朱莉艷，林秀麗，白國鋒，柳靜獻

(1.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819；2.中國科學院聲學研究所 噪聲與音頻聲學實驗室，北京100190)

0 引言

隨著時代發(fā)展，噪聲、空氣污染問題日益引起人們的重視。長期接觸噪聲及粉塵可能對人體造成傷害。

粉塵與噪聲常常同時存在，如機加廠房同時存在噪聲和粉塵問題，在降噪的同時還要防塵；井下通風機在高濃度粉塵環(huán)境工作時，不僅要防塵，還需要應用消聲器減少噪聲[1]；空調(diào)系統(tǒng)在凈化空氣的同時需要減少通風帶來的噪聲污染。在非管路噪聲環(huán)境下，如家用空氣凈化器，如果過濾材料具有一定的吸聲性能，對提高環(huán)境舒適度具有一定好處?？梢钥闯?，噪聲與粉塵的一體化控制是污染控制的重要方向。

纖維類材料的吸聲機理主要源于3個方面。一是當聲波入射到纖維材料的內(nèi)部，會引起纖維之間空隙內(nèi)的空氣振動，空氣與管壁產(chǎn)生摩擦，形成黏滯阻力作用使聲能變成熱能衰減；二是聲波通過介質(zhì)時會導致質(zhì)點的疏密程度不同，使質(zhì)點之間存在溫度梯度，從而通過熱傳導消耗一部分聲能；三是纖維本身的振動導致聲能的耗散[2]。粉塵控制中，纖維過濾材料廣泛應用，且和纖維吸聲材料一樣，含有大量的孔徑結(jié)構(gòu)[3]，從組成結(jié)構(gòu)上可以預見其具有一定的吸聲能力。因此,探索纖維過濾材料吸聲性能，對擴展吸聲材料的選擇范圍，開展吸聲除塵協(xié)同設(shè)計具有重要意義。

纖維吸聲材料具有質(zhì)輕、吸聲效果較好的特點，作為重要的吸聲材料已有一定的應用[4]。新冠肺炎疫情期間，有學者考慮到廢棄口罩再利用問題，探討不同層數(shù)口罩疊加的吸聲效果。結(jié)果表明，即使厚度較低，口罩也能表現(xiàn)出比建筑行業(yè)實際使用的纖維吸聲材料更好的聲學性能[5]。對于噪聲和粉塵同時存在的場所，陳紹杰等[1]為防止粉塵影響礦用風機消聲器吸聲片的吸聲效果，采用在消聲片表面覆層防塵孔板的方式解決問題。如果防塵板可用合適的過濾材料替代，不僅可以改善粉塵污染，還可以提高吸聲效果。賈興仕等[6]針對抽油煙機的噪聲控制問題，在進氣通道上加裝穿孔板和吸聲材料進行消聲處理，但未考慮油煙的控制問題。通過上述文獻可知，目前對纖維材料的吸聲性能有一定了解，但對兼顧過濾性能的纖維材料吸聲性能還缺乏認識。

本文重點探討纖維過濾材料的吸聲性能，分析其用作吸聲材料的可能性及組合方式對吸聲性能的影響，以期為擴展吸聲材料的選擇范圍，促進粉塵噪聲一體化控制提供參考和借鑒。

1 過濾材料吸聲理論

由于吸聲材料在不同頻率點上具有不同的吸聲系數(shù)，因此通常使用降噪系數(shù)(NRC)來評價材料吸聲性能的好壞。降噪系數(shù)是指在250，500，1 000，2 000 Hz測得的吸聲系數(shù)平均值，NRC大于或等于0.2的材料被認為是吸聲材料[7]。

在纖維材料吸聲性能理論研究方面，Johnson-Champoux-Allard模型(JCA模型)是多孔材料常用的吸聲性能預測模型，其提供以下2個公式分別計算等效流體假設(shè)下材料的等效密度與等效體積模量[8-9]，如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：ρ為等效密度，g/cm3；α∞為曲折因子；ρ0為空氣的密度，g/cm3；φ為孔隙率，%；σ為流阻率，Pa·s/m2；j為虛數(shù)單位；ω為入射波角頻率，rad/s；η為空氣的動黏度，Pa·s；Λ為黏性特征長度，m；K為等效體積模量，Pa；γ為空氣的比熱容比；P0為大氣壓，Pa；Λ′為熱特征長度，m。

通過等效密度及等效體積模量，可求出材料表面阻抗，再通過反射系數(shù)，求得材料的吸聲系數(shù)。材料厚度影響表面阻抗，厚度增大，在一定范圍內(nèi)吸聲系數(shù)變大；曲折因子體現(xiàn)結(jié)構(gòu)復雜度；熱特征長度和黏性特征長度分別和高頻狀態(tài)下孔隙中流體與固體框架間的熱交換程度和黏滯力大小有關(guān)。對于理想的圓柱形孔隙的多孔材料，其黏性特征長度和熱特征長度相等；而對于纖維材料來說，其黏性特征長度小于或等于熱特征長度[2]。

