2018, Vol. 54
文章信息
- 刘美宏, 彭立民, 傅峰, 宋博骐, 王东
- Liu Meihong, Peng Limin, Fu Feng, Song Boqi, Wang Dong
- 木质阻尼复合材料的隔声性能
- Sound Insulation Performance of Wooden Damping Composites
- 林业科学, 2018, 54(5): 101-108.
- Scientia Silvae Sinicae, 2018, 54(5): 101-108.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20180511
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文章历史
- 收稿日期：2017-02-15
- 修回日期：2017-09-20
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作者相关文章
随着工业、民用建筑和交通的蓬勃发展，噪声污染越来越严重，已被列为世界四大污染之一(Maderuelo-Sanz et al., 2012)。对于噪声的治理，一是对噪声源进行控制，但该种方法控制噪声具有局限性；二是在噪声的声波传播途径上进行降噪，主要是开发研制各种隔断或吸收噪声的隔声或吸声材料(Liang et al., 2012；Lee et al., 2007；Reixacha et al., 2015)。传统的隔声材料以单层匀质材料为主，通过增加材料的质量和厚度，提高其隔声性能。目前，新型的隔声材料以多层复合材料为主，向着轻质、厚度薄、隔声性能好的方向发展(Zhu et al., 2013)。当声波入射到多层复合材料使得复合结构发生弯曲振动时，由于阻尼材料的内摩擦、内损耗大，导致结构中的振动能量有相当一部分转化为热能而耗散掉，从而减弱其弯曲振动，降低结构振动噪声辐射(Zhao et al., 2010；Yang et al., 2004)。
将单层匀质材料与阻尼材料多层复合，是目前提高单层材料隔声性能及拓宽其使用范围的有效方法之一(辛锋先等，2016)，既可减轻材料的质量和厚度，又可节约成本。如将金属材料与阻尼材料多层复合，其隔声性能优于同等厚度单层金属材料(王康乐等，2014)。同时，通过改变材料的结构、夹芯材料的阻尼性能和硬度等参数可提高多层复合材料的隔声性能。如将木质材料与硫酸钡粉末填充的聚氯乙烯(PVC)多层复合，通过改变芯层材料的阻尼性能，可提高复合材料的隔声性能(潘涵，2012)；将胶合板与废轮胎橡胶材料多层复合(PWTR)，通过优化材料参数及改善复合材料结构，可提高复合材料的隔声性能(Ghofrani et al., 2016)；将纤维增强塑料板(FRP)与铝蜂窝板多层复合，通过改变复合材料铺设角度，可提高其隔声性能(Arunkumar et al., 2016)；通过改变材料的硬度和刚度，可提高复合阻尼结构板的隔声性能(Ng et al., 2008; Yin et al., 2007; 2009)。此外，保持材料的质量和厚度不变，增加复合材料的层数、填充材料以及改变复合结构也都使得隔声性能得到很大提高。如将聚氯乙烯基(PVC)与具有一定刚度的材料多层复合，复合结构的层数越多以及增加填充材料，复合材料的隔声性能越好(Han et al., 2015)。Yoon等(2000)、Shen(2016)通过增加加强筋和改变层压板叠层的结构，提高了三明治结构的隔声性能。
根据在金属表面敷贴阻尼材料，使得隔声性能优于同等厚度的单层金属材料以及多层复合材料隔声原理的启示，本研究将中密度纤维板(medium density fiberboard, MDF)与橡胶材料(R)多层复合，通过优化材料参数，获得一种质轻、厚度薄、隔声性能较佳的新型隔声复合材料，为木质阻尼复合材料声学性能研究提供新思路。
1 材料与方法 1.1 试验材料MDF，市购，厚度为(1.5±0.14) mm、(2.0±0.04) mm、(2.5±0.05) mm和(6.0±0.04) mm，密度为0.65 g·cm-3，含水率为4.5%，4种厚度MDF的弹性模量分别为2 780、2 900、3 110和3 456 MPa。R，市购，厚度为(0.8±0.2) mm、(1.2±0.2) mm和(2.0±0.2) mm，密度为2.0、2.3和2.5 g·cm-3，R材料能承受的温度范围为-20~100 ℃，常温下的损耗因子为0.472 9。异氰酸酯胶黏剂，由上海亨斯迈聚氨酯有限公司生产，棕黄色液体，固含量(固体质量分数)为100%，黏度为工业级。
1.2 试样制备在热压温度100 ℃、热压压力3 MPa、热压时间10 min、涂胶量64 g·m-2的工艺条件下，将MDR/R多层复合，试样结构如图 1所示。
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图 1 复合试样结构 Figure 1 Structure of composite sample |
本试验主要研究上述因素对复合材料隔声性能的影响规律及各因子之间主效应的大小。以上3个因素分别取3水平进行全因子试验(表 1)。对材料参数进行优化，使得复合材料的隔声性能最佳、成本最低。
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研究中进行隔声性能分析的试样如表 2所示。
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利用游标卡尺对每个样品的长宽分别进行3次测试，求平均值。每个样品的质量用电子天平称量3次，取平均值。
面密度的计算公式为：
| $ {G_0} = \frac{{G \times {{10}^4}}}{{L \times B}}。$ | (1) |
