多层复合吸声结构的制备与性能研究yd15508
姜生1,2，蔡永东2，周祥2，晏雄1 1.东华大学教育部面料技术重点实验室，上海201620；2.南通纺织职业技术学院纺织系，江苏南通226007
收稿日期：2011-08-23 修回日期：2010-02-24
基金项目：江苏南通市科技局应用研究资助项目(K2010063)；江苏南通纺织职业技术学院科技项目资助(FYKY／2012／1)
作者简介：姜生(197l-)，男，副教授，博士生。主要从事功能材料的开发。晏雄，通信作者，E-mail:yaxi@dhu.edu.cn
原载:纺织学报/2012/9;20-25
【摘要】将穿孔板与氯化聚乙烯／七孔涤纶纤维复合材料进行复合，制备了一系列无后部空腔层的多层复合吸声结构。采用SW230驻波管运用传递函数法测试了复合吸声结构的吸声性能，分析了组合层数、组合方式、复合材料厚度以及穿孔板的孔隙率对吸声性能的影响。结果表明：在双层复合结构中，当穿孔板为测试面时，其吸声性能呈现多孔材料的特性；而测试面为复合材料时，吸声结构具有膜空腔共振的特性；当穿孔板层数超过2层时，复合吸
声结构能将多孔材料吸声机制和共振吸声机制进行有机结合，拓宽了其吸声频域，是一种具有工程应用潜的吸声结构。
【关键词】穿孔板；氯化聚乙烯／七孔涤纶复合材料(CPE／SHPF)；多层复合吸声结构；吸声系数
【中图分类号】TQ 333.92 文献标志码：A 文章编号：0253-9721(2012)09-0020-06
随着社会经济的飞速发展，各种大型机械的广泛应用，家用交通工具的持续增多，噪声已成为继水污染、大气污染之后又一个影响人们生活安全的污染源[1-2]。由于人们对生活质量要求越来越高，测试环境对精密仪器测量精度影响越来越大，噪声问题显得尤为突出。如何有效地降低并控制噪声，开发在较宽频率范围内具有较高吸声性能的轻质材料成为功能材料和功能结构开发的热点。近年来，为开发这类功能材料，科研工作者对颗粒型多孔材料、金属多孔材料、综合性能优良的高分子吸声材料以及穿孔板、微穿孔板结构进行了广泛研究。
Zhou H等[3-5]对高分子普通颗粒材料、中空型颗粒材料与普通多孑L材料的吸声性能及机制进行了系统研究，并构建了高分子颗粒吸声材料的吸声机制DEM模型。为了满足其工程应用的需要，开发并研究了高分子颗粒梯度材料及高分子颗粒复合材料，但颗粒型吸声材料很难单独作为工程应用型吸声材料，只能充当吸声结构的填充层。
国外W.Pannert等[6]，国内Zhang BO、姜洪武等[7-8] 对金属多孔材料进行了深入的研究，发现其具有高比强度、高能量吸收，优良的导热、电磁屏蔽等，但也存在低频吸声性能差、成本高、工艺条件不易控制等不足。
自中国著名的声学家马大猷在20世纪70年代提出穿孔板、微穿孔板理论并构建了其吸声机制模型及其精确解以来，微穿孔板得到了广泛的应用。
后续研究工作者从优化设计和工程应用的角度出发，发展了穿孔板及其微穿孑L理论，对其实际应用进行了理论方面的深入研究，获得了丰硕的研究成果[9-11]。
穿孔板与微穿孔板是充分利用其与后部空腔内的空气层形成共振作用而有效吸声，一般只在特定频段具有良好的吸声性能。这一特定频段与空腔深度密切相关，为使结构在低频段具有良好的吸声性能，空腔深度必须很深；由于这种结构的吸声性能只发生在较窄的频段，为了拓宽吸声频段，提出了双层微穿孔板理论，但实际运用中存在安装问题。为了解决这个问题，在穿孔板的空腔中加入多孔材料，以改变微穿孔板末端的辐射阻抗以及孔腔的声阻抗，从而在较宽的频段内获得较好的吸声性能，有利于实际应用。但这些研究是在微穿孔板后具有空腔的情况下进行的。当后部空腔不存在时，其吸声性能又如何呢?
