劉美宏，彭立民，宋博騏

（中國林科院木材工業(yè)研究所；國家林業(yè)局木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實驗室，北京 100091）

傳統(tǒng)地提高單層勻質(zhì)材料的隔聲性能的方法是通過增加材料的質(zhì)量以及厚度，提高其隔聲性能。這種方法既增加材料的成本又給材料的加工利用帶來不便。目前，新型的隔聲材料以多層復(fù)合材料為主，向著輕質(zhì)、厚度薄、隔聲性能好的方向發(fā)展[1-3]。將同等厚度的單層材料設(shè)計為多層復(fù)合材料，在不增加材料的厚度與質(zhì)量的前提下提高其隔聲性能。由于多層復(fù)合結(jié)構(gòu)具有多層界面的特點(diǎn)。聲波在入射到多層復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表面時，聲波在多層結(jié)構(gòu)中每一層都要經(jīng)歷一次反射和透射的過程。而反射波、透射波又在界面之間發(fā)生多次反射、透射，使得聲能被大量消耗，從而達(dá)到隔聲降噪的目的[4-5]。通過進(jìn)一步優(yōu)化多層復(fù)合材料的參數(shù)以及復(fù)合結(jié)構(gòu)使得隔聲性能最佳。

將金屬材料與阻尼材料多層復(fù)合，改變面板、芯層的厚度、芯層的阻尼和彈性模量以及平面尺寸提高其隔聲性能[6-7]。也可以通過改變材料的結(jié)構(gòu)、剛度等參數(shù)提高復(fù)合材料的隔聲性能。增加芯層材料的剛度，抑制了復(fù)合材料的共振，使得共振頻率處的隔聲量提高[8]；通過改變纖維增強(qiáng)塑料板與鋁蜂窩板多層復(fù)合材料的鋪層角度、芯層的彎曲剛度等參數(shù)提高其隔聲性能[9]。C. F. Ng和Yin 等通過改變材料的硬度和剛度，提高復(fù)合阻尼結(jié)構(gòu)板隔聲性能[10-12]。保持材料的質(zhì)量以及厚度不變，增加復(fù)合材料的層數(shù)、填充吸聲材料以及改變復(fù)合結(jié)構(gòu)提高復(fù)合材料的隔聲性能[13]。Yoon等通過增加加強(qiáng)筋和改變層壓板疊層的結(jié)構(gòu)，使得復(fù)合材料在中頻和高頻范圍內(nèi)，隔聲性能大大提高[14]。通過改變芯層材料的幾何形狀提高復(fù)合材料的隔聲性能[15]。譚亮紅等對比自由阻尼結(jié)構(gòu)和約束阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能。約束結(jié)構(gòu)阻尼性能相較于自由結(jié)構(gòu)更好；約束阻尼結(jié)構(gòu)中，基板越薄，阻尼層和約束層越厚，復(fù)合結(jié)構(gòu)阻尼性能越優(yōu)異[16]。復(fù)合結(jié)構(gòu)的阻尼性能越好，隔聲降噪能力就越強(qiáng)。將膠合板與廢輪胎橡膠多層復(fù)合，通過優(yōu)化膠合板與廢棄橡膠的熱壓工藝熱壓時間、熱壓壓力、熱壓溫度、涂膠量工藝參數(shù)來提高復(fù)合材料的隔聲性能[17]。

