Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Nghiên cứu sự truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi" (trong văn bản cam đoan ghi nhận tiêu đề "Nghiên cứu tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi") được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Phạm Ngọc Thành, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. TS. Trần Ích Thịnh tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào năm 2022, thuộc ngành Cơ học, mã số chuyên ngành 9440109.

Tính cấp thiết của luận án bắt nguồn từ thực trạng tiếng ồn trong các thiết bị cơ hệ như khoang máy bay, tàu hỏa, xe khách, tàu thủy và môi trường công nghiệp. Các nguồn âm thanh này gây tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và hiệu quả vận hành. Tiếng ồn bên trong các khoang thiết bị chủ yếu do kết cấu gây ra và tập trung ở dải tần số thấp (dưới 400 Hz). Để giảm thiểu tiếng ồn, các ngành công nghiệp chế tạo phương tiện và xây dựng thường sử dụng kết cấu tấm kim loại hoặc composite dưới dạng tấm đơn, tấm kép có khoang khí và tấm sandwich. Trong khi bài toán dao động âm của tấm kim loại đẳng hướng đã được nghiên cứu từ 50–60 năm trước, ứng xử dao động âm của tấm composite lớp cốt sợi trực hướng, tấm kép composite chứa khoang khí và tấm composite sandwich lõi xốp có kích thước hữu hạn với điều kiện biên cụ thể vẫn còn ít công trình công bố do tính chất phức tạp của tương tác cơ - âm. Tại Việt Nam, vật liệu composite cốt sợi/nền polymer được ứng dụng ngày càng phổ biến trong đóng tàu, vách cabin, ô tô, vỏ máy bay nhỏ, song các nghiên cứu về truyền âm qua tấm composite chủ yếu dừng lại ở thực nghiệm hoặc phương pháp phân tích thống kê năng lượng (SEA) cho kết cấu vô hạn; hướng tiếp cận bán giải tích kết hợp thực nghiệm buồng đo cho kết cấu tấm hữu hạn chịu liên kết cụ thể vẫn còn bỏ ngỏ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được tác giả xác định cụ thể theo 4 nội dung:

  1. Hiểu rõ bản chất của bài toán truyền âm thanh qua kết cấu dạng tấm kim loại đẳng hướng và tấm composite cốt sợi trực hướng; từ đó xây dựng mô hình, phương trình dao động âm và tính toán các đặc trưng truyền âm qua kết cấu tấm composite trực hướng chịu các liên kết cụ thể.
  2. Giải bài toán truyền âm qua kết cấu tấm composite cốt sợi trực hướng; tấm kép composite cốt sợi trực hướng chứa khoang không khí và tấm composite sandwich có lõi bằng vật liệu xốp; đánh giá định lượng ảnh hưởng của các yếu tố như nguồn âm thanh, vật liệu composite, kết cấu tấm đến khả năng cách âm.
  3. Làm chủ quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm đo tổn thất truyền âm qua các mẫu tấm composite sandwich cốt sợi thủy tinh/nền polyester không no có lõi là polyurethane (PU) xốp.
  4. Khẳng định độ tin cậy của các công thức và chương trình máy tính tự thiết lập trong môi trường Matlab bằng cách so sánh kết quả tính toán lý thuyết với thực nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu của luận án gồm:

  • Tấm composite lớp cốt sợi trực hướng, hữu hạn hình chữ nhật.
  • Tấm kép composite lớp cốt sợi trực hướng, hữu hạn hình chữ nhật có chứa khoang khí.
  • Tấm composite sandwich, hữu hạn hình chữ nhật có hai lớp da là composite lớp trực hướng và lớp lõi là vật liệu polymer xốp.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Nghiên cứu sự truyền âm qua kết cấu composite lớp cốt sợi/nền polymer dạng tấm, tấm kép có khoang khí và tấm sandwich lõi xốp chịu điều kiện biên ngàm và tựa bản lề bốn cạnh.
  • Giả thiết vật liệu composite đồng nhất, trực hướng, bề mặt trơn phẳng, làm việc trong giới hạn đàn hồi; các tấm mỏng thỏa mãn lý thuyết tấm Kirchhoff, lý thuyết truyền âm và lý thuyết Biot cho vật liệu xốp.
  • Phạm vi thực nghiệm tập trung đo tổn thất truyền âm trên mẫu composite sandwich cốt sợi thủy tinh/nền polyester không no lõi PU xốp tại hệ thống phòng phát - phòng thu.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan, tác giả điểm lại các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước theo từng nhóm kết cấu:

Nhóm nghiên cứu truyền âm qua kết cấu tấm đơn và tấm composite lớp:

