具有吸声效果的室内装饰纺织品的设计开发

李 箫，荆妙蕾，梁周珍，高剑逸

(天津工业大学 纺织科学与工程学院，天津 300387)

噪声污染与大气污染、水污染和固体废弃物污染被称为世界4大主要环境问题。噪声造成的生理危害最直接的表现为听力损伤[1]，甚至噪声还会诱发多种疾病。研究表明：长期受到噪声干扰会使人体出现失眠、疲劳无力、记忆力衰退等症状，严重者还可能会引发神经衰弱综合征等疾病[2-3]。为此，许多国家已经陆续制定并出台相应的防控措施，以减少噪声污染带来的危害。

一般通过在声源处、声音传播途中和人耳处减弱噪声来控制噪声污染。在声音传播途中，常见的2种降噪处理方式有吸声和隔音[4]。纺织品由于其疏松多孔、质轻且易加工的特点，具有良好的吸声性能[5]，因此，研究开发基于声学设计的纺织面料及其制品在噪声防控领域中具有广泛的应用价值。

现有学者对各类纺织品的吸声性能进行了研究，徐石勇等[6]研究了提花窗帘织物的隔音性能，得出提花窗帘织物在各频率范围内均能产生一定的隔音效果。钟祥璋等[7]使用灯芯绒制成的帘幕、窗帘等纺织品在影院、剧院、学术报告厅等对声音有特殊要求的场所都已有了广泛的应用。王倩等[8]研究了装饰用异面织物的吸声性能，结果表明异面织物的吸声系数要高于相同结构参数的机织物和针织物。

目前，将室内装饰纺织品吸声功能性与美观性相结合的设计研究相对较少，本文基于对纺织品吸声性能的理论分析，设计并织造了材料丰富、工艺简单、适用范围广、具有吸声效果的窗帘面料和软装壁布，以期为室内吸声功能性装饰纺织品设计提供参考。

1 纺织材料的吸声性能

在噪声防控中，通常使用的声学材料包括吸声材料和隔声材料。吸声材料即利用声能向热能或其他形式的能量转化，来降低对声波的反射；隔声材料即用于隔档声波的传播，抑制声能的透射[9-10]。本文仅论述吸声材料及其吸声性能。

1.1 纺织吸声材料

吸声材料具有松软多孔的共性，其表面分布有微孔隙结构，孔隙之间相互贯通并深入内部。多孔材料是目前使用最频繁、应用范围最为广泛的吸声材料之一[11-12]。部分纺织面料也具有疏松多孔、质轻且易加工的特点，能形成良好的吸声效果。

纺织材料吸声性能的研究已形成了不少成果。张辉等[13]对大麻织物的吸声性能进行了系统研究，大麻纤维独特的纤维结构，增加了其在织物内与声波的接触面积，增强了大麻织物对于声能的吸收。李炳华等[14]发明了三层结构吸声窗帘面料，使用金属纤维和空心涤纶丝构成面料的中间层，提升了窗帘面料的吸声性能。倪昭玉等[15]研究认为蓬松、质轻且含有较多孔隙的棉纤维和棉纱，能消耗较多的声能，展现出良好的吸声性能。然而天然纤维的耐火性较差，防腐、防潮性能不佳，在使用上会显现出一定的局限性[16]。

机织物应用于吸声降噪领域，可以作为非织造布和刚性物表面的覆盖物，如建筑室内装饰、汽车装饰等。此外，在机织物背面留存足够的空腔，能形成共振吸声结构，如利用幕布[7]与墙面之间形成的空腔，能对中高频段的声波产生一定的吸声效果。

1.2 吸声影响因素

1.2.1 内部因素

纤维种类、织物组织结构、孔隙率和厚度等物理结构均会影响纺织制品的吸声性能[17-18]。

羊毛纤维具有天然的鳞片层和三维立体卷曲，是优良的吸声材料[19]。麻纤维表面有横节和纵向沟纹，使其具有了良好的吸声性能，张辉等[13]和罗业等[20]均对麻纤维的吸声性能进行研究，得出大麻织物的吸声性能要优于涤纶和棉织物，尤其是吸收低频声波的效果更佳；含有苎麻和黄麻纤维的增强复合材料，其吸声性能要优于含玻璃纤维的增强复合材料，且含苎麻纤维的增强复合材料在全频段内的吸声性能都较优。木棉纤维的中空率可达到80%～90%[17]，是天然的中空纤维，其纤维独特的薄壁、大中腔、圆形管状结构赋予了其优异的声阻尼特性，使得其在低频段能产生较好的吸声效果，Liu等[21]对比研究了木棉纤维与中空聚酯纤维的吸声性能，发现5mm厚度的木棉纤维织物在低频时的吸声效果要优于相同厚度条件下的中空聚酯纤维。

织物组织结构配置影响织物的孔隙率和厚度。蔡泽农等[22]认为组织点飞数为1的织物吸声性能要优于组织点飞数为2和3的织物。范晓丹[23]实验后给出在单位密度和单位厚度一定的条件下，平纹织物表现出了较好的吸声效果。多层结构的织物增加了材料的厚度，层与层之间所形成的微薄空气层，加强了声波在材料中的反射和透射作用[24]。此外，倪昭玉等[15]的研究表明，材料的吸声效果随着厚度的增加而增加。

