甘蔗生产是巴西的主要经济支柱之一，但甘蔗渣废物的排放，影响了环境保护和可持续发展。
随着全球可持续发展受到关注，越来越多的资源被重新利用，废弃物被转化为高附加值的产品。因此，研究甘蔗渣废弃物的再利用至关重要。 6park.com
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纤维尺寸是制备复合材料过程中，重要的参数之一，它对材料的声学性能具有重要影响。可以通过研究，甘蔗渣纤维制成的复合材料声吸收行为，纤维尺寸在其中的影响，探索甘蔗渣废弃物的再利用方式。
«——【·实验材料和方法·】——»
用碾压过的甘蔗渣(SCB)废弃纤维作为测试材料，经过处理、清洗、碾磨和筛选，以得到所需的纤维尺寸。 6park.com
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首先将测试材料碾碎后，在混合器中混合，直到形成一团小块状的纤维物。然后在旋转机器中研磨以获得细和粗纤维。
选取一组筛网对纤维进行分类，细纤维尺寸从0.29mm到0.37mm。 6park.com
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细纤维尺寸：从0.79mm到1.3mm；半粗纤维尺寸：从2.32mm到3.34mm；粗纤维尺寸：从5.31mm到7.20mm。
确定了纤维尺寸后，根据所需的样品堆积密度和厚度，计算出制备每个样品（即由纤维和粘结剂混合制成的样品）所需的纤维总质量。 6park.com
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用聚乙烯醇作为粘结剂，将甘蔗渣废弃物纤维，固定在一起并形成样品。将5g PVA溶于100ml水中，在80℃的条件下旋转500rpm搅拌3小时，直到得到5%的均质溶液。根据试错法，确定了制备每个样品所需的粘结剂体积，并估计粘结剂量为纤维总质量的10%。 6park.com
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使用一组活塞和圆柱模具，制成纤维和粘结剂混合物。首先将混合物注入模具中，然后手动压力机在模具上施加压力30分钟，以形成样品。然后将通过此过程形成的样品放入烤箱中干燥6小时。 6park.com
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制备完成后，样品先放置冷却后再进行吸声系数评估。
通过在制备过程中修改纤维尺寸的数值，从甘蔗渣废弃物材料中，获得了四种不同类型的样品，下表显示了这些样品的主要特性。 6park.com
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所有制备的样品都具有恒定的厚度30mm、堆积密度为200 kg/m3，和粘结剂比例为10%。但是，纤维尺寸范围在0.29mm到7.20mm之间；这可以评估纤维尺寸，对样品声吸收系数的影响。
«——【·实验程序·】——»
材料的孔隙率(φ)可以根据，影响声吸收性能的物理特性进行表征。因此，孔隙率定义为，单根纤维观测到的孔隙体积，与制备样品总孔隙体积的比率。样品的孔隙率，基于纤维密度(ρ fiber)和堆积密度(ρ bulk)进行计算： 6park.com
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下面这张图展示了，甘蔗渣纤维的场发射扫描电子显微镜（FESEM）的物理特征。利用图像处理技术，测量出SCB纤维的直径为320 ± 80微米。 6park.com
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声学领域中，材料的空气流阻，是估算声吸收性能的关键参数之一。样品的空气流阻，是通过考虑给定的体积流率，并在空气流穿过样品时，计算压差来确定的。根据数学关系，样品的空气流阻可以通过以下公式计算： 6park.com
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d为样品厚度，A为横截面积，p2- p1为根据ISO 9053 测量的空气流入产生的压力降，Q为通过样品绘制的体积流率。Tarbiat Modares大学的仪器，使用直接空气流方法，测量具有开放孔隙率的多孔材料空气流阻。 6park.com
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压缩空气通过软管流经样品架，并穿过样品进入周围环境。压力传感器测量样品，压差与空气流速的函数关系。在各种流速范围内测量多个压力降，范围从10到50 mm/s。
通过外推方法计算0.5 mm/s时的空气阻力，使用公式计算每个SCB纤维的空气流阻。在评估过程中考虑了测量的再现性，以避免误差。 6park.com