  • Maidanik (1962) sử dụng phương pháp thống kê nghiên cứu dao động âm của tấm nhôm có gân hữu hạn liên kết tựa bản lề với điều kiện khối lượng bề mặt lớn hơn 10 kg/m².
  • Craggs và Stead (1975, 1976) dùng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cho chuyển vị của tấm và áp suất âm hệ thống phòng - tấm kim loại.
  • Loma và Hayek sử dụng hàm Green nghiên cứu tấm nhôm đẳng hướng hữu hạn tựa bản lề trong chất lỏng.
  • Donato xây dựng mô hình buồng không dội âm gồm hai phòng phát - thu để đo tổn thất truyền âm (STL) qua tấm kim loại.
  • Koval (1980) dùng FEM mô hình hóa truyền âm qua tấm composite lớp vô hạn trong khoang kín, đối chứng dữ liệu tại NASA Langley.
  • Roussos (1984) dùng lý thuyết tấm mỏng cổ điển và tích phân hàm Green nghiên cứu đặc tính truyền âm của tấm kim loại đẳng hướng và tấm composite trực hướng đối xứng hữu hạn tựa bản lề bốn cạnh.
  • Ramakrishnan và Koval kết hợp phần tử hữu hạn tấm 2D và phần tử âm 3D cho tấm composite trực hướng hữu hạn có và không có gân gia cường.
  • Mariem và Hamdi kết hợp phương pháp phần tử biên (BEM) và FEM khảo sát tấm kim loại tương tác chất lỏng.
  • Takahashi dùng tích phân Helmholtz kết hợp chuỗi Fourier và hàm Green cho tấm nhôm hữu hạn mặt hấp thụ.
  • Ljunggren áp dụng lý thuyết tấm Mindlin cho tấm nhôm dày vô hạn trong trường âm khuếch tán.
  • Harris nghiên cứu thực nghiệm các hệ thống kiểm soát tiếng ồn trên tấm kim loại đẳng hướng hữu hạn.
  • Bosmans và cộng sự áp dụng phương pháp phân tích năng lượng thống kê (SEA) cho tấm mỏng có mối nối cứng.
  • Ko dùng phương pháp ma trận truyền và chuỗi Fourier đánh giá giảm ồn qua tấm sắt vô hạn.
  • Laulagnet dùng phương trình tích phân hai lớp đối với áp suất âm cho tấm kim loại bản lề trong chất lỏng.
  • Tadeu và cộng sự khảo sát truyền âm qua tường thép đơn và kép vô hạn bằng hàm Fourier ngược.
  • Taylor và Govindjee dùng chuỗi cosin kép và công thức Sherman - Morrison - Woodbury cho tấm ngàm chữ nhật.
  • Frampton sử dụng phương trình sóng đối lưu cho tấm nhôm ngâm trong chất lỏng.
  • Kuo và cộng sự (1998, 2008) dùng ma trận truyền 2D và 3D xác định STL qua tấm composite lớp trực hướng vô hạn với các cấu hình [UD]7, [Mat]7, [Rovin]7.
  • Toyoda và cộng sự nghiên cứu tấm đơn đẳng hướng vô hạn chia lớp không khí bằng vách Acry.

Nhóm nghiên cứu truyền âm qua kết cấu tấm kép:

  • London (1950) thực nghiệm đo tổn thất truyền âm tấm hai mặt nhôm lõi gỗ ép trong trường vang.
  • Crocker và Price ứng dụng SEA cho tấm nhôm kép hữu hạn trong hệ truyền phòng - tấm - phòng.
  • Quirt đo thực nghiệm tấm kính đơn, kép, ba lớp vô hạn ở dải tần 1/3 octave.
  • Chonan và Kugo khảo sát tấm ba lớp kim loại vô hạn chịu sóng phẳng tần số cao.
  • Sas và cộng sự kết hợp giải tích, số và thực nghiệm cho tấm kép nhôm ngàm khung thép.
  • Bao và Pan nghiên cứu kiểm soát truyền âm qua tấm nhôm kép bằng các nguồn điều khiển trong khoang, trên tấm và trong phòng thu.
  • Kropp và Rebillard phân tích tối ưu hóa cách âm tấm kép kim loại ở tần số thấp.
  • Kang và cộng sự mô phỏng dò tia với hàm phân phối Gauss cho sóng âm tới tấm ngăn.
  • Villot và cộng sự tính toán âm phản xạ và truyền qua tấm kép kim loại vô hạn.
  • Antonio và cộng sự dùng Fourier ngược tính truyền âm qua tấm kép ceramic.
  • Carneal và Fuller nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ASAC (Active Structural Acoustic Control) trên tấm nhôm kép hữu hạn ngàm và tựa bản lề.
  • Brunskog dùng hàm truyền Aspatial và chuỗi cosin cho tấm kép nhẹ.
  • Chazot và Guyader dùng phương pháp áp điện (patch-mobility method) cho tấm kép nhôm có khoang khí.
  • Pellicier và Trompette kết hợp tiếp cận sóng, ma trận truyền và lý thuyết Biot cho tấm kép chứa vật liệu hấp thụ.
  • Pietrzko và Mao tổng quan điều khiển chủ động dùng cảm biến áp điện PZT và bộ cộng hưởng Helmholtz (HRs).
  • Lu và Xin dùng phương pháp Galerkin, hàm dạng điều kiện biên ngàm và tựa bản lề kết hợp lý thuyết Biot cho tấm kép kim loại có khoang khí.

