吳彤，于偉東,2，鄭永紅，何勇

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纖維形態(tài)對針刺非織造布吸聲系數(shù)的影響

吳彤1，于偉東1,2，鄭永紅3，何勇3

(1. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點實驗室，上海201620；2. 東華大學(xué)紡織材料與技術(shù)實驗室，上海201620 3. 重慶市纖維檢驗局，重慶 401121)

利用駐波管測試方法研究了幾種不同截面異形度、不同細度與直徑、不同周長比與比表面積，以及不同體積分?jǐn)?shù)與空隙率纖維材料的吸聲性能。實驗結(jié)果表明，纖維異形截面在一定程度上影響材料吸聲性能，而吸聲系數(shù)受纖維異形度的影響較復(fù)雜，即異形度不是吸聲系數(shù)的本質(zhì)影響因素。纖維比表面積參數(shù)是影響吸聲性能的本質(zhì)因素，比表面積越大，氣-固相聲阻越大，而纖維細度即纖維平均直徑與其比表面積成反比，故直徑越大，吸聲系數(shù)越小。纖維體積分?jǐn)?shù)是影響吸聲性能的又一本質(zhì)因素，空隙率越小，體積分?jǐn)?shù)越大，即孔洞越小，空隙率越小，吸聲系數(shù)越大。

截面形態(tài)；吸聲系數(shù)；比表面積；體積分?jǐn)?shù)

0 引言

纖維集合體，簡稱纖維體，為多孔、輕質(zhì)、柔軟的吸音隔聲材料。實用中大多為散纖維狀，即隨機排列的纖維體，與之最為接近的是非織造布，已被廣泛應(yīng)用于各類內(nèi)飾和隔絕的常用材料。纖維體的主要特征就是多孔。而其多孔孔隙形態(tài)與結(jié)構(gòu)是由纖維體中纖維的形態(tài)、構(gòu)造、排列及纖維間的相互作用形成[1]，尤其是纖維的形態(tài)和表面，直接決定了空隙的形態(tài)和表面積。由于纖維體結(jié)構(gòu)排列復(fù)雜，使得孔隙的構(gòu)造排列也呈分形維數(shù)的結(jié)構(gòu)[2]，這是纖維體吸聲性能獨特的重要原因[3]。有關(guān)纖維形態(tài)對吸音隔聲性能影響的研究有許多相關(guān)報導(dǎo)，如纖維形態(tài)[4-6]的影響，纖維本身粗細的影響[7,8]，孔隙率或體積分?jǐn)?shù)[9,10]的影響等。其本質(zhì)是在較多地關(guān)注聲的通道大小和纖維體本身固體相對吸聲的影響，而較少關(guān)注因纖維形態(tài)所引起的通道長短、表面效應(yīng)、纖維振動摩擦對吸聲的作用。而這些作用主要決定于纖維的截面形態(tài)和粗細[11]、以及纖維體的體積分?jǐn)?shù)與孔隙形態(tài)[12]。故本文從纖維的截面異形度、纖維的周長比與比表面積、纖維細度與直徑和纖維體的體積分?jǐn)?shù)等四方面，研究各自與吸聲系數(shù)之間的關(guān)系，為明晰纖維形態(tài)參數(shù)對吸聲系數(shù)的影響和為針刺非織造吸聲材料的設(shè)計提供依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 實驗材料

選用名義細度均為1.67 dtex的扁平、三角、圓形、三葉形、中空、十字、啞鈴型七種異形截面纖維和均為圓形但細度分別為0.88、1.67(即上述的圓形纖維)、3.67、4.44 dtex的滌綸纖維。采用針刺非織造布制成用作吸聲性能測量的樣品。所制的針刺滌綸非織造布的工藝參數(shù)均相同：針刺頻率25 Hz、輸入羅拉頻率5.7 Hz、輸出羅拉頻率6.7 Hz、植針密度為4000枚/m、針刺深度4.2 cm、雙面預(yù)針刺，即10種針刺非織造布。由光學(xué)顯微鏡觀察實測各異形滌綸纖維的形態(tài)參數(shù)值如表1所示。實測不同細度的滌綸纖維的形態(tài)參數(shù)值如表2所示。