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根据ISO 10,534-2，采用阻抗管法测量样品的声吸收系数值。因此，在确定样品的声吸收系数值之前，使用了两个麦克风阻抗系统，来记录系统扬声器产生的声学信号。
然后使用BSWA VA-Lab4软件，协助处理系统数据采集组件获得的数据。在使用软件之前，进行了1 kHz和114 dB声压级的校准。 6park.com
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采用不同管径（30 cm和100 mm），和麦克风间距的阻抗管系统，较小和较大管用于计算样品的声吸收系数。评估是通过参考频率范围为0.2到6.3 kHz进行的。
为了误差最小化，并增强阻抗管测量的可靠性和重复性，每个样品的所有测试，均至少重复三次。在测量过程中，所有环境条件，如背景噪声水平、环境温度等，保持恒定。 6park.com
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用D-B模型进行声吸收系数值的建模和预测，与其他类似经验模型一样，D-B模型不一定考虑多孔介质孔隙中声波的传播。然而，该模型考虑了基于以下方程式，幂律关系和非声学参数。 6park.com
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ρ0和c0分别是空气的密度和声速，Zc是特征阻抗；Kc是传播常数；f是频率；ω是角速度；σ是静态气流阻抗；R是声压反射系数；Zs是表面阻抗；最后，d是样品的厚度。
声吸收系数的计算公式为：α=1-∣R∣² 6park.com
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D-B模型已经通过有效性测试，和在测量声吸收性能时，使用较厚的样品来找出其缺点。为了避免这种缺点，研究人员对D-B模型进行修改，以增加估计的准确性。
通过包含材料的物理和声学特性值，如特征阻抗，显著提高了D-B模型的效率。这随后将在低频间隔中，特别提高D-B模型预测值的准确性。 6park.com
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为了解决所选择经验模型的局限性，采用了最佳拟合Nelder-Mead Simplex (NMS)算法方法，生成适当的ci（其中i=1…8）系数，还将结果与实验数据进行了比较。
用MATLAB软件定义代码和优化NMS方法，生成的ci系数在表中呈现。因此，将数学方程赋给估计，测量值和预测值之间的平方差。 6park.com
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«——【·纤维尺寸对声吸收性能的影响·】——»
采用不同的纤维尺寸，由SCB废弃纤维制成的样品，声吸收性能也发生了变化。同时，应用数学模型（D-B模型）和最佳拟合方法，来预测样品的声学性能。将实验结果与预测数据进行比较，可以更好地理解不同样品的声吸收性能。 6park.com
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根据上面这张图可以看出来，在纤维尺寸增加的情况下，所有频率范围内，平均声吸收性能会降低，声学吸收的第一个峰值是四分之一波长共振的结果。
即在材料内的声波的波长，相当于四倍厚度时的频率。这取决于材料中声波的传播速度，又取决于透气性，和曲折性以及厚度。 6park.com
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声吸收峰值的频率为1000 Hz，这表明甘蔗废弃纤维，在较低频率范围内，对噪声控制具有足够的效率，从中高频率间隔略有降低。
«——【·空气流阻对声吸收性能的影响·】——»
样品对空气流动施加的阻力称为空气流阻，这是纤维材料，非破坏性测量声吸收性能，从样品数据中确定，吸声系数的关键物理特性。换句话说，样品的声学吸收能力，可以根据这些电阻值来评估。 6park.com
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利用Kozeny - Carman模型预测了聚酯纤维样品的流阻，从它们的声学吸收系数值中推断出，这些样品具有不同的体积密度，和纤维直径。
实验和理论发现，聚酯纤维样品的流阻，随着体积密度的平方成比例增加，随着纤维直径平方的减小而减少。 6park.com
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由于纤维尺寸值的变化，对气流的电阻性以及样品的声吸收系数，也会发生变化。根据下面这张图可以得知，空气流阻的值与样品的声学性能之间，存在直接关系。也就是说，电阻值的升高，有助于提高样品的声学吸收性能。
