李 簫，荊妙蕾，梁周珍，高劍逸

(天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387)

噪聲污染與大氣污染、水污染和固體廢棄物污染被稱(chēng)為世界4大主要環(huán)境問(wèn)題。噪聲造成的生理危害最直接的表現(xiàn)為聽(tīng)力損傷[1]，甚至噪聲還會(huì)誘發(fā)多種疾病。研究表明：長(zhǎng)期受到噪聲干擾會(huì)使人體出現(xiàn)失眠、疲勞無(wú)力、記憶力衰退等癥狀，嚴(yán)重者還可能會(huì)引發(fā)神經(jīng)衰弱綜合征等疾病[2-3]。為此，許多國(guó)家已經(jīng)陸續(xù)制定并出臺(tái)相應(yīng)的防控措施，以減少噪聲污染帶來(lái)的危害。

一般通過(guò)在聲源處、聲音傳播途中和人耳處減弱噪聲來(lái)控制噪聲污染。在聲音傳播途中，常見(jiàn)的2種降噪處理方式有吸聲和隔音[4]。紡織品由于其疏松多孔、質(zhì)輕且易加工的特點(diǎn)，具有良好的吸聲性能[5]，因此，研究開(kāi)發(fā)基于聲學(xué)設(shè)計(jì)的紡織面料及其制品在噪聲防控領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

現(xiàn)有學(xué)者對(duì)各類(lèi)紡織品的吸聲性能進(jìn)行了研究，徐石勇等[6]研究了提花窗簾織物的隔音性能，得出提花窗簾織物在各頻率范圍內(nèi)均能產(chǎn)生一定的隔音效果。鐘祥璋等[7]使用燈芯絨制成的簾幕、窗簾等紡織品在影院、劇院、學(xué)術(shù)報(bào)告廳等對(duì)聲音有特殊要求的場(chǎng)所都已有了廣泛的應(yīng)用。王倩等[8]研究了裝飾用異面織物的吸聲性能，結(jié)果表明異面織物的吸聲系數(shù)要高于相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)織物和針織物。

目前，將室內(nèi)裝飾紡織品吸聲功能性與美觀性相結(jié)合的設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少，本文基于對(duì)紡織品吸聲性能的理論分析，設(shè)計(jì)并織造了材料豐富、工藝簡(jiǎn)單、適用范圍廣、具有吸聲效果的窗簾面料和軟裝壁布，以期為室內(nèi)吸聲功能性裝飾紡織品設(shè)計(jì)提供參考。

1 紡織材料的吸聲性能

在噪聲防控中，通常使用的聲學(xué)材料包括吸聲材料和隔聲材料。吸聲材料即利用聲能向熱能或其他形式的能量轉(zhuǎn)化，來(lái)降低對(duì)聲波的反射；隔聲材料即用于隔檔聲波的傳播，抑制聲能的透射[9-10]。本文僅論述吸聲材料及其吸聲性能。

1.1 紡織吸聲材料

吸聲材料具有松軟多孔的共性，其表面分布有微孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙之間相互貫通并深入內(nèi)部。多孔材料是目前使用最頻繁、應(yīng)用范圍最為廣泛的吸聲材料之一[11-12]。部分紡織面料也具有疏松多孔、質(zhì)輕且易加工的特點(diǎn)，能形成良好的吸聲效果。

紡織材料吸聲性能的研究已形成了不少成果。張輝等[13]對(duì)大麻織物的吸聲性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，大麻纖維獨(dú)特的纖維結(jié)構(gòu)，增加了其在織物內(nèi)與聲波的接觸面積，增強(qiáng)了大麻織物對(duì)于聲能的吸收。李炳華等[14]發(fā)明了三層結(jié)構(gòu)吸聲窗簾面料，使用金屬纖維和空心滌綸絲構(gòu)成面料的中間層，提升了窗簾面料的吸聲性能。倪昭玉等[15]研究認(rèn)為蓬松、質(zhì)輕且含有較多孔隙的棉纖維和棉紗，能消耗較多的聲能，展現(xiàn)出良好的吸聲性能。然而天然纖維的耐火性較差，防腐、防潮性能不佳，在使用上會(huì)顯現(xiàn)出一定的局限性[16]。