表1 異形纖維的實測形態(tài)參數(shù)值

表2 實測不同細度的滌綸纖維的形態(tài)參數(shù)值

1.2 測量方法

(1) 吸聲系數(shù)的測量

吸聲系數(shù)的測量采用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的雙通道阻抗管聲學(xué)分析儀SW260。其測試原理基于傳遞函數(shù)法，用固定在管壁的傳聲器測量寬頻噪聲的聲壓，然后將采集的聲壓信號進行處理，分離入射波的能量與反射波的能量，求得兩個傳聲器信號的聲傳遞函數(shù)，計算不同頻率對應(yīng)的法向入射吸聲系數(shù)和隔聲量。吸聲測試執(zhí)行國際標(biāo)準(zhǔn)10534-2: 1998和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18696. 2-2002阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗測量第二部分：傳遞函數(shù)法中關(guān)于傳遞函數(shù)法測量吸聲系數(shù)的測試條件的相應(yīng)規(guī)定。

(2) 纖維形態(tài)參數(shù)的測量

纖維異形度是表征異形纖維截面形狀的主要指標(biāo)，也是討論纖維性能的主要參數(shù)之一。異形截面纖維形態(tài)特征參數(shù)測試方法是先制作異形纖維截面切片，然后將切片放在普通生物顯微鏡和顯微投影儀下，觀察纖維截面形態(tài)特征，并在描圖紙上描繪圖像、剪紙稱重或用尺測量，最后計算得到纖維異形度指標(biāo)。

(3) 針刺非織造布的規(guī)格參數(shù)測量

YG141N數(shù)字式織物厚度儀、FA2004A電子天平等。

1.3 測量指標(biāo)

由光學(xué)顯微鏡照片可知七種形狀纖維截面的基本形態(tài)，如圖1所示。圖1(g)和1(h)都是圓形截面，而兩圖片中纖維截面的異形度(即橢圓度)不同。

(1) 粗細參數(shù)

(2) 異形度參數(shù)

式中，為內(nèi)切圓半徑，為外接圓半徑

(3) 比表面積參數(shù)

采用近似表達是因為忽略兩端面和不考慮粗糙度。

(4) 體積分?jǐn)?shù)參數(shù)

式中：為纖維的質(zhì)量(g)；為纖維的密度；為非織造布的測量面積(m2)；，為被測面非織造布的厚度(mm)；為平方米克重(g/m2)。

由上列12個參數(shù)及其定義式，根據(jù)表1的實測數(shù)據(jù)，可計算得到各異形截面纖維指標(biāo)值，如表3所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 異形截面與吸聲系數(shù)的關(guān)系

(1) 實測結(jié)果的定性討論

不同截面材料對吸聲性能的影響如圖2所示。從吸聲圖譜(圖2)可以看出，發(fā)生頻率大于800 Hz后，吸聲系數(shù)是頻率的單調(diào)函數(shù)，即隨著頻率的增加，吸聲系數(shù)增大。但是在增加的起始階段吸聲系數(shù)增加較快，當(dāng)達3000 Hz后，基本呈等速增加，并有逐漸飽和的趨勢。在低頻波段，對纖維體材料來說，其對低頻波段(500~800 Hz)的吸聲能力較弱，即吸聲系數(shù)小。這說明纖維體中低頻吸聲元較少，主要是孔隙中的空氣泡在聲波作用下的振動和摩擦吸收，都對聲波有衰減作用，但相對較小，故吸聲系數(shù)很低。根據(jù)多孔材料吸聲機理，多孔材料內(nèi)有許多微細的小孔和間隙，當(dāng)聲波在多孔材料內(nèi)部傳播時，部分聲能在傳播的過程中轉(zhuǎn)變成熱能損耗掉，從而達到吸聲的作用。由于低頻聲波的波長比較長，在材料中傳播時可以更加容易地穿過，聲能損失會更少；而高頻聲波的波長比較短，會加快材料內(nèi)空氣分子的振動速度，聲波與纖維之間產(chǎn)生的摩擦?xí)觿×?，就會有更多的聲能轉(zhuǎn)化為熱能。這與本實驗吸聲系數(shù)曲線結(jié)果相吻合。不同截面纖維所形成的孔隙不同，當(dāng)然會影響吸聲性能。對中等頻率波段(800~3000 Hz)為指數(shù)函數(shù)增加形式，即吸聲系數(shù)變化速度dd在衰減，吸聲系數(shù)值在增大。這說明有新的適應(yīng)該頻率波段振動吸聲元的進入，如稍小尺度的氣孔和纖維間的摩擦阻尼的引入。對較高頻率波段(3000~6500 Hz)，吸聲系數(shù)近似于等速增加，有一定的減緩達飽和的趨勢，即本質(zhì)上亦為指數(shù)函數(shù)變化的規(guī)律。這說明，纖維本身作為振動吸聲元的加入。顯然，由圖2可知平均吸聲系數(shù)的順序為：