Nhóm nghiên cứu truyền âm qua kết cấu tấm composite sandwich lõi xốp:

  • Lauriks và cộng sự áp dụng ma trận truyền và lý thuyết Biot cho tấm sandwich kim loại lõi xốp vô hạn.
  • Bolton và cộng sự phát triển lý thuyết Biot cho tấm sandwich nhôm lõi bọt polyurethane (PU) hữu hạn dưới góc tới âm tùy ý.
  • Panneton và Atalla kết hợp FEM 3D, lý thuyết Biot và BEM cho tấm đa lớp kim loại lõi xốp hữu hạn.
  • Lee và Kondo dùng tích phân Rayleigh và điều kiện biên bản lề cho tấm sandwich nhôm lõi polymer đàn hồi.
  • Sgard và cộng sự dùng FEM/BEM tích hợp Gauss cho tấm sandwich nhôm lõi fiberglass và foam bản lề.
  • Nilsson ứng dụng lý thuyết dầm Timoshenko và nguyên lý Hamilton xác định độ cứng uốn biểu kiến của kết cấu sandwich lõi tổ ong, nomex, PU foam; đo thực nghiệm sandwich da sợi thủy tinh.
  • Lee và cộng sự đề xuất giải pháp xấp xỉ bỏ sóng cắt, xem vật liệu xốp như chất lỏng tương đương.
  • Tanneau và cộng sự dùng thuật toán di truyền tối ưu hóa sandwich kim loại đa lớp lõi foam.
  • Joong Seok Lee và cộng sự tối ưu hóa bọt tiêu âm nhiều lớp qua ma trận truyền và lý thuyết Biot.
  • Wang và cộng sự áp dụng lý thuyết Mindlin và phương pháp trở kháng cho sandwich da composite trực hướng lõi tổ ong vô hạn.
  • Naify kết hợp đàn hồi 3D và ma trận truyền cho sandwich có khoang khí ga.
  • Zhou và cộng sự dùng lý thuyết Biot tối ưu hóa truyền âm và trọng lượng sandwich nhôm lõi xốp.
  • D'Alessandro và cộng sự tổng hợp đánh giá ưu nhược điểm của FEM, BEM, SEA và lý thuyết Biot.
  • Petrone và cộng sự kết hợp FEM và tích phân Rayleigh rời rạc cho tấm Aluminium Foam Sandwich.
  • Shojaeifard và cộng sự kết hợp SEA, lý thuyết tấm cổ điển và lý thuyết Biot cho tấm kép composite trực hướng lõi PU vô hạn.
  • Sahu và cộng sự dùng COMSOL và giải tích khảo sát sandwich nhôm lõi viscoelastic.
  • Cherif và Atalla dùng General Laminate Model (GLM) kết hợp các phương pháp đo băng thông nửa công suất (3 dB), phân rã (DRM) và công suất ổn định (PIM).
  • Liu và cộng sự dùng phương pháp Galerkin và lý thuyết Biot cho tấm kép nhôm lõi PU liên kết ngàm.
  • Edoardo phân tích sandwich da nhôm lõi tổ ong vô hạn bằng phương pháp truyền sóng.
  • Arunkumar và cộng sự dùng FEM 2D và tích phân Rayleigh cho sandwich da trực hướng lõi giàn điền PU foam.
  • Fu và cộng sự dùng phương pháp sóng không gian và công ảo cho sandwich da FGM lõi sóng điền xốp.
  • Li và cộng sự dùng nguyên lý Hamilton và chồng chất dạng dao động cho sandwich da trực hướng lõi xốp trong môi trường nhiệt.
  • Wang và cộng sự áp dụng lý thuyết biến dạng cắt bậc nhất (FSDT) cho sandwich da composite lõi giàn chóp.
  • Wen và cộng sự chế tạo sandwich lõi bát diện khép kín bằng công nghệ in khắc nổi SLA, mô phỏng COMSOL và thực nghiệm.
  • Tang và cộng sự khảo sát hiệu ứng phi tuyến của áp suất âm tới sandwich tổ ong đục lỗ ở nhiệt độ cao.
  • Errico và cộng sự nghiên cứu sandwich lõi ABS-M30 bằng cấu trúc tuần hoàn và in 3D.
  • Isaac và cộng sự tổng quan các phương pháp SEA, TMM, DML, Biot và phân tích hiện tượng Mass-Air-Mass, tần số tới hạn.
  • Các nghiên cứu thực nghiệm buồng đo âm: Schultz (tiêu chí trường khuếch tán); Tsui và cộng sự (hệ thống hai phòng ngũ giác nhỏ); Jones (đo sandwich lõi tổ ong so với PU foam); Grosveld (buồng đo phòng phát 267 m³, phòng thu 4,57 x 9,63 x 7,65 m); Jackson (hệ thống phòng vang theo tiêu chuẩn Toyota TSL 0600G4, ASTM C423); Rajaram và cộng sự (hệ thống buồng đo 12–16 m³ cho sandwich da sợi thủy tinh lõi tổ ong); Borelli và cộng sự (đo tiếng ồn thực tế trên phà Ro-Pax).

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam:

  • Nguyễn Văn Đạt nghiên cứu kết cấu bệ máy tàu cá vỏ composite chống rung tại Đại học Nha Trang.
  • Đinh Đức Tiến sử dụng phương pháp SEA, phân tích sóng và thực nghiệm đo tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich cốt sợi thủy tinh/nền polyester không no lõi PU foam tại Đại học Nha Trang.
  • Nguyễn Tiến Khiêm và cộng sự tại Viện Cơ học nghiên cứu giảm rung cho tàu thủy nhỏ vỏ composite cốt sợi thủy tinh/polyester không no.
  • Nhóm nghiên cứu Đại học Bách khoa Hà Nội kết hợp Đại học Nha Trang công bố một số kết quả khảo sát truyền âm qua tấm sandwich tàu thủy bằng SEA và thực nghiệm.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn: Phần lớn các nghiên cứu lý thuyết quốc tế và trong nước áp dụng cho tấm vô hạn hoặc tấm kim loại đẳng hướng. Đối với tấm composite lớp trực hướng và composite sandwich lõi xốp hữu hạn, việc thiết lập mô hình giải tích kết hợp lý thuyết tấm Kirchhoff, lý thuyết Biot và phương pháp trọng lượng dư Galerkin để giải bài toán giá trị biên ngàm và tựa bản lề bốn cạnh, đồng thời chế tạo mẫu và kiểm chứng bằng buồng đo thực nghiệm độc lập tại Việt Nam vẫn chưa được giải quyết đồng bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Về cơ sở lý thuyết âm học, các mối quan hệ được sử dụng gồm:

