Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu sự truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi

Luận án tiến sĩ phân tích nghiên cứu sự truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri thức mới cho ngành.

• Tác giả: Phạm Ngọc Thành
• Người hướng dẫn: GS. TS Trần Ích Thịnh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ học
• Đề tài: Nghiên Cứu Truyền Âm Qua Tấm Composite Cốt Sợi
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu truyền âm qua tấm composite cốt sợi

Nghiên cứu về truyền âm qua tấm composite cốt sợi đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực cơ học và vật liệu. Tấm composite cốt sợi được biết đến với khả năng giảm thiểu tiếng ồn và rung động, điều này rất quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Việc hiểu rõ về tính chất vật lý của tấm composite sẽ giúp tối ưu hóa thiết kế và ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

1.1. Giới thiệu về vật liệu composite và ứng dụng

Vật liệu composite là sự kết hợp của hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau, tạo ra một sản phẩm với các tính chất vượt trội. Ứng dụng của tấm composite cốt sợi rất đa dạng, từ ngành hàng không đến xây dựng, nhờ vào khả năng chịu lực và giảm tiếng ồn.

1.2. Lý thuyết truyền âm trong vật liệu composite

Lý thuyết truyền âm trong vật liệu composite liên quan đến cách sóng âm di chuyển qua các lớp vật liệu khác nhau. Phân tích truyền âm giúp hiểu rõ hơn về cách mà âm thanh tương tác với cấu trúc của tấm composite.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu truyền âm qua tấm composite

Mặc dù có nhiều lợi ích, nhưng việc nghiên cứu tổn thất truyền âm qua tấm composite cũng gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như độ dày, loại vật liệu và điều kiện biên có thể ảnh hưởng lớn đến hiệu suất truyền âm. Việc xác định các yếu tố này là rất quan trọng để tối ưu hóa thiết kế.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất truyền âm

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến tổn thất truyền âm, bao gồm loại vật liệu composite, độ dày tấm và góc tới của sóng âm. Việc phân tích các yếu tố này giúp cải thiện hiệu suất truyền âm.

2.2. Thách thức trong việc đo lường và kiểm tra

Việc đo lường tổn thất truyền âm trong các tấm composite cốt sợi gặp nhiều khó khăn do sự phức tạp trong cấu trúc và tính chất vật liệu. Cần có các phương pháp kiểm tra chính xác để đảm bảo độ tin cậy của kết quả.

III. Phương pháp nghiên cứu truyền âm qua tấm composite cốt sợi

Để nghiên cứu truyền âm qua tấm composite, nhiều phương pháp đã được áp dụng. Các mô hình lý thuyết và thực nghiệm giúp đánh giá hiệu suất của tấm composite trong việc giảm tiếng ồn và rung động. Việc sử dụng các công nghệ hiện đại trong nghiên cứu là rất cần thiết.

3.1. Mô hình lý thuyết trong nghiên cứu

Mô hình lý thuyết giúp dự đoán tổn thất truyền âm qua tấm composite. Các phương trình dao động và điều kiện biên được sử dụng để mô phỏng hành vi của tấm dưới tác động của sóng âm.

3.2. Phương pháp thực nghiệm và kiểm tra

Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc chế tạo mẫu và đo lường tổn thất truyền âm trong các điều kiện khác nhau. Kết quả thực nghiệm sẽ được so sánh với mô hình lý thuyết để kiểm tra độ chính xác.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tấm composite cốt sợi trong giảm tiếng ồn

Tấm composite cốt sợi đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực để giảm tiếng ồn. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng tấm composite có thể cải thiện đáng kể hiệu suất truyền âm trong các thiết bị và công trình xây dựng.

4.1. Ứng dụng trong ngành hàng không

Trong ngành hàng không, tấm composite cốt sợi được sử dụng để giảm tiếng ồn trong khoang máy bay. Việc này không chỉ cải thiện trải nghiệm của hành khách mà còn giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.2. Ứng dụng trong xây dựng và giao thông

Tấm composite cũng được sử dụng trong xây dựng và giao thông để giảm tiếng ồn từ các phương tiện. Ứng dụng này giúp tạo ra môi trường sống yên tĩnh hơn cho cư dân.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu truyền âm qua tấm composite

Nghiên cứu về truyền âm qua tấm composite cốt sợi đang mở ra nhiều hướng đi mới trong việc giảm tiếng ồn và rung động. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp hiệu quả hơn cho các vấn đề liên quan đến âm thanh trong công nghiệp.