對于多層復(fù)合材料聲學(xué)性能的研究，更多的是金屬材板與阻尼多層復(fù)合的材料或者芯層為蜂窩板的復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化基材與芯層材料的參數(shù)、芯層幾何形狀、復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)等參數(shù)提高復(fù)合材料的隔聲性能。對于木質(zhì)材料的研究，前人更多的對其吸聲性能研究較多。將木質(zhì)材料穿孔，研究其吸聲性能[18]。然而對于木質(zhì)材料隔聲性能及通過優(yōu)化木質(zhì)材料與橡膠多層復(fù)合的材料參數(shù)以及復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高其隔聲性能的研究較少。本文在通過優(yōu)化木質(zhì)材料和橡膠材料的厚度、密度等參數(shù)來提高木質(zhì)阻尼復(fù)合材料隔聲性能的基礎(chǔ)上，通過改變復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)提高其隔聲性能。與增加材料的厚度以及密度等參數(shù)提高其隔聲性能方式相比占據(jù)一定的優(yōu)勢。將中密度纖維板（MDF）與橡膠材料（R）進(jìn)行多層復(fù)合。主要研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中橡膠層數(shù)、阻尼結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的對稱性對其隔聲性能的影響。優(yōu)化其結(jié)構(gòu)的參數(shù)，使其隔聲性能達(dá)到最佳。為木質(zhì)阻尼多層復(fù)合新型材料聲學(xué)性能進(jìn)一步的研究提供新思路。

1 材料與方法

1.1 材 料

中密度纖維板（MDF）的厚度為(1.5±0.09)、(2.0±0.20)、(2.5±0.15) mm，密度為 650 g/m3，含水率為4.5%，由湖北寶源木業(yè)有限公司生產(chǎn)。

橡膠的厚度分別為：(0.8±0.20)、(1.2±0.20)、(2.0±0.20) mm；密度為：2.0、2.0、2.5 g/cm3，橡膠材料能承受的溫度范圍：-20～100 ℃，橡膠的儲能模量55、67、110 MPa，損耗模量12、14、23 MPa，阻尼損耗因子0.224 6、0.209 7、0.217 4。由天津橡膠工業(yè)研究所有限公司生產(chǎn)；

膠黏劑：異氰酸酯（熱壓溫度為150 ℃以及施膠量為總質(zhì)量的10%）25 ℃時密度為1.24 g/cm3；粘度為27.5 Pa·s，棕黃色液體，固含量（固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為100%，黏度為工業(yè)級。由上海亨斯邁聚氨酯有限公司生產(chǎn)。

1.2 試樣的準(zhǔn)備

將MDF/MDF、MDF/R在熱壓溫度100 ℃，熱壓壓力5 MPa，熱壓時間10 min，涂膠量64 g/m2工藝條件下進(jìn)行多層復(fù)合。多層復(fù)合試樣如圖1所示：

圖1 復(fù)合試樣結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of composite sample

1.3 實驗設(shè)計

本實驗利用單因子實驗，主要研究橡膠層數(shù)，結(jié)構(gòu)的對稱性（厚度、密度）、阻尼結(jié)構(gòu)三個因素對復(fù)合材料隔聲性能的影響，所設(shè)計復(fù)合材料的參數(shù)如表1所示：

表1 實驗設(shè)計Table 1 Experimental design

1.4 力學(xué)性能的測試

利用DMA Q800測試材料的動態(tài)力學(xué)性能。試樣的尺寸10 mm×25 mm，測試的溫度范圍-40～40 ℃，溫度速率3℃/min單懸臂梁法進(jìn)行測試。將頻率固定10 Hz，振幅15 μm。每組試樣重復(fù)3個，一共27個試樣。最終測得復(fù)合材料的損耗因子。

1.5 聲學(xué)性能測試

本實驗選擇利用小隔聲箱法測試復(fù)合材料的隔聲性能。在實驗室的研究中主要利用阻抗管法測試材料隔聲性能。主要測試的是垂直入射聲波的隔聲量，但是現(xiàn)實生活中聲波是無規(guī)則的。因此阻抗管法測量材料的隔聲性能具有一定的誤差，使得測試結(jié)果偏高。阻抗管測量的隔聲性能，主要用于不同材料之間隔聲性能的比較，一般不用于表征材料的隔聲量。小隔聲箱法，聲波是無規(guī)則入射，更加貼近材料的實際隔聲性能。

