Nghiên cứu sự truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi TT

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM NGỌC THÀNH NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE LỚP CỐT SỢI Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2022 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: GS.TS TRẦN ÍCH THỊNH Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH Đinh Đức Tiến, Nguyễn Văn Đạt, Trần Ích Thịnh Phạm Ngọc Thành (2016), “Nghiên cứu thực nghiệm tổn thất truyền âm qua kết cấu composite sandwich dùng tàu thủy”, Tuyển tập công trình khoa học, Hội nghị khoa học tồn quốc, Vật liệu kết cấu composite Cơ học, Công nghệ Ứng dụng, Nha Trang, Nxb KHTN & CN, pp 713-720 Tran Ich Thinh and Pham Ngoc Thanh (2017), “Vibroacoustic response of an orthotropic composite laminated plate”, Tuyển tập cơng trình khoa học, Hội nghị Cơ học tồn quốc lần thứ X, Hà Nội, Nxb KHTN & CN, pp 1142-1150 Tran Ich Thinh and Pham Ngoc Thanh (2018), “Vibroacoustic behaviour of a clamped orthotropic composite plate”, Tuyển tập cơng trình khoa học tồn quốc, Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XIV, Tp Hồ Chí Minh, Nxb KHTN & CN, pp 668-676 Pham Ngoc Thanh and Tran Ich Thinh (2018), “The effect of several parameter on sound transmission loss across finite orthotropic composite plates”, Tuyển tập cơng trình khoa học tồn quốc, Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XIV, Tp Hồ Chí Minh, Nxb KHTN & CN, pp 594-601 Tran Ich Thinh and Pham Ngoc Thanh (2018), “Vibroacoustic response of a finite clamped laminated composite plate”, Proceedings of ICERA, indexed by SCOPUS H Fujita et al (Eds.): ICERA 2018, LNNS 63, pp 589–600, 2019 Springer Nature Switzerland AG 2019, https://doi.org/10.1007/978-3-030-04792-4_76 Pham Ngoc Thanh and Tran Ich Thinh (2019), “The influence of several parameter on sound transmission loss through a finite clamped laminated composite double-plate with enclosed air cavity”, Tuyển tập cơng trình khoa học, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, Nxb KHTN & CN, pp 349-356 Tran Ich Thinh and Pham Ngoc Thanh (2019), “Vibro-acoustic behavior of a finite clamped orthotropic laminated composite double-plate with enclosed air cavity”, Tuyển tập cơng trình khoa học, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, Nxb KHTN & CN, pp 381-388 Đinh Đức Tiến, Phạm Ngọc Thành, Nguyễn Văn Đạt Trần Ích Thịnh (2019), “Xác định độ cứng uốn biểu kiến composite sandwich phương pháp số ứng dụng toán truyền âm”, Tuyển tập cơng trình khoa học, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học, Nxb KHTN & CN, pp 424-431 Tran Ich Thinh and Pham Ngoc Thanh (2019), “Vibroacoustic analysis of a clamped finite orthotropic laminated double-composite plate with an air cavity”, Vietnam Journal of Mechanics, VAST, Vol 41, No 3, pp 257 – 272 https://doi.org/10.15625/0866-7136/13723 10 Pham Ngoc Thanh and Tran Ich Thinh (2019), “Sound transmission loss across a finite simply supported double-laminated composite plate with enclosed air cavity”, Vietnam Journal of Science and Technology, Vol 57 (6), pp 749-761 Doi:10.15625/2525-2518/57/6/13838 11 Pham Ngoc Thanh and Tran Ich Thinh (2019), “Sound transmission loss across a finite clamped double-laminated composite plate with poroelastic material”, Vietnam Journal of Science and Technology, Vol 57 (6A), pp 150160 Doi:10.15625/2525-2518/57/6A/14655 12 Pham Ngoc Thanh and Tran Ich Thinh (2019), “Vibroacoustic response of a