  • Phương trình sóng âm điều hòa: Áp suất âm tức thời được xác định theo công thức: $$p(t) = p_0 \sin(2\pi f t)$$
  • Vận tốc âm thanh trong chất khí lý tưởng: $$c_0 = \sqrt{\frac{\chi R T_0}{g_c}}$$ Trong đó $g_c = 1\text{ kg}\cdot\text{s}^2$, $\chi$ là tỉ số nhiệt dung riêng, $R = 287\text{ J/kg}\cdot\text{K}$, $T_0$ là nhiệt độ tuyệt đối (ở 20°C, vận tốc âm trong không khí khoảng 340 m/s; trong nước khoảng 1500 m/s).
  • Mức áp suất âm: $$L_p = 10 \log_{10}\left(\frac{p^2}{p_{ref}^2}\right) = 20 \log_{10}\left(\frac{p}{p_{ref}}\right) \quad (\text{dB})$$ với $p_{ref} = 2\cdot 10^{-5}\text{ N/m}^2$ ($20\ \mu\text{Pa}$).
  • Cường độ âm sóng phẳng và sóng cầu: $$I = \frac{p^2}{\rho c} \quad (\text{sóng phẳng}); \quad I = \frac{W}{4\pi r^2} \quad (\text{sóng cầu})$$ Mức cường độ âm: $$L_I = 10 \log_{10}\left(\frac{I}{I_{ref}}\right) \quad (\text{dB}), \quad I_{ref} = 10^{-12}\text{ W/m}^2$$
  • Công suất âm và mức công suất âm: $$W = I \cdot S, \quad L_W = 10 \log_{10}\left(\frac{W}{W_0}\right) \quad (\text{dB}), \quad W_0 = 10^{-12}\text{ W}$$
  • Dải tần số âm: Bề rộng dải $\Delta f = f_2 - f_1$. Dãy 1 octave có $f_2/f_1 = 2$; 1/2 octave có $f_2/f_1 = 1,41$; 1/3 octave có $f_2/f_1 = 1,26$. Tiêu chuẩn quy định 8 octave cho phép:
Số thứ tự Octave 1 2 3 4 5 6 7 8
Giới hạn dưới (Hz) 22,4 45 90 180 710 1400 2800 5600
Trung bình (Hz) 31,5 63 125 250 1000 2000 4000 8000
Giới hạn trên (Hz) 45 90 180 335 1400 2800 5600 11200

Về cơ sở lý thuyết kết cấu và vật liệu:

  • Tấm composite trực hướng được mô tả theo lý thuyết tấm mỏng cổ điển Kirchhoff, xác định bởi các độ cứng uốn $D_{ij}$, chuyển vị ngang $w(x, y, t)$, mật độ khối lượng bề mặt $m^*$, mô đun đàn hồi $E_1, E_2$, mô đun trượt $G_{12}$ và hệ số Poisson $\nu_{12}$.
  • Lớp lõi xốp được mô hình hóa theo lý thuyết Biot cho vật liệu hai pha (pha rắn khung đàn hồi và pha lỏng/khí trong lỗ rỗng), bao gồm chuyển vị pha rắn $u_s$, pha lỏng $u_f$, biến dạng $e_s, e_f$, độ xốp $\sigma$, hệ số Lamé $A, N$, mô đun bulk $E_s, E_f, E_0$, trở kháng dòng chảy $\psi$, hệ số nhớt $a^*$, cùng hai sóng dọc ($k_1, k_2$) và một sóng cắt.
  • Số liệu cơ tính vật liệu tham chiếu trong văn bản:
Vật liệu Mô đun đàn hồi (GPa) Ứng suất kéo (MPa) Khối lượng riêng (kg/m³) Mô đun riêng (MNm/kg) Độ bền riêng (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 28,0 280 - 840
Vật liệu lõi Khối lượng riêng (kg/m³) Mô đun cắt (MPa) Độ bền cắt (MPa)
PVC foam 75 / 130 / 190 25 / 40 / 50 0,8 / 1,9 / 2,4
PU foam 100 / 190 10 / 30 0,6 / 1,4
Foam dạng tấm 400 / 800 430 / 1000 - / 21
Gỗ balsa 100 / 180 110 / 300 1,4 / 2,5
Nhôm tổ ong 70 / 130 455/205 ; 895/365 2,2/1,4 ; 4,8/3,0
Lõi GRP tổ ong 80 117/52 2,3/1,4
Lõi Aramid tổ ong 65 53/32 1,7/1,0

Phương pháp giải bài toán và thực nghiệm:

