周 博，范雨琪，陳曉剛，朱小剛，林 輝

(1.江西師范大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，江西 南昌 330022；2.江西師范大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330022)

當(dāng)今城市被噪聲污染所困擾，它同大氣、水和固體廢棄物污染共同構(gòu)成四大主要污染.噪聲具有感覺性、不積累性、傳播范圍有限性等特點，它所造成的影響是廣泛的.噪聲不僅干擾人的工作生活、損傷聽力系統(tǒng)、誘發(fā)身體疾病而且還損害儀器設(shè)備，噪聲的頻率、聲強和持續(xù)時間決定了其危害的強弱.因此，吸聲降噪是當(dāng)前城市聲環(huán)境研究的熱門方向，鑒于噪聲不像其他污染物可以集中處理，故需要通過特殊方式對其進行吸聲處理從而減少污染.

目前最主要控制噪聲污染的辦法之一就是使用吸聲材料來吸收噪聲.吸聲材料是利用材料內(nèi)部的多孔構(gòu)造、薄膜原理和共振結(jié)構(gòu)將聲能轉(zhuǎn)化為熱能從而具有吸聲效果的材料[1].早期大量使用的吸聲材料主要有棉麻等有機纖維，這些材料在中高頻范圍內(nèi)，展現(xiàn)出優(yōu)良的吸聲效果，但因其易燃、易腐和易吸水等性能影響了材料的使用.此后，玻璃棉、巖棉等無機纖維吸聲材料被研制成功，因其質(zhì)量輕、難燃燒、耐久性好、性價比高等優(yōu)秀特點，漸漸替代了植物纖維類吸聲材料而得到廣泛應(yīng)用.但因其在生產(chǎn)加工過程中易產(chǎn)生粉塵影響人的健康、破壞環(huán)境，且遇水或吸濕后吸聲性能大大降低，限制了其在潮濕、高溫、氣流大的場所使用.而泡沫吸聲材料對于中高頻(500 Hz以上)吸聲性能優(yōu)異，但低頻吸聲性能不理想，且泡沫塑料易老化[2].其后，泡沫金屬吸聲材料出現(xiàn)，如泡沫鋁等，有強度高、耐高溫、較好的耐水性和耐腐蝕性的特點，但成本過高、工藝條件不易控制.目前，被廣泛使用的是聚氨酯、聚丙烯酸酯等高分子吸聲材料，這些材料具有綜合性能優(yōu)異、性能穩(wěn)定、制造成本低廉等優(yōu)點[3].

作為一種新型吸聲材料，硅藻泥基草梗復(fù)合吸聲材料由于其獨特的“分子篩”結(jié)構(gòu)，不僅具有環(huán)保、凈化空氣、呼吸調(diào)濕、阻燃、成本低、加工方便等優(yōu)點，并且擁有較強的吸聲降噪的特性，能夠較好地吸收高頻聲段，并衰減低頻噪聲，減少聲音的混響時間.這類材料將具有廣闊的應(yīng)用空間.

1 實 驗

1.1 材 料

硅藻泥、不同尺寸的稻草梗、氧化鎂、異氰酸醋膠粘劑和早強劑等.

1.1.1 硅藻泥材料基本特性分析(硅藻泥的顆粒形貌SEM)

利用JSM-5600LV高分辨冷場發(fā)射掃描電鏡、EDAX EDS能譜儀對材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行成像分析.首先調(diào)整材料的觀測部位，經(jīng)過聚焦、消像散、調(diào)節(jié)亮度及對比度至成像；然后依據(jù)圖像算法對圖像進行平滑去噪、閾值選取、孔洞填充、腐蝕去噪、輪廓提取和孔洞標(biāo)記等分析.測試結(jié)果如圖1所示.