表3 各異形截面纖維指標(biāo)值

在圖2所述七種截面形態(tài)的纖維中：扁平截面的纖維吸聲性能最好；最弱的為啞鈴型纖維。扁平截面纖維具有更多的纖維界面和更多細微的孔隙，聲波進入材料后有更多的機會與纖維界面及孔隙發(fā)生作用，形成的粘滯性摩擦增加，聲能耗散增多，利于提高吸聲性能。由表1可知：啞鈴型纖維不僅僅是纖維的異形，而且其細度dt明顯大于其他6種纖維，這是其排在最后的主要原因。對于中空纖維(○)和圓形纖維(●)，均為圓形，但一方面其中腔是靜止空氣，對聲波的阻尼更強；另一方面，中空纖維外部的三維卷曲結(jié)構(gòu)使得穿過材料的空氣流阻相對大，材料中低頻的吸聲性能就越好。

基于上面的定性討論可知，吸聲系數(shù)與纖維的異形度有關(guān)。纖維異形度是表征異性纖維截面形狀的主要指標(biāo)，也是討論纖維性能的主要參數(shù)之一。以表3中的實測計算結(jié)果的徑向異形度值D和截面異形度值S分別與相對吸聲系數(shù)作圖，得圖3(a)和3(b)。所得結(jié)果并非單調(diào)函數(shù)，也就是說異形度指標(biāo)并非本質(zhì)因素，并只能在異形度大于0.35以上才體現(xiàn)出單調(diào)上升的正確趨勢，且規(guī)律也不吻合。由圖3可知徑向異形度和截面異形度大小順序依次為：

(15)

徑向異形度和截面異形度的排列結(jié)果不符合圖3實測結(jié)果的排序，說明異形度并非吸聲系數(shù)α的單調(diào)函數(shù)或單一函數(shù)，而是一個具有交互或復(fù)合構(gòu)成的因素。

(a) 徑向異形度與吸聲系數(shù)的關(guān)系圖

(b) 截面異形度與吸聲系數(shù)的關(guān)系圖

圖3 異形度對吸聲性能的影響

Fig.3 Effects of shaped factors on sound absorption properties

通過計算扁平、三角形、中空、三葉形、十字形、啞鈴型與圓形的周長比，可以得出周長比和最大吸聲系數(shù)max的關(guān)系和2000~6000 Hz平均吸聲系數(shù)，如圖4所示。可以看出，截面周長比越大的纖維其吸聲效果越好。這是因為比周長越大，非織造布材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，內(nèi)部微孔的迂曲度有所提高，比表面積增大，聲波在纖維中傳播路徑的阻尼越多，氣-固相的摩擦作用越大，聲能損耗增加，有利于提高吸聲性能。具有更多的纖維界面和更多細微的孔隙，聲波進入材料后有更多的機會與纖維界面及孔隙發(fā)生作用，形成的粘滯性摩擦增加，聲能耗散增多。由圖4可知，不同周長比和表面系數(shù)的大小順序與前述吸聲系數(shù)完全一致，是典型的單調(diào)函數(shù)。

