置對(duì)于聲阻抗率影響較大。混響室法[12]是在混響室內(nèi)完成的，適用于聲波無規(guī)入射條件下測(cè)量材料的吸聲系數(shù)，所需工作空間和樣品材料較大，測(cè)量結(jié)果更接近于實(shí)際應(yīng)用情況。但缺點(diǎn)是對(duì)于同一種樣品材料，不同混響室所得測(cè)得結(jié)果差別大，吸聲系數(shù)測(cè)量結(jié)果不具有可比性。而且，吸聲系數(shù)的大小隨材料面積及其在室內(nèi)位置的變化而變化，且這些材料在中高頻段的吸聲系數(shù)有可能大于1。本文參照國際和國家標(biāo)準(zhǔn)，歸納出每種方法的適用條件，如表1所示。

表1 吸聲性能測(cè)試方法的對(duì)比

2 紡織材料吸聲性能的測(cè)試

隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，傳遞函數(shù)法的應(yīng)用越來越廣泛[13]。利用傳遞函數(shù)法進(jìn)行材料吸聲系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

注：1-傳聲器MicA(參考傳聲器)；2-傳聲器MicB；3-待測(cè)樣品。圖1 材料吸聲系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器如圖2所示。需要注意的是，測(cè)試環(huán)境應(yīng)盡可能保持安靜，否則會(huì)影響到最終測(cè)試結(jié)果。在經(jīng)過一系列的參數(shù)設(shè)置后，還要對(duì)兩個(gè)傳聲器進(jìn)行調(diào)試。之后便可放入待測(cè)樣品，并擰緊螺絲以保證待測(cè)樣品的位置相對(duì)密閉。該測(cè)試可以得到4個(gè)指標(biāo)，即吸聲系數(shù)、反射系數(shù)、聲阻抗和聲導(dǎo)納。

(1)吸聲系數(shù)α為材料單位時(shí)間吸收和透過的聲能與入射的總聲能的比值；(2)反射系數(shù)γ為材料單位時(shí)間反射的聲能與入射的總聲能的比值；(3)聲阻抗Zs為聲波在傳播過程中需要克服的阻力；(4)聲導(dǎo)納Gs為在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入和通過傳音系統(tǒng)的全部聲能流。

圖2 阻抗管實(shí)物圖

以1個(gè)試樣為例，所測(cè)得4個(gè)指標(biāo)的結(jié)果如圖3所示。

圖3為本次測(cè)試的結(jié)果，如果我們想進(jìn)一步對(duì)以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以將各圖所對(duì)應(yīng)的橫縱坐標(biāo)上的具體的數(shù)據(jù)拷貝下來。理論上，吸聲系數(shù)與反射系數(shù)之間存在這樣的關(guān)系[14]：α=1-|γ|2。聲阻抗和聲導(dǎo)納之間也存在一定的聯(lián)系：Zs·Gs=1。而實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論保持一致性。

3 紡織材料吸聲性能的評(píng)價(jià)

3.1 平均吸聲系數(shù)[15]

平均吸聲系數(shù)是指對(duì)材料不同頻率的吸聲系數(shù)進(jìn)行算術(shù)平均，按平均吸聲系數(shù)的大小來評(píng)價(jià)材料的吸聲性能。常用的吸聲能力的評(píng)判主要是以倍頻程即125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz這6個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值來表示。用平均吸聲系數(shù)來評(píng)價(jià)材料吸聲性能的優(yōu)點(diǎn)是得出的是一個(gè)數(shù)值，簡(jiǎn)單易記，便于比較。但它不能反映吸聲隨頻率的變化。

圖3 各指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果

3.2 1/3倍頻程下的頻率-吸聲系數(shù)曲線

為了解決平均吸聲系數(shù)所帶來的問題，我們引入了1/3倍頻程下的頻率-吸聲系數(shù)曲線(1/3倍頻程即100、125、160、200、250……5 000 Hz等18個(gè)頻率)。不同頻帶的吸聲系數(shù)組成材料的吸聲頻率特性，它能比較全面準(zhǔn)確地反映材料的吸聲性能，同時(shí)也是聲學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算必不可少的數(shù)據(jù)。

隨著測(cè)試設(shè)備的不斷更新與改進(jìn)，現(xiàn)如今比利時(shí)LMS國際公司開發(fā)的一種測(cè)試吸聲系數(shù)的精密儀器—阻抗管，經(jīng)測(cè)試所得到的曲線為50～5 600 Hz下的整段曲線，它與1/3倍頻程下的頻率-吸聲系數(shù)曲線相比更加精準(zhǔn)。

3.3 分頻段比較

在聲頻中，500 Hz以下是低頻聲，500～2 000 Hz是中頻聲，2 000 Hz以上是高頻聲[16]。以一組滌綸非織造布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，吸聲性能測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 非織造布的吸聲效果對(duì)比圖

上圖是用阻抗管法測(cè)出的非織造布1、2、3的吸聲效果的對(duì)比圖，圖中低中頻位置的交叉重合較為明顯，為了表示出它們之間的差異，我們選用積分法求得頻段下的面積，以此來對(duì)其優(yōu)劣作出比較。優(yōu)點(diǎn)是更加直觀地看出各試樣之間的吸聲差異以及同一試樣不同頻段的吸聲性能。缺點(diǎn)是不能具體表示某頻率值的吸聲性能。由于儀器本身的靈敏度的限制，在5 000 Hz以上，靈敏度降低，故此頻段我們不作考慮。曲線積分結(jié)果如圖5所示。

