吸音纤维材料

书书 产 业 用 纺 织 品 吸 音 纤 维 材 料 刘辅庭 原上海市纺织科学研究院(中国) 摘 要:综述了吸音机理及其测定方法，举例说明了聚酯非织造材料及其边材回用品 的吸音特性，建筑用吸音材料对噪音及音响的控制，并介绍了聚酯非织造环保 吸音材料。 关键词:吸音纤维，聚酯非织造材料，建筑吸音材料，环保吸音材料 1 吸音［1］ 隔音材料用于抑制声音透射， 而吸音材料则用于降低声音反射。 常见的用于屋顶、墙面的内衬材料 属吸音材料。选定吸音材料时会 考虑吸音率 α这一性能指标: α = Ii － IrIi (1) 式中:Ii———入射音的强度; Ir———反射音的强度。 当材料无反射音即 Ir = 0 时， α = 1;当材料完全反射即 Ii = Ir 时，α = 0。一般 α 在 0 ～ 1 之间， α值越大，则吸音性能越好。 吸音材料根据吸音机理可分 为三种: －多孔型:如石棉、玻璃绒、软 聚氨酯泡沫、吸音绝缘材料、纤维 板等。该类型材料中存在连续的 空隙，空隙会对空气运动产生黏性 阻抗，形成热能，从而使音能衰减。 其对高音频具有较好的吸音效果， 且偏厚型的材料也可适用于低音 频。 －板(膜)振动型:如层合板、 硬纤维板、石膏板、石板、塑料板、 金属板聚氧乙烯膜等。无透气性 板(膜)的背后有空气层，声音使板 (膜)振动，音能衰减。代性的声 音频率在 100 ～ 200 Hz，吸音率为 0． 3 ～ 0． 5，适用于低音区域的吸 音。 －共鸣器型:如有孔硬纤维 板、有孔石膏板、有孔石板、有孔金 属板等。多孔板背后有空洞，利用 共鸣在中低音区域形成山形的吸 音效果。共鸣频率可通过计算得 出，板厚、孔径、孔距及背后的空气 层是决定因素，不拘于材料的种 类。 1． 1 吸音率的测定 测定吸音率的方法有很多，且 各有优缺点，按实际状况分为: － JIS A1409 残余音响室法， 无序入射音; － JIS A1405-1 管内驻波比 法，垂直入射音; － JIS A1405-2 管内传递函数 法，垂直入射音。 残余音响室法可测定各种角 度的入射音，更接近实际的使用条 件，应用广泛，但需要较大面积的 试样(10 ～ 12 m2)，测定难度较大。 而管内法利用音响管测试，试 样直径仅需 10 cm，测定容易，但需 以垂直角度入射，与实际使用条件 有差异。其中，管内驻波比法应用 较早、测定简易，但管内传递函数 法仍是主流。 1． 2 吸音率的测定 聚酯非织造布试样厚度 1 cm， 表观密度 69 kg /m3，采用管内传递 函数法测试。 1． 2． 1 背后空气层的影响 当声音的频率在 1 600 Hz、吸 音材料背后空气层为 0 cm 时，材 料吸音率为 0． 5。若假定材料表 面无反射音，则无论吸音材料处于 音源和刚壁之间的任何位置，吸音 率都会保持在 0． 5 不变。但在实 际测试中，当非织造材料距离刚壁 1 cm(即背后空气层为 1 cm)时， 吸音率为 0． 7;当背后空气层为 4 cm时测得吸音率为 1． 0;当背后 空气层为 9 cm 时测得吸音率为 0． 5。这说明实际安装位置不同， 吸音率也不同。 吸音率的变化起因于音波。 声音由于振动等原因交互产生了 空气密而压力高和空气疏而压力 低的两部分，属逐渐传递的纵波。 65 国际纺织导报 2011 年第 1 期 书书书 产 业 用 纺 织 品 当有入射波和反射波时，空气粒子 会向音源侧移动。若将吸音材料 放置在距离刚壁 λ /4(λ 为音波波 长)位置时，由于此处压力倾斜大， 空气振动最大，吸音效果最好。例 如，音速为 340 m /s，当背后空气层 为 5、9、14、19 cm，低中音声音频率 为 1 200、700、500、400 Hz时，所对 应的 λ /4 处分别为 7、12、17、 21 cm。但实际安装位置却在 λ /4 更靠近音源处，这与材料中的表观 音速降低、吸音材料正反两面及刚 壁的反射波相互干涉等复杂因素 有关。 1． 2． 2 厚度的影响 一般，吸音材料厚度在 3 cm 范围内增加时，对低频声音的吸音 率是渐增的;但若厚度达到 4 cm 以上，吸音率随厚度增加变化不大。 