小隔聲箱：測試放大器ps200，采集卡icon650，傳聲器mp21，十二面體聲源O120，軟件acoustic v6.1測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。十二面體聲源O120噪聲分貝為90 dB，此時聲強(qiáng)大，聲頻率穩(wěn)定，測試誤差小。試樣的尺寸為259 mm×254 mm，相同條件下3個試樣，一共27個。利用隔聲特性曲線確定復(fù)合材料的計權(quán)隔聲量。

圖2 隔聲性能測試儀器Fig.2 Sound insulation performance test equipment

計權(quán)隔聲量Rw得到廣泛使用，Rw的具體確定方法為：使用空氣聲隔聲基準(zhǔn)曲線與隔聲構(gòu)件隔聲量頻率特性曲線比對，滿足 32分貝原則隔聲最大的基準(zhǔn)曲線的500 Hz的隔聲量為Rw。32分貝原則為：100～3 150 Hz的16個1/3 倍頻程的構(gòu)件隔聲量比基準(zhǔn)曲線的分貝數(shù)總和不大于32 dB。

采用平均隔聲量來評價構(gòu)件的隔聲性能是不充分的，具有一定的局限性。通過聲學(xué)專家的研究，提出一種比較合理以及更加符合實際隔聲效果的單值評價量，稱為空氣隔聲指數(shù)，現(xiàn)由國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50121-2005《建筑隔聲評價標(biāo)準(zhǔn)》稱為計權(quán)隔聲量，用Rw表示，單位為dB。計權(quán)隔聲量是通過一標(biāo)準(zhǔn)曲線與構(gòu)件的隔聲頻率特性曲線進(jìn)行比較確定的。標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖3所示，通過進(jìn)行比較確定復(fù)合材料的計權(quán)隔聲性能如圖12所示。

圖3 確定計權(quán)隔聲量Rw的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 determines the standard curve of the weighted sound barrier Rw

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)構(gòu)的對稱性對復(fù)合材料隔聲性能的影響

如圖4所示，兩條曲線分別表示上下面板為對稱結(jié)構(gòu)和非對稱結(jié)構(gòu)的隔聲性能。從圖中可知，在低頻處與高頻處非對稱結(jié)構(gòu)的隔聲性能優(yōu)于對稱結(jié)構(gòu)。原因：根據(jù)Hoff理論的等剛度法，由彈性力學(xué)可知，可將對稱的夾層板等效為具有相同彎曲剛度與剪切剛度的單層板，設(shè)面板厚度為t，則夾層板的等效彎曲剛度定義為：

同時等效板的剛度可定義為：

由D′=D可求得夾層板的等效厚度：

則當(dāng)夾層結(jié)構(gòu)為非對稱結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)整體厚度保持不變，芯層橡膠厚度保持不變時，上下面板厚度設(shè)為：t-Δt，t+Δt，夾層板結(jié)構(gòu)的剛度可表示為：

不對稱下夾層板的有效厚度 ：

將夾層板等效為單層板，則其Deq1有效剛度可表示為：

式中 ：Eeq1為面板表層的彈性模量；teq1為夾層板結(jié)構(gòu)的等效厚度， 為泊松比。

對比D與Deq1公式，可以得出上、下面板的不對稱性能夠增大結(jié)構(gòu)整體的彎曲剛度，從而提高低頻區(qū)和吻合控制區(qū)的夾層板的隔聲性能，而質(zhì)量控制區(qū)由于面密度的減小隔聲性能減弱。在500 Hz的共振頻率處，非對稱結(jié)構(gòu)的隔聲量大于對稱結(jié)構(gòu)。夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計為非對稱結(jié)構(gòu)時，上下面板的厚度不同時，兩個材料共振頻率相互錯開的，不會同時發(fā)生共振。因此不對稱結(jié)構(gòu)可以有效地抑制共振。非對稱結(jié)構(gòu)每一層材料的特性阻抗不同，當(dāng)聲波入射復(fù)合材料內(nèi)部時，由于層與層之間的阻抗不匹配使得材料發(fā)生反射，將聲能轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉。復(fù)合材料主要用在室內(nèi)外的裝修材料，因此研究復(fù)合材料在溫度范圍為-40～40 ℃的損耗因子。從圖5中可知，結(jié)構(gòu)是否對稱，對材料的損耗因子無影響。因此多層復(fù)合材料的吻合深淺沒有發(fā)生變化。