機(jī)織物應(yīng)用于吸聲降噪領(lǐng)域，可以作為非織造布和剛性物表面的覆蓋物，如建筑室內(nèi)裝飾、汽車(chē)裝飾等。此外，在機(jī)織物背面留存足夠的空腔，能形成共振吸聲結(jié)構(gòu)，如利用幕布[7]與墻面之間形成的空腔，能對(duì)中高頻段的聲波產(chǎn)生一定的吸聲效果。

1.2 吸聲影響因素

1.2.1 內(nèi)部因素

纖維種類(lèi)、織物組織結(jié)構(gòu)、孔隙率和厚度等物理結(jié)構(gòu)均會(huì)影響紡織制品的吸聲性能[17-18]。

羊毛纖維具有天然的鱗片層和三維立體卷曲，是優(yōu)良的吸聲材料[19]。麻纖維表面有橫節(jié)和縱向溝紋，使其具有了良好的吸聲性能，張輝等[13]和羅業(yè)等[20]均對(duì)麻纖維的吸聲性能進(jìn)行研究，得出大麻織物的吸聲性能要優(yōu)于滌綸和棉織物，尤其是吸收低頻聲波的效果更佳；含有苧麻和黃麻纖維的增強(qiáng)復(fù)合材料，其吸聲性能要優(yōu)于含玻璃纖維的增強(qiáng)復(fù)合材料，且含苧麻纖維的增強(qiáng)復(fù)合材料在全頻段內(nèi)的吸聲性能都較優(yōu)。木棉纖維的中空率可達(dá)到80%～90%[17]，是天然的中空纖維，其纖維獨(dú)特的薄壁、大中腔、圓形管狀結(jié)構(gòu)賦予了其優(yōu)異的聲阻尼特性，使得其在低頻段能產(chǎn)生較好的吸聲效果，Liu等[21]對(duì)比研究了木棉纖維與中空聚酯纖維的吸聲性能，發(fā)現(xiàn)5mm厚度的木棉纖維織物在低頻時(shí)的吸聲效果要優(yōu)于相同厚度條件下的中空聚酯纖維。

織物組織結(jié)構(gòu)配置影響織物的孔隙率和厚度。蔡澤農(nóng)等[22]認(rèn)為組織點(diǎn)飛數(shù)為1的織物吸聲性能要優(yōu)于組織點(diǎn)飛數(shù)為2和3的織物。范曉丹[23]實(shí)驗(yàn)后給出在單位密度和單位厚度一定的條件下，平紋織物表現(xiàn)出了較好的吸聲效果。多層結(jié)構(gòu)的織物增加了材料的厚度，層與層之間所形成的微薄空氣層，加強(qiáng)了聲波在材料中的反射和透射作用[24]。此外，倪昭玉等[15]的研究表明，材料的吸聲效果隨著厚度的增加而增加。

1.2.2 外部因素

外部因素影響著吸聲材料在實(shí)際中的應(yīng)用以及在應(yīng)用過(guò)程中功能的有效性。環(huán)境的相對(duì)溫濕度、材料的表面處理工藝、材料放置位置、通過(guò)材料的氣流速度等均會(huì)影響吸聲材料在實(shí)際應(yīng)用中的吸聲性能[17]。

溫度變化會(huì)影響聲波的傳播速度與波長(zhǎng)，材料的吸聲峰隨著溫度的升降變化在高、低頻區(qū)域之間移動(dòng)[25]；濕度主要影響材料的孔隙率和密度，纖維材料尤其是天然纖維，在吸濕后會(huì)出現(xiàn)孔隙率降低、密度增大的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致吸聲性能下降；材料的后背空腔會(huì)影響材料的共振吸聲頻率，適當(dāng)增加空腔的深度，可以改善材料在低頻段的吸聲性能；通過(guò)材料的氣體流速，尤其是高速氣流，會(huì)破壞組織結(jié)構(gòu)較為疏松的多孔材料，易產(chǎn)生變形甚至破裂，進(jìn)而影響材料的吸聲性能。

2 室內(nèi)裝飾紡織品設(shè)計(jì)