由吸聲材料的理論預測模型可知，影響材料吸聲系數(shù)的因素主要有孔隙率、流阻率等。

孔隙率大小對吸聲效果有較大影響。孔隙率過大會使得透射過纖維的聲能增大，能量耗散變?nèi)酰瑢е虏牧系奈曅Ч陆?；孔隙率過小，會造成聲波在材料表面發(fā)生反射，吸聲性能同樣會下降[10]。

流阻反應空氣通過多孔材料時，材料兩面的靜壓差和氣流體積速度之比。單位材料厚度的比流阻稱為流阻率。

衡量濾料性能主要指標是濾料的效率和阻力。按照效率高低，一般通風用過濾材料可分為粗效(G1～G4)、中效(M5～M6)和亞高效(F7～F9)等級別[11]。

纖維濾料的阻力常用計算公式如式(3)所示[12]：

(3)

式中：ΔP為材料阻力，Pa；μ為流體動力黏度，Pa·s；v為過濾速度，m/s；αf為纖維濾料填充率，填充率=1-孔隙率；Z為材料厚度，mm；df為纖維直徑，μm。 一般情況下，阻力高的過濾材料效率也會高。

綜上可知，纖維過濾材料的吸聲性能和過濾性能均受到材料的孔隙率、厚度等參數(shù)的影響。過濾效率高的材料通常其孔隙率小，纖維直徑小，在一定條件下與良好多孔吸聲材料要求一致。

2 實驗方法

2.1 實驗材料

實驗材料包括過濾材料和多孔吸聲材料，過濾材料選取15 mm和10 mm厚不同過濾等級材料各4種，用a～h編號，材料廠家標注的等級分別為F9，F(xiàn)8，F(xiàn)7，G3，M6，M5，M5，G4。8種濾料均為一般通風用空氣過濾材料。按照外觀結(jié)構(gòu)，空氣過濾材料的結(jié)構(gòu)主要包括纖維層濾料和濾紙。濾紙纖維結(jié)構(gòu)較致密，厚度通常不超過1 mm；纖維層濾料孔隙度高，有一定厚度，與纖維類吸聲材料相近，故本文選擇纖維層濾料為研究對象。G3等級以下濾料實際中應用較少，且孔隙率高，因此本文選擇G3及以上等級纖維層濾料進行研究。

另外，選取的多孔吸聲材料為常見的三聚氰胺、聚酰亞胺多孔泡沫吸聲材料及聚酯纖維吸聲材料。

2.2 實驗儀器及方法

通過自制的濾料靜態(tài)測試裝置測試濾料的阻力和過濾效率，實驗裝置如圖1所示。

圖1 濾料靜態(tài)性能測試實驗裝置Fig.1 Experimental device for static performance test of filter materials

實驗時，將濾料和濾膜固定，在濾料的上、下游連接壓差計。在發(fā)塵器內(nèi)放置ISO 12103-1 A2粉塵用于發(fā)塵；利用變頻器調(diào)節(jié)電機頻率進而控制風機流量，使過濾風速保持在1 m/s，讀取壓差計顯示數(shù)，獲得初始阻力值；開始發(fā)塵，當濾料阻力達到初阻力的2倍時停止發(fā)塵；通過濾料及濾膜上粉塵的增量計算過濾效率。

通過阻抗管實驗測試濾料在不同頻率下的吸聲系數(shù)[13-14]。阻抗管實驗裝置如圖2所示。阻抗管為B&K公司生產(chǎn)的4206型雙傳聲器阻抗管，該管傳聲器的位置固定。大管的內(nèi)徑為100 mm，測量范圍為50～1 600 Hz，小管的內(nèi)徑為29 mm，測量范圍為500～6 400 Hz。

圖2 阻抗管測試系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of impedance tube test system

實驗時，將濾料放置在阻抗管的測試腔中，用阻抗管壁來充當吸聲結(jié)構(gòu)的側(cè)板和背板，背板和測試樣品之間可形成1個共振腔。管中平面波由聲源產(chǎn)生，用2個傳聲器對測試樣品前的聲壓進行測量，并對2個傳聲器信號的聲傳遞函數(shù)進行計算，從而求得濾料的法向入射吸聲系數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 單層濾料吸聲與過濾性能分析

3.1.1 不同濾料性能分析

15 mm厚度的a～d 4種濾料和10 mm厚度的e～h 4種濾料的吸聲和過濾測試結(jié)果如表1所示。

表1 濾料的過濾效果和吸聲效果Table 1 Filtering effect and sound absorption effect of filter materials

