范曉丹，李輝芹，鞏繼賢

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

紡織材料吸聲性能測試與評價

范曉丹，李輝芹，鞏繼賢

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織學(xué)院，天津 300387)

吸聲材料是降低噪聲輻射的主要措施，合理選擇吸聲材料對吸聲降噪具有非常重要的意義。衡量材料吸聲性能的主要參數(shù)是吸聲系數(shù)，因此實現(xiàn)其準確、快速的測量對聲學(xué)材料研制、結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化有指導(dǎo)作用。對比分析了吸聲性能測試的兩種方法，介紹了阻抗管的吸聲性能測試的各個測試指標，并在已有的吸聲性能評價的方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的評價方法。

吸聲性能；阻抗管；評價方法

噪聲容易使人感到耳鳴、心慌、煩躁，嚴重影響了人們的身體健康和生活質(zhì)量[1]。隨著人們健康意識增強，吸聲材料的使用已經(jīng)普及建筑、交通等各個領(lǐng)域[2-4]。吸聲材料是降低噪聲輻射的主要措施，合理選擇吸聲材料對吸聲降噪具有非常重要的意義。衡量材料吸聲性能的主要參數(shù)是吸聲系數(shù)[5]，因此實現(xiàn)其準確、快速的測量，對聲學(xué)材料的研制、結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化有指導(dǎo)作用。

吸聲系數(shù)不僅與材質(zhì)、密度、厚度等有關(guān)，也與頻率有關(guān)，不同頻率的吸聲系數(shù)是存在差異的[6-7]。不同頻帶的吸聲系數(shù)組成材料的吸聲頻率特性，它能比較全面準確地反映材料的吸聲性能，同時也是聲學(xué)設(shè)計計算必不可少的數(shù)據(jù)。

1 吸聲性能的測試方法

GB/T 18696.1-2004《聲學(xué) 阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量》提到，吸聲性能的測試方法包括阻抗管法和混響室法[8-9]。阻抗管法[10-11]又稱傳遞函數(shù)法，它是在阻抗管內(nèi)完成的，可以測量聲波在垂直入射條件下材料的吸聲系數(shù)。該方法對兩通道的聲壓信號進行處理，通過頻域變換，實現(xiàn)在寬頻聲源激勵條件下吸聲系數(shù)的測量。但該方法的雙通道傳聲器信號存在相位失配和相位畸變問題，測量結(jié)果容易產(chǎn)生誤差，需進行校正，且雙傳聲器的準確安裝位置對于聲阻抗率影響較大?；祉懯曳╗12]是在混響室內(nèi)完成的，適用于聲波無規(guī)入射條件下測量材料的吸聲系數(shù)，所需工作空間和樣品材料較大，測量結(jié)果更接近于實際應(yīng)用情況。但缺點是對于同一種樣品材料，不同混響室所得測得結(jié)果差別大，吸聲系數(shù)測量結(jié)果不具有可比性。而且，吸聲系數(shù)的大小隨材料面積及其在室內(nèi)位置的變化而變化，且這些材料在中高頻段的吸聲系數(shù)有可能大于1。本文參照國際和國家標準，歸納出每種方法的適用條件，如表1所示。

表1 吸聲性能測試方法的對比

2 紡織材料吸聲性能的測試

隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展，傳遞函數(shù)法的應(yīng)用越來越廣泛[13]。利用傳遞函數(shù)法進行材料吸聲系數(shù)測量系統(tǒng)的設(shè)計，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

注：1-傳聲器MicA(參考傳聲器)；2-傳聲器MicB；3-待測樣品。圖1 材料吸聲系數(shù)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

實驗測試儀器如圖2所示。需要注意的是，測試環(huán)境應(yīng)盡可能保持安靜，否則會影響到最終測試結(jié)果。在經(jīng)過一系列的參數(shù)設(shè)置后，還要對兩個傳聲器進行調(diào)試。之后便可放入待測樣品，并擰緊螺絲以保證待測樣品的位置相對密閉。該測試可以得到4個指標，即吸聲系數(shù)、反射系數(shù)、聲阻抗和聲導(dǎo)納。