(4) 比表面積的影響

如圖5所示，纖維的比表面積越大，材料的最大吸聲系數(shù)越大，材料的吸聲性能越好。中空纖維外部的三維卷曲結(jié)構(gòu)使得其針刺非織造布材料內(nèi)部微孔的迂曲度增加，大大增加了聲波與纖維接觸的比表面積；同時由于中空纖維軸向具有管狀空腔，單根纖維內(nèi)部有微孔，很大程度上增加了聲波與材料接觸的比表面積，聲波與中空纖維材料就有更多的摩擦，進而延長聲波在材料內(nèi)部反復(fù)反射的時間，有更多的聲能轉(zhuǎn)換為熱能而耗散掉，從而其吸聲系數(shù)相對于圓形截面纖維也就越大。但隨著聲波頻率的增大，中空纖維與圓形截面纖維組成的非織造布的吸聲系數(shù)的差距就越顯著。這是因為中空纖維自身的三維卷曲結(jié)構(gòu)決定其厚度大于圓形截面纖維材料的厚度，厚度大，材料的微孔就越多，穿過材料的空氣流阻就相對大，那么材料中低頻的吸聲性能就越好。纖維比表面積大，如周長比大，表面系數(shù)大一樣，只是和是以體積為分母，而以圓形纖維周長、以纖維的質(zhì)量為分母的相對比值，故對吸聲系數(shù)的影響趨勢完全一致。由圖5可知，理論比表面積和等效比表面積大小順序與前述吸聲系數(shù)排序完全一致，說明比表面積與吸聲系數(shù)呈近似線性正相關(guān)，證明反映纖維比表面積的參數(shù)是影響吸聲系數(shù)的本質(zhì)參數(shù)。

(a) 周長比與吸聲系數(shù)關(guān)系圖

(b) 表面系數(shù)與吸聲系數(shù)關(guān)系圖

圖4 理論周長比對吸聲性能的影響

Fig.4 Effects of theoretical perimeter ratios on the sound absorption properties

2.2 纖維細度對吸聲系數(shù)的影響

在2.1(1)中已經(jīng)注意到纖維的粗細對吸聲系數(shù)的影響，這里針對粗細值單因素變化對的影響進行討論。

(a) 理論比表面積與吸聲系數(shù)的關(guān)系圖

(b) 等效比表面積與吸聲系數(shù)的關(guān)系圖

圖5 比表面積對吸聲系數(shù)的影響

Fig.5 Effects of specific surface areas on sound absorption coefficients

(1) 細度dt作用的定性討論

既然比表面積是影響因素中的主要因素，異形度也直接表達了比表面積的增加，故本節(jié)用同樣異形度不同細度，即0.88、1.67、3.67、4.44 dtex的圓形截面滌綸纖維并制成平方米克重相近的滌綸針刺非織造布。從圖6中可以看出，由較細纖維制成的材料的吸聲性能優(yōu)于較粗的纖維，但整體差異并不大。這是因為在相同的厚度與容重時，較細纖維制成的材料含有的纖維數(shù)量多于較粗纖維制成的材料，具有更多的纖維界面和更多細微的孔隙，聲波進入材料后有更多的機會與纖維界面及孔隙發(fā)生作用，形成的粘滯性摩擦增加，聲能耗散增多，利于提高吸聲性能。

(2) 實測細度dt與吸聲系數(shù)的關(guān)系

圖6所示為四種關(guān)于不同細度圓形纖維制成的非織造布，顯然隨著纖維細度的增加，針刺非織造布的吸聲系數(shù)有所降低。故繪出細度與全測量頻率范圍內(nèi)的平均吸聲系數(shù)和>3000 Hz以上的平均吸聲系數(shù)關(guān)系圖，如圖7所示。由圖7可以看出，3000 Hz以上的吸聲系數(shù)隨著纖維細度的增加成近似線性下降。吸聲系數(shù)與纖維細度dt有關(guān)的根本原因是dt與比表面積或表面系數(shù)在理論上為倒數(shù)關(guān)系，即。

2.3 體積分?jǐn)?shù)對吸聲性能的影響

以表3中的實測計算結(jié)果的體積分?jǐn)?shù)和空隙率分別與相對吸聲系數(shù)作圖，得圖8(a)和8(b)。由圖8(a)可知，隨著體積分?jǐn)?shù)的增大，吸聲性能隨體積分?jǐn)?shù)的增加呈上升趨勢。這是因為纖維體積分?jǐn)?shù)的增大會增加截面中纖維端頭數(shù)，減小孔洞半徑和自由長度，同時使得吸聲曲線的峰值向低頻域移動。隨著集合體中纖維體積分?jǐn)?shù)的增大，整個頻域的吸聲性能增強，吸聲曲線的峰將向低頻移動；但纖維體積分?jǐn)?shù)存在一個極限值，超過這個值吸聲系數(shù)將不再增大。