  • Phương pháp giải tích kết hợp phương pháp trọng lượng dư Galerkin: Khai triển chuyển vị ngang của tấm và thế vận tốc âm trường theo hệ hàm dạng $\phi_{mn}(x, y)$ thỏa mãn điều kiện biên ngàm hoặc tựa bản lề bốn cạnh. Từ hệ phương trình cân bằng vi phân liên kết tấm - âm trường, thiết lập hệ phương trình ma trận tuyến tính giải tìm biên độ chuyển vị và tính toán hệ số công suất truyền âm $\tau$, từ đó xác định tổn thất truyền âm $\text{STL} = 10 \log_{10}(1/\tau)$ (dB).
  • Môi trường tính toán: Toàn bộ thuật toán được lập trình số trong phần mềm Matlab.
  • Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng hệ thống buồng đo hai phòng (phòng phát - phòng thu) có mẫu thử ngàm giữa hai phòng. Tổn thất truyền âm thực nghiệm xác định theo công thức âm học phòng thử nghiệm: $$\text{STL} = L_1 - L_2 + 10 \log_{10}\left(\frac{A_p}{A}\right) = L_1 - L_2 + 10 \log_{10}\left(\frac{A_p T}{0,161 V_2}\right)$$ với $L_1, L_2$ là mức áp suất âm trung bình phòng phát và phòng thu; $T$ là thời gian vang phòng thu; $V_2$ là thể tích phòng thu; $A_p$ là diện tích bề mặt mẫu thử. Mẫu thử nghiệm sandwich được chế tạo với da composite cốt sợi thủy tinh/nền polyester không no và lõi PU xốp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết truyền âm, sóng âm, tiếng ồn, áp suất âm, mức áp suất âm, cường độ âm, công suất âm và các dải tần số 1 octave, 1/3 octave. Tiếp đó, chương này phân loại cấu tạo vật liệu composite và composite sandwich (lõi gỗ balsa, lõi tổ ong, lõi sóng, lõi bọt polymer). Tác giả tổng quan chi tiết các hướng nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về truyền âm qua tấm đơn, tấm kép khoang khí và tấm composite sandwich lõi xốp bằng các phương pháp giải tích, FEM, BEM, SEA, ma trận truyền và thực nghiệm. Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp cho thấy FEM/BEM chỉ phù hợp ở tần số thấp do tốn kém tài nguyên tính toán; SEA phù hợp tần số cao nhưng thiếu thông tin chi tiết tại các nút kết cấu; các mô hình giải tích hữu hạn chịu điều kiện biên cụ thể kết hợp lý thuyết Biot còn thiếu hụt. Từ đó, chương xác định mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận án.

Chương 2: Truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi trực hướng

Chương 2 tập trung xây dựng mô hình lý thuyết và tính toán tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp trực hướng hình chữ nhật hữu hạn (kích thước $a \times b$, chiều dày $h$) chịu liên kết ngàm hoặc tựa bản lề bốn cạnh dưới tác dụng của sóng âm biến thiên điều hòa theo góc tới $\varphi$ và góc phương vị $\theta$. Phương trình vi phân dao động uốn của tấm được thiết lập theo lý thuyết Kirchhoff. Áp dụng phương pháp Galerkin với hệ hàm dạng tương ứng điều kiện biên, tác giả thiết lập công thức xác định tổn thất truyền âm STL.

Độ tin cậy của mô hình được kiểm chứng qua việc so sánh kết quả tính toán số với các công bố quốc tế:

  • So sánh STL tấm thép đẳng hướng hữu hạn với lý thuyết của Lin và cộng sự.
  • So sánh STL tấm nhôm đẳng hướng hữu hạn với lý thuyết của Roussos và thực nghiệm của Harris.
  • So sánh STL tấm composite lớp trực hướng hữu hạn với lý thuyết và thực nghiệm của Koval.
  • So sánh STL tấm composite lớp hữu hạn với thực nghiệm của Kuo và cộng sự qua 3 cấu hình vật liệu: [UD]7, [Mat]7 và [Rovin]7.

Chương 2 đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến STL:

  • Loại vật liệu composite: Khảo sát ba loại Kevlar/epoxy, Graphite/epoxy và Fiberglass/epoxy; kết quả chỉ ra sự khác biệt về đường cong STL theo tần số do chênh lệch mật độ khối lượng và độ cứng.
  • Góc âm tới: Khảo sát góc tới $\varphi$ ($0^\circ, 30^\circ, 60^\circ$) và góc phương vị $\theta$ cho thấy góc tới làm dịch chuyển các tần số cộng hưởng và suy giảm STL ở dải tần số riêng.
  • Tính dị hướng: Khảo sát tỉ số $E_{11}/E_{22}$ và $G_{12}/E_{22}$ cho thấy mức độ dị hướng ảnh hưởng rõ rệt đến vị trí các hố suy giảm STL do cộng hưởng.
  • Chiều dày tấm: Tăng chiều dày $h$ làm dịch chuyển đường cong STL lên cao trên toàn dải tần số theo quy luật khối lượng.
  • Điều kiện biên: Tấm chịu liên kết ngàm bốn cạnh cho giá trị STL ở dải tần số thấp cao hơn so với liên kết tựa bản lề bốn cạnh do độ cứng biên tăng lên.

Chương 3: Truyền âm qua tấm kép composite cốt sợi trực hướng

Chương 3 mở rộng nghiên cứu bài toán truyền âm cho kết cấu tấm kép gồm hai tấm composite lớp cốt sợi trực hướng đặt song song, ngăn cách bởi một khoang không khí có chiều dày $H$. Tác giả thiết lập hệ phương trình chuyển động vi phân đạo hàm riêng mô tả dao động của hai tấm bề mặt kết hợp phương trình sóng âm trong khoang khí, có xét đến điều kiện biên ngàm và tựa bản lề bốn cạnh.

