郭禾苗，于海鵬

（東北林業(yè)大學(xué)生物質(zhì)材料科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150040）

木質(zhì)材料具有良好的環(huán)境學(xué)品質(zhì)和裝飾特性，是建筑室內(nèi)空間常用的裝飾材料.木質(zhì)材料本身的吸聲性能并不理想［1］，但經(jīng)過加工和結(jié)構(gòu)組合形成木質(zhì)吸聲材料后能夠具備一定的吸聲功能.目前木質(zhì)吸聲材料主要產(chǎn)品形式為：木絲板［2］、軟質(zhì)纖維板［3－8］、普通穿孔型木質(zhì)吸聲板［9］、穿孔結(jié)合銑槽結(jié)構(gòu)木質(zhì)吸聲板［10］、亥姆霍茲共振器結(jié)構(gòu)吸聲板［11］和穿孔板復(fù)合蜂窩夾芯構(gòu)造吸聲板［12］.鐘祥璋［9］認為木質(zhì)穿孔吸聲板的吸聲特性主要與空腔深度、穿孔率及板后填充的吸聲材料有關(guān)；溫天佑［10，13］研制出具有大小孔的吸聲板及穿孔槽木平面吸聲板.Takahashi等［14－16］研究了穿孔膠合板的吸聲性能；Putra等［17］研究了不同孔徑穿孔板的吸聲性能；Shankar等［18］研究了蜂窩夾芯板的吸聲性能，并分析了夾芯密度、夾芯材質(zhì)、蜂窩腔口大小和夾芯結(jié)構(gòu)對蜂窩夾芯板吸聲性能的影響；Sakagami等［19］發(fā)現(xiàn)穿孔板加蜂窩夾芯不僅提高了吸聲板的強度而且低頻吸聲性能得到改善.Toyoda等［20］對穿孔膠合板和蜂窩夾層組合結(jié)構(gòu)的吸聲性能進行了測試，得出該結(jié)構(gòu)在500～1000Hz具有較好的吸聲性能.

木絲板、穿孔吸聲板的吸聲機制主要是依靠板材上的多孔結(jié)構(gòu)結(jié)合背后空氣夾層，將進入其內(nèi)的以高頻為主的聲波消耗吸收來達到吸聲效果；孔槽復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲板和亥姆霍茲共振器結(jié)構(gòu)的吸聲機制是聲波進入小孔后，激發(fā)空腔內(nèi)的空氣振動并轉(zhuǎn)化為熱能消耗，當(dāng)聲波頻率與該結(jié)構(gòu)共振頻率相同時，腔內(nèi)空氣發(fā)生共振從而產(chǎn)生顯著吸聲效果；穿孔板－蜂窩夾芯板復(fù)合構(gòu)造的吸聲板體現(xiàn)了一種多亥姆霍茲共振器陣列的設(shè)計思想，具有較好的中低頻吸聲效果.

分析上述文獻可知，木質(zhì)吸聲板仍然存在全頻帶吸聲效果不夠理想的情況.基于此，本文在亥姆霍茲共振器吸聲結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)薄板振動原理和多孔－空氣層相結(jié)合的理論設(shè)想上，構(gòu)建了雙層蜂窩夾芯復(fù)合穿孔面板的吸聲構(gòu)造模型，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸聲性能和吸聲頻帶的影響，得到了較佳的工藝條件，為獲得寬頻帶、高降噪性，兼具輕質(zhì)量、低成本的木質(zhì)吸聲板提供了科學(xué)依據(jù).

1 試驗材料與試驗方法

1.1 雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的設(shè)計模型

選擇張家港華誼蜂窩廠產(chǎn)，厚度為10，20，30mm的紙蜂窩板，按照不同組合來構(gòu)造雙層蜂窩夾芯；選擇厚度為3.5mm 的環(huán)保型中密度纖維板做面板，按照預(yù)先設(shè)計的方案在其上鉆通孔，孔徑分別為2，4，6mm，穿孔率分別為3%，6%，10%；將穿孔面板與雙層蜂窩夾芯組合為目標吸聲板，將其加工成尺寸為φ96的試件用于吸聲測試.