finite simply supported double-composite plate filled with an air cavity”, Proceedings of ICERA 2019 indexed by SCOPUS, LNNS 104, pp 720–732, 2020 Springer Nature Switzerland AG 2020, https://doi.org/10.1007/978-3030-37497-6_83 13 Tran Ich Thinh and Pham Ngoc Thanh (2020), “Theoretical and experimental study of sound transmission loss across finite clamped composite sandwich plates”, Proceedings of the ICERA 2020 indexed by SCOPUS, LNNS 178, pp 820–831 https://doi.org/10.1007/978-3-03064719-3_90 14 Tran Ich Thinh and Pham Ngoc Thanh (2020), “Vibroacoutic behavior of finite composite sandwich plates with foam core”, The international Conference on Modern Mechanics and Applications, ICOMMA, indexed by SCOPUS, pp.26-53 https://doi.org/10.1007/978-981-16-3239-6 15 Pham Ngoc Thanh and Tran Ich Thinh (2021), “Vibroacoustic analysis of a finite simply supported double- composite sandwich plate filled with poroelastic materials”, Tuyển tập cơng trình khoa học, Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn lần thứ XV, Nxb Đại học Thái Nguyên, pp 856-865 16 Tran Ich Thinh and Pham Ngoc Thanh (2021), “Prediction and Measurement of Sound Transmission Loss for Finite Clamped Composite Sandwich Plates”, Tuyển tập cơng trình khoa học, Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn lần thứ XV, Nxb Đại học Thái Nguyên, pp 937946 17 Tran Ich Thinh, Ta Thi Hien and Pham Ngoc Thanh (2021), “Experimental investigation of the accuracy of a vibroacoustic model for clamped sandwich- composite plates”, Tuyển tập cơng trình khoa học, Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn lần thứ XV, Nxb Đại học Thái Nguyên, pp 924-936 GIỚI THIỆU VỀ LUẬN ÁN TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Vật liệu composite, cốt sợi/nền polymer ứng dụng ngày nhiều lĩnh vực công nghiệp khác như: chế tạo tàu khách, tàu du lịch vỏ composite, cabin, vách ngăn composite; vỏ máy bay cỡ nhỏ v.v Bên cạnh đề tài công nghệ, nhiều đề tài nghiên cứu khoa học độ bền, ổn định dao động tuyến tính, dao động phi tuyến kết cấu Composite cốt sợi, Composite FGM v.v đặt thực nhóm nghiên cứu khoa học, chẳng hạn nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Cơ học, Đai học Xây Dựng, Học Viện Kỹ thuật Quân Sự, v.v Tuy nhiên, hướng nghiên cứu truyền âm qua kết cấu vỏ composite lớp dị hướng, cốt sợi/nền hữu bỏ ngỏ cịn kết cơng bố Xuất phát từ thực tế ứng dụng vật liệu Composite cốt sợi/ polymer Việt Nam từ phân tích kết nghiên cứu có nước giới lĩnh vực truyền âm dao động âm, luận án đặt vấn đề: “ MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN + Hiểu rõ chất toán truyền âm qua kết cấu dạng kim loại đẳng hướng composite, cốt sợi trực hướng + Giải toán truyền âm qua kết cấu composite, cốt sợi trực hướng; kép composite, cốt sợi trực hướng chứa khoang khơng khí composite sandwich có lõi vật liệu xốp + Làm chủ quy trình thí nghiệm tiến hành thí nghiệm đo tổn thất truyền âm qua mẫu composite sandwich cốt sợi thủy tinh/nền polyester khơng no có lõi PU xốp + Khẳng định độ tin cậy công thức chương trình máy tính tự thiết lập mơi trường Matlab cách so sánh kết tính toán lý thuyết với thực nghiệm nhằm tạo tảng cho nghiên cứu chuyên sâu ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu luận án: - 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 lớp sandwich, hữu hạn hình chữ nhật có hai lớp da composite lớp trực hướng lớp lõi vật liệu polymer xốp Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu truyền âm qua kết