Nghiên cứu sự truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi (study on sound transmission through laminated composite plates)

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

Trong chương này, tác giả tổng quan về truyền âm qua các kết cấu tấm đơn, tấm kép có khoang khí và tấm composite sandwich với lõi vật liệu xốp, bị kích thích bởi sóng âm hoặc trường sóng phẳng trong không khí và chất lỏng Tác giả phân tích các công trình khoa học đã công bố trong và ngoài nước để đánh giá ưu, nhược điểm của các phương pháp, lý thuyết và mô hình thực nghiệm liên quan đến quá trình truyền âm Dựa trên các phân tích này và yêu cầu thực tiễn của đề tài, tác giả đưa ra các nội dung nghiên cứu cho luận án.

1 1 Giới thiệu về vật liệu composite

Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau, tạo ra một sản phẩm mới với độ bền và tính ưu việt cao hơn Composite bao gồm vật liệu nền và vật liệu cốt; vật liệu nền liên kết các cốt lại với nhau, giúp tạo ra tính nguyên khối và bền vững, trong khi vật liệu cốt cung cấp độ bền cơ học và mođun đàn hồi Vật liệu nền có thể là polyme, kim loại, gốm hoặc cacbon, và cốt có thể là hạt ngắn, bột hoặc sợi như sợi thủy tinh, polyme, gốm, kim loại và cacbon Composite có khả năng thay đổi cấu trúc hình học và phân bố vật liệu, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của kỹ thuật hiện đại như trọng lượng nhẹ và khả năng chịu nhiệt lên đến 3000°C, do đó đóng vai trò quan trọng trong cuộc cách mạng vật liệu mới.

Gần đây, sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã dẫn đến sự ra đời của nhiều vật liệu mới như polymer, nano, bio, composite và composite sandwich Vật liệu composite hiện đang được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực hàng không, ô tô và tàu thủy nhờ vào những ưu điểm vượt trội về độ bền, tính kinh tế và tính thẩm mỹ.

Vật liệu Mô đun đàn hồi

(GPa) Ứng suất phá hủy kéo

(MNm/kg) Độ bền riêng

Vật liệu composite sandwich là sự kết hợp giữa hai lớp da mỏng bền chắc và một lớp lõi dày ở giữa, với lớp da có độ cứng cao và lớp lõi mềm dẻo Sự kết hợp này tạo ra vật liệu có độ bền vượt trội, đặc biệt là khả năng chịu uốn và cắt, đồng thời vẫn giữ được trọng lượng nhẹ.

Độ kết dính giữa lớp da và lớp lõi là yếu tố then chốt cho khả năng chịu tải và cải thiện cơ tính của vật liệu composite sandwich Khi thiết kế, lớp da cần có độ dày thích hợp để chịu được tải trọng kéo, nén và biến dạng Đồng thời, lớp lõi cũng phải đủ dày với mô đun cắt cao để chống uốn toàn bộ tấm sandwich dưới tải trọng Cấu trúc của vật liệu composite sandwich cần được tối ưu hóa để tránh hiện tượng võng quá mức khi chịu tải.

Hình 1 1 Cấu tạo vật liệu composite sandwich [1]

Lớp da có thể là vật liệu composite lớp, hợp kim nhôm, hợp kim titan hoặc có thể là thép không rỉ, hợp kim kim loại chịu nhiệt [2]

Bảng 1 1 Cơ tính riêng của một số vật liệu thường gặp [2]

Vật liệu lõi được sử dụng thường là các loại vật liệu nhẹ như gỗ balsa, foam – PU

(Polyurethane), hình 1 2…và dạng rỗng như lõi tổ ong, lõi lượn sóng hình 1 3

Vật liệu lõi Khối lượng riêng

Lõi nhôm dạng tổ ong*

Lõi nhôm dạng tổ ong *

Lõi GRP dạng tổ ong*

Lõi aramid dạng tổ ong

Bảng 1 2 Cơ tính riêng của một số vật liệu lõi thường gặp [2]

*: Giá trị theo phương dọc và phương ngang của lõi tổ ong hình lục giác

Hình 1 2 Vật liệu composite sandwich có lõi PU [2]

Hình 1 3 Các dạng lõi của vật liệu composite sandwich [1]

(a) Vật liệu composite sandwich lõi gỗ balsa; (b) Vật liệu composite sandwich lõi tổ ong; (c) c 2  T

1 2 1 Sóng âm và tiếng ồn

Sóng âm là sóng cơ lan truyền trong môi trường vật chất (lỏng, khí và rắn) Sóng âm không truyền được trong môi trường chân không

Tiếng ồn là những dao động sóng âm với cường độ và tần số khác nhau, được phát tán trong môi trường đàn hồi mà không có trật tự Đây là những âm thanh không mong muốn, gây khó chịu cho con người và ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống.

