过滤材料声学性能的实验研究*

朱莉艳，林秀丽，白国锋，柳静献

(1.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.中国科学院声学研究所 噪声与音频声学实验室，北京100190)

0 引言

随着时代发展，噪声、空气污染问题日益引起人们的重视。长期接触噪声及粉尘可能对人体造成伤害。

粉尘与噪声常常同时存在，如机加厂房同时存在噪声和粉尘问题，在降噪的同时还要防尘；井下通风机在高浓度粉尘环境工作时，不仅要防尘，还需要应用消声器减少噪声[1]；空调系统在净化空气的同时需要减少通风带来的噪声污染。在非管路噪声环境下，如家用空气净化器，如果过滤材料具有一定的吸声性能，对提高环境舒适度具有一定好处。可以看出，噪声与粉尘的一体化控制是污染控制的重要方向。

纤维类材料的吸声机理主要源于3个方面。一是当声波入射到纤维材料的内部，会引起纤维之间空隙内的空气振动，空气与管壁产生摩擦，形成黏滞阻力作用使声能变成热能衰减；二是声波通过介质时会导致质点的疏密程度不同，使质点之间存在温度梯度，从而通过热传导消耗一部分声能；三是纤维本身的振动导致声能的耗散[2]。粉尘控制中，纤维过滤材料广泛应用，且和纤维吸声材料一样，含有大量的孔径结构[3]，从组成结构上可以预见其具有一定的吸声能力。因此,探索纤维过滤材料吸声性能，对扩展吸声材料的选择范围，开展吸声除尘协同设计具有重要意义。

纤维吸声材料具有质轻、吸声效果较好的特点，作为重要的吸声材料已有一定的应用[4]。新冠肺炎疫情期间，有学者考虑到废弃口罩再利用问题，探讨不同层数口罩叠加的吸声效果。结果表明，即使厚度较低，口罩也能表现出比建筑行业实际使用的纤维吸声材料更好的声学性能[5]。对于噪声和粉尘同时存在的场所，陈绍杰等[1]为防止粉尘影响矿用风机消声器吸声片的吸声效果，采用在消声片表面覆层防尘孔板的方式解决问题。如果防尘板可用合适的过滤材料替代，不仅可以改善粉尘污染，还可以提高吸声效果。贾兴仕等[6]针对抽油烟机的噪声控制问题，在进气通道上加装穿孔板和吸声材料进行消声处理，但未考虑油烟的控制问题。通过上述文献可知，目前对纤维材料的吸声性能有一定了解，但对兼顾过滤性能的纤维材料吸声性能还缺乏认识。

本文重点探讨纤维过滤材料的吸声性能，分析其用作吸声材料的可能性及组合方式对吸声性能的影响，以期为扩展吸声材料的选择范围，促进粉尘噪声一体化控制提供参考和借鉴。

1 过滤材料吸声理论

由于吸声材料在不同频率点上具有不同的吸声系数，因此通常使用降噪系数(NRC)来评价材料吸声性能的好坏。降噪系数是指在250，500，1 000，2 000 Hz测得的吸声系数平均值，NRC大于或等于0.2的材料被认为是吸声材料[7]。

在纤维材料吸声性能理论研究方面，Johnson-Champoux-Allard模型(JCA模型)是多孔材料常用的吸声性能预测模型，其提供以下2个公式分别计算等效流体假设下材料的等效密度与等效体积模量[8-9]，如式(1)～(2)所示：

(1)

(2)

式中：ρ为等效密度，g/cm3；α∞为曲折因子；ρ0为空气的密度，g/cm3；φ为孔隙率，%；σ为流阻率，Pa·s/m2；j为虚数单位；ω为入射波角频率，rad/s；η为空气的动黏度，Pa·s；Λ为黏性特征长度，m；K为等效体积模量，Pa；γ为空气的比热容比；P0为大气压，Pa；Λ′为热特征长度，m。

通过等效密度及等效体积模量，可求出材料表面阻抗，再通过反射系数，求得材料的吸声系数。材料厚度影响表面阻抗，厚度增大，在一定范围内吸声系数变大；曲折因子体现结构复杂度；热特征长度和黏性特征长度分别和高频状态下孔隙中流体与固体框架间的热交换程度和黏滞力大小有关。对于理想的圆柱形孔隙的多孔材料，其黏性特征长度和热特征长度相等；而对于纤维材料来说，其黏性特征长度小于或等于热特征长度[2]。