3 結(jié)論

吸聲性能與纖維體的眾多因素有關(guān)，由構(gòu)成纖維的不同截面形態(tài)(即異形度)、不同粗細、比表面積、體積分?jǐn)?shù)及空隙率等四方面實測結(jié)果分析，得出所述參數(shù)對吸聲系數(shù)均有影響。

吸聲系數(shù)受纖維異形度的影響較為復(fù)雜，并非單調(diào)函數(shù)，并存在矛盾現(xiàn)象，其原因在于異形度僅表達了纖維截面相對圓的異化程度，并未針對性涉及對聲能損耗的固相(纖維)振動性質(zhì)、氣相(空氣)、氣-固相、固-固相的作用機制，尤其是當(dāng)異形度大時，比表面積不大或甚至變小。故異形度不是影響吸聲系數(shù)的本質(zhì)因素，至多是一個復(fù)合因素。相反，纖維的表面參數(shù)：理論比表面積、等效比表面積、表面系數(shù)和周長比與吸聲系數(shù)呈近似線性正相關(guān)，證明反映纖維比表面積的參數(shù)是影響吸聲系數(shù)的本質(zhì)參數(shù)。即纖維的表面積大小是影響聲能耗的主要因素。纖維直徑與吸聲系數(shù)呈負(fù)線性相關(guān)就是佐證，因為纖維直徑與比表面積為反比關(guān)系，即直徑越粗，比表面積越小。

(a) 體積分?jǐn)?shù)與吸聲系數(shù)的關(guān)系圖

(b) 空隙率與吸聲系數(shù)關(guān)系圖

圖8 體積分?jǐn)?shù)對吸聲系數(shù)的影響

Fig.8 Effect of volume fraction on the sound absorption coefficient

實測結(jié)果同時表明：纖維體的體積分?jǐn)?shù)和空隙率與吸聲系數(shù)為近似線性正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，因為體積分?jǐn)?shù)與空隙率之和為1，說明體積分?jǐn)?shù)或空隙率是吸聲系數(shù)的又一本質(zhì)影響因素。也就是說孔洞越小，空隙率越小，吸聲系數(shù)越大。尤其聲頻在800~6000 Hz范圍內(nèi)，這種規(guī)律和相關(guān)性越顯著。

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Effect of fiber morphology on the sound absorption coefficient of needle-punched nonwovens

WUTong1, YU Wei-dong1,2,ZHENG Yong-hong3, HE Yong3

(1.Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education,Donghua University, Shanghai201620,China;2. Textile Materials and Technology Laboratory, Donghua University, Shanghai201620, China;3. Chongqing Fiber Inspection Bureau, Chongqing 401121, China)

The standing wave tube is used to test the sound absorption properties of several fibrous materials with different shape factors of cross-section, different fineness and diameters, different perimeter ratios and specific surface areas, different fiber volume fractions and porosities. The results show that the shape factor of cross-section influences the sound absorption property of the needle-punched nonwoven to some extent, however the influence is rather complex, and the shape factor of cross-section is not an essential factor of influencing the sound absorption coefficient. Specific surface area of the fibers is the essential factor affecting absorption property: the larger the specific surface area, the greater the gas-solid phase acoustic resistance. The fiber fineness (dtex) is inversely proportional to the specific surface area, so the larger the diameter, the smaller the sound absorption coefficient. The fiber volume fraction is another important factor: the smaller the porosity, the greater the volume fraction,the smaller the holes, the smaller the porosity, therefore the greater the sound absorption coefficient.

sectional shape; sound absorption coefficient; surface area; volume fraction

TS176.3

A

1000-3630(2015)-01-0068-07

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.01.013

2013-11-21;

2014-01-12

吳彤(1988－), 女, 黑龍江齊齊哈爾人, 碩士生, 研究方向為針刺非織造布吸聲隔音性能。

于偉東, E-mail: wdyu@dhu.edu.cn