圖1 硅藻泥粉體的SEM照片

由圖1可知，硅藻泥富有多孔結(jié)構(gòu)、高表面積、低密度、耐熱，并具有一定的強度.硅藻泥是一種納米級的多孔材料(孔徑約0.05～0.25 μm)，孔隙率為85%～90%，從微觀結(jié)構(gòu)分析，其排列規(guī)整，形狀多為圓形和針狀，其單位面積上的微細(xì)孔數(shù)量遠(yuǎn)高于木炭，是之?dāng)?shù)千倍，孔隙間相互交叉并和外部彼此相連通，具有了多孔吸聲材料的構(gòu)造特征，并將材料的力學(xué)和聲學(xué)性能大幅提升.

1.1.2 草梗材料基本特性分析

草梗材料成分分析的國家標(biāo)準(zhǔn)目前還沒有頒布，該文中草梗的化學(xué)成分分析依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB5889-86 苧麻的化學(xué)成分分析方法.分析表明：草梗中主要成分為灰分，含量高達(dá)15.6%，而灰分中的主要成分為SiO2，于草梗纖維中產(chǎn)生非極性表面，使材料的吸附性和氫鍵的形成受其主要影響.另外，草梗中的乙醚抽提物成分很高，比例接近8%，主要的成分是植物纖維中的脂肪、醋和樹脂.

圖2為草梗纖維縱向轉(zhuǎn)曲的掃描電鏡照片.從圖2中可以觀察到草梗纖維縱向是由多根微細(xì)纖維結(jié)合而成的束纖維，呈螺旋結(jié)構(gòu).草梗纖維這種互相排列、相互聯(lián)結(jié)的螺旋結(jié)構(gòu)使其表面產(chǎn)生大量的縫隙和網(wǎng)孔，從而使其有較好的吸聲性能.

圖2 草梗纖維縱向轉(zhuǎn)曲的SEM照片

1.2 試件制備

由于草梗中高灰分，纖維中高脂肪、醋和樹脂，草梗的表面較光滑等特性，均影響彼此之間的黏結(jié)[4].因此，試件進行測試前，需要對稻草梗進行生石灰浸泡脫膜處理，去除表面的蠟質(zhì)層，以便加強材料之間的黏結(jié)力.然后，材料經(jīng)過配比、稱重、攪拌、制模、冷壓、養(yǎng)護等工序得到試件，然后開展吸聲性能的測試.部分測試樣品照片如圖3所示.

圖3 部分測試樣品照片

1.3 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料基本特性分析

圖4為硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的掃描電鏡照片.由圖4可以看出，此復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征是纖維與纖維、纖維與硅藻泥之間堆積形成空間連通的多孔結(jié)構(gòu)，從而使材料具備優(yōu)良的吸聲性能.

圖4 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的SEM照片

1.4 吸聲性能的測試方法

利用駐波管法測試硅藻泥-草梗吸聲材料的吸聲系數(shù).該系統(tǒng)由聲頻信號發(fā)生器，駐波產(chǎn)生與駐波峰值、谷值檢測部分，計算機數(shù)據(jù)處理、分析與計算3部分組成.該套系統(tǒng)工作的步驟是：音頻信號發(fā)生器作為聲源產(chǎn)生聲波，經(jīng)過音頻放大器和揚聲器擴大功率，進入駐波管內(nèi)形成駐波，由探聲管、聲壓拾音器和自動跟蹤音頻濾波處理，將聲壓信號擴大，利用檢測器測出聲壓級，最后經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理并計算得出結(jié)果[5].駐波管法吸聲系數(shù)測定儀構(gòu)造如圖5所示.

1:剛性活塞; 2: 駐波管; 3: 探管; 4: 揚聲器; 5: 傳聲器小車; 6: 軌道及標(biāo)尺; 7: 信號發(fā)生器; 8: 傳聲器放大器; 9: 窄帶濾波器.圖5 駐波管法吸聲系數(shù)測定儀示意圖