例如，当声音频率在 1 600 Hz 左右、非织造材料厚度为 4 cm 时， 改变背后空气层，测得吸音率在 0． 8 左右且变化较小。据此可知， 非织造材料厚度增到 4 cm 以上对 吸音性能的影响较小。 1． 3 吸音特性的预测 可利用特性阻抗和传输常数 两个参数，或根据 Biot模型中的多 孔度、流阻、迷向度、黏性、热特性、 密度、弹性模量、剪切弹性模量、泊 松比等九个参数进行预测。特别 是 Biot模型，适用于无透气性的材 料。 预测公式为: α = 1 － (Zm － Zo) (Zm － Zo)2 (2) 式中:Zo———空气的特性阻抗; Zm———多层结构材料对音 源侧表面的比音响 阻抗。 结果预测值和实测值一致。 2 聚酯非织造材料及其 边材回用材料的吸音 特性［2］ 密度 32 kg /m3、厚度 50 mm的 聚酯非织造材料，纤维呈卷曲状、 截面为密圆形、线密度 0． 22 tex，其 中黏合聚酯纤维占 30%(质量分 数)，其吸音性能及绝热性能类似 玻璃绒，可将两块聚酯非织造材料 重合(厚度 50 mm)用作简易无音 响室的吸音材料。 聚酯非织造材料边材回用时， 通过对聚酯非织造材料边材进行 粉碎切断、添加黏合剂、热压、纺粘 加工等四道工序，生产出的吸音材 料性能稍差于原材料。如材料中 混有粗于 0． 22 tex 的纤维则会影 响材料的吸音性能，此时应适当减 少黏合剂的添加量。 据测定，δ(单位面积的流动阻 抗)为 3 611 ～ 14 175 Ns /m2 的聚 酯非织造边材回用材料对声音频 率为 250 ～ 1 250 Hz 的吸音效果， 与 δ为 6 140 ～ 39 200 Ns /m2 的聚 酯非织造材料的吸音效果相当。 根据 δ 可近似推测出特性阻抗和 传输常数。又因为绝热性能稍好 于同密度的玻璃绒，故可兼用作吸 音材料和绝热材料。 3 建筑用吸音材料［3］ 建筑物局部使用吸音材料的 目的:一方面是控制噪音，如噪声 源经机械室的内饰材料的吸音处 理后可防止声音向周围扩散，屋外 防音屏的顶部利用吸音材料可增 加对声音的衍射衰减效果;另一方 面是控制音响，可根据具体用途选 用音响调整材料用作屋顶及壁的 内饰材料。 另外，建筑用吸音材料的选用 除吸音性外，还需考虑耐久性、耐 气候性、耐火性、耐冲击性、施工 性，以及图案和成本。 3． 1 建筑用吸音材料的基本性能 建筑用吸音材料多采用玻璃 绒和石棉纤维，此类吸音材料的吸 音特性及应用实例如表 1 所示。 吸音率 α还可由式(3)计算: α = 透射、吸收的音能 入射的音能 (3) 3． 2 具体应用实例 3． 2． 1 控制噪音 －停车场的噪音对策(90 dB， A级) 室内顶壁覆有玻璃绒板，可降 低噪音。玻璃绒密度为 32 kg /m3， 玻璃板厚 50 mm，通过拒水处理能 令声音衰减 5 ～ 10 dB。但是玻璃 绒的操作环境较差，最近有用废材 聚酯瓶生产的纤维多孔板作为其 代替品，但在成本方面存在问。 －防音屏 高速公路上的多用防音屏可 扩大衍射衰减效果，最近多采用由 聚丙烯酸酯制成的采光型防音屏。 －高性能隔音结构 两层板壁型(内有螺旋型玻璃 绒，以柱分隔)比一层板壁型轻且 隔音性能好，对中高音域的隔音效 果可改进 5 ～ 10 dB。 3． 2． 2 控制音响 －音乐厅 针对直接音、初期反射音及残 响音而设计，所用吸音材料主要为 了调整残响音，其指标是残响时 85 国际纺织导报 2011 年第 1 期 产 业 用 纺 织 品 表 1 吸音材料的吸音特性及应用实例 类 别 使用材料 吸音特性 吸音机理 应用实例 多孔质材料 玻璃绒、石棉、聚酯 纤维、海绵毡、织物 等 全音域、中高音域吸 音 声波在纤维间隙间 传输，利用材料内部 的空气黏性摩擦吸 收音能 屋顶、壁材 多孔成型板 石棉吸音板、玻璃绒 吸音板等 中高音域吸音 利用多孔材料的黏 性摩擦及板振动吸 收音能 － 有孔板 有孔石膏板、有孔金 属板等 全音域、中音域、低 音域吸音 吸音性能取决于孔 径、孔距、背后空气 层及垫材，它们构成 共鸣机理吸收音能 音响调整用屋顶、壁 材(背后有玻璃绒) 膜状材料 聚氯乙烯膜、帆布等 中音域吸音 由膜振动的共鸣机 理吸收音能 椅、门 板状材料 层合板、石膏板、水 泥板等 低音域吸音 由板振动吸收音能 低音吸收、反射的顶 壁 表 2 不影响吸音特性的表面处理 种类 材 料 要 求 网 金属网板、金属网、偏氯纶网 网的材料细，网孔粗 布 细麻布、偏氯纶布、寒冷纱、玻璃布 透气性好，涂饰时不堵布孔，全面粘贴 膜 聚乙烯、维纶 厚度小于 0． 