Độ tin cậy của thuật toán được xác thực qua so sánh kết quả STL tính toán với:

  • Kết quả lý thuyết và thực nghiệm tấm kép nhôm đẳng hướng hữu hạn của Lu và Xin.
  • Kết quả lý thuyết và thực nghiệm tấm kép nhôm đẳng hướng hữu hạn của Carneal và Fuller.

Các kết quả phân tích tham số trong chương chỉ ra:

  • Chiều dày khoang khí: Tăng khoảng cách khoang khí $H$ làm tăng đáng kể giá trị STL ở dải tần số trung bình và cao, đồng thời làm dịch chuyển tần số cộng hưởng khối lượng - không khí - khối lượng (Mass-Air-Mass) về vùng tần số thấp hơn.
  • Chiều dày tấm bề mặt: Tăng chiều dày các tấm thành phần làm tăng khối lượng bề mặt và dịch chuyển đường cong STL lên phía trên.
  • Loại vật liệu và cấu hình xếp lớp: So sánh tấm kép Graphite/Epoxy và Glass/Epoxy cho thấy cấu hình định hướng sợi ảnh hưởng trực tiếp đến tần số dao động riêng và vùng suy giảm STL.
  • Kích thước tấm bề mặt và điều kiện biên: Kích thước tấm ảnh hưởng đến mật độ mode dao động ở tần số thấp; điều kiện biên ngàm bốn cạnh tiếp tục cho khả năng cách âm cao hơn điều kiện biên bản lề.
  • So sánh mở rộng: Kết quả so sánh STL chỉ ra rằng tấm kép composite lõi không khí cho hiệu quả cách âm vượt trội so với tấm composite đơn cùng khối lượng, đồng thời tấm kép composite thể hiện đặc tính cách âm cạnh tranh so với tấm kép kim loại (nhôm) tương đương.

Chương 4: Truyền âm qua tấm composite sandwich lõi xốp

Chương 4 xây dựng mô hình giải tích cho kết cấu tấm composite sandwich hữu hạn gồm hai tấm da mỏng composite trực hướng liên kết với lớp lõi dày bằng vật liệu polymer xốp. Ứng xử cơ học của lớp lõi xốp được mô hình hóa theo lý thuyết Biot cho môi trường xốp đàn hồi hai pha (pha rắn và pha lỏng/khí), cho phép mô tả sự truyền lan đồng thời của hai sóng nén dọc và một sóng cắt. Tác giả thiết lập các điều kiện liên tục về ứng suất và chuyển vị tại mặt phân cách giữa lớp da composite và lớp lõi xốp, kết hợp điều kiện biên ngàm và tựa bản lề bốn cạnh để giải bài toán dao động âm ghép nối.

Độ tin cậy của mô hình Chương 4 được khẳng định qua đối chứng:

  • So sánh STL lý thuyết với kết quả thực nghiệm tấm sandwich nhôm lõi polymer đàn hồi của Lee và Kondo.
  • So sánh STL lý thuyết với kết quả lý thuyết của Bolton và cộng sự cho tấm sandwich nhôm lõi bọt PU.

Các phân tích khảo sát tham số bao gồm:

  • Chiều dày lớp da và chiều dày lớp lõi xốp: Tăng chiều dày lớp lõi xốp làm tăng mạnh khả năng tiêu tán năng lượng âm nhờ cơ chế ma sát nhớt giữa pha lỏng và khung đàn hồi, nâng cao STL ở dải tần số trung bình và cao; tăng chiều dày lớp da làm tăng độ cứng chống uốn tổng thể.
  • Cơ tính của lớp lõi xốp: Khảo sát khối lượng riêng $\rho$, mô đun Young, mô đun cắt và hệ số Poisson của vật liệu xốp cho thấy khối lượng riêng và mô đun đàn hồi của lõi quyết định tần số cộng hưởng cắt và mức hấp thụ âm thanh của tấm sandwich.
  • Cấu hình và mô đun đàn hồi lớp da: Khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng sợi composite và mô đun Young lớp da đến đáp ứng STL.
  • Góc sóng âm tới và điều kiện biên: Phân tích ảnh hưởng của góc tới $\varphi$ ($0^\circ$ đến $60^\circ$), góc phương vị $\theta$, và so sánh giữa điều kiện biên ngàm với tựa bản lề khẳng định liên kết ngàm luôn duy trì STL cao hơn ở vùng tần số thấp trước khi tiệm cận ở tần số rất cao.

Chương 5: Nghiên cứu thực nghiệm về truyền âm qua tấm composite sandwich với lõi là PU xốp

Chương 5 trình bày toàn bộ quy trình thực nghiệm đo tổn thất truyền âm nhằm kiểm chứng các kết quả lý thuyết đã xây dựng. Tác giả mô tả chi tiết:

