Đặt vấn đề Âm thanh là một hiện tượng vật lý quan trọng gắn liền với đời sống. Con người giao tiếp với nhau thông qua âm thanh, nhờ âm thanh mà ta cảm nhận được mọi thứ xung quanh, âm thanh được ứng dụng rất rộng rãi trong giáo dục, y tế, quân sự, văn hóa,… .Hiện nay các nghiên cứu liên quan đến vấn đề âm thanh ngày càng được phát triển, nhằm nâng cao chất lượng cuộc sống. Trong các nghiên cứu về âm thanh thì sự tiêu tán âm thanh và cách âm là một vấn đề thường gặp trong cuộc sống và được nghiên cứu sâu rộng nhằm tìm ra những phương pháp, vật liệu tốt nhất, phù hợp nhất trong qua trình sản xuất và đời sống. Tầm quan trong của vấn đề cách âm trong cuộc sống Hiện nay, cách âm giữa các phòng với nhau là một vấn đề quan trọng trong cuộc sống, nhằm để giải quyết các vấn đế liên quan đến tiếng ồn, hạn chế các tác động xấu của âm thanh.
Vấn đề này được ứng dụng trong phòng riêng, phòng karaoke, phòng thu, phòng nghiên cứu và một số các ứng dụng khác,. Một vấn đề khi người ta nghiên cứu sự cách âm mà người ta quan tâm nhất là vật liệu cách âm (thông số vật liệu, độ dày, tính chất,…). Từ đó, ta có thể sử dụng vật liệu một cách hiểu quả và tránh lãng phí vật liệu. Âm thanh và sự lan truyền âm thanh 1.
Khái niệm Âm thanh là một sóng áp lực. Khi một vật thể rung động nó tạo ra một sự nhiễu loạn cơ học trong môi trường mà nó tiếp xúc ( biến đổi qua lại giữa các phân tử, nguyên tử trong các môi trường không khí, rắn, lỏng,. Môi trường sau đó mang sự nhiễu loạn dưới dạng sóng áp suất và sãy ra sự lan truyền. Cũng như nhiều loại sóng khác, âm thanh được đặc trưng bởi: • Đặc trưng vật lý: Tần số âm, cường độ âm, mức độ cường độ âm.
¾ Tần số âm là tần số dao động của âm (thường được kí hiệu là ‘f’) Luan van 2 ¾ Cường độ âm tại một điểm là đại lượng đo bằng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích đặt tại điểm đó, vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian ( / ). ¾ Mức độ cường âm: lg , với là chuẩn độ cường âm và thường bằng 10. • Đặc trưng sinh lý: Độ to của âm (phụ thuộc vào cường độ âm), độ cao của âm (phụ thuộc vào tần số âm), âm sắc (phụ thuộc vào đồ thị dao động hay phổ của âm). Sự lan truyền âm thanh.
Nguyên nhân của việc nghe được âm thanh: Khi một vật thể rung động sẽ tạo ra sự dao động, chuyển động qua lại của các phần tử trong môi trường mà vật đó tiếp xúc và sãy ra sự lan truyền, sóng âm truyền vào ống tai cho đến khi chúng đến màng nhĩ. Màng nhĩ truyền các rung động vào các xương tại giữa và vào tai trong. Tai trong có hình dạng ốc sên và chứa hàng ngàn tế bào lông nhỏ. Các tế bào này chuyển đổi sự rung động thành các tín hiệu điện não thông qua dây thần kinh thính giác.
Từ đó bộ não sẽ phân tích và cho biết đó là âm thanh gì. Con người có thể nghe được âm thanh trong tần số khoảng 20Hz (hạ âm) đến 20000Hz (siêu âm). Sự lan truyền âm thanh trong các môi trường: • Âm thanh cần vật chất để lan truyền, âm thanh có thể truyền qua vật chất ở trạng thái rắn, lỏng, khí, plasma. • Âm thanh không thể truyền được trong môi trường chân không (vì không có vật chất để lan truyền).
