【科技前沿】改善可持续保温材料的吸音性能：天然麻纤维

与传统的合成纤维材料相比，天然纤维是可再生材料，可用于建筑结构、噪声控制工程和声学处理。天然纤维由于其良好的吸湿性而主要用于建筑行业，如果天然纤维也能同时用于声控，那么这种材料的市场应用前景将会得到大大提升。尽管合成纤维材料的研究已有近五十年，但是我们对天然纤维的了解还很有限。天然纤维受多种物理特性的影响会产生多种不同的变化，因此在数值建模中会有多种不确定性，在声学处理的设计过程中会很复杂。

本文研究讨论了在大麻纤维材料生产过程中增强其声学性能的可能性，并研究了每种不同生产方式对该材料的物理特性及其吸声系数的影响。此外，本文通过使用Castagnède开发设计了一种简化数学模型，通过流体动力学计算方法，根据给定密度的参数，可以相对精确地评估大麻纤维材料在不同压缩率下的物理和声学性能。为了能够评估具有高压缩率的材料，即高密度和低孔隙率，本文的简化数学模型还提供了用于计算空气的一维线性方程式，并引入指数校正系数来修改流动电阻率。在每个不同的生产阶段，测量了五个不同密度和厚度的大麻纤维样品（如图1）并对实验结果进行比较，简化数学模型的数值计算结果能够预测所有实验参数，具体包括：空气流动阻力、曲折度和法向入射吸声率。同时使用反向演算从实验数据中确定了大麻材料的粘性和热特征。对比验证突出显示了数值计算方法获得的结果与实验物理参数之间的良好一致性。本文所提出的方法具有简单和实用特性，但在最高密度下以及对于具有粗糙纤维的材料，预测结果与实验数据有一定的偏差。实验结果和数值结果之间的差异与从同一样品的不同测量获得的实验标准偏差相当。此外，本文所做的法向入射的吸声实验也和Johnson-Champoux-Allard模型计算的结果进行比较，以旁证本文所用到的简化数学模型的整体可靠性。

图1 研究中使用的一种大麻纤维：（a）松散大麻纤维；（b）在试验台内d纤维材料样品；（c）用于限制样品架中纤维的金属网

资料来源：Santoni et al 2019,

Applied Acoustics Journal, iss. 150, pp 279–289.