目前，综合性能优异的高分子吸声材料获得了广泛应用。高分子聚合物由于具有优良的黏弹性和内阻尼特性，有利于将阻尼与其他吸声机制融于一体，从而改善材料的吸声性能[12-14]。
本文在前期对CPE／七孔涤纶短纤(SHPF)复合材料性能研究[14-15]的基础上，利用穿孔板与复合材料CPE／SHPF(4:1)复合形成一种新型的无后腔多层复合吸声结构，可以充分利用复合材料中纤维中空网络结构多孔材料的吸声机制和空腔共振吸声机制协同作用一起拓宽吸声作用频率，同时提高吸声效果。
1 实验部分
1.1 实验材料
氯化聚乙烯(CPE)，山东潍坊亚星化工厂生产，氯化度为35％ ；七孔涤纶短纤(SHPF)，中国仪征化纤股份有限公司生产，线密度为10 dtex，长度为60 mm。不锈钢板，山西太钢不锈钢有限公司，厚度为1.5、2 mm；黏合剂由德国汉高公司生产。
l.2 材料制备
1.2.1 CPE／SHPF复合材料的制备
CPE粉体在SK-160B双辊筒炼塑机上以小隔距，温度为65℃进行混炼，经10 min混炼后，将七孔涤纶短纤加入CPE中进行混炼，采用与CPE混炼相同的工艺条件，借助切刀进行辅助混合，使纤维均匀分布于基体中，混合40 min后将其取下；将混炼料铺在模具中，放入温度为160℃ 平板硫化机内，先在卸载条件下预熔10 min，再在10 MPa压力下热压20 min，取出迅速在冰水中快速冷却形成所需的复合材料。
1.2.2 穿孔板的制备
利用Pro／E软件程序，用NT850数控机床在不锈钢板材上以三角形分布方式打孔径为5 mm的孔，孔隙率分别为40％ 、50％ 、60％ 。加工后对穿孔钢板表面进行洁净处理，以除去毛丝，得到的穿孔板备用。
1.2.3 结构材料的装配
在制备好的CPE／SHPF复合材料上平涂黏合剂，自然挥发一会儿将穿孔板复合，按工艺要求形成2、3及4层的复合结构吸声材料。组装后的结构示意图如图1所示。
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图l 穿孔板与CPE/SHPF复合吸声结构示意图 |
1.3 吸声性能测试
按GB／T 18696.2-2002《阻抗管中吸声系数和声阻抗量第2部分传递函数法》，采用北京声望公司SW230阻抗管进行测试。仪器的安装示意图见图2。
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图2
SW230阻隔抗管测试吸声安装示意图 |
测定原理：阻抗管的一侧为声源发射端，另一侧为安装试样端，在靠近样品的2个位置上用传声器测量声压，求得2个传声器信号的声传递函数，利用声传递函数求得法向入射声压反射因数r，用下式计算吸声系数。
α=1-r2
2 结果与讨论
2.1 双层复合吸声结构的性能
利用CPE／SHPF复合材料与穿孔板复合制备双层复合吸声结构材料，复合后的双层复合吸声结构如图l(a)所示。
在测试复合结构声学性能时，测试面可以是穿孔板，也可以是CPE／SHPF薄膜，前者称为双层孔膜结构，后者称为双层膜孔结构。下面对这2种结构的测试结果进行分析。
2.1.1 双层孔膜复合结构的吸声性能
图3示出穿孔板孔隙率对双层孔膜(1.5 mm／2 mm)复合结构吸声系数的影响曲线。
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图3 穿孔板孔隙率对双层孔膜(1.5 mm／2 mm) 复合结构吸声系数的影响 |
可以看到，不管是2 mm厚的复合材料还是双层孔膜复合吸声结构都呈现出多孔材料的吸声特性。当穿孔板的孔隙率为50％、60％时，复合吸声结构的吸声系数不如复合材料本身。这是由于穿孔板与复合材料间的阻抗不匹配所造成；而当穿孔板的孔隙率为40%时，复合吸声结构的吸声系数在2000～2500 Hz范围内有了提高。这是由于穿孔板与复合材料的阻抗相匹配，有利于吸声系数的提高[5]。
图4示出复合材料厚度对双层孔膜复合结构(穿孔板厚度I.5 irwin，孔隙率60％)吸声系数的影响。
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图4 复合材料厚度对双层孔膜复合结构吸声系数的影响 |
从图4可看到，随着复合材料厚度的增加，复合结构在中高频段(1 750～2 500 Hz)的吸声性能都有提高，这种结构的吸声性能呈现多孔材料的特性。当后部没有复合材料时，穿孔板的吸声性能很小，这主要是由于空气进入孔中，空气的黏滞作用进行耗能，由于厚度较小，大部分声波遇到光洁的后墙被反射回来，因而吸声性能较差；随着复合材料的加入，复合结构的吸声性能主要是由穿孔板中空气的黏滞作用、穿孔板与复合材料黏接界面的耗能以及复合材料纤维网络结构的耗能三方面共同作用达到耗散声能，从而改善了复合结构的吸声性能。
2.1.2 双层膜孔复合结构的吸声性能
穿孔板孔隙率对双层膜孔复合结构(2 mm／1.5 mm)吸声系数的影响如图5所示。
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图5 穿孔板孔隙率对双层膜孔(2 mm／1.5 mm) 复合结构吸声系数的影响 |