由吸声材料的理论预测模型可知，影响材料吸声系数的因素主要有孔隙率、流阻率等。

孔隙率大小对吸声效果有较大影响。孔隙率过大会使得透射过纤维的声能增大，能量耗散变弱，导致材料的吸声效果下降；孔隙率过小，会造成声波在材料表面发生反射，吸声性能同样会下降[10]。

流阻反应空气通过多孔材料时，材料两面的静压差和气流体积速度之比。单位材料厚度的比流阻称为流阻率。

衡量滤料性能主要指标是滤料的效率和阻力。按照效率高低，一般通风用过滤材料可分为粗效(G1～G4)、中效(M5～M6)和亚高效(F7～F9)等级别[11]。

纤维滤料的阻力常用计算公式如式(3)所示[12]：

(3)

式中：ΔP为材料阻力，Pa；μ为流体动力黏度，Pa·s；v为过滤速度，m/s；αf为纤维滤料填充率，填充率=1-孔隙率；Z为材料厚度，mm；df为纤维直径，μm。 一般情况下，阻力高的过滤材料效率也会高。

综上可知，纤维过滤材料的吸声性能和过滤性能均受到材料的孔隙率、厚度等参数的影响。过滤效率高的材料通常其孔隙率小，纤维直径小，在一定条件下与良好多孔吸声材料要求一致。

2 实验方法

2.1 实验材料

实验材料包括过滤材料和多孔吸声材料，过滤材料选取15 mm和10 mm厚不同过滤等级材料各4种，用a～h编号，材料厂家标注的等级分别为F9，F8，F7，G3，M6，M5，M5，G4。8种滤料均为一般通风用空气过滤材料。按照外观结构，空气过滤材料的结构主要包括纤维层滤料和滤纸。滤纸纤维结构较致密，厚度通常不超过1 mm；纤维层滤料孔隙度高，有一定厚度，与纤维类吸声材料相近，故本文选择纤维层滤料为研究对象。G3等级以下滤料实际中应用较少，且孔隙率高，因此本文选择G3及以上等级纤维层滤料进行研究。

另外，选取的多孔吸声材料为常见的三聚氰胺、聚酰亚胺多孔泡沫吸声材料及聚酯纤维吸声材料。

2.2 实验仪器及方法

通过自制的滤料静态测试装置测试滤料的阻力和过滤效率，实验装置如图1所示。

图1 滤料静态性能测试实验装置Fig.1 Experimental device for static performance test of filter materials

实验时，将滤料和滤膜固定，在滤料的上、下游连接压差计。在发尘器内放置ISO 12103-1 A2粉尘用于发尘；利用变频器调节电机频率进而控制风机流量，使过滤风速保持在1 m/s，读取压差计显示数，获得初始阻力值；开始发尘，当滤料阻力达到初阻力的2倍时停止发尘；通过滤料及滤膜上粉尘的增量计算过滤效率。

通过阻抗管实验测试滤料在不同频率下的吸声系数[13-14]。阻抗管实验装置如图2所示。阻抗管为B&K公司生产的4206型双传声器阻抗管，该管传声器的位置固定。大管的内径为100 mm，测量范围为50～1 600 Hz，小管的内径为29 mm，测量范围为500～6 400 Hz。

图2 阻抗管测试系统示意Fig.2 Schematic diagram of impedance tube test system

实验时，将滤料放置在阻抗管的测试腔中，用阻抗管壁来充当吸声结构的侧板和背板，背板和测试样品之间可形成1个共振腔。管中平面波由声源产生，用2个传声器对测试样品前的声压进行测量，并对2个传声器信号的声传递函数进行计算，从而求得滤料的法向入射吸声系数。

3 结果与分析

3.1 单层滤料吸声与过滤性能分析

3.1.1 不同滤料性能分析

15 mm厚度的a～d 4种滤料和10 mm厚度的e～h 4种滤料的吸声和过滤测试结果如表1所示。

表1 滤料的过滤效果和吸声效果Table 1 Filtering effect and sound absorption effect of filter materials