1.2.2 外部因素

外部因素影响着吸声材料在实际中的应用以及在应用过程中功能的有效性。环境的相对温湿度、材料的表面处理工艺、材料放置位置、通过材料的气流速度等均会影响吸声材料在实际应用中的吸声性能[17]。

温度变化会影响声波的传播速度与波长，材料的吸声峰随着温度的升降变化在高、低频区域之间移动[25]；湿度主要影响材料的孔隙率和密度，纤维材料尤其是天然纤维，在吸湿后会出现孔隙率降低、密度增大的现象，进而导致吸声性能下降；材料的后背空腔会影响材料的共振吸声频率，适当增加空腔的深度，可以改善材料在低频段的吸声性能；通过材料的气体流速，尤其是高速气流，会破坏组织结构较为疏松的多孔材料，易产生变形甚至破裂，进而影响材料的吸声性能。

2 室内装饰纺织品设计

消费者们在考量装饰织物装饰美化性的同时，也更加注重其实用功能。基于声学设计的室内装饰纺织品逐渐涌入并不断地推陈出新。在电影院、戏剧院、录音棚、会议室等对于声音有着特殊要求的室内环境中，往往能见到室内设计师使用帘幕、窗帘、壁布等纺织品来改善声音环境。

2.1 吸声窗帘设计实例

窗帘织物[26]是兼具实用性和艺术性的室内装饰用纺织品，是室内软装的重要组成部分，其在一定程度上为室内环境奠定了基调，直接影响着居室的美观。在实际情况中，窗帘与窗户之间并非直接完全贴合，而是留有一定的距离(即空腔)[27]。有研究表明，空腔的深度和材料的低频吸声系数成正相关，当空腔深度增加时，材料在低频段的吸声性能将会有大幅的提高[28-29]。

2.1.1 窗帘织物组织设计

棉纤维本身具有蓬松、质轻、多孔隙的特点，因而棉织物能够产生良好的吸声效果。蜂巢织物较为松软、厚实，保温性能好，表面具有显著的立体感，其一般相较于平纹、斜纹织物显现出质轻、柔软、弹性好等特点[27,30]。织物本身疏松的组织结构使其具有了良好的吸声性能。接结双层织物在棉、毛织物中有较广泛的应用，一般用于织制正反面两用织物、家居织物等。利用蜂巢组织独特的组织特点，通过双层织物接结复合，在一定程度上增加了织物的厚度，双层织物间形成的较大空隙中滞留有静止空气，可以同时赋予面料吸声和隔热的功能。因此，本文吸声窗帘的设计实例采用接结双层组织作为织物组织，其中表、里组织为蜂巢组织，接结方法为下接上接结法，边组织为2/2经重平组织。图1所示为表、里组织组织图。

图1 接结双层表、里组织的组织图Fig.1 Weave diagram of stitching double outer and inner weave.(a)Outer weave;(b)Inner weave

2.1.2 窗帘织物图案及配色设计

早晨的朝阳是本设计的灵感来源。整体织物设计为横向条纹，在每个循环的连接处配置平纹组织，蜂巢组织和平纹组织相互交错，使得面料富有层次，更具立体感。色彩设计上，该面料以蓝色和橘红色为主调，使用少量米白色进行装饰。色经、色纬排列如表1所示。

表1 色经色纬排列Tab.1 Color warp and weft arrangement

2.1.3 窗帘织物织造工艺设计

由于棉型织物保形性、硬挺性相对较差，故选用涤棉混纺纱线，以改善其保形性，且棉和涤纶纤维、纱线均具有较好的吸声效果[15]。织物成品规格与上机工艺如表2、3所示。

表2 窗帘织物成品规格Tab.2 Finished curtain fabric specifications

表3 窗帘织物上机工艺Tab.3 Curtain fabric looming process

织物使用半自动小提花小样织机(天津工业大学纺织科学与工程学院自主设计研发)进行织造，织物上机图如图2所示。织造上机时，分为前、后区穿综，其中边经穿入前2片综内，表经穿入前区综片，里经穿入后区综片。织造过程中，纬纱按照米白色∶蓝色∶橘红色=48∶8∶8的顺序进行投纬。

图2 窗帘织物上机图Fig.2 Looming drafting of curtain fabric

2.1.4 窗帘织物织造实物及效果模拟

图3所示为面料A、B面织造实物图。使用Adobe Photoshop软件对面料进行应用效果模拟，织物模拟应用效果图如图4所示。

图3 面料A、B面织造实物图Fig.3 Weaving figure of fabric(a) A and(b) B side

图4 窗帘织物模拟应用效果图Fig.4 Curtain fabric simulation application renderings

2.1.5 窗帘织物吸声性能测试

使用阻抗管法对窗帘织物的吸声性能进行测试，测试设备为SCM201型阻抗管(比利时LMS公司)，并以吸声系数作为评价指标，测试结果如图5所示。

图5 面料A、B面分别作受声面时的频率-吸声系数曲线Fig.5 Frequency-sound absorption coefficient curves of fabrics A and B side with receiving surface