圖4 不同結(jié)構(gòu)的隔聲性能Fig.4 Different structure of the sound insulation performance

圖5 不同結(jié)構(gòu)的阻尼性能Fig.5 Damping performance of different structures

如圖6表示是橡膠層數(shù)為2層的五層復(fù)合結(jié)構(gòu)，兩層橡膠厚度相同的前提下密度相同以及密度不同的兩種密度非對稱結(jié)構(gòu)的隔聲性能比較。從圖中可知，首先兩種結(jié)構(gòu)的橡膠厚度分別都為1.2、0.8 mm，兩種橡膠密度相同時都為2.3 g/cm3，密度不同時分別為：2.0、2.5 g/cm3材料其他參數(shù)保持不變，因此兩種材料的質(zhì)量與面密度相同。兩種結(jié)構(gòu)的隔聲性能曲線趨勢一致，變化不明顯。復(fù)合材料的共振頻率為500 Hz，兩層橡膠密度不同時，共振頻率處的隔聲量最大。如圖6～7所示，兩條曲線分別表示兩種結(jié)構(gòu)的阻尼損耗因子，兩種結(jié)構(gòu)的損耗因子平均值在選擇的溫度范圍內(nèi)相等。因此在高頻以及吻合谷處隔聲性能趨于一致。

圖6 不同結(jié)構(gòu)的隔聲性能Fig.6 Different structure of the sound insulation performance

2.2 橡膠的層數(shù)對復(fù)合材料隔聲性能的影響

圖7 不同結(jié)構(gòu)的阻尼性能Fig.7 Damping performance of different structures

如圖8所示，3條曲線分別表示橡膠的層數(shù)分別為0層、1層、2層時同等厚度的木質(zhì)阻尼多層復(fù)合材料的隔聲性能。首先根據(jù)多層結(jié)構(gòu)的隔聲原理，隨著橡膠層數(shù)的增加，增加了材料的分界面，橡膠層數(shù)越多界面也就越多，聲波每遇到一個界面都要經(jīng)歷反射、折射，消耗更多的聲能；另一方面橡膠層數(shù)的增加還可提高材料的阻尼性能，從而消耗更多聲能。因此復(fù)合材料的隔聲曲線整體出現(xiàn)增加的趨勢。隨著橡膠層數(shù)的增加，如圖12，復(fù)合材料的計權(quán)隔聲量從23 dB增加到38 dB，增加了65%。在低頻時材料的隔聲性能主要受到自身的剛度控制，出現(xiàn)了一系列的共振頻率。在共振頻率處，隨著橡膠層數(shù)的增加復(fù)合材料的共振低谷變淺，隔聲量增加。當(dāng)復(fù)合材料不加橡膠層時，此時共振頻率處的隔聲量最小為10dB；橡膠層數(shù)為1層時，共振頻率處的隔聲量為18 dB；橡膠層數(shù)增加到2層時，復(fù)合材料共振頻率處的隔量為23 dB。橡膠層數(shù)的增加有效地抑制了復(fù)合材料的共振。在中頻范圍內(nèi)復(fù)合材料的隔聲性能隨著橡膠層數(shù)的增加而增加。