(1)吸聲系數(shù)α為材料單位時間吸收和透過的聲能與入射的總聲能的比值；(2)反射系數(shù)γ為材料單位時間反射的聲能與入射的總聲能的比值；(3)聲阻抗Zs為聲波在傳播過程中需要克服的阻力；(4)聲導(dǎo)納Gs為在單位時間內(nèi)進入和通過傳音系統(tǒng)的全部聲能流。

圖2 阻抗管實物圖

以1個試樣為例，所測得4個指標的結(jié)果如圖3所示。

圖3為本次測試的結(jié)果，如果我們想進一步對以上的數(shù)據(jù)進行處理，可以將各圖所對應(yīng)的橫縱坐標上的具體的數(shù)據(jù)拷貝下來。理論上，吸聲系數(shù)與反射系數(shù)之間存在這樣的關(guān)系[14]：α=1-|γ|2。聲阻抗和聲導(dǎo)納之間也存在一定的聯(lián)系：Zs·Gs=1。而實驗的結(jié)果與理論保持一致性。

3 紡織材料吸聲性能的評價

3.1 平均吸聲系數(shù)[15]

平均吸聲系數(shù)是指對材料不同頻率的吸聲系數(shù)進行算術(shù)平均，按平均吸聲系數(shù)的大小來評價材料的吸聲性能。常用的吸聲能力的評判主要是以倍頻程即125、250、500、1 000、2 000、4 000 Hz這6個頻率所對應(yīng)的吸聲系數(shù)的算術(shù)平均值來表示。用平均吸聲系數(shù)來評價材料吸聲性能的優(yōu)點是得出的是一個數(shù)值，簡單易記，便于比較。但它不能反映吸聲隨頻率的變化。

圖3 各指標的測試結(jié)果

3.2 1/3倍頻程下的頻率-吸聲系數(shù)曲線

為了解決平均吸聲系數(shù)所帶來的問題，我們引入了1/3倍頻程下的頻率-吸聲系數(shù)曲線(1/3倍頻程即100、125、160、200、250……5 000 Hz等18個頻率)。不同頻帶的吸聲系數(shù)組成材料的吸聲頻率特性，它能比較全面準確地反映材料的吸聲性能，同時也是聲學(xué)設(shè)計計算必不可少的數(shù)據(jù)。

隨著測試設(shè)備的不斷更新與改進，現(xiàn)如今比利時LMS國際公司開發(fā)的一種測試吸聲系數(shù)的精密儀器—阻抗管，經(jīng)測試所得到的曲線為50～5 600 Hz下的整段曲線，它與1/3倍頻程下的頻率-吸聲系數(shù)曲線相比更加精準。

3.3 分頻段比較

在聲頻中，500 Hz以下是低頻聲，500～2 000 Hz是中頻聲，2 000 Hz以上是高頻聲[16]。以一組滌綸非織造布的實驗數(shù)據(jù)為例，吸聲性能測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 非織造布的吸聲效果對比圖

上圖是用阻抗管法測出的非織造布1、2、3的吸聲效果的對比圖，圖中低中頻位置的交叉重合較為明顯，為了表示出它們之間的差異，我們選用積分法求得頻段下的面積，以此來對其優(yōu)劣作出比較。優(yōu)點是更加直觀地看出各試樣之間的吸聲差異以及同一試樣不同頻段的吸聲性能。缺點是不能具體表示某頻率值的吸聲性能。由于儀器本身的靈敏度的限制，在5 000 Hz以上，靈敏度降低，故此頻段我們不作考慮。曲線積分結(jié)果如圖5所示。

圖5 非織造布1、2、3分頻段積分結(jié)果

從圖中我們很容易看出，在中低頻區(qū)域，非織造布3的吸聲效果最好，非織造布1的吸聲效果最差。而在高頻區(qū)域，非織造布1的吸聲效果反而變成最好，非織造布3的吸聲效果反而變成最差的。所以我們需要根據(jù)具體的要求來選擇合適的吸聲材料，使其發(fā)揮最大的作用。

4 結(jié)語

吸聲材料的吸聲性能隨著頻率的變化而變化，不同的場合對吸聲材料的具體要求也不盡相同。有的需要在中低頻段有良好的吸聲效果，有的則需要在高頻段有良好的吸聲效果。所以，我們更應(yīng)該了解各個需要依賴吸聲材料來達到吸聲降噪效果的場所對材料的具體要求，并通過頻段吸聲效果的比較來選擇一種更加優(yōu)越的方案實現(xiàn)其吸聲效果。如此，根據(jù)各頻段的吸聲系數(shù)的積分結(jié)果來評價材料的吸聲效果顯得尤為重要。

[1] KNABBEN R M, TRICHES G, GERGES S N Y,etal. Evaluation of sound absorption capacity of asphalt mixtures[J]. Applied Acoustics, 2016, 114:266-274.