从图5可以看出，随着声波频率的增加，织物的吸声系数逐渐增大。当频率在3 500～5 000 Hz时，吸声系数在0.2数值处上下波动。将2条吸声曲线进行对比发现，以面料的A面作为受声面时，其吸声系数在3 500～3 750 Hz范围内均大于0.2，要优于以面料的B面作为受声面时的吸声性能。此外，对比同类研究[23]中，使用涤纶纤维分别设计织造的单层平纹和蜂巢组织织物，其吸声系数在声波频率为3 500～5 000 Hz的范围内，均小于0.2，且吸声系数曲线的波动略大。

2.2 软装壁布设计实例

软装壁布被称为“墙面上的时装”，同时，壁布也被视为一种极佳的吸声材料，室内空间里的声音经墙布吸收、衰减处理后，又通过漫反射传入人耳，声音变得更加清晰圆润[31-32]。

2.2.1 壁布织物组织设计

麻型织物表面较为粗糙，具有较好的吸声性能[33]。此外，大麻、罗布麻等麻纤维是天然的抗菌抑菌材料，具有独特的布面风格及保健性能。

鸟眼组织设计如图6所示。相较于透孔组织而言，鸟眼组织孔隙较小且粗糙，在低频范围内对声波有较强的衰减作用，且吸声系数比较大，在高、低频段内的吸声性能波动较小[13]。同时，鸟眼组织中部分结构的平均浮长线较长、交织点少，这使得织物结构较为蓬松，内部含有更多的空气[34]。因此，本文软装壁布的设计实例短纤维采用鸟眼组织作为布身的基本组织，并在其周围配置四枚破斜纹和平纹组织，布边组织为2/2经重平。

图6 鸟眼组织图Fig.6 Weave diagram bird’s eye tissue

2.2.2 壁布图案及配色设计

考虑麻型织物独特的粗犷风格，此面料在整体图案上设计为格子花纹。

软装壁布是对室内墙面进行装饰，壁布色彩在一定程度上能为室内空间的设计定下基调。亮色的设计可以提升整体空间的明亮度，在视觉上增加空间的区域面积。在色彩设计上做了2种配色设计，主要是通过纬纱的换色来改变面料色彩。配色1(C)的主色调为黄绿色，使用白色和黄色作为经纱颜色，绿色和金色作为纬纱颜色；配色2(D)的主色调为黄紫色，经纱颜色不变，纬纱颜色为紫色和金色。金色提升了整体面料的亮度，使得空间更显宽敞、明亮。

2.2.3 壁布织造工艺设计

在本文设计中，经纱选用白色纯棉S捻合股纱线和黄色麻毛混纺纱线，按24∶8进行色纱排列；纬纱使用绿色纱线和金色粘胶纱线，织造时纬纱按照16∶4的顺序进行投纬。织物成品规格与上机工艺如表4、5所示。

表4 壁布织物成品规格Tab.4 Finished wall fabric specifications

表5 壁布织物上机工艺Tab.5 Wall fabric looming process

织物使用由天津工业大学纺织科学与工程学院自主设计研发的半自动小提花小样织机进行织造，织物上机图如图7所示。

图7 软装壁布织物上机图Fig.7 Looming drafting of soft wall fabric

2.2.4 壁布织造实物及效果模拟

图8所示为2种配色面料C、D实物图。使用Adobe Photoshop软件对面料进行应用效果模拟，织物模拟应用效果图如图9所示。

图8 2种配色面料C、D实物图Fig.8 Weaving figure of two colors matching fabrics. (a) C and (b) D

图9 软装壁布模拟应用效果图Fig.9 Soft wall fabric simulation application renderings

2.2.5 壁布吸声性能测试

使用阻抗管法对面料进行吸声性能测试，测试设备为SCM201型阻抗管(比利时LMS公司)，并以吸声系数作为评价指标，测试结果如图10所示。

图10 面料C、D的频率—吸声系数曲线Fig.10 Frequency-sound absorption coefficient curves of fabrics C and D

从图10可以看出，面料C、D的吸声系数曲线在3 500～5 000 Hz的频率范围内于0.2数值处上下波动。对比2条频率—吸声系数曲线发现，在声波频率为3 500～3 750 Hz时，面料D的吸声系数均大于0.2，其吸声性能在此频率范围内要优于面料C。

3 结束语

本文通过对纺织材料的吸声性能和室内装饰纺织品吸声功能的理论研究，从织物组织设计、图案及配色设计、织造工艺设计和实物织造及效果模拟方面综合考虑织物的装饰美观性和吸声功能性，设计并织造了具有吸声效果的2种面料：由蜂巢组织所形成的接结双层棉型织物和以鸟眼组织为基础织制的单层麻型织物。对面料进行阻抗管法吸声测试，得出结论：2种面料在3 500～5 000 Hz频率范围内，吸声系数在0.2数值处上下波动，2种面料均具有一定的吸声能力。通过对吸声功能性室内装饰纺织品的设计实践，以期为室内纺织品的功能性设计提供更多的设计灵感。