• Âm thanh truyền qua không khí dưới dạng sóng dọc và có vận tốc bằng tích của tần số sóng và bước sóng. • Vận tốc lan truyền của âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của môi trường vật chất. Vận tốc âm thanh trong không khí, nước, thép ở nhiệt độ và áp suất đo thường lần lượt là 333m/s, 1450m/s, 5050m/s. Chứng tỏ: âm thanh chất rắn, lỏng nhanh hơn nhiều so với không khí.
Luan van 3 • Sóng âm truyền từ môi trường này sang môi trường khác thì tần số không thay đổi. Vật liệu cách âm và vật liệu tiêu âm. Vật liệu tiêu âm Tiêu âm là biến âm thanh nghe ù ù, khó nghe trong phòng nghe trở nên tốt hơn, rõ ràng hơn, làm mất đi các âm thanh dội lại, tạo âm thanh tốt hơn. Khi sóng âm chạm vào bề mặt vật liệu, một bộ phận âm thanh sẽ bị phản xạ, một bộ phận khác sẽ bị hút vào vật liệu, một bộ phận khác xuyên qua bề mặt bên kia của vật liệu.
Vật liệu hút âm là vật liệu mà phần lớn các năng lượng của âm thanh đi vào vật liệu còn lại lượng phản xạ âm thanh rất nhỏ. Hay nói cách khác, vật liệu hút âm tập trung vào độ lớn của năng lượng âm thanh phản xạ, từ đó tối thiểu hóa năng lượng âm thanh phản xạ. Một số vật liệu tiêu âm: Mút cách âm, gỗ tiêu âm, vải nỉ tiêu âm, … 1. Vật liệu cách âm Cách âm là một khái niệm mô tả sự giảm của âm thanh truyền qua giữa hai không gian riêng biệt bợi cấu kiện ngăn chia.
Về mặt lý thuyết, vấn đề cách âm cho công trình cần phải được quan tâm trên hai phương diện: âm truyền bên trong và bên ngoài công trình Vật liệu cách âm là vật liệu hoặc kết cấu chặn sự di truyền của âm thanh tạo ra một môi trường yên tĩnh. Khi âm thanh đi vào vật liệu, năng lượng truyền qua bề mặt kia của vật liệu rất nhỏ chứng tỏ vật liệu cách âm tốt. chênh lệch decibel (dB) giữa năng lượng âm thanh đi vào và năng lượng âm thanh xuyên qua ở một mặt khác chính là lượng cách âm của vật liệu. Hay hiểu theo một cách khác: Vật liệu cách âm tập trung vào độ lớn nhỏ của năng lượng âm thanh xuyên qua ở mặt bên kia, mục đích là tối thiểu hóa năng lượng âm thanh xuyên qua.
Một số vật liệu cách âm: bông thủy tinh, tấm túi khí, cao su non, … Luan van 4 1. Những điều kiện cần thiết để cho quá trình tiêu âm, cách âm có hiệu quả Tiêu âm: vật liệu tiêu âm cho phép âm thanh dễ đi vào và xuyên qua vì vậy vật liệu tiêu âm phải xốp, tơi và thông khí. Kết cấu của nó là vật liệu siêu nhỏ có số lượng lớn, liên kết với nhau và có tính thông khí nhất định. Cách âm: để việc cách âm đạt được hiểu quả thì các vật liệu cần đạt được các điều kiện cần thiết như: chắc đặc, cấu trúc lien tục, và đảm bảo không có sai sót.
• Chắc đặc: những vật liệu nào càng dày, càng rắn chắc, càng đặc thì cách âm càng tốt. • Cấu trúc liên tục: ta có thể hiểu rằng cấu trúc lien tục là việc cách âm phải bọc kín căn phòng. Nếu căn phòng có bất cứ lỗ nào thì căn phòng cách âm sẽ không đạt được hiểu quả cao. • Không sai sót: để đảm bảo cách âm hiểu quả thì việc tiến hành thi công đảm bảo không sai sót là một điều rất cần thiết.
