纺织品吸声隔音材料研究进展qt20100618-3
朱晓娜，左保齐 苏州大学纺织与服装工程学院，江苏苏州 215021
收稿日期：
原载：现代丝绸科学与技术2010/2；34-37
【摘要】纺织材料因其多孔性成为各学科交叉的研究热点。本文系统分析了纺织材料的吸声隔声原理，介绍了国内外关于提高纺织材料吸声隔音性能的方法，阐述了纺织品吸声材料的研究进展及其应用。本文指出现阶段纺织吸声隔声材料研究的问题及将来努力的方向。
【关键词】纺织材料；多孔材料；吸声隔声；复合材料
纺织品吸声隔音材料，顾名思义就是利用纺织纤维，经加工而成的应用于吸声隔音领域的复合材料。2000年我国“十五”计划将“绝缘隔音材料”归为产业用纺织品[1]。但是在实际应用中，装饰类织物如窗帘、装饰帘、帷幕、地毯、挂毯等均可用作吸声隔音材料。自从1973年文献报道以来，纺织材料以其多孔的疏松结构、良好的可加工性以及材料轻薄等特点，成为吸声隔声领域的一个研究热点。在家居装饰领域，汽车内饰制造领域，建筑领域以及录音棚、舞台等有广泛的应用前景[2,3]。
1 纺织材料的吸声隔音原理
纺织材料因其疏松、柔软、多孔，可归结为多孔吸声材料。根据多孔吸声材料的吸声机理[4]，当声波入射到纺织材料表面时，声波产生的振动引起纺织材料内部空隙以及纤维孔隙内的空气运动。空气本身具有衰减高频声波的作用，同时空气运动造成纱线与纱线之间、纤维与纤维之间以及纤维内部孔壁的摩擦，由于摩擦和粘滞力的作用使部分声能转化为热能从而使声波衰减。纺织材料中的空隙和孔隙中的空气与周围环境进行热交换引起的热能损失也造成声能衰减。高频声波可以使空气质点的振动速度加快，热交换的速度也加快，这就使得纺织材料具有良好的高频吸声性能。
纺织复合材料低频吸声性能的提高是现在纺织吸声隔声材料研究领域的重点。如何选用纤维，选择生产方式，选择可组合的复合材料都制约着纺织材料的吸声性能。目前有关毛毯和非织造布的研究报道较多。毛毯的织造方法有机织、簇绒、经编、针刺、缝编等。非织造布是由纤维、纱线或长丝用机械、化学或物理的方法使之粘结或结合而成的薄片状或毡状的结构物。机织物和针织物的吸声隔音性能研究也有报道。
2 提高纺织材料吸声隔音性能的方法
20世纪70年代不断有学者开始研究影响毛毯吸声隔音性能的因素[5-6]。这些因素同时也影响着可用作吸声材料的机织物针织物非织造布的性能。
2.1 增加纺织材料的厚度
纺织材料作为多孔材料其吸声功能依靠在材料中将声能逐渐消耗掉，因此其吸声性能与材料厚度有关，增加厚度可以使吸声的频率范围向低频方向移动。
1973年Nute等[5]研究毛毯的吸声性能影响因素，认为提高毛毯的厚度会提高吸声系数，直接影响吸声性能。
1974年Eann Nanson等[6]验证了提高毛毯的厚度对其吸声性能的影响是间接的。毛毯的厚度增加导致声波通过材料内部经过的孔隙增加，孔隙的数量连同孔隙中的空气对声波造成衰减。
近现代研究主要考虑厚度与声频率的关系，研究其对吸声性能的影响。2003年，Youn Eung Lee[7]的研究给出了厚度对非织造织物的吸声性能影响。研究表明非织造布厚度对其吸声性能的影响与声频率相关。如果入射声波的波长大于非织造布厚度，那么增加厚度对其吸声性能无影响。
2006年，Tilak Dias等[8]研究了汽车装饰领域的针织物的吸声性能，指出在1000～3000 Hz范围内增加针织物的厚度，其吸声性能增加。在低于1000 Hz和大于3000 Hz时，厚度对其吸声性能影响不大。
2.2 增加纺织材料的表面粗糙度
