普信AM工研频段⑪建筑用植物棉的声热性能联合建模与优化。

导读：为了促进植物棉作为建筑保温材料的使用，最近的研究创造和收集了大量的实验数据，并开发出一种创新的程序来对它们的声学和热性能进行联合建模。这项工作为联合优化其声学和热性能开辟了广阔的前景。

在建筑物范围内，越来越多地使用生物基材料，例如植物棉（纤维绝缘材料）。实际上，除了允许对自然资源进行更合理的管理并存储大气中的二氧化碳外，这些材料展现出高水平的声学和热性能。本文首先介绍了大块植物棉面板的声学和热学性能。其次，强调了这些材料的微结构参数，例如纤维的尺寸对其声学和热性能的影响。最后，提出了从这些纤维材料的微观结构的特定元素对它们的声学和热性能进行联合建模的程序。

植物棉的声学和热学性质

本文介绍的声学和热学性能与通过热粘合制造的半硬植物棉面板的声学和热性能相对应（存在8至20％量的两组分聚合物纤维，可确保面板的凝聚力）。这些材料的样品如图1所示，以厚度[25-160mm]和密度[26-41kg.m-3]为代表，提供了这类绝缘的代表性范围。

声学特性

关于声学特性，材料的吸声能力在平面和谐波以法向入射传播的情况下具有特征。如图2所示，通过改变其厚度和表观密度。这些结果还强调了这些材料对于中高频具有良好的声学性能。然而，应当注意，对于厚度大于100mm的材料，可以观察到弹性共振现象，例如Hemp3，Hemp4，Hemp-Linen-Cotton1和Hemp-Linen-Cotton2。

热性能

用于表征植物棉的绝热性能的量是导热率。传热、传导、辐射和对流的每种模式都可以通过特定的热导率值表示。但是，在纤维绝缘体（例如植物棉）的情况下，科学文献认为，与其他两种模式相比，对流传递的贡献微不足道。因此，图3所示的实验表征结果表明，对于低密度值（<40kg.m-3），辐射现象起着重要作用。这种现象的特征在于存在“最佳传导-辐射耦合转移”。超过此最佳值，则使通过传导转移的现象变得更加突出。

材料结构与其声学和热学性能之间的联系

植物棉的声学和热性能与其粗细和密度相关，也与微结构参数相关，尤其是纤维直径，可以通过对气流的静态电阻率的实验表征来证明这一联系。该参数表征了材料抵抗流体通过其结构的流动的能力，该参数直接与其孔隙率以及纤维半径的平均值相关，如图4所示。

声学和热学联合建模

为了将植物棉等纤维材料的微观结构参数与它们的声学和热学特性联系起来，本文中进行的研究工作为声学和热学联合建模开发了一种创新的方法。

根据两个可以通过实验轻松表征的参数，即材料的孔隙率和纤维半径的平均值，可以对纤维材料的吸声能力和热导率进行建模。图5通过与亚麻羊毛4的实验数据进行比较说明了该模型的有效性。

该建模过程基于自相干均质化（HAC）方法。HAC方法基于宏观尺度上等效于异构介质的均匀介质的定义的数学技术。对于声学，此方法可以与所谓的“复合”模型结合使用，以考虑到两种类型的纤维，即植物纤维和两组分聚合物纤维；对于热，HAC模型与传导热传递有关，结合经验模型，该模型考虑了辐射的热传递。

总结

在用作建筑围护结构隔热材料的大型半刚性植物棉板上进行的实验表征表明，它们的声学和热学性能可与传统的隔热材料（如矿棉）相媲美。此外，它们的声学和热性能与材料的微观结构的参数有关，尤其是与它们的纤维（半径）的大小有关。因此，现在有可能仅根据其微观结构的两个参数共同对它们的声学和热性能进行建模。这项工作为联合优化其声学和热性能开辟了广阔的前景。