但是纤维尺寸值与空气流电阻性，和声吸收系数都呈反比关系。发现吸声系数在中频范围内相当显著。因此，更高水平的表面摩擦会导致能量损失的增加，从而提高声学性能的水平。 6park.com
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纤维尺寸的减小可以提高样品的声学吸收性能，当纤维尺寸增加时，空气流阻和声吸收系数会降低。结果还表明，纤维尺寸的增加导致空气流阻的减少，并且显著影响了样品的吸声能力。
«——【·与数学模型的比较·】——»
在声学领域，利用模型预测天然纤维声学吸收能力的方法。这些模型主要分为经验和现象学两类。采用D-B经验模型，和最佳匹配-NMS方法来获得声学吸收系数，同时对样品进行实验分析。 6park.com
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两种方法得到的结果进行了比较，显示出模型的预测与实验分析的声学吸收系数，以及从D-B模型，三者得到的结果之间存在一致性。
在图表中应用D-B模型、最佳匹配方法和实验技术的结果比较，表明所得系数一致，足够以估计样品的声学吸收性能。 6park.com
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表格显示了通过实验、D-B模型和最佳匹配方法，估计的声学吸收平均值（SAA）的数值。从表中可以看出，随着纤维尺寸的增加，SAA的值显著降低。
在三分之一频带，频率为200-2500 Hz之间，其值略有增加。此外图表显示，最佳匹配模型有效地预测了中频范围内的值。 6park.com
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«——【·结论·】——»
甘蔗废弃物秸秆得到的纤维，被认为是潜在的可持续和高效吸音材料。虽然合成吸音材料在声学领域已被广泛应用，但其环境和健康影响被视为禁忌因素。
通过对经验法（D-B模型）和最佳拟合反比例定律的比较，对阻抗管实验的实验结果进行研究，确定了甘蔗废弃物纤维，是一种可靠的吸音材料。 6park.com
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最佳拟合方法得出的结果，与阻抗管得到的数据相比表现出更好的结果。当进行修正以避免样品放置误差时，更细的纤维，在测量结果和预测数据之间的误差更小。
研究结果表明，甘蔗渣废弃物可以制备出良好的声吸收材料，并且纤维尺寸对声吸收行为的影响非常显著。 6park.com
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在开发新型吸音材料的过程中，需要考虑纤维尺寸，并选择最佳的尺寸组合，以来获得最佳的声学性能，这项研究为甘蔗渣废弃物的再利用提供了新的思路。
参考文献：
1. B. Van der Auweraer, et al. "Sound absorption of polyurethane foams made from a mixture of polyol and liquefied sugarcane bagasse." Applied Acoustics, vol. 140, pp. 245-253, 2018.
2. S. H. Kim, et al. "Acoustical properties of sound absorbing panels made from waste sugar cane bagasse." Applied Acoustics, vol. 73, no. 6, pp. 565-572, 2012.
3. G. Li, et al. "Sound absorption properties of natural fiber composites using sugarcane bagasse fibers." Journal of Applied Physics, vol. 109, no. 10, pp. 104906-1-104906-6, 2011.
4.Malawade, U. A., and M. G. Jadhav. 2020. Investigation of the acoustic performance of bagasse. Journal of Materials Research and Technology 9 (1):882–89. doi:10.1016/j.jmrt.2019.11.028.
5.Mohammadi, F., A. Roedl, M. Ali Abdoli, M. Amidpour, and H. Vahidi. 2020. Life cycle assessment (LCA) of the energetic use of bagasse in Iranian sugar industry. Renewable Energy 145:1870–82. doi:10.1016/j.renene.2019.06.023.