圖8 不同橡膠層數(shù)的隔聲性能Fig.8 Sound insulation performance of different rubber layers

從圖9中可知，三條曲線分別表示隨著橡膠層數(shù)增加復(fù)合材料的損耗因子在一定的溫度范圍內(nèi)的變化。隨著橡膠層數(shù)的增加，復(fù)合材料的損耗因子增加。這是因為：由于橡膠材料為粘彈性材料，隨著橡膠層數(shù)的增加，增加了復(fù)合材料的內(nèi)耗，因此使得復(fù)合材料的阻尼性能增加。橡膠層數(shù)為0時，損耗因子的平均值為0.05；橡膠層數(shù)為2時，內(nèi)損耗因子平均值為0.61。在高頻范圍內(nèi)，0層橡膠的復(fù)合材料的臨界頻率為2 000 Hz，隔聲量為22 dB，復(fù)合材料出現(xiàn)了吻合效應(yīng)。橡膠層數(shù)為2時，臨界頻率為3 150 Hz，隔聲量為27 dB。損耗因子越大復(fù)合材料的阻尼性能越好，因此復(fù)合材料的臨界頻率向高頻移動，使得吻合變淺，隔聲量增加。

圖9 不同結(jié)構(gòu)橡膠層數(shù)的阻尼性能Fig.9 Damping performance of different rubber layers

2.3 阻尼材料的約束方式對復(fù)合材料隔聲性能的影響

自由阻尼處理是將一層一定厚度的粘彈性阻尼材料敷貼基板表面，由于粘彈性阻尼層外側(cè)表面處于自由狀態(tài)，因此這種結(jié)構(gòu)稱為自由阻尼結(jié)構(gòu)。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生振動時，阻尼層隨之一起振動，從而阻尼層內(nèi)部產(chǎn)生拉壓變形，從而消耗系統(tǒng)的振動能量。但是自由阻尼處理的耗散能量較小，特別是低頻減振效果較差。約束阻尼結(jié)構(gòu)是在自由阻尼結(jié)構(gòu)中的阻尼層外側(cè)再粘貼一層彈性模量遠(yuǎn)大于阻尼層的彈性層作為約束。

圖10 不同阻尼結(jié)構(gòu)的隔聲性能Fig.10 Sound insulation performance of different damping structures

如圖9～10所示，四條曲線分別表示橡膠層數(shù)為一層、兩層表面阻尼處理可分別為自由阻尼和約束阻尼的隔聲性能。如圖所示R-1（自由）、R-1（約束）的一層橡膠材料的約束阻尼結(jié)構(gòu)的隔聲性能曲線整體趨勢優(yōu)于自由阻尼結(jié)構(gòu)。自由阻尼結(jié)構(gòu)的計權(quán)隔聲量為26 dB，約束阻尼結(jié)構(gòu)的計權(quán)隔聲量為32 dB，提高了23%。在共振頻率、臨界頻率處約束結(jié)構(gòu)的隔聲量比較大。約束阻尼結(jié)構(gòu)在受到振動時，在基板發(fā)生彎曲振動使阻尼層伸長時，約束層會阻礙阻尼層的伸長；相反，阻尼層因為彎曲而發(fā)生壓縮時，約束層又阻礙其壓縮。這使得阻尼層內(nèi)部產(chǎn)生交變的剪切應(yīng)力和應(yīng)變，更大程度上消耗振動動能而轉(zhuǎn)為內(nèi)能。而自由阻尼結(jié)構(gòu)沒有約束層，振動容易傳播出去，因此阻尼性能更弱，隔聲性能小。

常用來表征材料的阻尼性能是損耗因子tanδ，它的大小與材料固有振動在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌舻恼駝幽艹烧?。損耗因子的值越大說明材料在承受周期應(yīng)變時能夠以熱量方式耗損機(jī)械能的能力越強(qiáng)，也就意味著材料的阻尼性能越好。如圖11所示約束阻尼結(jié)構(gòu)的損耗因子大于自由結(jié)構(gòu)的損耗因子，使得約束結(jié)構(gòu)的阻尼性能大。在高頻范圍內(nèi)，吻合效應(yīng)的強(qiáng)弱取決于材料的的阻尼，阻尼越大則吻合谷越淺。