15 mm和10 mm厚度濾料的過濾效率、阻力、克重從高到低排序均為a>b>c>d，e>f>g>h；纖維直徑、孔隙率從高到低排序為d>c>b>a，h>g>f>e。降噪系數(shù)從高到低排序為a>b>c>d，e>f>g>h，與效率和阻力的排序一致。

綜合比較可以看出，濾料的吸聲效果和濾料的過濾效率及阻力正相關(guān)。通常纖維直徑越小，孔隙率越小，材料越密實，克重越大。一定厚度范圍內(nèi)過濾效率變大時，降噪系數(shù)有所增加，但相應的阻力也越大。由表1可知，單層纖維層濾料的降噪系數(shù)較低，不能單獨用作吸聲材料。

3.1.2 吸聲系數(shù)與過濾效率的關(guān)系

8種濾料的降噪系數(shù)與過濾效率的關(guān)系如圖3所示。所測纖維層濾料降噪系數(shù)和效率之間的關(guān)系可以擬合成1條曲線，方程為y=0.000 2e0.065 8x，式中x為過濾效率，y為降噪系數(shù)。說明對于一般通風用空氣過濾材料中的纖維層濾料，過濾效果越好，其吸聲效果也越好。

圖3 不同濾料效率與降噪系數(shù)關(guān)系Fig.3 Relationship between filtering efficiency and noise reduction coefficient of different filter materials

3.2 多層濾料吸聲性能分析

3.2.1 同種濾料多層疊加的吸聲效果分析

疊加1～4層b濾料時降噪系數(shù)和阻力情況如表2所示，吸聲效果如圖4所示。

表2 b號濾料多層疊加的吸聲效果Table 2 Sound absorption effect of b filter material with multi-layer superposition

圖4 b濾料多層疊加的吸聲效果Fig.4 Sound absorption effect of b filter material with multi-layer superposition

由表2可知，隨著濾料厚度的增加，材料的吸聲效果可以顯著提高，一定厚度范圍內(nèi)，降噪系數(shù)與厚度呈正比關(guān)系，同時阻力呈倍數(shù)增加。

由圖4可見，不管是單層濾料還是多層濾料疊加，多孔吸聲材料在低頻時的吸聲效果都不甚理想，這也是該材料應用的主要問題。

從應用的角度看，為提升材料低頻吸聲效果可以采用多層濾料疊加，但這對材料的需求量大，經(jīng)濟性差。因此，需要其他策略改善材料吸聲性能，如在濾料后面加設(shè)一定厚度的空腔或使用共振吸聲結(jié)構(gòu)。

3.2.2 不同濾料3層疊加的吸聲效果分析

應用過濾材料時，常常會同時應用不同等級材料，因此，對不同過濾效果濾料疊加的吸聲效果進行對比分析。

1)組合1

選取a濾料，f濾料和h濾料按不同順序疊加。濾料總厚度為35 mm，阻力為271 Pa。

3種濾料中a效率最高，f次之，h最低，對應的降噪系數(shù)分別為0.16，0.12和0.09。3種濾料按不同順序疊加時吸聲系數(shù)如圖5所示。

圖5 濾料a,f,h按不同順序疊加的吸聲系數(shù)Fig.5 Sound absorption coefficients of filter materials a,f and h superimposed in different orders

可以看出，不同疊加順序材料的吸聲性能不同，第1層材料為過濾效率高的a號時，整體吸聲效果較好；第1層材料為過濾效率低的h號時，整體吸聲效果較差。

當?shù)?層濾料均為a號濾料，疊加方式a+f+h的吸聲性能略優(yōu)于a+h+f；當?shù)?層濾料為f時，疊加方式f+a+h的吸聲性能明顯優(yōu)于f+h+a；當?shù)?層濾料為h濾料時，疊加方式h+a+f的吸聲性能明顯優(yōu)于h+f+a，但均低于前面4種疊加方式。其原因是聲源發(fā)出的平面波在入射到第1層濾料時，若濾料的吸聲效果不強，則反射的聲能較多，平面波繼續(xù)入射到第2，3層濾料的聲能小，因此第1層濾料的好壞對整體濾料吸聲性能的強弱起到較大作用。

2)組合2

選取d濾料，f濾料和h濾料按不同順序疊加。濾料總厚度為35 mm，阻力為101 Pa。三者中，f濾料效率最高，h次之，d最低，對應的降噪系數(shù)分別為0.12，0.09，0.07。3種濾料不同順序疊加時吸聲系數(shù)如圖6所示。

圖6 濾料d,f,h按不同順序疊加的吸聲系數(shù)Fig.6 Sound absorption coefficients of filter materials d,f and h superimposed in different orders