圖1為雙層蜂窩夾芯與穿孔面板復(fù)合的木質(zhì)吸聲板結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Double－layer honeycomb sandwich structural wooden acoustic board

穿孔面板（1）和前層蜂窩夾芯（2）組成多亥姆霍茲共振器陣列結(jié)構(gòu)，其由許多單孔共振腔并聯(lián)而成，單孔由窄頸口和大蜂窩腔組成，材料外部空間與內(nèi)部蜂窩腔體通過窄頸口連接.在聲波作用下，孔徑中的空氣柱就像活塞一樣往復(fù)運動，開口處振動的空氣由于摩擦而受到阻滯，使部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，主要在中低頻產(chǎn)生一定的吸聲效果.兩層蜂窩板之間的紙質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)（3），在聲波激勵下產(chǎn)生振動變形，以此來達到消耗聲能的效果，并主要在低頻域起到吸聲作用.后層蜂窩夾芯（4）兼有多孔板和背后空氣腔結(jié)構(gòu)的復(fù)合效果，由于材料內(nèi)部含有大量敞開的孔隙，當(dāng)聲波入射到材料表面時，聲波衰減主要由兩種機理所引起：一是由聲波振動引起孔隙內(nèi)的空氣運動，造成空氣與孔壁進行摩擦，緊靠孔壁和纖維表面的空氣因摩擦和黏滯力的作用，使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使得聲波衰減，達到吸聲目的；二是孔隙中的空氣與孔壁、纖維之間的熱交換所引起的熱損失，也使得聲能有所衰減，并主要對中高頻聲波起到一定的吸聲作用.底板（5）主要用來對吸聲結(jié)構(gòu)進行黏附和機械支撐.綜上所述，將穿孔面板和前層蜂窩夾芯組合可以對中低頻域聲波產(chǎn)生消耗作用，兩層蜂窩夾芯之間的紙質(zhì)薄層結(jié)構(gòu)能對低頻域聲波產(chǎn)生消耗作用，后層蜂窩夾芯則主要對中高頻域產(chǎn)生消耗作用.由此可見，復(fù)合結(jié)構(gòu)在設(shè)計意圖上體現(xiàn)出其在全頻帶范圍內(nèi)吸聲的目的.

1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選的正交試驗設(shè)計

為了提高試驗效率，縮小隨機誤差的影響，并能有效地統(tǒng)計分析試驗結(jié)果，本文運用正交試驗法，綜合分析雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸聲性能指標的影響規(guī)律和吸聲效果，從而確定最優(yōu)工藝方案.選取面板孔徑d，面板穿孔率p，前、后蜂窩夾芯空腔深度a，b作為考察吸聲性能的因素，每個因素選取3個水平.面板孔徑和穿孔率的因素水平設(shè)計以當(dāng)前市場常見的穿孔吸聲板為依據(jù)并加以適當(dāng)擴展，前、后蜂窩夾芯空腔深度的因素水平選取由購進的蜂窩夾芯板厚度所決定.數(shù)據(jù)分析過程中，由于正交表方差分析的總偏差平方和等于各列的偏差平方和，在這種情況下沒有辦法對誤差項作出估計，所以又進行了重復(fù)試驗.

1.3 吸聲性能測試

利用杭州愛華儀器有限公司生產(chǎn)的AWA 6122A 型駐波管，按照GBJ 88—1985《駐波管法吸聲系數(shù)與聲阻抗率測量范圍》進行試驗，測量雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的法向吸聲率；按照GB 3240—1982《聲學(xué)測量中的常用頻率》測試125，250，500，1000，2000，4000Hz這6個倍頻程頻率的吸聲率，在工程中依據(jù)250，500，1000，2000Hz處吸聲率的算術(shù)平均值來計算降噪系數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果

正交試驗和重復(fù)試驗的數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1所示.以降噪系數(shù)NRC為考察指標.

表1 正交試驗的數(shù)據(jù)及結(jié)果Table 1 Orthogonal test scheme and results

2.2 極差分析

表2為正交試驗的極差分析，其中面板穿孔直徑d，面板穿孔率p，蜂窩前腔深度a 和后腔深度b分別對應(yīng)A，B，C 和D 這4個因素；Ki表示各因素在同一水平下試驗結(jié)果的平均值（i＝1，2，3）；ΣKi表示各因素在同一水平下的試驗結(jié)果之和；R 表示K 值的最大值與最小值之差.由表2可知，在試驗因素水平變化范圍內(nèi)，影響降噪系數(shù)NRC 的各因素順序為：蜂窩后腔深度＞蜂窩前腔深度＞面板穿孔直徑＞面板穿孔率.