  • Hệ thống thiết bị thí nghiệm gồm phòng phát âm, phòng thu âm, nguồn phát âm thanh đa tần, micro thu âm đa hướng và hệ thống phân tích phổ âm học.
  • Quy trình chế tạo mẫu thử composite sandwich tại Viện Nghiên cứu và Chế tạo Tàu thủy - Đại học Nha Trang: Sử dụng lớp da là composite cốt sợi thủy tinh/nền nhựa polyester không no, lớp lõi là vật liệu xốp Polyurethane (PU foam) được liên kết dính kết chặt chẽ.
  • Kiểm tra độ tin cậy của buồng đo: Tiến hành đo STL trên mẫu tấm thép tiêu chuẩn đã biết rõ đặc tính âm học; kết quả đo đạc trên mẫu thép hoàn toàn phù hợp với đường cong STL lý thuyết tiêu chuẩn, khẳng định độ chuẩn xác của hệ thống phòng đo.
  • Tiến hành đo thực nghiệm STL trên các nhóm mẫu sandwich thực tế:
    • Đo mẫu composite sandwich ký hiệu Mẫu I và Mẫu K.
    • Khảo sát nhóm mẫu có khối lượng riêng lớp lõi khác nhau (giữ nguyên chiều dày da và chiều dày lõi).
    • Khảo sát nhóm mẫu có chiều dày lớp da khác nhau (giữ nguyên chiều dày lõi và khối lượng riêng lõi).
    • Khảo sát nhóm mẫu có chiều dày lớp lõi khác nhau (giữ nguyên chiều dày da và khối lượng riêng lõi).
  • So sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết: Đối chiếu đường cong STL đo đạc được với kết quả mô phỏng số từ chương trình Matlab thiết lập ở Chương 4 cho các cặp mẫu thử A - C, I - K, E - F, G - H, E - G, F - H. Kết quả đối chứng cho thấy sự tương thích tốt về dạng quy luật biến thiên theo tần số, vị trí các điểm cộng hưởng cục bộ và độ lớn tổn thất truyền âm trên toàn bộ dải tần số đo đạc.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận án gồm:

  • Về lý luận:
    1. Xây dựng thành công mô hình toán học giải tích và bán giải tích xác định tổn thất truyền âm (STL) qua ba loại kết cấu: tấm composite lớp cốt sợi trực hướng, tấm kép composite chứa khoang khí và tấm composite sandwich lõi xốp có kích thước hữu hạn hình chữ nhật, chịu các điều kiện biên ngàm và tựa bản lề bốn cạnh.
    2. Ứng dụng tích hợp lý thuyết Biot cho vật liệu xốp đàn hồi hai pha với lý thuyết tấm Kirchhoff và phương pháp trọng lượng dư Galerkin để giải quyết trọn vẹn bài toán ghép nối dao động âm - kết cấu tấm hữu hạn.
    3. Xây dựng bộ chương trình máy tính tự lập trong môi trường Matlab có độ tin cậy cao, cho phép khảo sát định lượng toàn diện ảnh hưởng của các thông số hình học, góc âm tới, cấu hình lớp composite, đặc tính cơ học của vật liệu nền, cốt và vật liệu xốp đến chỉ số STL.
  • Về thực tiễn:
    1. Thiết lập và làm chủ quy trình đo thực nghiệm tổn thất truyền âm trên hệ thống buồng đo phòng phát - phòng thu cho kết cấu tấm composite sandwich tại Việt Nam.
    2. Chế tạo thành công các mẫu thử composite sandwich cốt sợi thủy tinh/nền polyester không no lõi PU xốp và cung cấp bộ số liệu đo thực nghiệm STL tin cậy.
    3. Cung cấp cơ sở khoa học định lượng giúp các kỹ sư thiết kế lựa chọn tối ưu cấu hình tấm, độ dày lõi PU xốp, khối lượng riêng lớp lõi và điều kiện biên liên kết nhằm nâng cao hiệu quả cách âm cho vách ngăn cabin, vỏ tàu thủy composite, toa xe và các kết cấu bao che công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Về mặt hạn chế, văn bản luận án xác định rõ phạm vi áp dụng của các mô hình:

