纖維集合體的結(jié)構(gòu)特征及其吸聲性能研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、纖維材料的吸音隔聲性能,取決于纖維材料本身的形態(tài)與力學(xué)性質(zhì)和纖維的堆砌結(jié)構(gòu)及其相互間的作用。顯然,這是物質(zhì)形與結(jié)構(gòu)表達的內(nèi)容,即纖維的形與尺度,纖維的堆砌密度、纖維的排列構(gòu)造和纖維間的相互作用。近30年來,研究者在軟物質(zhì)材料的分形表達和固體材料的聲晶體理論上有突破和顯著進展,這為吸音隔聲纖維材料的研究與應(yīng)用提供了新的表征理論和設(shè)計依據(jù)。本文主要針對散纖維集合體和非織造布的結(jié)構(gòu)特征與其吸聲性能之間的關(guān)系進行了研究。本文應(yīng)用雙傳聲器駐抗管測

2、試系統(tǒng)研究了散纖維團的吸聲性能。對于散纖維團的結(jié)構(gòu)參數(shù),考慮了包括其平均密度、體積分數(shù)、纖維排列方式和背景空氣相的影響。通過理論建模計算得到散纖維團的有效孔徑,并建立了散纖維吸聲系數(shù)與聲波頻率的關(guān)系模型。結(jié)果表明,隨著纖維團的體積分數(shù)的增大,整個頻域的吸聲性能增強,且吸聲曲線的峰將向低頻移動;纖維種類對吸聲性能影響不大;纖維的排列方式對吸聲作用有影響,且隨機排列的吸聲性能最佳;纖維團中的有效孔徑是影響其吸聲性能的最關(guān)鍵參數(shù);當聲波頻率在

3、5kHz以下時,空氣相的粘滯和共振損耗是吸聲的主要機理,頻率再高時,纖維機械振動影響就不能忽略;因此通過控制空氣相的形態(tài)與大小,能夠增強纖維集合體的吸聲效果,尤其是在中低頻區(qū)域。本文采用高分辨率的Skyscan Micro-CT對散纖維集合體進行了無損、原位觀測,獲取了散纖維集合體的構(gòu)造層析圖像,解決了以往在散纖維團內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀測上的困難。通過截取不同體積分數(shù)的散纖維團內(nèi)部的切面圖像,運用計盒分形維數(shù)計算法,使用Matlab編程計算出散纖

4、維團內(nèi)部孔洞結(jié)構(gòu)的面積分形維數(shù)。結(jié)果表明,散纖維團內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有分形特征。其分形結(jié)構(gòu)與聲學(xué)參數(shù)間的關(guān)系為:腈綸短纖維團的最大吸聲系數(shù)am隨著分形維數(shù)的增大而增大,而臨界頻率fcri則與分形維數(shù)呈負相關(guān);鵝絨纖維團的am,開始階段隨分形維數(shù)而增大,但存在一臨界分形維數(shù)點,之后隨分維數(shù)增大,am下降,而fcri則與腈綸短纖維團一樣,隨著分形維數(shù)的增大而降低。本文研究了水刺非織造布的結(jié)構(gòu)特征及其與透氣性和吸聲性能的關(guān)系。結(jié)構(gòu)特征測量了樣品的厚度

5、、平方米重、密度、孔隙率、平均孔徑和孔徑分布。結(jié)果表明非織造布的透氣性不符合苛仁納公式,即還存在未測參數(shù),如織物孔洞通道的曲折度、形狀因子等。應(yīng)用駐抗管系統(tǒng)測試了非織造布在背后有、無空氣層時的吸聲性能,證明空氣層的引入大大提高了材料在該測試頻域的吸聲性能:且隨著空氣層增厚,吸聲曲線初始上升段的斜率變大,同時吸聲曲線整體向低頻域移動。傳統(tǒng)的多孔材料毛細管吸聲理論基本可以解釋非織造布樣品吸聲系數(shù)的問題,應(yīng)用膜振動理論來解釋吸聲頻率的問題,也

6、得到了較為吻合的結(jié)果。通過直觀比較最大吸聲系數(shù)am臨界共振頻率fcri與樣品的五個結(jié)構(gòu)參數(shù)和與透氣性能的相互關(guān)系,得出影響非織造布am和fcri的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是材料的孔洞特征,尤其是平均孔徑。本文對非織造布樣品的形態(tài)采用掃描電子顯微鏡進行了拍攝,在對所得樣品圖像經(jīng)過一系列預(yù)處理、包括二值化處理后,運用計盒分形維數(shù)的計算方法,通過Matlab程序編程計算出非織造布樣品的表觀或表層的孔洞面積分形維數(shù)。根據(jù)分形計算的相關(guān)度來看,非織造布孔洞結(jié)

7、構(gòu)的分形特征非常明顯。通過樣品的面積分形維數(shù)與樣品的孔隙率、平均孔徑的對比得到,分形維數(shù)與這兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)均呈顯著的負線性相關(guān)。而對樣品的面積分形維數(shù)與其吸聲性能的關(guān)系對比表明,亦呈較顯著的線性相關(guān),即隨著非織造布樣品孔洞面積分形維數(shù)的增大,樣品的最大吸聲系數(shù)呈正相關(guān),而其對應(yīng)的共振頻率呈負相關(guān)。本文運用平面波展開法,首次對纖維集合體作為聲子晶體應(yīng)用的可能性進行了理論探討。當纖維在空氣中能夠形成比較規(guī)則的周期排列時,纖維集合體滿足了維聲子

8、晶體的條件。在纖維-空氣二維聲子晶體中,纖維本身的性質(zhì)以及聲子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)等都會影響聲子晶體的帶隙性能。通過改變一系列參數(shù),計算得到了不同結(jié)構(gòu)的聲子晶體對于彈性波傳播的帶隙性能。此外還建立了幾個紡織品實例的聲子晶體模型,以進行理論計算。結(jié)果表明,由于纖維材料自身性質(zhì)差異而造成的影響并不十分顯著;隨著晶格常數(shù)的增大,第一條帶隙的初始頻率在降低,同時能夠出現(xiàn)帶隙的頻率范圍在減小;隨著聲子晶體中纖維填充率的增加,帶隙寬度也隨之增大;纖維在空

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