增加非织造布的表面粗糙度可以提高其吸声系数和隔声量[7]。声波入射到材料表面时，粗糙的表面可增加材料与声能的接触面积使声波引起的共振效应加强从而衰减声波。但是这一效应受到声波所要穿过的材料的宽度和厚度影响。闫志鹏[9]对聚酯纤维非织造布研究发现，经过表面平整处理的非织造布吸声系数降低；而当非织造布太宽太厚时增加粗糙度反而使噪声倍增，起到降低吸声系数的相反作用。
2.3 增加材料的表面密度
作为多孔材料，同一种纺织材料表面密度越大，孔隙率越小，比流阻越大。厚度不变时，增加密度可以使中低频的吸声系数提高[10]。Youn Eung Lee[7]在研究中通过增加非织造布中超细纤维的含量，增加非织造布的单位重量从而使密度增加其吸声系数提高。单位体积内纤维含量增加，声波通过非织造布时由于摩擦和振动引起的声能损失增加，从而达到声衰减的效果。徐凡等[11]研究大麻纤维絮片的吸声性能认为，相同厚度的麻纤维絮片容重增加，材料吸声系数增加，但会受到一定的限制。因为容重间接地控制材料内部微孔的尺寸，当容重增加时材料内部孔隙相应减小，声阻抗相应提高。因而提高低频吸声效果同时高频吸声效果又受到影响。由此得出结论吸声材料存在最佳面密度。
2.4 背后设置空气层
在多孔材料层与刚性背壁之间留有一定空腔可以有效地使其成为共振吸声结构组合体，将共振吸声频率向低频方向转移，增加材料的低频吸声系数[12]。
Shoshani[2]指出背后空腔对机织物的吸声性能有较大影响。2003年钟祥璋等[13]对德国百得补公司生产的Sound Tex吸声无纺布做了研究指出，空腔的共振吸声机理使得加大空腔深度可以较大，较明显地提高吸声无纺布的低频吸声系数。薛小艳[14]运用混响室法对WX-L型高效宽频带阻燃吸声帘幕的背后空腔的吸声性能研究认为，扩大空腔可以大大提高帘幕的吸声性能，尤其是在低频声段。
总之，增加材料厚度、面密度、适度改善粗糙度、背后设置空腔都可以一定程度上提高纺织品材料的吸声隔音性能。
2.5 改善薄纤维层吸声效果
薄纤维层织物单独作为吸声材料其吸声效果较差。除了上述方法之外，下面综述几种改善薄纤维层吸声效果的方法。
运用双重多孔材料理论[15]，不同孔隙特征，内部互相连通网络组成的多孔材料吸声性能有所提高。选用多孔纤维织制成纺织吸声隔音材料，纺织品内部孔隙和纤维孔隙是两个互相连通的不同孔隙形态特征的孔隙系统。研究表明，这种多孔结构可以有效提高材料的吸声性能，但是在纺织领域的应用研究尚未见报道。
截面为三角形、三叶形、十字形，T形等异于圆形的化学纤维被称为异形纤维。异形纤维在纺织领域主要用来产生各种不同的织物风格以及良好的导湿排汗性能[16]。西德巴迪许(Badishe)公司生产的五叶形纤维用来做耐污地毯。有报道三叶形纤维可用来做质地坚牢、富有弹性的簇绒地毯。目前国外在汽车内部已经开始使用一种异形截面金属纤维的吸声材料。国内奥迪、桑塔纳汽车生产厂家也开始采用该种材料做消声器芯的汽车消声器[17]。日本丰田汽车公司联合一家化纤公司研制成功一种声学材料它通过引进改性的异形纤维提高传统汽车装饰布的声学性能[18]。
提高纺织材料的吸声隔音效果的一种比较有效的方法就是在材料中加进惯性负载，如重金属的粒子铅、铁等。在入射声压一定的条件下，由于金属粒子受声波作用的振动幅度因惯性而减小，最终导致振幅减小。所以声波通过这种纤维材料后声能有很大的降低。
朱明娟等[20]。以涤平布与涤纶非织造布为基材采用热喷技术研制成功铅化织物复合新材料。铅由于其原子密度大、柔软、阻尼大等特性在噪声控制领域被视为优良的隔音材料，将其与织物相结合使得复合材料在中高频段的隔音性能明显提高。研究得出结论，不同的含铅量对复合材料隔声量影响不同，含铅量越多，隔声量越大。同时试验研究非织造喷铅基布优于机织物。