消費(fèi)者們?cè)诳剂垦b飾織物裝飾美化性的同時(shí)，也更加注重其實(shí)用功能?；诼晫W(xué)設(shè)計(jì)的室內(nèi)裝飾紡織品逐漸涌入并不斷地推陳出新。在電影院、戲劇院、錄音棚、會(huì)議室等對(duì)于聲音有著特殊要求的室內(nèi)環(huán)境中，往往能見(jiàn)到室內(nèi)設(shè)計(jì)師使用簾幕、窗簾、壁布等紡織品來(lái)改善聲音環(huán)境。

2.1 吸聲窗簾設(shè)計(jì)實(shí)例

窗簾織物[26]是兼具實(shí)用性和藝術(shù)性的室內(nèi)裝飾用紡織品，是室內(nèi)軟裝的重要組成部分，其在一定程度上為室內(nèi)環(huán)境奠定了基調(diào)，直接影響著居室的美觀。在實(shí)際情況中，窗簾與窗戶(hù)之間并非直接完全貼合，而是留有一定的距離(即空腔)[27]。有研究表明，空腔的深度和材料的低頻吸聲系數(shù)成正相關(guān)，當(dāng)空腔深度增加時(shí)，材料在低頻段的吸聲性能將會(huì)有大幅的提高[28-29]。

2.1.1 窗簾織物組織設(shè)計(jì)

棉纖維本身具有蓬松、質(zhì)輕、多孔隙的特點(diǎn)，因而棉織物能夠產(chǎn)生良好的吸聲效果。蜂巢織物較為松軟、厚實(shí)，保溫性能好，表面具有顯著的立體感，其一般相較于平紋、斜紋織物顯現(xiàn)出質(zhì)輕、柔軟、彈性好等特點(diǎn)[27,30]?？椢锉旧硎杷傻慕M織結(jié)構(gòu)使其具有了良好的吸聲性能。接結(jié)雙層織物在棉、毛織物中有較廣泛的應(yīng)用，一般用于織制正反面兩用織物、家居織物等。利用蜂巢組織獨(dú)特的組織特點(diǎn)，通過(guò)雙層織物接結(jié)復(fù)合，在一定程度上增加了織物的厚度，雙層織物間形成的較大空隙中滯留有靜止空氣，可以同時(shí)賦予面料吸聲和隔熱的功能。因此，本文吸聲窗簾的設(shè)計(jì)實(shí)例采用接結(jié)雙層組織作為織物組織，其中表、里組織為蜂巢組織，接結(jié)方法為下接上接結(jié)法，邊組織為2/2經(jīng)重平組織。圖1所示為表、里組織組織圖。

圖1 接結(jié)雙層表、里組織的組織圖Fig.1 Weave diagram of stitching double outer and inner weave.(a)Outer weave;(b)Inner weave

2.1.2 窗簾織物圖案及配色設(shè)計(jì)

早晨的朝陽(yáng)是本設(shè)計(jì)的靈感來(lái)源。整體織物設(shè)計(jì)為橫向條紋，在每個(gè)循環(huán)的連接處配置平紋組織，蜂巢組織和平紋組織相互交錯(cuò)，使得面料富有層次，更具立體感。色彩設(shè)計(jì)上，該面料以藍(lán)色和橘紅色為主調(diào)，使用少量米白色進(jìn)行裝飾。色經(jīng)、色緯排列如表1所示。

表1 色經(jīng)色緯排列Tab.1 Color warp and weft arrangement

2.1.3 窗簾織物織造工藝設(shè)計(jì)

由于棉型織物保形性、硬挺性相對(duì)較差，故選用滌棉混紡紗線(xiàn)，以改善其保形性，且棉和滌綸纖維、紗線(xiàn)均具有較好的吸聲效果[15]?？椢锍善芬?guī)格與上機(jī)工藝如表2、3所示。

表2 窗簾織物成品規(guī)格Tab.2 Finished curtain fabric specifications

表3 窗簾織物上機(jī)工藝Tab.3 Curtain fabric looming process

織物使用半自動(dòng)小提花小樣織機(jī)(天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院自主設(shè)計(jì)研發(fā))進(jìn)行織造，織物上機(jī)圖如圖2所示。織造上機(jī)時(shí)，分為前、后區(qū)穿綜，其中邊經(jīng)穿入前2片綜內(nèi)，表經(jīng)穿入前區(qū)綜片，里經(jīng)穿入后區(qū)綜片。織造過(guò)程中，緯紗按照米白色∶藍(lán)色∶橘紅色=48∶8∶8的順序進(jìn)行投緯。