圖11 不同阻尼結(jié)構(gòu)的阻尼性能Fig.11 Damping performance of different damping structures

如圖R-2（自由）、R-2（約束）分別表示兩層橡膠的自由與約束的隔聲性能曲線。約束結(jié)構(gòu)的隔聲性能優(yōu)于自由結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的共振頻率為500 Hz，約束結(jié)構(gòu)的隔聲量比自由結(jié)構(gòu)的提高4 dB。如圖11所示R-2（約束）結(jié)構(gòu)在-40～40 ℃ 溫度范圍內(nèi)損耗因子平均值為0.61，R-2（自由）結(jié)構(gòu)損耗因子平均值為0.31。損耗因子大大提高。從圖中可知R-2（自由）與R-1（約束）隔聲性能曲線趨于一致，在-40～40 ℃ 溫度范圍內(nèi)損耗因子的變化趨勢趨于一致。由此可見設(shè)計結(jié)構(gòu)為約束阻尼結(jié)構(gòu)使得材料的隔聲性能最佳。

圖12 木質(zhì)阻尼多層復(fù)合材料的計權(quán)隔聲量Fig.12 Weighted sound insulation of wood damping multilayer composites

3 結(jié)論與討論

（1）首先保持復(fù)合材料的厚度以及面密度不變的情況下，通過優(yōu)化復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)的對稱性、橡膠層數(shù)、阻尼結(jié)構(gòu)可以有效地提高復(fù)合材料的隔聲性能。

（2）本研究結(jié)構(gòu)的對稱性分為2種:一種是上下面板厚度對稱性，另一種是五層結(jié)構(gòu)兩層橡膠的密度相等或者不相等的隔聲性能差異的研究。上下面板厚度的對稱以及非對稱對復(fù)合材料低頻和高頻的隔聲性能增加。非對稱結(jié)構(gòu)可以抑制復(fù)合材料的共振頻率以及提高共振頻率處的隔聲量，提高3～4 dB。對復(fù)合材料的損耗因子影響不大。

五層結(jié)構(gòu)中兩層橡膠厚度保持不變，變換兩層橡膠的密度。兩層橡膠密度不同有利于提高復(fù)合材料的隔聲性能。

（3）橡膠的層數(shù)增加使得復(fù)合材料隔聲性能增加，計權(quán)隔聲量從23 dB增加到38 dB，增加了65%。橡膠層數(shù)增加，復(fù)合材料損耗因子越大復(fù)合材料的阻尼性能越好，因此復(fù)合材料的臨界頻率向高頻移動，使得吻合變淺，隔聲量增加。

（4）一層橡膠材料的約束阻尼結(jié)構(gòu)的隔聲性能曲線整體趨勢優(yōu)于自由阻尼結(jié)構(gòu)。自由阻尼結(jié)構(gòu)的計權(quán)隔聲量為26 dB，約束阻尼結(jié)構(gòu)的計權(quán)隔聲量為32 dB，提高了23%。約束阻尼結(jié)構(gòu)的損耗因子大于自由結(jié)構(gòu)的損耗因子，使得約束結(jié)構(gòu)的阻尼性能大。兩層橡膠的自由與約束的隔聲性能曲線。約束結(jié)構(gòu)的隔聲性能優(yōu)于自由結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料的共振頻率為500 Hz，約束結(jié)構(gòu)的隔聲量比自由結(jié)構(gòu)的提高4 dB。由此可見設(shè)計結(jié)構(gòu)為約束阻尼結(jié)構(gòu)使得材料的隔聲性能最佳。

本研究通過大量的實驗驗證木質(zhì)阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能以及影響因素，在后續(xù)研究中可以與理論模型相結(jié)合，以更準(zhǔn)確地分析木質(zhì)阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能。

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