5.1. Tương lai của vật liệu composite trong nghiên cứu âm thanh

Vật liệu composite sẽ tiếp tục được phát triển với các tính năng mới, giúp cải thiện khả năng giảm tiếng ồn. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và tính chất vật liệu.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các mô hình lý thuyết chính xác hơn và cải thiện phương pháp thực nghiệm để đo lường tổn thất truyền âm một cách hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng xử dao động âm qua các kết cấu dạng tấm composite lớp, cốt sợi trực hướng, tấm kép 4 composite lớp trực hướng có khoang khí và tấm composite sandwich có lõi bằng vật liệu xốp. Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết về truyền âm qua kết cấu tấm composite lớp, cốt sợi trực hướng chịu điều kiện biên bản lề và ngàm bốn cạnh. Chương 3: Nghiên cứu lý thuyết về truyền âm qua kết cấu tấm kép composite lớp, cốt sợi trực hướng có chứa khoang khí chịu điều kiện biên bản lề và ngàm bốn cạnh. Chương 4: Nghiên cứu lý thuyết về truyền âm qua kết cấu tấm composite sandwich với các lớp da là composite lớp cốt sợi trực hướng và lớp lõi là vật liệu xốp.

Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm xác định tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm composite sandwich với hai lớp da là composite lớp cốt sợi thủy tinh/nền polyester không no và lõi là vật liệu PU xốp. Kết luận và kiến nghị: Trình bày các kết quả chính, những đóng góp mới của luận án và hướng nghiên cứu phát triển trong tương lai. Các công trình đã công bố của tác giả có liên quan đến đề tài luận án. Tài liệu tham khảo Phụ lục.

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trong chương này, tác giả trình bày tổng quan về truyền âm qua các kết cấu tấm dạng tấm đơn, tấm kép có khoang khí và tấm composite sandwich có lõi là vật liệu xốp bị kích thích bởi sóng âm hoặc trường sóng phẳng trong môi trường không khí và chất lỏng. Phân tích các công trình khoa học đã công bố của các tác giả trong và ngoài nước nhằm đánh giá ưu, nhược điểm của các phương pháp, lý thuyết và các mô hình thực nghiệm để nghiên cứu quá trình truyền âm qua các kết cấu trên. Từ các phân tích này và căn cứ vào yêu cầu thực tiễn lựa chọn đề tài, tác giả đưa ra các nội dung nghiên cứu cho luận án. Giới thiệu về vật liệu composite Compsite là vật liệu được tổng hợp nên từ hai hay nhiều loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu.

Vật liệu composite bao gồm có vật liệu nền và cốt. Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt, bền hoá và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu nền của composite có thể là polyme, các kim loại và hợp kim, gốm hoặc các bon. Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao.

Các cốt của composite có thể là các hạt ngắn, bột, hoặc các sợi cốt như sơi thuỷ tinh, sợi polyme, sợi gốm, sợi kim loại và sợi các bon,…Về mặt đặt bài toán của cơ học, người ta còn định nghĩa vật liệu composite là vật liệu mà tính chất của nó phụ thuộc vào tọa độ. Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần đẻ tạo ra một vật liệu mới có độ bền theo mong muốn. Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại (như nhẹ, lại chịu được nhiệt lên đến 3000oC,…) chỉ có composite mới đáp ứng nổi, vì vậy, vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới. Gần đây, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã tạo ra thêm một số vật liệu mới như vật liệu polymer, vật liệu nano, vật liệu bio, vật liệu composite, vật liệu composite sandwich,… Trên thế giới, vật liệu composite đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực hàng không, ô tô, tàu thủy,.

do tính hiệu quả không những về mặt độ bền mà cả về mặt kinh tế, thẩm mỹ,. 6 Vật liệu composite sandwich Vật liệu composite sandwich là vật liệu gồm hai lớp da mỏng có độ bền cao liên kết với lớp lõi dày nằm ở giữa. Thông thường lớp da có độ cứng cao, lớp lõi tương đối mềm và linh hoạt, khi các lớp này kết hợp với nhau sẽ tạo ra vật liệu composite sandwich có độ bền cao (nhất là khả năng chịu uốn và cắt) và trọng lượng nhẹ (hình 1. Độ kết dính của lớp da và lớp lõi là tiêu chí quan trọng cho việc chịu tải và nâng cao cơ tính của vật liệu composite sandwich.