[2] 趙淼淼, 杜兆芳. 汽車內(nèi)飾材料吸音隔音性能的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2009, 27(11):6-8.

[3]LACASTA A M, PENARANDA A, CANTALAPIEDRA I R,etal. Acoustic evaluation of modular greenery noise barriers[J]. Urban Forestry & Urban Greening, 2016, 20(1):172-179.

[4] LONDHE N, RAO M D, BLOUGH J R. Application of the ISO 13472-1 in situ technique for measuring the acoustic absorption coefficient of grass and artificial turf surfaces[J]. Applied Acoustics, 2009, 70(1):129-141.

[5] WU G Q, AO H R, JIANG H Y,etal. Calculation of resonant sound absorption parameters for performance evaluation of metal rubber material[J]. Science in China Series E: Technological Sciences, 2009, 52(12):3 587-3 591.

[6] 倪昭玉, 萬 明, 王 瑄,等. 紡織材料吸聲性能研究[J]. 棉紡織技術(shù), 2016, 44(3):1-4.

[7] 鮑 緯, 劉建立, 王雙閃,等. 結(jié)構(gòu)參數(shù)對非織造材料吸聲系數(shù)的影響[J]. 江蘇紡織, 2014，(5):43-46.

[8] 張智博. 聲學(xué)材料性能測試及評價實驗研究[D]. 上海：上海交通大學(xué), 2007.

[9] 周曉鷗. 紡織用廢橡膠基阻尼減振吸聲復(fù)合材料的制備與研究[D]. 上海：東華大學(xué), 2016.

[10] PRISUTOVA J, HOROSHENKOV K, GROBY J P,etal. A method to determine the acoustic reflection and absorption coefficients of porous media by using modal dispersion in a waveguide[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 2014, 136(6):2 947.

[11] BARNARD A R, RAO M D. A comparison of acoustic absorption coefficient measurements from the int-situ method with traditional methods[C]// INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings， 2004.

[12] MORRIS R M, NIXON G M, PARKINSON J S. Variations in sound absorption coefficients as obtained by the reverberation chamber method[J]. Acoustical Society of America Journal, 1938, 9(1):234-243.

[13] 袁 健, 林 勝, 賀才春. 阻抗管中吸聲系數(shù)的傳遞函數(shù)測量法[J]. 噪聲與振動控制, 2006, 26(1):68-70.

[14] 何 琳, 朱海潮, 邱小軍.聲學(xué)理論與工程應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2006.

[15] 鐘祥璋, 朱子根. 材料吸聲性能的單值評價及產(chǎn)品分級方法[J]. 電聲技術(shù), 2011, 35(5):4-7.

[16] 閆志鵬, 靳向煜. 聚酯纖維針刺非織造材料的吸聲性能研究[J]. 產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2006, 24(12):13-16.

TestandEvaluationofSoundAbsorptionPerformanceofTextileMaterials

FAN Xiao-dan, LI Hui-qin, GONG Ji-xian

(School of Textile, Tianjin University of Technology, Tianjin 300387, China)

Sound absorption material is the main measure to reduce the noise radiation, a reasonable choice of sound absorption material has a very important significance for sound absorption and noise reduction. The main parameter to measure the sound absorption performance of the material is the sound absorption coefficient. Therefore, the realization of accurate and rapid measurement plays a guiding role in the development, structural design and optimization of acoustic materials. The two methods of sound absorption performance test were compared and analyzed, and various indicators of sound absorption performance test of impedance tube were introduced. Based on the existing methods of sound absorption performance evaluation, a new evaluation method was put forward.

sound absorption performance; impedance tube; evaluation method

TS101.9

A

1673-0356(2017)10-0033-04

2017-08-23

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0400503-02)

范曉丹(1990-)，女，在讀碩士，研究方向：紡織品結(jié)構(gòu)與吸聲性能關(guān)系研究。