圖5 非織造布1、2、3分頻段積分結(jié)果

從圖中我們很容易看出，在中低頻區(qū)域，非織造布3的吸聲效果最好，非織造布1的吸聲效果最差。而在高頻區(qū)域，非織造布1的吸聲效果反而變成最好，非織造布3的吸聲效果反而變成最差的。所以我們需要根據(jù)具體的要求來選擇合適的吸聲材料，使其發(fā)揮最大的作用。

4 結(jié)語

吸聲材料的吸聲性能隨著頻率的變化而變化，不同的場(chǎng)合對(duì)吸聲材料的具體要求也不盡相同。有的需要在中低頻段有良好的吸聲效果，有的則需要在高頻段有良好的吸聲效果。所以，我們更應(yīng)該了解各個(gè)需要依賴吸聲材料來達(dá)到吸聲降噪效果的場(chǎng)所對(duì)材料的具體要求，并通過頻段吸聲效果的比較來選擇一種更加優(yōu)越的方案實(shí)現(xiàn)其吸聲效果。如此，根據(jù)各頻段的吸聲系數(shù)的積分結(jié)果來評(píng)價(jià)材料的吸聲效果顯得尤為重要。

[1] KNABBEN R M, TRICHES G, GERGES S N Y,etal. Evaluation of sound absorption capacity of asphalt mixtures[J]. Applied Acoustics, 2016, 114:266-274.

[2] 趙淼淼, 杜兆芳. 汽車內(nèi)飾材料吸音隔音性能的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2009, 27(11):6-8.

[3]LACASTA A M, PENARANDA A, CANTALAPIEDRA I R,etal. Acoustic evaluation of modular greenery noise barriers[J]. Urban Forestry & Urban Greening, 2016, 20(1):172-179.

[4] LONDHE N, RAO M D, BLOUGH J R. Application of the ISO 13472-1 in situ technique for measuring the acoustic absorption coefficient of grass and artificial turf surfaces[J]. Applied Acoustics, 2009, 70(1):129-141.

[5] WU G Q, AO H R, JIANG H Y,etal. Calculation of resonant sound absorption parameters for performance evaluation of metal rubber material[J]. Science in China Series E: Technological Sciences, 2009, 52(12):3 587-3 591.

[6] 倪昭玉, 萬 明, 王 瑄,等. 紡織材料吸聲性能研究[J]. 棉紡織技術(shù), 2016, 44(3):1-4.

[7] 鮑 緯, 劉建立, 王雙閃,等. 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)非織造材料吸聲系數(shù)的影響[J]. 江蘇紡織, 2014，(5):43-46.

[8] 張智博. 聲學(xué)材料性能測(cè)試及評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)研究[D]. 上海：上海交通大學(xué), 2007.

[9] 周曉鷗. 紡織用廢橡膠基阻尼減振吸聲復(fù)合材料的制備與研究[D]. 上海：東華大學(xué), 2016.

[10] PRISUTOVA J, HOROSHENKOV K, GROBY J P,etal. A method to determine the acoustic reflection and absorption coefficients of porous media by using modal dispersion in a waveguide[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 2014, 136(6):2 947.

[11] BARNARD A R, RAO M D. A comparison of acoustic absorption coefficient measurements from the int-situ method with traditional methods[C]// INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings， 2004.

[12] MORRIS R M, NIXON G M, PARKINSON J S. Variations in sound absorption coefficients as obtained by the reverberation chamber method[J]. Acoustical Society of America Journal, 1938, 9(1):234-243.

[13] 袁 健, 林 勝, 賀才春. 阻抗管中吸聲系數(shù)的傳遞函數(shù)測(cè)量法[J]. 噪聲與振動(dòng)控制, 2006, 26(1):68-70.

[14] 何 琳, 朱海潮, 邱小軍.聲學(xué)理論與工程應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[15] 鐘祥璋, 朱子根. 材料吸聲性能的單值評(píng)價(jià)及產(chǎn)品分級(jí)方法[J]. 電聲技術(shù), 2011, 35(5):4-7.

[16] 閆志鵬, 靳向煜. 聚酯纖維針刺非織造材料的吸聲性能研究[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2006, 24(12):13-16.

TestandEvaluationofSoundAbsorptionPerformanceofTextileMaterials

FAN Xiao-dan, LI Hui-qin, GONG Ji-xian

(School of Textile, Tianjin University of Technology, Tianjin 300387, China)

Sound absorption material is the main measure to reduce the noise radiation, a reasonable choice of sound absorption material has a very important significance for sound absorption and noise reduction. The main parameter to measure the sound absorption performance of the material is the sound absorption coefficient. Therefore, the realization of accurate and rapid measurement plays a guiding role in the development, structural design and optimization of acoustic materials. The two methods of sound absorption performance test were compared and analyzed, and various indicators of sound absorption performance test of impedance tube were introduced. Based on the existing methods of sound absorption performance evaluation, a new evaluation method was put forward.

sound absorption performance; impedance tube; evaluation method

TS101.9

A

1673-0356(2017)10-0033-04

2017-08-23

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0400503-02)

范曉丹(1990-)，女，在讀碩士，研究方向：紡織品結(jié)構(gòu)與吸聲性能關(guān)系研究。