  • Mô hình lý thuyết áp dụng lý thuyết tấm mỏng cổ điển Kirchhoff, do đó chỉ phù hợp với các kết cấu tấm mỏng, chưa xét đến biến dạng cắt ngang bậc cao của các tấm dày.
  • Vật liệu composite được coi là đồng nhất, trực hướng lý tưởng và làm việc trong giới hạn đàn hồi; bề mặt tấm giả thiết trơn phẳng tuyệt đối, chưa xét tới các yếu tố bất đồng nhất vi mô, khuyết tật dính kết giữa da và lõi xốp, hay biến dạng phi tuyến hình học.
  • Điều kiện biên lý thuyết mới giải quyết cho hai trường hợp chuẩn tắc là ngàm và tựa bản lề bốn cạnh, chưa mở rộng cho các dạng biên đàn hồi hoặc biên tự do hỗn hợp.
  • Thực nghiệm đo STL chỉ mới thực hiện trên các mẫu composite sandwich cốt sợi thủy tinh/polyester lõi PU xốp; chưa tiến hành thực nghiệm đo đạc độc lập cho tấm đơn composite và tấm kép khoang khí.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Phát triển mô hình tính toán truyền âm sử dụng các lý thuyết tấm biến dạng cắt bậc cao (FSDT, HSDT) để giải quyết bài toán cho tấm composite và sandwich có chiều dày lớn.
  • Khảo sát bài toán truyền âm qua kết cấu tấm và vỏ composite có gân gia cường, composite có cơ tính biến thiên (FGM) hoặc vật liệu nano composite.
  • Nghiên cứu đáp ứng dao động âm của kết cấu tấm composite làm việc trong môi trường chịu tác động đồng thời của nhiệt độ cao và tải trọng cơ học.
  • Mở rộng các nghiên cứu thực nghiệm đo tổn thất truyền âm cho các kết cấu vỏ cong composite và các dạng liên kết biên đàn hồi phức tạp trong thực tế chế tạo phương tiện.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cụ thể cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên các ngành Cơ học kỹ thuật, Cơ học vật rắn biến dạng, Kỹ thuật Cơ khí và Kỹ thuật Hàng hải: Cung cấp phương pháp thiết lập phương trình vi phân dao động âm kết cấu hữu hạn, kỹ thuật áp dụng lý thuyết Biot cho vật liệu xốp và quy trình thuật toán giải ma trận bằng phương pháp Galerkin trên Matlab.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các viện, trường đại học kỹ thuật: Cung cấp tổng quan hệ thống các công trình nghiên cứu âm học kết cấu trên thế giới và tập dữ liệu đối chứng phong phú (từ NASA, Roussos, Koval, Kuo, Carneal & Fuller, Lu & Xin, Bolton, Lee & Kondo).
  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia kỹ thuật tại các cơ sở đóng tàu, chế tạo ô tô và sản xuất vật liệu composite (đặc biệt là các đơn vị như Viện Nghiên cứu và Chế tạo Tàu thủy - Đại học Nha Trang): Cung cấp trực tiếp các số liệu định lượng về ảnh hưởng của độ dày lõi PU foam, khối lượng riêng của lõi và cấu hình liên kết biên, làm cơ sở lựa chọn kết cấu vách ngăn cách âm giảm ồn đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nguồn gốc và đặc điểm chính của tiếng ồn trong khoang phương tiện vận tải được tác giả nêu ra là gì?
    Tiếng ồn bên trong các cơ hệ, khoang thiết bị (máy bay, tàu hỏa, xe khách) chủ yếu do rung động kết cấu gây ra và tập trung ở dải tần số thấp, thường nhỏ hơn 400 Hz. Trường âm thanh chịu tác động bởi đặc tính khoang kín, ứng xử động lực học kết cấu xung quanh và tương tác kết cấu với môi trường không khí.

  2. Luận án khảo sát tổn thất truyền âm qua những dạng kết cấu cụ thể nào?
    Luận án khảo sát 3 dạng kết cấu chữ nhật hữu hạn: (1) Tấm composite lớp cốt sợi trực hướng; (2) Tấm kép composite lớp cốt sợi trực hướng có khoang không khí; (3) Tấm composite sandwich có hai lớp da composite trực hướng và lớp lõi bằng vật liệu polymer xốp; tất cả đều chịu điều kiện biên ngàm hoặc tựa bản lề bốn cạnh.

  3. Lý thuyết nào được tác giả sử dụng để mô hình hóa ứng xử âm của lớp lõi xốp trong tấm sandwich?
    Tác giả sử dụng lý thuyết Biot cho vật liệu xốp đàn hồi hai pha (pha rắn khung đàn hồi và pha lỏng/khí trong lỗ rỗng), cho phép mô tả sự truyền lan đồng thời của hai sóng nén dọc ($k_1, k_2$) và một sóng cắt.

  4. Trong chương thực nghiệm, tác giả sử dụng vật liệu gì để chế tạo mẫu thử sandwich và hệ thống buồng đo gồm các thành phần nào?
    Mẫu thử sandwich được chế tạo với hai lớp da bằng composite cốt sợi thủy tinh/nền nhựa polyester không no và lớp lõi bằng bọt Polyurethane (PU foam). Hệ thống đo gồm phòng phát và phòng thu với mẫu thử ngàm tại vách ngăn giữa hai phòng, đo các đại lượng mức áp suất âm trung bình $L_1, L_2$, thời gian vang $T$, thể tích phòng thu $V_2$ và diện tích mẫu $A_p$.

  5. Yếu tố liên kết biên ảnh hưởng như thế nào đến khả năng cách âm của tấm composite?
    Kết quả tính toán ở các chương 2, 3 và 4 đều chỉ ra rằng kết cấu chịu điều kiện biên ngàm bốn cạnh luôn cho giá trị tổn thất truyền âm (STL) ở dải tần số thấp cao hơn so với điều kiện biên tựa bản lề bốn cạnh do liên kết ngàm làm tăng độ cứng chống uốn tổng thể của hệ thống.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phạm Ngọc Thành đã giải quyết một cách có hệ thống bài toán truyền âm và tổn thất truyền âm (STL) qua các kết cấu tấm composite lớp cốt sợi trực hướng, tấm kép khoang khí và tấm composite sandwich lõi xốp có kích thước hữu hạn. Bằng việc kết hợp lý thuyết tấm Kirchhoff, lý thuyết Biot và phương pháp trọng lượng dư Galerkin, tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh mô hình giải tích và chương trình tính toán số trên nền tảng Matlab cho các điều kiện biên ngàm và tựa bản lề bốn cạnh. Độ tin cậy của mô hình lý thuyết được khẳng định thông qua việc so sánh đối chứng chặt chẽ với nhiều công bố quốc tế uy tín và dữ liệu đo đạc thực nghiệm trên hệ thống buồng đo buồng phát - buồng thu với các mẫu sandwich sợi thủy tinh/polyester lõi PU xốp. Công trình là tài liệu học thuật có đóng góp rõ ràng về phương pháp luận tính toán cơ học và cung cấp các dữ liệu định lượng phục vụ công tác thiết kế cách âm kết cấu composite trong thực tiễn kỹ thuật.