2 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的吸聲原理

根據(jù)硅藻泥的微觀照片可知硅藻礦物具有多孔性，孔隙率高，排列次序統(tǒng)一，形狀規(guī)則，孔隙間相互連通.由于硅藻泥和草梗復(fù)合材料在黏結(jié)劑和增強劑的作用下，纖維堆積形成空間連通的多孔結(jié)構(gòu)，這樣進一步提高了復(fù)合多孔吸聲材料的孔隙率.當(dāng)聲源震動產(chǎn)生聲波入射到材料面層時，由于材料面層的反射作用，反射回一部分聲波，而剩余部分則進入材料內(nèi)部.聲波在材料內(nèi)帶動質(zhì)點依次震動，并彼此相互傳遞下去.而孔隙中的空氣由于震動和材料壁產(chǎn)生摩擦，臨近材料壁的空氣不易流動而產(chǎn)生黏滯性，黏滯阻力迫使空氣傳播的動能轉(zhuǎn)換為摩擦生成熱能，使得聲能逐漸衰減.聲波通過介質(zhì)時，使質(zhì)點震動產(chǎn)生橫向和縱向位移，從而造成質(zhì)點分布不均勻,在質(zhì)點間形成溫度差,聲能通過熱傳導(dǎo)而損耗.因為纖維的振動導(dǎo)致空氣質(zhì)點振動的速度加快，熱交換的速度也加快，因此耗散聲能[6]. 總體上說，硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的吸聲，是靠材料本身多孔的特性來實現(xiàn).

3 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 草梗摻量與硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料吸聲性能的關(guān)系曲線

圖6是草梗摻量與硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料吸聲性能變化的曲線.

圖6 草梗摻量與硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料吸聲性能的關(guān)系曲線

圖6顯示，試驗中草梗含量分別為5%，7.5%，10%時，材料的平均吸聲系數(shù)分別為0.52，0.66，0.58，總的平均吸聲系數(shù)是隨著草梗含量增加而波動變化.從500 Hz以內(nèi)的低頻曲線中，吸聲性能隨著材料中草梗含量減少而升高，這主要是草梗含量越低、孔隙率少，對低頻的吸聲效果越好.在高頻階段，吸聲系數(shù)隨著草梗含量增加而增大.綜合考慮，當(dāng)材料草梗含量控制在7.5%時，硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的綜合性能最好[7].

3.2 草梗尺寸與硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料吸聲性能的關(guān)系曲線

試驗中，分別選用2.0 mm×40 mm、2.0 mm×60 mm、2.0 mm×80 mm、2.0 mm×100 mm尺寸的草梗，圖7表明，在低頻區(qū)域，硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的低頻吸聲性能隨著草梗長度的增加而減小，在中高頻區(qū)域，硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的中高頻吸聲性能隨著草梗長度的增加而增大.這是因為多孔材料吸聲主要是材料之間形成連通的空隙空間，短小尺寸的草梗和硅藻泥結(jié)合更緊密，空隙越細(xì)材料吸聲效果越好，而對于高頻聲音則反而降低.當(dāng)長度大于80 mm后，通過增加草梗長度來改善吸聲性能的效果就不明顯了[8].

圖7 草梗尺寸與吸聲性能的關(guān)系曲線

3.3 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的密度與吸聲性能的關(guān)系曲線

以聲學(xué)相關(guān)理論為依據(jù)，硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的密度與吸聲性能的關(guān)系曲線如圖8所示.

圖8 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的密度與吸聲性能的關(guān)系曲線

對圖8中的曲線進行分析可知，當(dāng)硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料層的厚度固定不變時，材料密度增加吸聲系數(shù)也增大，最大吸聲系數(shù)向低頻方向移動[9].隨著材料密度逐漸增加，相對低頻區(qū)域吸聲的效果較好.

此外，根據(jù)多孔吸聲材料的特點，不僅材料的孔隙構(gòu)造、構(gòu)造元素對其吸聲性能產(chǎn)生影響，而且材料兩側(cè)的壓力差與氣流線速度的比值即流阻與其吸聲性能也密切相關(guān).流阻大的材料，聲波在其表面反射就強，通過孔隙進入材料內(nèi)部的聲波少，聲波摩擦材料而損耗的小；流阻小的材料，聲波摩擦損耗小，吸聲性能差.材料的流阻與密度成正比.圖8佐證了材料密度越大，吸聲系數(shù)趨于向低頻區(qū)域偏移，在此范圍吸聲效果越好[10].