Qúa trình thi công cần tiến hành một cách cận thận, tỉ mỉ, để vật liệu cách âm có thể phát huy tối đa tác dụng của nó. Một số hình ảnh về vật liệu cách âm Hình 1. Thép Luan van 5 Hình 1. Gỗ cách âm Hình 1.
Bê tông Luan van 6 1. Một số hình ảnh về vật liệu tiêu âm Hình 1. Xốp tiêu âm Hình 1. Gỗ tiêu âm có các rãnh Luan van 7 1.
Tổng quan các công trình nghiên cứu 1. Các nghiên cứu trong nước Những vấn đề liên quan đến việc mô phỏng bài toán truyền âm hầu như chưa được thực hiện ở Việt Nam.Tuy nhiên cũng có một số tác giả đã nghiên cứu những lý thuyết liên quan đến âm học như tác giả Nguyễn Hải, Âm học và Kiểm tra Tiếng ồn.Ngoài ra, một số tiêu chuẩn Việt Nam cũng được đặt ra cho việc tính toán truyền âm trong thiết kế như TCVN 7839-2:2007, Xác định hiệu quả cách âm của vỏ cách âm; TCVN 8777:2011, Hướng dẫn kiểm soát tiếng ồn trong công sở và phòng làm việc bằng màn chắn âm; TCXD 150:1986, Thiết kế chống ồn cho nhà ở. Các nghiên cứu ở nước ngoài Trên thế giới, bài toán mô phỏng truyền âm bằng phương pháp số vẫn còn khá ít nghiên cứu, chỉ được đề cập ở một số bài báo, điển hình như • Arjunan, C. English, Sound frequency dependent mesh modelling to simulate the acoustic insulation of stud based double-leaf walls, Proceedings of isma2014 including usd 2014.
• Arun Arjunan, Chang Wang, Martin English, Mark Stanford and Paul Lister, A Computationally-Efficient Numerical Model to Characterize the Noise Behavior of Metal-Framed Wall, Metals, 2015. • Leszek KWAPISZ, Numerical Modelling of Sound Transmission Through the Window Type Partition, Vibrations in Physical Systems Vol. Mục tiêu nghiên cứu • Hiểu khái niệm chung về việc phân tích âm thanh tương tác cấu trúc lỏng. • Hiểu một số loại công thức áp lực âm thanh có sẳn trong ANSYS.
• Tìm hiểu các điều kiện biên âm thanh và các loại tải tác động. • Phân tích được sự suy giảm mức cường độ âm thanh khi âm của hệ thống khi có vật liệu tiêu âm. • Phân tích được hiểu quả cách âm khi âm thanh truyền qua vật liệu cách âm. • Tiến hành so sánh kết quả của nhiều vật liệu khác nhau trên các tần số khác nhau.
Đối tượng nghiên cứu • Tấm giảm âm và vách cách âmsẽ được mô hình trong bài toán truyền âm trong ống (có độ dài và kích thước cụ thể) bằng Ansys, sau đó thêm vào các điều kiện Luan van 8 để xét đến sự suy giảm âm thanh của vật liệu tiêu âm và hiệu quả cách âm của vách ngăn. Phạm vi nghiên cứu • Tính toán mô phỏng được trường mức áp suất âm thanh trong ống khi có cách điều kiện về bài toán tiêu âm và cách âm. • Phân tích, so sánh các vật liệu có tính chất khác nhau. • Bỏ qua sự ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm không khí, hướng gió, giảm chấn ở trong ống, và các yếu tố về sự bức xạ ở hai đầu ống.
Ý nghĩa của nghiên cứu. • Nắm vững được các yếu tố liên quan đến qua trình truyền âm • Phân tích được kết quả mức áp suất âm để đưa ra vật liệu có hiệu quả cách âm tốt nhất. • Là tiền đề để xây dựng các bài toán lớn hơn, phạm vi nghiên cứu lớn hơn (tính toán sự ảnh hưởng của nhiệt độ,…). Luan van 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.