紡織材料的吸聲機(jī)理與吸聲研究進(jìn)展

黃 偉

江西服裝學(xué)院 服裝設(shè)計(jì)學(xué)院(中國)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，居民的城鎮(zhèn)化是必然趨勢，人口的過度集中造成大量的問題，噪聲即是其中重要的污染問題之一。噪聲不僅讓人心煩意亂，工作效率低下，還能造成人體聽覺下降，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、高頻率的噪聲對辦公儀器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和建筑物等的壽命都會產(chǎn)生極大的影響，因此對降噪機(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；三是通過對噪聲的受體進(jìn)行保護(hù)。3種途徑中通過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。本文通過分類分析紡織材料的吸聲機(jī)理與吸聲研究進(jìn)展，為開發(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。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種路徑對聲能進(jìn)行消耗：一是通過織物的反射對聲波進(jìn)行反射；二是當(dāng)反射剩余聲波通過織物內(nèi)部時(shí)，紡織品孔隙會對進(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；三是對另一部分聲能通過紡織品內(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]針對非織造布構(gòu)建的回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，可針對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]通過制備多層納米纖維氈，并對不同質(zhì)量的納米纖維織物進(jìn)行吸聲性能測試，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，越來越多的橫截面異形、內(nèi)部中空的纖維品種被開發(fā)紡制，其可以通過中空結(jié)構(gòu)與入射聲波產(chǎn)生共振，從而達(dá)到對聲能消耗的效果。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，并在汽車內(nèi)飾中進(jìn)行測試驗(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)對織物吸聲性能的影響。

2.2.1 織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對織物吸聲性能的影響

織物的織造工藝對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，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70%時(shí)，聲波穿過織物能力增強(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)，但無對孔隙率排列的要求，即通過多層織物層合達(dá)到對不同頻率聲波的吸收性能。

2.2.2 后整理工藝對織物吸聲性能的影響

對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

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。