式中：G0为面密度(g·m-2)；G为样品质量(g)；L为样品长度(cm)；B为样品宽度(cm)。
1.4.2 力学性能测试利用万能力学试验机，测试材料的弹性模量(MOE)、刚度，试样尺寸为50 mm×230 mm，同一条件下的试样为6个，最后取得复合材料弹性模量的平均值。
刚度计算公式：
| $ S = \frac{{E{h^3}}}{{12(1 - {\mu ^2})}}。$ | (2) |
式中：S为刚度；E为弹性模量；h为厚度；μ为泊松比。
1.4.3 阻尼性能测试利用AWA6 290 L型多通道信号分析仪测试复合材料的阻尼比。复合材料的尺寸为50 mm×340 mm，相同条件下的试样为5个，求得的平均值为复合材料阻尼比。
1.4.4 隔声性能测试用隔声量评价木质阻尼复合材料的隔声性能。材料一侧的入射声能(Ei)与另一侧的透射声能(Eτ)相差的分贝数就是该材料的隔声量，通常以符号R(dB)表示(马大猷，2002)：
| $ R = {\rm{lg}}\frac{1}{{{E_t}/{E_i}}} = 10{\rm{lg}}\frac{1}{\tau }。$ | (3) |
隔声量的测试利用北京声望公司的四通道阻抗管测试系统(SW422，SW477)：大管SW422(直径100 mm)测量63~1 600 Hz频率范围的法向隔声量；小管SW477(直径30 mm)测量1 000~6 300 Hz频率范围内的法向隔声量；每组3个试件，共81个试件，每个试件测量3次。
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图 2 隔声性能的测试装置 Figure 2 Sound insulation performance test device |
本试验测试结果按照国家标准化组织ISO 717和国家标准GB/T 50121—2005《建筑隔声评价标准》中计权隔声量Rw来表示，计权隔声量是通过一标准曲线与构件的隔声频率特性曲线进行比较确定的(杨军伟，2013)，标准曲线如图 3所示。
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图 3 确定计权隔声量Rw的标准曲线 Figure 3 The standard curve of the weight sound transmission loss Rw |
如图 4所示，声波入射到单层材料表面时，声波只经过2次透射和2次反射。将同等面密度的单层板材设计为多层板材，具有了多层界面的特点，当声波入射到单层板材时，声波只发生1次反射和透射；当声波入射到多层板材表面时，声波在多层结构中的每层都要经历1次反射和透射的过程，而反射波、透射波又在界面之间发生多次反射和透射，使得声能被大量消耗，从而达到了隔声降噪的目的。因此多层复合材料的隔声性能优于单层同等厚度的隔声性能。
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图 4 声波传递示意 Figure 4 Sketch of sound wave transmission |
复合材料的计权隔声量如图 5所示。
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图 5 复合材料的计权隔声量 Figure 5 Weight sound transmission loss of composite materials |
如图 6所示，4条曲线分别表示MDF单板厚度为1.5、2.0、2.5和6.0 mm的隔声性能，计权隔声量分别为16、19、21和28 dB。随着MDF厚度增加，共振频率向高频移动，共振频率处的隔声量增加，临界频率向低频移动。
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图 6 单层MDF的隔声性能曲线 Figure 6 Sound insulation performance of single layer MDF |
如图 7所示，其中3条曲线分别表示R厚度为0.8、1.2和2.0 mm，密度为2.3 g·cm-3的隔声性能，计权隔声量分别为21、23和27dB；另2条分别表示R厚度为2 mm，密度分别为2.0、2.5 g·cm-3的隔声性能，计权隔声量分别为27和28 dB。R密度相同，随着厚度增加，隔声性能也随之增加。R的共振频率出现在400 Hz时，此时隔声量从32 dB下降到5 dB，由于阻尼材料弹性模量较小，强度较低及阻尼材料在共振频率处隔声性能较差，因此不能单独作为隔声建筑材料使用。
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图 7 R单板的隔声性能曲线 Figure 7 Sound insulation curve of rubber veneer |
如图 8所示，对比了同等面密度单层MDF板与MDF/R复合板的隔声性能。从图中可知，在整个频率范围内，复合材料的隔声性能优于单层MDF板，单层MDF板的计权隔声量为28 dB，MDF/R复合板计权隔声量为37 dB，增加了9 dB。在低频段，R的加入抑制了板材的共振，提高了共振频率处的隔声性能。R的加入，使得复合材料的损耗因子高于单层MDF，复合材料阻尼性能提高。R的加入抑制了复合材料的共振及吻合效应，使得吻合谷变浅，隔声性能增加。
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图 8 单层MDF与MDF/ R隔声性能的对比 Figure 8 Comparison of single layer MDF and MDF/R sound transmission loss |
