《Buildings》：Acoustic Characteristics of Coconut and Sugarcane Fibre Composites with Starch Binders: Effects of Fibre-to-Binder Ratio on Sound Absorption and Transmission Coefficient
Nuushuun Archie Gboe,
Robert Ru?ickij and
Raimondas Grubliauskas
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为了解决室内噪声污染及合成声学材料的环境负担问题，研究人员系统研究了椰纤与蔗纤复合材料在不同淀粉粘合剂（木薯、玉米、马铃薯淀粉）及纤维-粘合剂配比下的声学性能。结果表明，椰纤复合材料在特定配比下具有更高的峰值声吸收系数（α可达0.95），而蔗纤复合材料表现出更优的声透射抵抗性（τ可低至0.02）；其中蔗纤-玉米/木薯淀粉复合材料在声吸收与低透射之间取得最佳平衡，展现了其在可持续室内声学板材中的应用潜力。
在城市化的快速进程中，建筑内部的噪音污染日益成为影响人们生活质量的重要因素。无论是繁忙的办公室、开放的公共空间，还是安静的住宅区，噪音都会显著干扰人们的沟通、工作专注度乃至身心健康。与此同时，建筑行业也面临着巨大的环保压力，传统的合成声学材料在生产与废弃处理过程中常伴随着大量的资源消耗与环境污染。在此背景下，探索可再生、可降解的环保型声学材料成为了一个紧迫的研究方向。农业废弃物，如椰子和甘蔗的纤维，因其天然的纤维性与多孔结构，具备将声音能量耗散的潜力，为开发可持续的声学板材提供了理想的原材料。然而，如何将这些天然纤维与同样源自自然的粘合剂（如淀粉）有效结合，并系统评估其在真实声学环境下的性能，尤其是在控制声音吸收与声音透射两方面的平衡，成为了研究的核心挑战。
本研究系统探究了由椰子纤维(Coconut fibre, CF)和甘蔗纤维(Sugarcane fibre, SF)与三种不同的天然淀粉粘合剂（木薯淀粉、玉米淀粉、马铃薯淀粉）结合而成的复合材料。研究人员将纤维-粘合剂配比（Fibre-to-binder ratio）从1:1.0系统性地调整至1:0.1，并在恒定的厚度（20 mm）和密度（200 kg/m3）下制备了所有样品。研究采用了两种核心声学测量技术：依据ISO 10534-2标准，使用两麦克风阻抗管测量法测定声音吸收系数(Sound absorption coefficient, α)；依据ASTM E2611标准，使用四麦克风阻抗管系统测定声音透射系数(Sound transmission coefficient, τ)。此外，还通过气体比重法测定了复合材料的孔隙率(Porosity)，以分析孔隙结构与声学性能之间的关联。
3.1. Coconut and Sugar Fibre Composite Materials Sound Absorption Coefficient
研究发现，无论是椰纤还是蔗纤复合材料，其声吸收性能均在中等频率至高频率区间表现更佳。
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椰纤复合材料：在木薯、玉米、马铃薯淀粉粘合剂下，特定配比实现了出色的峰值吸收。例如，椰纤-木薯淀粉体系在1:0.6至1:0.8的配比下，α值可达0.95；椰纤-玉米淀粉体系在1:0.6配比下，α值也达到0.95。
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蔗纤复合材料：整体吸收系数略低于椰纤复合材料，但在中等频率范围也表现良好，例如蔗纤-马铃薯淀粉在1:0.1配比下取得了0.84的峰值吸收系数。研究表明，降低粘合剂含量通常有利于提高材料的平均声吸收性能。
3.2. Sound Transmission Coefficient in Relation to Sound Absorption Coefficient and Porosity
声音透射系数的测量结果表明，蔗纤复合材料在抵抗声音透射方面显著优于椰纤复合材料。
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蔗纤复合材料：在几乎所有配比下，透射系数τ值都维持在较低水平，并随着频率的升高而显著降低。例如，蔗纤-木薯淀粉（1:0.3）的τ值从160 Hz时的0.11下降至5000 Hz时的0.02。
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椰纤复合材料：其透射系数普遍更高，尤其在低频区域。尽管其在部分配比下能实现高吸收，但声音也更容易穿过材料。这揭示了两种纤维在控制声音透射方面存在本质差异。
3.3. Porosity of Coconut Fibre and Sugarcane Fibre Composites with Potato, Corn, and Cassava Starch Binders
孔隙率分析显示，蔗纤复合材料的孔隙率普遍高于椰纤复合材料，且随着粘合剂含量的减少，孔隙率总体呈上升趋势。其中，蔗纤-木薯淀粉复合材料在1:0.1配比下取得了所有样品中最高的孔隙率（85.29%）。高孔隙率有助于声音进入材料内部并被耗散，但过高的孔隙率也可能导致结构过于疏松，不利于阻隔声音传播。
3.4. Comparison of Acoustic Performance of Coconut Fibre and Sugarcane Fibre Composites with Potato, Corn, and Cassava Starch Binders
综合比较发现，两种纤维-粘合剂体系呈现出不同的声学性能特征。蔗纤复合材料在声音吸收和低透射之间取得了更好的平衡，尤其是在与木薯或玉米淀粉以中等配比（如1:0.3至1:0.5）结合时，表现出优异的综合性能，更适合应用于既需要吸收噪音又需要阻隔声音传递的场合，如室内隔墙或天花板衬里。椰纤复合材料则在追求最大声吸收性能（特别是中高频）的场景中更具优势，但其对声音透射的阻隔能力相对较弱。
本研究通过系统性的实验设计，明确了纤维类型、粘合剂种类及配比对生物基声学材料性能的协同影响机制。结论指出，蔗纤复合材料，特别是与玉米或木薯淀粉在中等纤维-粘合剂配比下结合时，展现出作为可持续室内声学板材（如天花板衬板、墙面系统）的巨大潜力，实现了声吸收与低透射的较佳平衡。而椰纤复合材料则更适用于以吸收性能为首要目标的应用。这项工作不仅为利用农业废弃物开发高性能、低环境影响的建筑声学材料提供了科学依据和具体配方参考，也推动了绿色建筑和循环经济在材料科学领域的实践。未来的研究可进一步评估优选配方的机械强度、防火性能、耐久性及防潮性，以支持其在实际建筑中的大规模应用。论文发表在国际期刊《Buildings》上，作者为Nuushuun Archie Gboe, Robert Ru?ickij 和 Raimondas Grubliauskas。