3.4 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的厚度與吸聲性能的關(guān)系曲線

當(dāng)以多孔材料為無限厚度為假定條件時，材料表面接觸到入射聲波，便產(chǎn)生了透過材料向其內(nèi)部繞射的狀態(tài)，在材料的內(nèi)部聲波逐漸擴展并延伸傳播，伴隨聲波傳遞距離的增長，聲能量及聲壓逐漸衰減[11].經(jīng)過試驗分析發(fā)現(xiàn)，其衰減量并不與材料的厚度成正比.這主要由材料的密度決定，材料是疏松散狀而且密度較小，若要提高材料對低頻聲音的吸音效果可通過增加材料厚度的方法來實現(xiàn).但當(dāng)流阻升高到一定限定值時，材料的吸聲效率與厚度變化關(guān)系就不大了.所以，為了獲得最佳吸聲效果，多孔材料的厚度也需要控制一個最佳浮動值.在自然常態(tài)下，中高頻聲音范圍內(nèi)多孔材料有較高的吸聲系數(shù)，而相對低頻聲音吸聲系數(shù)卻較低.當(dāng)逐漸增加材料厚度時，吸聲頻率曲線由高頻向低頻轉(zhuǎn)移，低頻區(qū)域吸聲系數(shù)變大，吸聲材料厚度和吸聲系數(shù)兩者顯示為動態(tài)變化關(guān)系[12].

圖9所示為硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的厚度與吸聲性能的關(guān)系曲線.

圖9 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的厚度與吸聲性能的關(guān)系曲線

圖9表明，2 cm厚材料的平均吸聲系數(shù)在低頻范圍較低.材料厚度為2,4,6,8,10 cm時的平均吸聲系數(shù)分別為0.58,0.65,0.72,0.80,0.76，材料的厚度與吸聲系數(shù)成正比，厚度增加則吸聲系數(shù)變大，反之則降低，但把材料厚度提高到8 cm后，吸聲性能則表現(xiàn)較為穩(wěn)定，不會有大幅提高，波動較為平穩(wěn)，與文中前部分所分析的結(jié)果一致，也表明材料的吸聲效果不能單靠增加材料厚度來提高.隨著對城市聲環(huán)境的深入研究，城市中噪聲的組成很大一部分是由車輛行駛時的交通噪聲所構(gòu)成，而其發(fā)出的頻率大部分是中低頻，所以，改善城市聲環(huán)境，降低噪聲對生活的影響，選擇合適的材料厚度，將是改善聲環(huán)境的重要措施之一[13].

3.5 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料背后空腔與吸聲性能的關(guān)系曲線

材料背后增加空腔可以改善其吸聲性能，考慮在施工安裝過程中市場通用龍骨的厚度，吸聲材料固定在龍骨上所形成的背部空腔尺寸選為3 cm，圖10為硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料背后有無空腔時與吸聲性能的關(guān)系.

圖10 材料背后空腔與吸聲性能的關(guān)系曲線

圖10表明，當(dāng)硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料背部的空腔為3 cm時，材料對于低頻聲音的吸聲效果顯著提高，吸聲曲線由中高頻向低頻移動，但整體分析所測試的頻率范圍內(nèi)的材料平均吸聲系數(shù)浮動不大.因此，在材料厚度不變情況下，要提高吸聲性能，材料背部增加空腔是不錯的選擇，也具有非常大的實踐意義[14].

4 與其他類型多孔吸聲材料性能比較

將硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料與其他常用多孔材料吸聲性能進行比較，揭示硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的特點和應(yīng)用前景如表1所示.

表1 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料與其他吸聲材料比較

注:吸聲材料厚度為4～5 cm；NRC：平均吸聲系數(shù)；除了硅藻泥-草埂復(fù)合吸聲材料外，其他材料的相關(guān)數(shù)據(jù)均來自于文獻[15].