圖2 窗簾織物上機(jī)圖Fig.2 Looming drafting of curtain fabric

2.1.4 窗簾織物織造實(shí)物及效果模擬

圖3所示為面料A、B面織造實(shí)物圖。使用Adobe Photoshop軟件對(duì)面料進(jìn)行應(yīng)用效果模擬，織物模擬應(yīng)用效果圖如圖4所示。

圖3 面料A、B面織造實(shí)物圖Fig.3 Weaving figure of fabric(a) A and(b) B side

圖4 窗簾織物模擬應(yīng)用效果圖Fig.4 Curtain fabric simulation application renderings

2.1.5 窗簾織物吸聲性能測(cè)試

使用阻抗管法對(duì)窗簾織物的吸聲性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為SCM201型阻抗管(比利時(shí)LMS公司)，并以吸聲系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 面料A、B面分別作受聲面時(shí)的頻率-吸聲系數(shù)曲線(xiàn)Fig.5 Frequency-sound absorption coefficient curves of fabrics A and B side with receiving surface

從圖5可以看出，隨著聲波頻率的增加，織物的吸聲系數(shù)逐漸增大。當(dāng)頻率在3 500～5 000 Hz時(shí)，吸聲系數(shù)在0.2數(shù)值處上下波動(dòng)。將2條吸聲曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，以面料的A面作為受聲面時(shí)，其吸聲系數(shù)在3 500～3 750 Hz范圍內(nèi)均大于0.2，要優(yōu)于以面料的B面作為受聲面時(shí)的吸聲性能。此外，對(duì)比同類(lèi)研究[23]中，使用滌綸纖維分別設(shè)計(jì)織造的單層平紋和蜂巢組織織物，其吸聲系數(shù)在聲波頻率為3 500～5 000 Hz的范圍內(nèi)，均小于0.2，且吸聲系數(shù)曲線(xiàn)的波動(dòng)略大。

2.2 軟裝壁布設(shè)計(jì)實(shí)例

軟裝壁布被稱(chēng)為“墻面上的時(shí)裝”，同時(shí)，壁布也被視為一種極佳的吸聲材料，室內(nèi)空間里的聲音經(jīng)墻布吸收、衰減處理后，又通過(guò)漫反射傳入人耳，聲音變得更加清晰圓潤(rùn)[31-32]。

2.2.1 壁布織物組織設(shè)計(jì)

麻型織物表面較為粗糙，具有較好的吸聲性能[33]。此外，大麻、羅布麻等麻纖維是天然的抗菌抑菌材料，具有獨(dú)特的布面風(fēng)格及保健性能。

鳥(niǎo)眼組織設(shè)計(jì)如圖6所示。相較于透孔組織而言，鳥(niǎo)眼組織孔隙較小且粗糙，在低頻范圍內(nèi)對(duì)聲波有較強(qiáng)的衰減作用，且吸聲系數(shù)比較大，在高、低頻段內(nèi)的吸聲性能波動(dòng)較小[13]。同時(shí)，鳥(niǎo)眼組織中部分結(jié)構(gòu)的平均浮長(zhǎng)線(xiàn)較長(zhǎng)、交織點(diǎn)少，這使得織物結(jié)構(gòu)較為蓬松，內(nèi)部含有更多的空氣[34]。因此，本文軟裝壁布的設(shè)計(jì)實(shí)例短纖維采用鳥(niǎo)眼組織作為布身的基本組織，并在其周?chē)渲盟拿镀菩奔y和平紋組織，布邊組織為2/2經(jīng)重平。

圖6 鳥(niǎo)眼組織圖Fig.6 Weave diagram bird’s eye tissue

2.2.2 壁布圖案及配色設(shè)計(jì)