01 mm，无张力粘贴 板 有孔金属板、有孔板 开孔率大于 0． 2，板薄 隔条 金属、树脂、木材等 条宽小，条间隔大(中心间隔为条宽的两倍以上) 间。一般，音乐厅的残响时间设定 较长，讲堂的残响时间设定较短。 －广播台 录音时为抑制音响需进行吸 音处理，壁及顶多采用玻璃绒进行 表面处理，一般选用透气性织物、 有孔板、隔条结构等透明表面材 料。 －会议室、办公室 最近多用多孔成型板(如石棉 吸音板等)，且都经过吸音处理。 表 2 对不影响吸音特性的表面处 理进行了归纳。 4 环保型吸音材料［4］ 日本帝人公司开发了一种聚 酯非织造吸音材料 Sepaton，利用 垂直取向的非织造材料(V-lap)制 成，可用作汽车吸音内饰材料、建 筑用壁及顶材(10 kg /m3)、铺地材 料(30 kg /m3)等。阻燃性高且可 自行熄灭，这与所用原料聚酯纤维 (熔点 255℃、着火点 480℃)有关， 可确保安全;兼有吸音性和绝热 性，当密度为 30 kg /m3 时热导率 为 0． 036 W/(m·K);不用黏合 剂，材料可回用;由废弃聚酯瓶制 成的绝热、吸音材料已取得生态标 志。 4． 1 车用吸音材料 V-Lap 非织造材料的纤维是 按厚度方向取向，可充分发挥纤维 的刚性;且由于是聚酯纤维，材料 轻且可回用。可与超细纤维组合 成为多层结构，可提高吸音性能， 有利于减轻车体质量，目前已有成 型品。 4． 2 住宅用吸音、隔热、绝热材料 日本提出到 2020 年 CO2 将比 1900 年将削减 25%，且日本耗能 的 14% 来自家庭消费，为此节能 住宅使用绝热材料很有必要。 纤 维 垂 直 取 向、面 密 度 940 g /m2、厚度 20 mm 的吸音、绝 热 材 料 V-Lap 的 吸 音 率 与 1 850 g /m2、厚度 25 mm 的废毛相 同。结合高反射率(92%)的铝箔， 其绝热性能可在密度为 20 kg /m3 时达到 0． 036 W/(m·K)，且具有 透湿性能。 4． 3 应对环境问题 可利用回用材料，如回收的聚 酯瓶经粉碎工艺后制成短纤及产 品;从纤维到纤维的化学回用，如 回收纤维制品经粉碎、造粒、脱色 后制成聚酯原料 DMT 及聚酯切 片，再加工成长丝及制品。生产 中，聚酯纤维用的催化剂已从危险 的锑改为安全的钛。 纤维垂直取向的吸音、绝热材 料还开发出了环保型产品，通过将 质轻、安全、易回用、耐光的聚酯纤 维与功能性纤维相结合，开拓了应 用领域。 参 考 文 献 ［1］ 川野道则，真田明，下山力生．关于纤维 材料的吸音［J］．日本纤维机械学会志， 2010，63(2) :86-89． 95国际纺织导报 2011 年第 1 期 产 业 用 纺 织 品 ［2］ 藤本一夀．聚酯非织布及其边材回用品 的吸音特性［J］． 日本纤维机械学会志， 2010，63(2) :91-96． ［3］ 松本敏郎．建筑用吸音材料［J］． 日本纤 维机械学会志，2010，63(7) :97-103． ［4］ 铃木篤． 环保型吸音材料 Sepaton 及 V- Lap［J］．日本纤维机械学会志，2010，63 (2) :104-107． Fiber materials for sound absorption Liu Futing，Shanghai Textile Research Institute(retired) ，Shanghai /China Abstract: The mechanism and determination method of sound absorption were summarized，and sound absorbency of polyester nonwovens