由表1可以看出，除了超細(xì)玻璃棉氈外，硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的平均吸聲系數(shù)高于其他常用的吸聲材料，但硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料在部分中頻的吸聲性能要優(yōu)于超細(xì)玻璃棉氈，吸聲性能略高于尿基米波羅.對比其他一些類型的吸聲材料如非織造布、鋁纖維板等的研究結(jié)果[16]，發(fā)現(xiàn)在厚度基本相同情況下的平均吸聲系數(shù)均在0.5以下；底灰和水泥制備材料的平均吸聲系數(shù)最高也僅僅0.30，遠(yuǎn)低于厚度稍小的硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的平均吸聲系數(shù)；而對多孔玻璃的研究結(jié)果顯示[17]，其在200～2 000 Hz的平均吸聲系數(shù)在0.5左右，與硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的吸聲性能相近，但在低頻處的吸聲性能要低于硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料.

將駐波管法所測試的材料吸聲系數(shù)近似換算成混響法吸聲系數(shù)[18]，換算可得硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的混響法吸聲系數(shù)為0.84，依據(jù)建筑吸聲材料吸聲性能的分級標(biāo)準(zhǔn)，硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料吸聲性能為Ⅰ級[19]，在吸聲產(chǎn)品中屬于具有優(yōu)良吸聲性能的產(chǎn)品.

5 結(jié)束語

通過以上測試表明，硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料結(jié)構(gòu)特征為硅藻泥的分子篩結(jié)構(gòu)、草梗纖維與草梗纖維、草梗纖維與硅藻泥之間堆積所形成的多孔結(jié)構(gòu)，其吸聲性能受草梗含量、尺寸，復(fù)合材料的密度、厚度、背部空腔的設(shè)置影響.

(1) 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料中的草梗是吸聲性能中重要的因子之一.在低頻區(qū)域，隨著草梗含量的增加、尺寸的增長，復(fù)合材料的吸聲性能逐漸降低；在高頻區(qū)域，則隨著草梗含量的增加、尺寸的增長，復(fù)合材料的吸聲性能逐漸增強.草梗含量為5%～10%，長度尺寸為40～60 mm，復(fù)合材料的綜合吸聲性能最優(yōu).

(2) 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的低頻吸聲性能受材料厚度的影響.隨著厚度增加，低頻吸聲性能提高，并且吸聲曲線由高頻向低頻變化.當(dāng)材料厚度增加到8 cm時，平均吸聲系數(shù)達(dá)到0.8，吸聲性能最優(yōu)，此后通過增加材料的厚度，吸聲系數(shù)未有明顯的提高，變化不大，比較穩(wěn)定.

(3) 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的密度也是改變低頻吸聲性能的重要因素.復(fù)合材料的吸聲系數(shù)隨密度的增大而增大，最大吸聲系數(shù)向低頻區(qū)域移動，復(fù)合材料密度為400～500 kg·m-3時，綜合吸聲性能最優(yōu).

(4) 硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料背部空腔的增設(shè)，將改善復(fù)合材料的低頻吸聲性能，可以通過調(diào)節(jié)背部空腔大小改變不同吸聲頻率的幅度，既提高了吸聲效果又節(jié)約了材料.空腔的增設(shè)相當(dāng)于提高了復(fù)合材料的厚度，當(dāng)材料厚度不變，背部空腔控制在3 cm時，對低頻吸聲性能較好.

(5) 將硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料與常用纖維類、泡沫材料和灰泥制品等類型材料吸聲性能進行對比可知，在材料厚度相同的情況下，硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料NRC值可達(dá)到0.59，僅次于超細(xì)玻璃棉氈，而優(yōu)于其他常用吸聲材料.

綜上所述，硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料是一種優(yōu)良的新型多孔吸聲材料，尤其對于500～ 2 000 Hz頻率的聲音具有良好的吸聲效果，同時其具有密度低、質(zhì)量輕、吸附甲醛和凈化空氣等優(yōu)點.新型硅藻泥-草梗復(fù)合吸聲材料的研制豐富了吸聲材料的類型，可適用于電影院、音樂廳等對聲音有較高要求的室內(nèi)場所.

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