Trong quá trình tính toán thiết kế, vật liệu composite sandwich phải đáp ứng một số các tiêu chí về cấu trúc như: lớp da đủ dày để chịu được tải trọng kéo, nén và biến dạng. Lớp lõi cần đủ dày và có mô đun cắt đủ lớn để chống uốn cho toàn bộ tấm sandwich khi chịu tải trọng uốn. Cấu trúc vật liệu composite sandwich cần phù hợp để tránh gây ra hiện tượng độ võng vượt quá giới hạn khi chịu tác dụng của tải. 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]. Cơ tính riêng của một số vật liệu thường gặp [2] Mô đun Ứng suất Khối lượng Mô đun Độ bền Vật liệu đàn hồi phá hủy kéo riêng riêng riêng (GPa) (MPa) (kg/m3) (MNm/kg) (kNm/kg) Thép 210 340 - 2100 7800 26,9 43 - 270 Hợp kim nhôm 70 140 - 620 2700 25,9 52 - 230 Gỗ 30 - 390 33,3 - Thủy tinh 70 700 - 2100 2500 28 280 - 840 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. Cơ tính riêng của một số vật liệu lõi thường gặp [2] Khối lượng riêng Modun cắt Độ bền cắt Vật liệu lõi (kg/m3) (MPa) (MPa) PVC foam 75 25 0,8 PVC foam 130 40 1,9 PVC foam 190 50 2,4 PU foam 100 10 0,6 PU foam 190 30 1,4 Foam dạng tấm 400 430 - Foam dạng tấm 800 1000 21 Gỗ balsa 100 110 1,4 Gỗ balsa 180 300 2,5 Lõi nhôm dạng tổ ong* 70 455/205 2,2/1,4 Lõi nhôm dạng tổ ong * 130 895/365 4,8/3,0 Lõi GRP dạng tổ ong* 80 117/52 2,3/1,4 Lõi aramid dạng tổ ong 65 53/32 1,7/1,0 *: Giá trị theo phương dọc và phương ngang của lõi tổ ong hình lục giác Hình 1. Vật liệu composite sandwich có lõi PU [2].

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) Vật liệu composite sandwich lõi dạng sóng. Lý thuyết truyền âm 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, sắp xếp không có trật tự và được lan truyền trong môi trường đàn hồi. Tiếng ồn là những âm thanh không mong muốn. 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).2) T *   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 biên độ dao động là độ dời lớn nhất của các phần tử so với vị trí cân bằng. Biên độ áp suất lớn nhất (PM), biên độ áp suất căn bậc hai trung bình (Root Mean Square: rms), Prms, có đơn vị là Pascal (Pa) và Prms = 0,707PM.

Biên độ dao động thể hiện độ mạnh, yếu của âm thanh. Biên độ càng lớn, âm thanh càng mạnh. Biểu đồ thể hiện biên độ và bước sóng [1]. Áp suất âm Áp suất âm (p) là sự chênh lệch áp suất cục bộ so với áp suất khí quyển trung bình gây ra bởi một sóng âm.

Áp suất âm trong không khí có thể được đo bằng microphone, và trong nước bằng cách dùng hydrophone. Đơn vị SI cho áp suất âm là pascal (ký hiệu: Pa). Phương trình áp suất âm [3]: p  t   p0 sin  2 f  t (1. Một áp suất âm đơn thuần nhất (tần số nhất định) tạo ra một sóng hình sin như sau: Hình 1.

Sóng hình sin [1]. Vân tốc âm phụ thuộc vào môi trường truyền. Trong điều kiện chất khí lý tưởng (vận tốc của môi trường truyền âm bằng không), hàm tốc độ phụ thuộc vào nhiệt độ của khí.4) trong đó: gc là hệ số chuyển đổi, 1gc = 1kg.s2; χ là tỉ số nhiệt dung riêng; R: hằng số khí, R = 287J/kg. Tốc độ truyền âm trong không khí ở 200C khoảng 340 m/s; trong nước khoảng 1.

Mức áp suất âm Mức áp suất âm là một thước đo âm lượng của âm thanh, so với ngưỡng nghe, được đo bằng dB (decibel). Mức áp suất âm được xác định bởi phương trình [3]:  p t   p t  2 Lp  10log    20log  dB  (1.5)  pref  pref trong đó: Lp là mức áp suất âm; pref là áp suất âm tiêu chuẩn, pref =2.10-5 N/m2 (20μPa) đối với âm thanh trong không khí. Biểu đồ áp suất âm [1]. Âm thanh nghe thấy, 3.

Áp suất khí quyển, 4. Áp suất âm tức thời 1. Cường độ âm và mức cường độ âm Cường độ âm thanh là lượng năng lượng được sóng âm truyền đi trong một đơn vị thời gian qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm. Cường độ âm thanh được xác định bởi [3]: Hình 1.

Cường độ âm [1] Đối với sóng phẳng: I p c  W / m2  (1.6) 11 trong đó: c là vận tốc âm thanh (m/s2); ρ là mật độ hạt (mật độ môi trường). Đối với sóng cầu: I W 4 r 2  W / m2  (1.7) trong đó: W là công suất âm (W/m2). Mức cường độ âm được định nghĩa: I LI  10log (dB) (1.8) I ref trong đó: Iref là cường độ âm tiêu chuẩn, Iref = 10-12 W/m2 1. Công suất âm và mức công suất âm Công suất âm thanh là tỷ lệ năng lượng âm thanh được phát ra, phản xạ, truyền đi hoặc nhận được, trên đơn vị thời gian.

Đơn vị SI của công suất âm thanh là watt (W). Nó là công suất của lực âm thanh trên bề mặt của môi trường truyền sóng âm thanh.