1 2 2 Tần số, bước sóng, biên độ

Bước sóng (Wave lenght, λ) là khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng đơn (hoặc hai cấu trúc lặp lại của sóng)

Tần số (Frequency, f) là số lần lặp lại sóng đơn điều hòa (simple harmonic wave) trong 1s Đơn vị tần số là Hz (1Hz = 1/s) f1

* ; f ; k (1 2) trong đó: c là vận tốc truyền sóng (m/s); f là tần số (Hz); λ là bước sóng (m); k là số lượng sóng trong một khoảng cách nhất định; T * là chu kỳ (s)

Biên độ (Amplitude) là độ dời lớn nhất của các phần tử so với vị trí cân bằng, thể hiện độ mạnh, yếu của âm thanh Biên độ áp suất lớn nhất (P M) và biên độ áp suất căn bậc hai trung bình (P rms) được đo bằng đơn vị Pascal (Pa), trong đó P rms = 0,707PM Âm thanh có biên độ càng lớn thì càng mạnh.

Chu kì (Period, T *): thời gian cần thiết truyền được một khoảng cách bằng 1 bước sóng (chu kì sóng), T * = 1/f c g c  R

Hình 1 5 Biểu đồ thể hiện biên độ và bước sóng [1]

Áp suất âm (p) là sự chênh lệch áp suất cục bộ so với áp suất khí quyển trung bình, được tạo ra bởi sóng âm Trong không khí, áp suất âm có thể được đo bằng microphone, trong khi trong nước, việc đo được thực hiện bằng hydrophone Đơn vị SI cho áp suất âm là pascal (ký hiệu: Pa).

Phương trình áp suất âm được mô tả bằng công thức p(t) = p0 sin(2πft), trong đó p(t) là áp suất âm tức thời, p0 là biên độ lớn nhất của áp suất âm và f là tần số tính bằng Hertz (Hz) Áp suất âm đơn thuần với tần số cố định sẽ tạo ra một sóng hình sin.

Vận tốc âm phụ thuộc vào môi trường truyền, và trong điều kiện chất khí lý tưởng (khi vận tốc của môi trường truyền âm bằng không), tốc độ âm sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ của khí.

12 (1 4) trong đó: g c là hệ số chuyển đổi, 1g c = 1kg m/N s2; χ là tỉ số nhiệt dung riêng; R: hằng số khí, R = 287J/kg K (K là độ Kevin); T là nhiệt độ tuyệt đối, (K hoặc R) Tốc độ

Mức áp suất âm là thước đo âm lượng của âm thanh so với ngưỡng nghe, được biểu thị bằng đơn vị dB (decibel) Mức áp suất âm được xác định thông qua một phương trình cụ thể.

L p  10log 20log p  dB  (1 5) trong đó: L p là mức áp suất âm; p ref là áp suất âm tiêu chuẩn, p ref =2 10-5 N/m2 (20μPa) đối với âm thanh trong không khí

Hình 1 7 Biểu đồ áp suất âm [1]

1 Yên tĩnh, 2 Âm thanh nghe thấy, 3 Áp suất khí quyển, 4 Áp suất âm tức thời

1 2 5 Cường độ âm và mức cường độ âm

Cường độ âm thanh là năng lượng mà sóng âm truyền qua một đơn vị diện tích trong một khoảng thời gian nhất định, với diện tích này vuông góc với phương truyền âm Cường độ âm thanh được xác định dựa trên các yếu tố vật lý liên quan đến sóng âm.

Hình 1 8 Cường độ âm [1] Đối với sóng phẳng:

c  W / m 2  (1 6) trong đó: c là vận tốc âm thanh (m/s 2 ); ρ là mật độ hạt (mật độ môi trường) Đối với sóng cầu:

4 r 2  W / m 2  (1 7) trong đó: W là công suất âm (W/m2)

Mức cường độ âm được định nghĩa:

I ref (dB) (1 8) trong đó: I ref là cường độ âm tiêu chuẩn, I ref = 10 -12 W/m 2

1 2 6 Công suất âm và mức công suất âm

Công suất âm thanh đo lường tỷ lệ năng lượng âm thanh được phát ra, phản xạ, truyền đi hoặc nhận được trong một khoảng thời gian nhất định Đơn vị SI để biểu thị công suất âm thanh là watt (W).

Công suất âm thanh là mức độ lực âm thanh trên bề mặt môi trường truyền sóng Khác với áp suất âm thanh, công suất âm thanh của một nguồn không bị ảnh hưởng bởi không gian hay khoảng cách.

Công suất âm được xác định bởi [3]:

 I S (W) trong đó: S là tiết diện bề mặt âm truyền qua (m 2 )

Mức công suất âm được định nghĩa:

W 0  dB  (1 10) trong đó: L W là mức áp suất âm (dB), 1db = 10-12W; W 0 là áp suất âm tiêu chuẩn, W0 10 -12 (W)

Để đánh giá âm, thường chỉ sử dụng mức âm tổng cộng mà không phân tích theo tần số Tuy nhiên, việc phân tích âm thanh trong khoảng tần số 20 Hz - 20 000 Hz rất phức tạp và đôi khi không cần thiết Do đó, tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) khuyến nghị sử dụng các dãy tần số âm tiêu chuẩn khi nghiên cứu âm thanh và chế tạo thiết bị đo.

Mỗi dãy tần số được xác định bởi tần số giới hạn dưới f 1 và tần số giới hạn trên f 2

Khi đó bề rộng của dãy tần số được xác định:

Tần số (Hz) Số thứ tự của octave