1. 引言
近些年，在人口密集、经济发达的大中城市，便民生活设施不断建设，对住宅环境构成影响的低频噪声污染目前已经成为环境污染投诉的主要问题 [1] [2]。传统的单一纤维吸声材料由于无法满足当今社会对低频噪声治理的需求，通常和其他材料进行结构的复合设计，因此成为目前行业的研究热点。
以聚酯纤维为代表的合成纤维材料，声学性能稳定，且其本身的力学、电学、热学特性等优良性能使其成为得到广泛的降噪吸声材料 [3]，但其在高频段具有良好的吸声性能，而在低频段的吸声效果较差 [4]。为此，国内外学者开展了聚酯纤维的复合材料和组合结构的吸声性能研究。Tao Yang等制备了多成分的聚酯纤维无纺布材料，并从实验测试和数值计算分析了其吸声性能 [5]。王军锋等 [6] 制备了木质纤维和聚酯纤维复合材料，其吸声性能优异，在中高频范围内平均吸声系数高达0.67。张斌 [7] 等将聚酯纤维与亥姆霍兹共振器组成复合吸声结构，其低频吸声系数得到明显提高。从上述研究可以得到，单凭聚酯纤维材料是难以实现低频吸声性能的显著提高。基于聚酯纤维材料的阻性吸声特性，即使增加结构厚度，也无法明显提高低频性能。为此，引入抗性吸声单元弥补阻性吸声的不足成为一种选择。
铝纤维吸声板是一种被广泛使用的吸声材料，其是由网孔不同的两层铝网板和铝箔和铝纤维毡组成，通过滚压机压成薄板，具有密度小、力学和耐候性能好等优点。李志强等研究了铝纤维结构背后空腔深度与吸声特性之间的相互关系 [8]。马广斌等以铝纤维、有机胶为主要原材料制成了铝纤维吸声板，并对其吸声性能进行了研究 [9]。周兵等将铝纤维板分别与聚酯纤维和亥姆霍兹共振器进行组合得到复合结构，并得到了具有较好低频吸声性能的复合结构 [10]。但上述研究的复合结构虽然提供了较好的低频吸声性能，但结构偏复杂。为此，本研究从设计简单、结构实用、性能稳定和经济合理的角度，选用阻性吸声的聚酯纤维与抗性吸声的铝纤维板作为复合吸声结构的组合单元，分别研究材料排列顺序、纤维厚度和空腔深度对复合结构吸声性能的影响，最终获得具有较佳低频吸声性能的铝纤维–聚酯纤维复合结构，从而为低频降噪技术和装备设计提供参考和选择。
2. 实验材料与方法
2.1. 实验材料
本研究选用的原材料及相关参数见表1。
Table 1. The parameters of the experimental materials
表1. 原料参数表
本研究中的铝纤维板材质系全铝金属制造，聚酯纤维吸音板材质系全聚酯纤维制造，均不含粘结剂，是一种可循环利用的吸声材料，因此日后维修更换时亦不会形成废弃垃圾，对环境造成公害。
2.2. 吸声性能测试
吸声性能测试采用北京声望公司生产的BSWA SW422型阻抗管声学性能测试系统(见图1)，参照GB/T 18696.2-2002对试样吸声性能进行测试 [11]，该测试方法是由阻抗管一端的扬声器播放平面声波，垂直入射到试样表面，通过靠近样品的两个传感器采集数据，计算得到声传递函数和法向入射吸声系数。测试试样尺寸为φ100 mm，测试频率范围为80~1600 Hz，每组试样数量不少于3个，分别测试2次，取平均值作为该结构的吸声系数值。
Figure 1. The impedance tube acoustical measurement system and its schematic diagram
图1. 阻抗管声学性能测试系统和原理图
3. 结果与讨论
本研究将阻性聚酯纤维吸声材料与抗性铝纤维板材料进行复合，通过研究材料顺序、厚度和空腔设置来分析复合结构的低频吸声系数，并由此得到性能优良、形式简单和价格合理的低频吸声复合结构，以满足低频噪声治理的实际需求。
3.1. 排列顺序对复合结构低频吸声性能的影响
研究将铝纤维板与8 mm厚聚酯纤维吸音材料相贴合，后留80 mm空腔，分别测试铝纤维板面和聚酯纤维吸音材料面向生源一侧的吸声系数。材料排列顺序对吸声性能的影响结果如表2所示。
Table 2. The effect of material sequence on the sound absorption property
表2. 材料排列顺序对吸声性能的影响
从上表可以看出，当铝纤维板一侧面向声源时，100~500 Hz频率范围内的吸声系数明显优于聚酯纤维材料面向声源时。因此，后续研究均采用铝纤维板面向声源一侧的结构形式。
3.2. 聚酯纤维厚度对复合结构低频吸声性能的影响