赖冬志等[21]以氨纶／棉机织物为基体，采用化学涂镀的方法研制出织物与铁镍合金相结合的新材料。铁镍合金织物复合材料经测试在增重率达到90％时，低频段隔声量平均增加3 dB，高频段隔声量平均增加5 dB。通过控制材料的增重率可以得到所需要隔音量的新材料。
由于玻璃纤维具有不燃、防蛀、耐热、耐腐蚀、高强、高吸声系数等优点，姚跃飞等[22]对玻璃纤维机织物的隔音性能进行了测试研究发现，面密度相近，透气性越好的玻纤织物其隔声性能越好。罗以喜等[23]比较降噪用纺织纤维，选取丙纶为原料，采取非织造成网，以铜、铁为隔声材料采用化学粘结复合工艺对吸声非织造布与隔声片材进行复合制得了新型复合材料。其复合材料限氧指数达到了27，有较好的阻燃性；隔声量达到19 dB，有良好的隔声性能。傅雅琴等[24]采用常压浇注工艺，制备了一种超薄、轻量、柔韧的复合材料——玻璃纤维织物／聚氯乙烯复合材料，厚度仅为O
3 纺织吸声隔音材料的应用
3.1 吸声帘幕
早在上世纪30年代有声电影处于萌芽阶段时，录音棚内就开始采用多层织物帘幕作为棚内的吸声材料，通过帘幕的材质、层数和相对刚性墙面的距离来控制和达到室内所要求的混响效果。40年代的消声室也有采用窗帘进行强吸声处理的。在电台和电影厂的录音、播音建筑中用帘幕控制反射声和混响时间的则更为普遍。因此，就这一点来说，织物帘幕是最现代、最广泛的吸音措施之一[26]。
3.2 地毯
地面装饰类纺织品——地毯，因其丰厚质地与毛绒簇立的表面具有良好的吸音效果，并能适当地降低噪音影响，由于地毯吸收音响后减少了声音的多次反射，从而改善了声音清晰程度，使室内的音响设备的音乐效果更为丰满悦耳。国内有许多生产地毯的厂家在选择确定纤维原料、毯面厚度与密度时，同时考虑地毯毛丛的吸音效果，以满足不同环境需达到的吸声隔音性能要求[27]。
3.3 装饰帘布
装饰帘布是起美化实用作用的装饰类纺织品。室内各种声响经装饰布吸收、衰减后，又以漫反射的形式进入到人耳中，声音变得清晰圆润。1990年代浙江绍兴生产的阻燃吸声装饰织物应用在上海虹口体育馆吸声效果较好。有研究报道麻织物装饰布实用性好，耐磨性强，而且在吸音、阻燃、耐污等方面也具有良好的性能[27]。
3.4 其他方面
Sound Tex吸声无纺布主要用于清洁环境的吸声吊顶和消声器，也可将其与穿孔板结合用在音乐厅等对音质要求较高的场所。Montgomery Eliza L[28]最先提出并进一步研制了一种运用于航空器内部贴敷用针刺非织造布吸声材料。台湾一厂家加工普通的非织造布时，在其中间层加入锡箔纸，显著地提高了其隔音性能。广州吉泰建筑声学公司生产的艾洛克防火吸声无纺布广泛应用于各种穿孔铝天花板以及各种穿孔、木质、石膏、硅钙、装饰板等吸声材料的背面。
4 结语
现有研究表明，纺织吸声隔音材料可发展方向和途径很多，但是国内外对纺织材料吸声隔音的研究较少。大多研究只是停留在新型纺织材料的定性测量和评价上，对纺织品自身吸声特性的系统研究较少，缺少对纺织品吸声性能实用性的研究。纺织材料作为吸声材料，虽然有很大优势，但是只有将其与其他材料复合才能满足人们需要，更好地应用于家居、建筑、军事、民航、交通等方面。兼顾成本、性能、环保的各方面要求，改性纺织纤维和复合纤维可以成为我们今后发展纺织降噪吸声隔音材料的一个方向。研究新材料新工艺结合吸声理论以及传统吸声结构，最大限度研发纺织材料的吸声性能，设计出既美观又实用的新型纺织材料是纺织吸声材料发展的一大趋势。
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