15 mm和10 mm厚度滤料的过滤效率、阻力、克重从高到低排序均为a>b>c>d，e>f>g>h；纤维直径、孔隙率从高到低排序为d>c>b>a，h>g>f>e。降噪系数从高到低排序为a>b>c>d，e>f>g>h，与效率和阻力的排序一致。

综合比较可以看出，滤料的吸声效果和滤料的过滤效率及阻力正相关。通常纤维直径越小，孔隙率越小，材料越密实，克重越大。一定厚度范围内过滤效率变大时，降噪系数有所增加，但相应的阻力也越大。由表1可知，单层纤维层滤料的降噪系数较低，不能单独用作吸声材料。

3.1.2 吸声系数与过滤效率的关系

8种滤料的降噪系数与过滤效率的关系如图3所示。所测纤维层滤料降噪系数和效率之间的关系可以拟合成1条曲线，方程为y=0.000 2e0.065 8x，式中x为过滤效率，y为降噪系数。说明对于一般通风用空气过滤材料中的纤维层滤料，过滤效果越好，其吸声效果也越好。

图3 不同滤料效率与降噪系数关系Fig.3 Relationship between filtering efficiency and noise reduction coefficient of different filter materials

3.2 多层滤料吸声性能分析

3.2.1 同种滤料多层叠加的吸声效果分析

叠加1～4层b滤料时降噪系数和阻力情况如表2所示，吸声效果如图4所示。

表2 b号滤料多层叠加的吸声效果Table 2 Sound absorption effect of b filter material with multi-layer superposition

图4 b滤料多层叠加的吸声效果Fig.4 Sound absorption effect of b filter material with multi-layer superposition

由表2可知，随着滤料厚度的增加，材料的吸声效果可以显著提高，一定厚度范围内，降噪系数与厚度呈正比关系，同时阻力呈倍数增加。

由图4可见，不管是单层滤料还是多层滤料叠加，多孔吸声材料在低频时的吸声效果都不甚理想，这也是该材料应用的主要问题。

从应用的角度看，为提升材料低频吸声效果可以采用多层滤料叠加，但这对材料的需求量大，经济性差。因此，需要其他策略改善材料吸声性能，如在滤料后面加设一定厚度的空腔或使用共振吸声结构。

3.2.2 不同滤料3层叠加的吸声效果分析

应用过滤材料时，常常会同时应用不同等级材料，因此，对不同过滤效果滤料叠加的吸声效果进行对比分析。

1)组合1

选取a滤料，f滤料和h滤料按不同顺序叠加。滤料总厚度为35 mm，阻力为271 Pa。

3种滤料中a效率最高，f次之，h最低，对应的降噪系数分别为0.16，0.12和0.09。3种滤料按不同顺序叠加时吸声系数如图5所示。

图5 滤料a,f,h按不同顺序叠加的吸声系数Fig.5 Sound absorption coefficients of filter materials a,f and h superimposed in different orders

可以看出，不同叠加顺序材料的吸声性能不同，第1层材料为过滤效率高的a号时，整体吸声效果较好；第1层材料为过滤效率低的h号时，整体吸声效果较差。

当第1层滤料均为a号滤料，叠加方式a+f+h的吸声性能略优于a+h+f；当第1层滤料为f时，叠加方式f+a+h的吸声性能明显优于f+h+a；当第1层滤料为h滤料时，叠加方式h+a+f的吸声性能明显优于h+f+a，但均低于前面4种叠加方式。其原因是声源发出的平面波在入射到第1层滤料时，若滤料的吸声效果不强，则反射的声能较多，平面波继续入射到第2，3层滤料的声能小，因此第1层滤料的好坏对整体滤料吸声性能的强弱起到较大作用。

2)组合2

选取d滤料，f滤料和h滤料按不同顺序叠加。滤料总厚度为35 mm，阻力为101 Pa。三者中，f滤料效率最高，h次之，d最低，对应的降噪系数分别为0.12，0.09，0.07。3种滤料不同顺序叠加时吸声系数如图6所示。

图6 滤料d,f,h按不同顺序叠加的吸声系数Fig.6 Sound absorption coefficients of filter materials d,f and h superimposed in different orders

可见，与组合1相比，组合2吸声效果整体有所下降。与组合1情况相同的是，当将过滤效率高的f号滤料置于第1层时，滤料整体吸声性能最优，过滤效率较低的d号滤料置于第1层时，整体吸声性能最差。