图 9所示为MDF/R复合材料的隔声性能与MDF厚度的关系。MDF厚度为1.5 mm时，计权隔声量为34 dB，厚度为2.5 mm时，计权隔声量为39 dB，计权隔声量增加了5 dB。MDF厚度增加，使得复合材料的刚度大大增加，且刚度增加的幅度远远大于密度，如表 2所示，面密度从7.5 kg·m-2增加到9.2 kg·m-2，增加了22.7%，而刚度从89.79 N·m-1增加到50.11 N·m-1，增加了79%。在低频段，复合材料受到自身劲度的控制，其隔声性能受面密度和阻尼性能的影响非常小。随着刚度增加，其隔声性能随之增加。当频率再升高，质量开始起作用，此时在刚度和质量共同作用下板将产生一系列的共振频率。在63~400 Hz区域内，复合材料出现2次共振，分别在100 Hz和400 Hz处。随着MDF厚度增加，共振频率的隔声量增加。在500~1 250 Hz频率段，此时为质量控制区。随着MDF厚度增加，面密度增加幅度小于刚度增加幅度，复合材料隔声性能增加的幅度比低频增加的幅度小。到达高频时，其隔声性能主要受到阻尼性能的影响。如图 12所示，随着MDF厚度增加，阻尼比从0.176增加到0.258，增量加了31.8%。阻尼比增加，复合材料阻尼性能增加，抑制了吻合谷效应，使得吻合谷变浅，隔声量增加。
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图 9 MDF厚度不同的复合材料的隔声性能 Figure 9 Sound insulation performance of the composites with different thickness of MDF |
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图 10 R厚度不同的复合材料的隔声性能 Figure 10 Sound insulation performance of composite materials with different thickness |
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图 11 R密度不同的复合材料的隔声性能 Figure 11 Sound insulation performance of composite materials with different rubber density |
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图 12 木质阻尼复合材料的阻尼比 Figure 12 Damping ratio of wood damping composites |
图 10为R厚度对MDF/R复合材料隔声性能的影响。随着R厚度增加，复合材料的计权隔声量从30 dB增加到37 dB，增加了7 dB，与增加MDF厚度相比，增加R的厚度，隔声性能增幅较大。由表 3可知，R厚度增加，面密度从5.4 kg·m-2增加到8.4 kg·m-2，增加了55.6%。在低频时为劲度控制区，复合材料的隔声性能主要受刚度的控制，刚度越大，复合材料的隔声曲线斜率较大，增加幅度比较高。频率再升高进入了质量与劲度共同控制区，复合材料出现了一系列的共振频率，随着R厚度增加，共振频率处的隔声性能也随之增加。在400~1 250 Hz频率范围内，随着面密度增加，复合材料的隔声性能增加。频率越过质量控制区，到达高频时，其隔声性能主要受到质量以及阻尼性能共同的作用。由图 12可知，复合材料随着R厚度增加，阻尼比从0.110增加到0.238，因此复合材料的阻尼性能增加。由于高频噪声振动速度较快，很难进入材料内部。因此在高频段，随着R厚度增加，3条曲线趋于一致。
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图 11为R密度对MDF/R复合材料隔声性能的影响。随着R密度增加，复合材料的计权隔声量从36 dB增加到37 dB，增加了1 dB。增加R密度，复合材料的隔声性能增加不明显。由于受到市场提供材料的限制，材料的密度梯度比较小，使得R密度增加对材料的隔声性能影响不显著。如表 3所示，随着R密度增加，复合材料的面密度、刚度、弹性模量增加的幅度比较小。R密度增加，共振频率400 Hz处的隔声量从18 dB增加23 dB，临界频率处的隔声量增加，吻合谷变浅。
利用SPASS19.0分析材料参数对复合材料隔声性能影响的显著性和相关性，确定材料参数对隔声性能影响的程度。表 4所示为MDF厚度、R厚度、R密度3个因素对MDF/R复合材料的隔声性能影响的方差分析以及显著性检验，显著系数大于0.05时，表明该影响因子对因变量的影响不显著。从表 4中可以看出，R密度对复合材料隔声性能影响不显著，R厚度及MDF的厚度对复合材料的隔声性能影响程度较大。
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通过偏相关性分析(表 5)，MDF厚度与隔声性能呈强正相关，相关系数为0.409；R厚度对复合材料的隔声性能影响呈强正相关，相关系数为0.979；R的密度对复合材料的隔声性能的影响不显著，相关系数为0.106。根据偏相关性的分析，R厚度对材料隔声性能的影响非常显著，提高R厚度，更有效提高材料的隔声性能。
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1) 2种材料单独作为隔声材料都存在缺陷，将中密度纤维板(MDF)与橡胶材料(R)进行3层复合，可有效提高单层MDF隔声性能及R在共振频率处的隔声性能，与同等厚度及相同面密度的单层MDF隔声性能相比提高了10 dB左右。
2) MDF厚度和R厚度增加，对复合材料的隔声性能具有显著影响。R密度增加，对复合材料的隔声性能几乎无影响。通过分析材料参数对复合材料隔声性能影响规律，最终确定参数MDF厚度为2 mm、R厚度为2 mm、R密度为2.3 g·cm-3时，复合材料的隔声性能较佳。
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