可見，與組合1相比，組合2吸聲效果整體有所下降。與組合1情況相同的是，當將過濾效率高的f號濾料置于第1層時，濾料整體吸聲性能最優(yōu)，過濾效率較低的d號濾料置于第1層時，整體吸聲性能最差。

分析2組實驗可知，效率更高的濾料組合吸聲效果更好；同樣的3種纖維層濾料組合，按過濾效率降序排列時吸聲效果更好。

3.3 應用時濾料吸聲效果的改善措施

3.3.1 空腔設(shè)置

增加空腔會使吸聲系數(shù)峰值對應的共振頻率和谷值吸聲系數(shù)對應的反共振頻率都向低頻移動[8]。將濾料作為吸聲材料應用時，為改善對低頻噪聲的控制效果，可以考慮在濾料后側(cè)設(shè)置空腔。

在單層和2層b濾料后分別設(shè)置0，10，20，30 mm空腔，其吸聲系數(shù)與空腔厚度的關(guān)系分別如圖7和圖8所示。

圖7 單層b濾料后設(shè)不同厚度空腔吸聲系數(shù)Fig.7 Sound absorption coefficient of cavity with different thicknesses behind single-layer b filter material

圖8 2層b濾料疊加后設(shè)不同厚度空腔吸聲系數(shù)Fig.8 Sound absorption coefficient of cavity with different thicknesses behind b filter material with two-layers superposition

可以看出，隨著空腔厚度的增加，濾料吸聲系數(shù)均變大。對比圖7和圖8可知，濾料越薄，增加空腔后，其吸聲系數(shù)提升越明顯。但當空腔增加到30 mm厚時，吸聲系數(shù)的增加量變小。

因此，在實際應用中，可結(jié)合空間、材料等因素設(shè)置不同厚度的空腔，但深度需適宜。本文濾料后設(shè)空腔深度以小于或等于30 mm為宜。

3.3.2 疊加方式

濾料在一般通風空調(diào)系統(tǒng)中組合應用時，通常低效濾料在前，高效濾料在后，低效對高效濾料起到保護作用。由上文分析可知，按效率升序排列的濾料整體的吸聲效果最差。為使濾料疊加滿足過濾組合保護要求的同時，能夠保證其有較好的吸聲效果，在粗效+中效的疊加后再增加1層粗效濾料，與單純粗效+中效、粗效+中效+亞高效疊加作對比，即將d+f+d、d+f、d+f+a比較，實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同濾料疊加的吸聲系數(shù)Fig.9 Sound absorption coefficient under superposition of different filter materials

由圖9可知，在多疊加1層低效的過濾材料后，濾料整體的吸聲性能有較大提升。且d+f+d組合與d+f+a組合的吸聲效果差別不大。

選擇最后疊加d的好處在于，相對a濾料，d濾料的阻力更小，且應用時可用第3層濾料對較快達到壽命的第1層濾料進行置換。因此，在d+f滿足過濾要求的情況下，可考慮在后面再疊加1層d濾料，這種方式可以在不增加太多阻力的情況下，改善纖維層組合的吸聲性能。

3.4 多層疊加濾料與吸聲材料吸聲性能的對比分析

為對比一般通風用纖維層空氣過濾材料吸聲效果與吸聲材料的差異，選擇常見的泡沫吸聲材料三聚氰胺和聚酰亞胺以及常見的纖維吸聲材料聚酯纖維進行實驗分析。所選吸聲材料與過濾材料吸聲和過濾性能的對比見表3。

表3 不同材料的基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of different materials

由表3可見，所選濾料組合的吸聲效果可以達到或超過常用的多孔吸聲材料。

但表3中所測15 mm三聚氰胺的降噪系數(shù)為0.19，其阻力已達到358 Pa；15 mm聚酰亞胺的阻力為478 Pa；30 mm聚酯纖維阻力較小，但該材料孔隙率大，吸聲效果并不理想，且因其由短纖制成，用于過濾時存在纖維掉落的現(xiàn)象。綜上，三者不用作為過濾材料應用。

4 結(jié)論

1)單層一般通風用纖維層濾料的吸聲性能較差，多層濾料疊加可以增強吸聲性能，達到吸聲材料標準。

2)不同效率纖維層濾料疊加時，按照效率降序排列吸聲性能更好。在粗效+中效濾料后面再加1層粗效濾料可以達到粗效+中效+亞高效濾料相同的吸聲效果。

3)在纖維層濾料后面設(shè)置空腔可以提升濾料的吸聲效果。濾料越薄，增加空腔后吸聲系數(shù)提升越大；空腔增加到一定深度后，吸聲性能提升效果有限。

4)纖維層濾料可作為吸聲材料的備選，可以考慮使用過濾材料實現(xiàn)粉塵噪聲一體化控制。