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吸声有机纤维

/sound absorbing organic fiber/
条目作者张增志武斌
条目作者张增志

张增志

武斌

武斌

最后更新 2022-12-23
浏览 148
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在中高频范围内具有良好吸声性能的有机纤维。属于多孔吸声材料中的一类。

英文名称
sound absorbing organic fiber
所属学科
材料科学与工程

有机纤维吸声机理主要源于以下三个方面:①当声波入射到纤维材料内部,会引起纤维之间空隙内的空气振动,振动的空气与纤维壁产生摩擦,形成的黏滞阻力作用使声能变成热能而衰减;②声波通过介质时会导致质点的疏密程度不同,使质点之间存在温度梯度,从而通过热传导也会消耗一部分声能;③纤维本身的振动导致声能的耗散。

吸声有机纤维分为天然纤维和合成纤维两大类,其中天然纤维吸声材料及制品包括棉、麻、棕丝、椰子丝、甘蔗纤维板、木纤维板、木丝板等植物纤维和羊毛等动物纤维;合成纤维吸声材料包括聚酯纤维、腈纶棉、涤纶棉等化学纤维。有机纤维材料成本低,柔软富有韧性、不易折断,但如不做专门处理,存在易燃、吸湿、霉烂、虫蛀等问题。可添加无机材料与之复合形成的复合吸声材料,以克服有机纤维材料的缺点。

纤维集合体中的纤维互相接触、缠结,形成了众多纤维接触点、接触点间的纤维段和纤维间的气体,这些构成了纤维间点摩擦结构单元、纤维段的弦振动结构单元和振动摩擦单元。这三者是吸声过程中的基本行为单元,其中接触点间的纤维段的“弦”振动单元会对某一频率的声波产生共振,此共振不仅本身会耗散声能,而且其强烈的振动还会引发孔隙间空气的强烈波动,进而造成声波能量的迅速损耗衰减。纤维集合体孔隙中的空气还起着低通滤波器的作用,能够对高频声波进行衰减,而使噪声的频谱失真。孔隙与纤维的多重界面,可以使得声波来回反射和振动,产生内耗,从而降低噪声的强度,改变其传播路径,达到吸声降噪的效果。

为解决天然纤维易燃、吸湿、霉烂、虫蛀等问题,采用人工合成高分子非织造吸声材料,装饰性较好,耐用,大多数产品可回收利用。以聚酯纤维为代表的针刺非织造吸声材料具有质量轻、吸声系数高、加工方便、无粉尘污染、防水防潮防蛀、适应范围广等优点。其在200~2000赫兹声波频率范围内的吸声性能主要取决于材料的厚度和表面特征。当非织造材料厚度增加时,比流阻越小,吸声性能越大,中、低频区域的吸声系数明显增大。针刺密度对非织造材料的厚度、密度以及孔隙率都有很大影响。随着针刺密度的增加,纤网逐渐紧密,纤维的纠缠抱合力增强,纤维回弹性降低,纤维被锁定在新的位置,使材料厚度逐渐减小,吸声系数下降;但随着紧密度增加到一定程度后厚度趋于稳定,针刺密度的继续增加会导致纤网中表层纤维的损伤,且损伤的纤维主要保留在材料表面,纤维变短使其回弹性能增强,纤维之间的束缚减弱,材料厚度有回升的趋势,因此吸声系数反而开始增大;针刺密度过高时,材料的密度不能再随之增加,而且断裂纤维数增多,在材料中出现刺针“轨道”,使得材料孔隙率反而增大。因此,整体上随着针刺密度的增加吸声系数呈现先减小后增大的趋势。

材料中细纤维及纳米纤维的含量增加时,材料的吸声系数也随之提高。细纤维含量的增加使非织造材料单位面积质量增大,即面密度增大,使材料与声波接触的机会增加,摩擦损耗随之增加;同时,随着细纤维含量的增加,针刺力使材料内部形成许多微小的孔隙,孔隙间彼此贯通,比流阻变小,空气穿透量增大,因此吸声系数明显提高。

棉、麻、羊毛是人类最早使用的吸声有机纤维,随着聚合物纤维的发展,在未来很长的一段时间内,聚合物纤维类吸声材料仍然将是声阻尼领域一个重要的研究方向。从工艺上通过设计并调控纤维的尺度和密度,进而调控材料的吸声性能将是发展趋势之一;从功能上实现吸声、防水、阻燃、隔热等多功能化的聚合物纤维类吸声材料将成为研究的重点;从复合化上实现不同纤维复合以及聚合物纤维与基体树脂复合为有机纤维吸声材料发展方向;从结构上利用自身高频吸声特性结合共振结构在中低频吸声性能优异的特点也是未来重要发展方向之一。总之,厚度薄、质量轻、结构强、吸声频带宽、综合性能优异的聚合物纤维材料将是未来吸声材料总的发展趋势。

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