and waste materials recycled，as well as the control of noise and sound with architec- ture sound absorbency materials were illustrated，and the eco-sound absorbable polyester nonwoven materi- als were introduced． Keywords:sound absorbable fiber，polyester nonwovens，architecture sound absorbable material，eco-sound absorbable 櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃櫃 material 广 告 索 引 公 司 页码 网 址 浙江锦峰纺织机械有限公司 Zhejiang Jingfeng Textile Machinery Co．，Ltd． 封面 www． jin － feng． com 上海爱西奥工业皮带有限公司 Asiao Engineering Co．，Ltd． 封二 www． asiflex． com． cn 上海光洋欧克电子科技发展有限公司 Shanghai Gyok Electronics Technology Development Co．，Ltd． 封三 www． cn － gy． com 全国产业用纺织品科技情报站 China Techtextile Information Station 封底 www3． dhu． edu． cn / infor 乌斯特公司 Uster Technologies AG 5、9 www． uster． com 陕西长岭纺织机电科技有限公司 ShaanXi ChangLing Textile Mechanical ＆ Electronic Technological Co．，Ltd． 13 www． cltme． com 厦门奥托威工贸有限公司 Xiamen AutoWeigh Industry ＆ Trading Co．，Ltd． 21 www． autoweigh． com． cn 邵阳纺织机械有限责任公司 Shaoyang Textile Machinery Co．，Ltd． 25 www． syefj． com 浙江泰坦股份有限公司 Zhejiang Taitan Co．，Ltd． 29 www． chinataitan． com 东台市珠峰纺配专件厂 Dongtai City Zhufeng Textile Machine Fittings Factory 33 www． cnzhufeng． com 盐城市海马纺织机械有限公司 Yancheng Seahorse Textile Machinery Co．，Ltd． 37 www． ychmfj． com 江阴市新杰纺织机械有限公司 Jiangyin Xinjie Textile Machinery Co．，Ltd． 41 www． jyxinjie． com 广州市纤维产品检测院 Guangzhou Fibre Product Testing Institute 45 www． gtt． net． cn 上海特安纶纤维有限公司 Shanghai Tanlon Fiber Co．，Ltd． 49 www． tanlon． com． cn 中国石化上海石油化工股份有限公司(涤纶部) SINOPEC Shanghai Petrochemical Company Ltd． 53 www． spc． com． cn 中国石化上海石油化工股份有限公司(腈纶部) SINOPEC Shanghai Petrochemical Company Ltd． 57 www． spc． com． cn 安徽南澳地毯有限公司 Anhui Nanao Carpet Co．，Ltd． 61 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