比翱工程实验室丨绿色吸声材料特性对其声学特性的影响

用于表征声学材料的非声学参数是几个微观层面的特征，如孔隙率、曲折度、特征长度、形状因子等，其中有一项很重要的参数 - 流阻率（AFR：Airflow Rresistivity）。由玻璃棉、聚酯纤维等构成的建筑声学和工业应用中的大多数吸声体都是合成材料，用于估算流阻率的方程主要用于合成材料。天然材料具有几个独特的特性，例如粗纤维直径、纤维卷曲度等，而这些特性目前尚未在声学研究中得到关注。需要研究这些特性的影响，并将其纳入为预测自然吸声材料的流阻率而开发的方程中。

 

近期，印度理工学院汽车研究与摩擦学中心Manish Raj、Shahab Fatim、Naresh Tandon等人在《Green Materials》上发表论文“Effects of Features of a Green Sound Absorbing Material on its Acoustical Properties”，重点研究了天然吸声材料的流阻率测量方法，使用数学模型预测其吸声系数。

 

由于大多数天然、绿色材料具有纤维卷曲、非圆形横截面等独特特性，因此需要研究它们对声学特性的影响。这项工作首先讨论了测量流阻率的实验装置的开发，然后开发了一个方程来预测包含其独特特性的绿色材料的流阻率。形成具有不同卷曲度的纤维样品，并测量其对流阻率的影响。天然纤维的卷曲度是通过定义一个独特的因素来量化的，称为卷曲系数。应用Ergun方程和实验结果建立了流阻率预测方程，并对不同卷曲度的纤维进行了验证。测量了不同卷曲度样品的吸声系数，发现卷曲度的增加会增加流阻率和吸声系数，并用Miki提出的数学模型预测吸声系数，并将预测结果与实测结果进行了比较。

图1：湍流条件下测量流阻率的实验装置
 图2：天然纤维的结构 a）分子水平 b）微观水平
图3：芦荟纤维的特性 a）散装卷曲纤维b）SEM 图像（纵向）c）SEM 图像（横截面）
 图4：制造卷曲纤维 a）沿着不同尺寸的卷发棒卷曲的纤维 b）和 c）获得一些卷曲纤维
图5：流阻率随卷曲指数的变化 图6：吸声系数随卷曲纤维的变化（线性纵坐标）
 图7：Miki模型预测的吸声系数与不同卷曲系数的纤维实验测量的吸声系数的比较 

总结

流阻率的测量对于表征多孔吸声体和预测其吸声系数至关重要。严格按照ISO 9053标准测量流阻率的设备非常昂贵。本文开发并验证了在低湍流强度的非层流条件下测量流阻率的实验装置，但项装置仅用做研究工作，到目前为止，严格遵守标准ISO 9053无疑是流阻率测量的最佳实践。

 本文中提出的工作清楚地表明，声学研究需要考虑某些特征，例如卷曲度、天然材料的非圆形横截面。对不同卷曲度样品的流阻率测量表明，卷曲度指数对其有直接影响。吸声系数的测量进一步证实了这一点。其中纤维的卷曲因子直接影响吸声系数。通过定义一个新的参数卷曲因子，将其结合起来，并由Ergun方程导出一个新的方程，对流阻率进行预测。用新公式预测的流阻率与实验测量结果吻合较好，验证了所研究的绿色材料在建筑声学应用中，在控制混响时间、语音清晰度、音质的同时，可以对其实际性能进行试验和测试。点击阅读原文查看此项研究论文。

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