从图5可以看到，这种双层复合吸声结构的吸声性能呈现膜空腔共振的特性，说明复合材料后的穿孔板充当了空气层的作用；随穿孔板的孔隙率增加，复合结构的共振频率没有发生变化，只是在共振作用区域的吸声系数有了增大，说明共振频率与膜后的孔腔深度有关，而与孔腔内空气量无关；在这种结构中，穿孔板的孔隙率越大，则复合材料后空气与孔壁作用的表面积越大，这样在共振作用频率附近的空气黏滞作用越大，从而在共振作用频域的吸声系数越大。
从图可以看到，随着复合材料厚度的增加，双层复合吸声结构的共振频率不断向低频方向转移，这是由于随复合材料厚度的增加，复合材料的刚性增大，在声波作用下，一方面复合材料弯曲变形的大小影响复合结构的共振频率，刚性越大，弯曲变形越小，对共振频率影响越小；另一方面复合材料厚度增加，双层膜孔复合结构的共振频率有向低频方向转移的趋势 。所以二者的共同作用，使共振频率随复合材料厚度的增加向低频方向转移。
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图6 复合材料厚度对双层膜孔复合结构吸声系数的影响。 |
2.2 3 层复合吸声结构的性能
利用2块穿孔板结合复合材料组装穿孔板／复合材料／穿孔板3层复合吸声结构，组装后的结构如图1(b)所示。这种结构将多孔材料的吸声机制和共振吸声机制进行结合，改善了复合结构的吸声性能。图7示出穿孔板(孔隙率50％)装配位置对3层复合结构吸声系数的影响。
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图7 穿孔板(孔隙率50％)装配位置对 3层复合结构吸声系数的影响 |
从图7可以看到，3层复合结构在较大的频域内都具有较好的吸声性能；在1 000—2 500 Hz频域内都存在2个吸声峰值；但近测试面的穿孔板越厚，其吸声峰对应的频率均向高频方向转移。复合结构中出现2个吸声峰说明存在2个共振吸声效应，这可能是由于第1层的穿孔板在第2层复合材料的共同作用下，对第3层的穿孔板而言也充当了复合材料的效应，从而使结构材料存在2个共振峰。近测试面的穿孔板越厚，结构材料吸声峰向高频转移，这说明最后1层穿孔板充当了空腔的作用，空腔深度增大，则共振频率向低频方向转移，反之则向高频方向转移 。
穿孔板孔隙率对3层复合结构(1.5 m m／2 mm／2 mm)吸声系数的影响如图8所示。可以看到，穿孔板的孔隙率对3层复合吸声结构吸声峰值对应的频率没有影响，只存在峰高的变化。吸声峰值对应的频率无变化与双层膜孔结构中穿孔板的孔隙率不影响复合结构的吸声峰对应的频率相呼应，而第l吸声峰区域内吸声系数的变化与双层膜孔的变化相似，说明其主要是由于复合材料与第3层穿孔板的作用所致，第2吸声峰的情况与第1吸声峰的情况相反，这也可以从双层孔膜复合结构中孔隙率对吸声性能的影响中得以解释。即孔与复合材料构成的结构其吸声性能随孔隙率的增大有下降的趋势。
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图8 穿孔板孔隙率对3层结构(1.5 mm／2 ram／2 mn1) 吸声系数的影响 |
2.3 4 层复合吸声结构的吸声性能
利用2块穿孔板与2张复合材料形成穿孔板／复合材料／穿孔板／复合材料(孔-膜-孔-膜，各层的厚度及穿孔板的孔隙率如图9所示)4层复合结构，结构如图1(c)所示。图9示出4层复合结构的吸声系数。
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图9 4层复合结构的吸声系数 |
从图9可以看到，在由40％ 、50％ 孔隙率组成的4层复合结构中具有2个明显的吸声峰，但膜厚位置的变化将影响复合结构吸声系数的大小，当出现前薄后厚的膜配置时，第1吸收峰向高频方向略有偏移，同时能有效地提高了高频段的吸声性能。第1吸收峰向高频方向偏移这可以从双层膜孔复合结构中得以解释，高频段吸声系数的提高一方面与最后一层复合材料的厚度有密切关系，复合材料越厚，则复合材料自身在高频段就具有良好的吸声性能，复合材料高频段的吸声性能与第2吸声峰形成匹配，从而可以有效增加高频段结构的吸声性能；另一方面前膜厚度小，则刚性小，与后部的穿孔板问更能产生有效共振，从而使共振峰提高，同时可以有效提高双共振峰的数值，使结构具有较高的吸声性能。当采用孔隙率为60％ 的穿孔板，结合较厚的复合材料进行组合时，复合结构的吸声性能只出现1个吸声峰，并且材料在较宽的频段内拥有了较高的吸声性能。这是由于第2吸声峰向低频方向偏移量比第1吸声峰的移动量大，从而使第1、第2吸声峰的间距变小，两峰交接处形成部分重叠，从而改善了此处的吸声性能，由于第2吸声峰向低频方向转移，使复合结构中复合材料高频段较好的吸声性能与第2吸声峰不匹配，造成高频段的吸声性能下降。
3 结 论
1) 双层复合结构中，复合材料与穿孔板分别作为测试面时，其吸声机制不同，前者是由共振效应使结构具有吸声性能；后者是多孔材料吸声机制而使结构具有吸声性能。
2) 3、4层复合结构材料都具有2个吸声峰，这说明层数上的增多，能使多孔材料吸声机制和共振吸声机制进行有机组合，从而拓宽了复合结构的吸声频域；4层复合时如能进行合适的匹配，可以遏止第2吸声峰的出现，并且不会造成远离共振频率的区域吸声性能急速下降的趋势。说明合适的组合能有效拓宽作用频域。
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