本研究选用8 mm、16 mm、24 mm三种不同厚度的聚酯纤维吸音板，与铝纤维板及空腔组成复合结构。在结构总厚度为120 mm的情况下，开展了聚酯纤维厚度对复合结构低频吸声性能的影响分析，研究结果如下表3所示。
Table 3. The effect of polyester fiber thickness on the sound absorption property
表3. 聚酯纤维厚度对复合结构吸声性能的影响
从上表可以看出，随着铝纤维后面聚酯纤维层的增加，复合结构低频吸声性能是逐渐降低的。这可能是因为属于抗性共振结构的铝纤维板主要通过与后侧空腔的耦合共振，使得铝纤维层振动消耗声能。而聚酯纤维层主要提供的是中高频声能的衰减，厚度的增加压缩了低频抗性结构的共振腔深度，改变了铝纤维层和空腔的耦合共振频率，导致其抗性共振频率向高频方向移动。因此，本研究的低频复合结构将采用8 mm厚聚酯纤维作为后续的研究对象。
3.3. 复合结构空腔厚度对低频吸声性能的影响
通常，增大吸声材料背后的空腔深度相当于增加了材料的厚度，从而起到节省材料、提高性能的作用 [12]。此外，改变空腔深度可以调节抗性吸声结构的共振吸声频率，从而优化低频吸声结构。
为此，本研究在前面的研究基础上，通过调节铝纤维板/聚酯纤维复合结构与后壁之间的空腔大小，分别测试当空腔厚度为0 mm、50 mm、80 mm、120 mm、160 mm、190 mm时铝纤维板/聚酯纤维复合结构的吸声性能，得到吸声曲线如图2所示。为了更清楚的评价铝纤维板/聚酯纤维复合吸声结构的低频吸
Figure 2. The sound absorption spectrum of aluminum fiber/polyester fiber composites with different cavity depths
图2. 铝纤维板/聚酯纤维复合吸声结构在不同空腔下的吸声频谱
声性能以及所测频段的综合吸声性能，研究统计了该复合结构在不同空腔条件下在100 Hz处的吸声系数、100~500 Hz的平均吸声系数和80~1600 Hz的平均吸声系数，列于表4中。
Table 4. The sound absorption performance of aluminum fiber/polyester fiber composites with different cavity depths
表4. 铝纤维板/聚酯纤维复合吸声结构在不同空腔下的吸声性能
从图2可以看出铝纤维板/聚酯纤维复合吸声结构的吸声系数随空腔厚度的变化趋势大致相同，当空腔厚度为零时，即铝纤维板/聚酯纤维板紧贴后壁时，铝纤维板/聚酯纤维复合吸声结构的吸声系数很低，均值不超过0.2，达不到吸声要求。当铝纤维板/聚酯纤维板背后设有空腔时，吸声系数显著增加，在某些频率点处出现峰值(吸声系数高达0.9以上)，这是因为铝纤维板在该频率处发生共振，产生共振吸声。随着空腔厚度的增加，100 Hz处的吸声系数逐渐增大，100~500 Hz和80~1600 Hz的吸声系数均值也逐渐增大，但增大的幅度逐渐变缓。
从表4可以得到，当空腔厚度为190 mm时，该复合结构的低频吸声性能最佳，在100 Hz处吸声系数达到0.57，在100~500 Hz的平均吸声系数大于0.74，在80~1600 Hz的平均吸声系数大于0.67。虽然在空间允许的情况下，可通过适当增大空腔厚度来进一步提高铝纤维板/聚酯纤维复合吸声结构的吸声系数，但从数据分析可以得到，复合结构的性能成本效率比随着空腔厚度的增加逐步下降 [13] [14]。为此，本研究建议复合结构的空腔厚度设置在120~160 mm之间比较合理。
4. 结论
1) 在铝纤维板/聚酯纤维复合低频吸声结构中，聚酯纤维材料厚度增加会带来中高频声能的衰减，但同时压缩铝纤维共振腔深度，导致低频性能降低。
2) 当聚酯纤维厚度为8 mm、空腔厚度为190 mm时，铝纤维板/聚酯纤维复合低频吸声结构在100 Hz处吸声系数达到0.57，在100~500 Hz的平均吸声系数大于0.74。从性能成本效率的角度，本研究建议复合结构空腔厚度的合理设置范围在120~160 mm之间。
3) 本研究得到的铝纤维板/聚酯纤维复合低频吸声结构低频吸声性能优良，同时材料轻便，形式简单，加工容易，施工安装方便，可制成多种形状的吸声结构。因此，该复合吸声结构具有很好的工程应用前景。