表2 正交試驗的極差分析Table 2 Orthogonal test range analysis mm

圖2為降噪系數(shù)與結(jié)構(gòu)因素關(guān)系圖，由圖2可知，蜂窩夾芯的前腔深度取10mm 或20mm 均可，但從縮減體積和降低成本考慮，應(yīng)首取10mm；后腔深度取20mm 最佳；面板穿孔直徑和穿孔率的影響不大，可根據(jù)實際加工條件確定.

2.3 方差分析

圖2 降噪系數(shù)與結(jié)構(gòu)因素關(guān)系圖Fig.2 Relation diagram between noise reduction coefficient and structural factors

雖然極差分析可以直觀地表示各因素對考核指標影響的主次順序，但它未把試驗過程中由試驗條件改變與由試驗誤差所引起的數(shù)據(jù)波動嚴格地區(qū)別開來，也沒有提供一個用來判斷所考察因素的作用是否顯著的標準.為了彌補極差分析的不足，現(xiàn)采用方差分析的方法，其結(jié)果見表3.方差分析結(jié)果同樣表明：蜂窩夾芯的前、后腔深度對單穿孔板雙層木質(zhì)蜂窩夾芯吸聲性能有極顯著的影響，而孔徑和穿孔率影響則不顯著.因此，可初步確定雙層木質(zhì)蜂窩夾芯吸聲板的較佳工藝方案為：蜂窩前腔深度為10mm，蜂窩后腔深度為20 mm，面板穿孔孔徑為2～6mm，面板穿孔率為3%～10%.

表3 正交試驗的方差分析Table 3 Orthogonal test variance analysis

2.4 驗證試驗

優(yōu)選出雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的工藝參數(shù)后，根據(jù)最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)進行驗證試驗，測定其吸聲系數(shù)，測試重復(fù)進行3次，以確保試驗結(jié)果的準確性，結(jié)果如表4所示.由表4可知，雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的平均降噪系數(shù)為60.17%，已達到Ⅰ級降噪水平，這證明該優(yōu)選工藝方案是科學(xué)可行的.由圖3所示的最佳工藝條件對應(yīng)的降噪性能曲線可知：面板穿孔直徑d為4mm，穿孔率p 為6%，前、后蜂窩夾芯厚度a，b分別為10，20mm 的復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲板在250Hz處的吸聲率就已超過20%，在500 Hz處接近60%，在1000Hz處達到70%，在2000Hz處更是高達90%.

表4 驗證試驗結(jié)果Table 4 Results of verification test

圖3 最佳工藝條件下的吸聲性能曲線Fig.3 Acoustic curve of the acoustic boards with the best structural parameters

2.5 與相近結(jié)構(gòu)吸聲板的性能比較

選擇單層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板作為比照對象，除芯層層數(shù)不同外，兩者的面板材料均為3.5 mm厚中密度纖維面板，穿孔直徑均為4mm，穿孔率均為3%.單層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的蜂窩層厚度為30mm，雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板的前層蜂窩芯厚度為10mm，后層蜂窩芯厚度為20mm，兩層之間的紙質(zhì)薄層厚1mm.兩者經(jīng)駐波管測試得到的吸聲曲線如圖4所示.由圖4可以發(fā)現(xiàn)，與單層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板相比，雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板在250，500，1000Hz處吸聲性能均得到明顯提高，吸聲頻帶范圍增寬.這種結(jié)果表明雙層蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)結(jié)合了比單層蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)更多的吸聲機制，具有符合設(shè)計預(yù)期的吸聲效果，而在原料投入、占據(jù)空間、制造成本方面卻相差無幾.因此，采用雙層蜂窩結(jié)構(gòu)具有更好的性價比優(yōu)勢，擁有市場潛力和發(fā)展空間.

3 結(jié)論

圖4 單、雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板吸聲性能曲線Fig.4 Acoustic curves of both single and double honeycomb sandwich structure wooden acoustic board

雙層蜂窩夾芯木質(zhì)吸聲板組合了多孔、亥姆霍茲共振器和輕質(zhì)薄板共振的吸聲機制，實現(xiàn)了寬頻帶的吸聲降噪效果.蜂窩芯層的厚度及組合是影響其吸聲性能的關(guān)鍵因素.在最佳工藝參數(shù)（前層蜂窩芯厚度10mm，后層蜂窩芯厚度20mm，面板穿孔直徑2～6mm，面板穿孔率3%～10%）下，該吸聲板在250，500，1000，2000 Hz的吸聲率分別達到24%，60%，70%，90%，降噪系數(shù)達到60.17%，滿足Ⅰ～Ⅱ級降噪需求.

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