分析2组实验可知，效率更高的滤料组合吸声效果更好；同样的3种纤维层滤料组合，按过滤效率降序排列时吸声效果更好。

3.3 应用时滤料吸声效果的改善措施

3.3.1 空腔设置

增加空腔会使吸声系数峰值对应的共振频率和谷值吸声系数对应的反共振频率都向低频移动[8]。将滤料作为吸声材料应用时，为改善对低频噪声的控制效果，可以考虑在滤料后侧设置空腔。

在单层和2层b滤料后分别设置0，10，20，30 mm空腔，其吸声系数与空腔厚度的关系分别如图7和图8所示。

图7 单层b滤料后设不同厚度空腔吸声系数Fig.7 Sound absorption coefficient of cavity with different thicknesses behind single-layer b filter material

图8 2层b滤料叠加后设不同厚度空腔吸声系数Fig.8 Sound absorption coefficient of cavity with different thicknesses behind b filter material with two-layers superposition

可以看出，随着空腔厚度的增加，滤料吸声系数均变大。对比图7和图8可知，滤料越薄，增加空腔后，其吸声系数提升越明显。但当空腔增加到30 mm厚时，吸声系数的增加量变小。

因此，在实际应用中，可结合空间、材料等因素设置不同厚度的空腔，但深度需适宜。本文滤料后设空腔深度以小于或等于30 mm为宜。

3.3.2 叠加方式

滤料在一般通风空调系统中组合应用时，通常低效滤料在前，高效滤料在后，低效对高效滤料起到保护作用。由上文分析可知，按效率升序排列的滤料整体的吸声效果最差。为使滤料叠加满足过滤组合保护要求的同时，能够保证其有较好的吸声效果，在粗效+中效的叠加后再增加1层粗效滤料，与单纯粗效+中效、粗效+中效+亚高效叠加作对比，即将d+f+d、d+f、d+f+a比较，实验结果如图9所示。

图9 不同滤料叠加的吸声系数Fig.9 Sound absorption coefficient under superposition of different filter materials

由图9可知，在多叠加1层低效的过滤材料后，滤料整体的吸声性能有较大提升。且d+f+d组合与d+f+a组合的吸声效果差别不大。

选择最后叠加d的好处在于，相对a滤料，d滤料的阻力更小，且应用时可用第3层滤料对较快达到寿命的第1层滤料进行置换。因此，在d+f满足过滤要求的情况下，可考虑在后面再叠加1层d滤料，这种方式可以在不增加太多阻力的情况下，改善纤维层组合的吸声性能。

3.4 多层叠加滤料与吸声材料吸声性能的对比分析

为对比一般通风用纤维层空气过滤材料吸声效果与吸声材料的差异，选择常见的泡沫吸声材料三聚氰胺和聚酰亚胺以及常见的纤维吸声材料聚酯纤维进行实验分析。所选吸声材料与过滤材料吸声和过滤性能的对比见表3。

表3 不同材料的基本参数Table 3 Basic parameters of different materials

由表3可见，所选滤料组合的吸声效果可以达到或超过常用的多孔吸声材料。

但表3中所测15 mm三聚氰胺的降噪系数为0.19，其阻力已达到358 Pa；15 mm聚酰亚胺的阻力为478 Pa；30 mm聚酯纤维阻力较小，但该材料孔隙率大，吸声效果并不理想，且因其由短纤制成，用于过滤时存在纤维掉落的现象。综上，三者不用作为过滤材料应用。

4 结论

1)单层一般通风用纤维层滤料的吸声性能较差，多层滤料叠加可以增强吸声性能，达到吸声材料标准。

2)不同效率纤维层滤料叠加时，按照效率降序排列吸声性能更好。在粗效+中效滤料后面再加1层粗效滤料可以达到粗效+中效+亚高效滤料相同的吸声效果。

3)在纤维层滤料后面设置空腔可以提升滤料的吸声效果。滤料越薄，增加空腔后吸声系数提升越大；空腔增加到一定深度后，吸声性能提升效果有限。

4)纤维层滤料可作为吸声材料的备选，可以考虑使用过滤材料实现粉尘噪声一体化控制。