考慮麻型織物獨(dú)特的粗獷風(fēng)格，此面料在整體圖案上設(shè)計(jì)為格子花紋。

軟裝壁布是對(duì)室內(nèi)墻面進(jìn)行裝飾，壁布色彩在一定程度上能為室內(nèi)空間的設(shè)計(jì)定下基調(diào)。亮色的設(shè)計(jì)可以提升整體空間的明亮度，在視覺(jué)上增加空間的區(qū)域面積。在色彩設(shè)計(jì)上做了2種配色設(shè)計(jì)，主要是通過(guò)緯紗的換色來(lái)改變面料色彩。配色1(C)的主色調(diào)為黃綠色，使用白色和黃色作為經(jīng)紗顏色，綠色和金色作為緯紗顏色；配色2(D)的主色調(diào)為黃紫色，經(jīng)紗顏色不變，緯紗顏色為紫色和金色。金色提升了整體面料的亮度，使得空間更顯寬敞、明亮。

2.2.3 壁布織造工藝設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)中，經(jīng)紗選用白色純棉S捻合股紗線(xiàn)和黃色麻毛混紡紗線(xiàn)，按24∶8進(jìn)行色紗排列；緯紗使用綠色紗線(xiàn)和金色粘膠紗線(xiàn)，織造時(shí)緯紗按照16∶4的順序進(jìn)行投緯。織物成品規(guī)格與上機(jī)工藝如表4、5所示。

表4 壁布織物成品規(guī)格Tab.4 Finished wall fabric specifications

表5 壁布織物上機(jī)工藝Tab.5 Wall fabric looming process

織物使用由天津工業(yè)大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院自主設(shè)計(jì)研發(fā)的半自動(dòng)小提花小樣織機(jī)進(jìn)行織造，織物上機(jī)圖如圖7所示。

圖7 軟裝壁布織物上機(jī)圖Fig.7 Looming drafting of soft wall fabric

2.2.4 壁布織造實(shí)物及效果模擬

圖8所示為2種配色面料C、D實(shí)物圖。使用Adobe Photoshop軟件對(duì)面料進(jìn)行應(yīng)用效果模擬，織物模擬應(yīng)用效果圖如圖9所示。

圖8 2種配色面料C、D實(shí)物圖Fig.8 Weaving figure of two colors matching fabrics. (a) C and (b) D

圖9 軟裝壁布模擬應(yīng)用效果圖Fig.9 Soft wall fabric simulation application renderings

2.2.5 壁布吸聲性能測(cè)試

使用阻抗管法對(duì)面料進(jìn)行吸聲性能測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為SCM201型阻抗管(比利時(shí)LMS公司)，并以吸聲系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 面料C、D的頻率—吸聲系數(shù)曲線(xiàn)Fig.10 Frequency-sound absorption coefficient curves of fabrics C and D

從圖10可以看出，面料C、D的吸聲系數(shù)曲線(xiàn)在3 500～5 000 Hz的頻率范圍內(nèi)于0.2數(shù)值處上下波動(dòng)。對(duì)比2條頻率—吸聲系數(shù)曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在聲波頻率為3 500～3 750 Hz時(shí)，面料D的吸聲系數(shù)均大于0.2，其吸聲性能在此頻率范圍內(nèi)要優(yōu)于面料C。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)紡織材料的吸聲性能和室內(nèi)裝飾紡織品吸聲功能的理論研究，從織物組織設(shè)計(jì)、圖案及配色設(shè)計(jì)、織造工藝設(shè)計(jì)和實(shí)物織造及效果模擬方面綜合考慮織物的裝飾美觀性和吸聲功能性，設(shè)計(jì)并織造了具有吸聲效果的2種面料：由蜂巢組織所形成的接結(jié)雙層棉型織物和以鳥(niǎo)眼組織為基礎(chǔ)織制的單層麻型織物。對(duì)面料進(jìn)行阻抗管法吸聲測(cè)試，得出結(jié)論：2種面料在3 500～5 000 Hz頻率范圍內(nèi)，吸聲系數(shù)在0.2數(shù)值處上下波動(dòng)，2種面料均具有一定的吸聲能力。通過(guò)對(duì)吸聲功能性室內(nèi)裝飾紡織品的設(shè)計(jì)實(shí)踐，以期為室內(nèi)紡織品的功能性設(shè)計(jì)提供更多的設(shè)計(jì)靈感。