cấu composite lớp cốt sợi/ polymer dạng tấm, kép có khoang khí composite sandwich có lõi vật liệu xốp chịu điều kiện biên khác (ngàm tựa lề bốn cạnh) - Vật liệu composite giả thiết đồng nhất, trực hướng, bề mặt composite trơn phẳng làm việc giới hạn đàn hồi Các mỏng thỏa mãn lý thuyết Kirchhoff, lý thuyết truyền âm lý thuyết Biot cho vật liệu xốp Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN Trong thập niên cuối kỷ 20 từ đầu kỷ 21 đến nay, vấn đề cách âm, giảm ồn nhiều lĩnh vực công nghiệp nhiều nhà khoa học ngồi nước quan tâm nghiên cứu, cịn nhiều vấn đề truyền âm qua kết cấu composite lớp, kép composite lớp composite sandwich có lõi vật liệu polymer xốp chưa giải cách thấu đáo triệt để Để thiết kế tối ưu tăng khả cách âm, giảm ồn qua kết cấu Composite lớp cốt sợi/ polymer với ứng dụng cụ thể thực tế, ta cần phải tiến hành nghiên cứu giải toán truyền âm qua kết cấu mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm phải tính đến yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử dao động âm kết cấu Vì vậy, việc nghiên cứu truyền âm qua kết cấu composite lớp trực hướng cốt sợi có ý nghĩa khoa học thực tiễn rõ ràng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp với phương pháp thực nghiệm để giải nội dung nghiên cứu đặt ra, cụ thể: - Phương pháp lý thuyết: Xây dựng mô hình, phương trình vể ứng xử dao động âm số kết cấu composite lớp trực hướng dạng bị kích thích sóng âm biến thiên điều hịa tìm cơng thức xác định tổn thất truyền âm qua kết cấu composite nói - Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo phòng phát, phòng thu mẫu composite sandwich cốt sợi thủy tinh/nền polyester không no, lõi Polyurethane (PU) xốp Tiến hành thí nghiệm đo tổn thất truyền âm qua kết cấu composite sandwich nói với thơng số hình học vật liệu khác CẤU TRÚC LUẬN ÁN Luận án gồm: phần mở đầu, chương, kết luận chung, danh mục báo công bố liên quan đến đề tài luận án, tài liệu tham khảo phụ lục B NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trong chương này, tác giả trình bày tổng quan truyền âm qua kết cấu dạng đơn như: Koval [10] sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mơ hình hóa truyền âm qua composite lớp vô hạn khoang kín Roussos [11] nghiên cứu đặc tính truyền âm qua kim loại đẳng hướng composite lớp trực hướng đối xứng, hữu hạn chịu liên kết tựa lề bốn cạnh Kuo cộng [24, 25] nghiên cứu tổn thất truyền âm qua vật liệu composite lớp trực hướng, kích thước vơ hạn tần số khác phương pháp ma trận truyền xác định ứng suất vận tốc mơ hình 2D 3D Đối với kép có khoang khí: Carneal Fuller [41, 42] nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm ứng xử dao động âm qua kết cấu nhôm kép đẳng hướng, chữ nhật, hữu hạn chịu liên kết tựa lề bốn cạnh Lu Xin [47] nghiên cứu ứng xử dao động âm kết cấu có dạng: kim loại kim loại có gân gia cường, kép kim loại có khoang khí sandwich gồm: lớp da vật liệu kim loại có lõi vật liệu xốp, lõi dạng sóng dạng gân gia cường kích thích sóng âm điều hịa mơi trường khơng khí chất lỏng mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm Đối với composite sandwich có lõi vật liệu xốp: Biot [48] phát triển lý thuyết truyền sóng ứng suất vật liệu xốp bao gồm hai pha (pha rắn pha lỏng) Bolton cộng [56, 57] đưa lý thuyết phép đo liên quan đến truyền âm qua sandwich kim loại (Nhôm) có lõi vật liệu xốp ( polyurethane - PU) hữu hạn Lee Kondo [59] nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm tổn thất truyền âm qua kết cấu sandwich có lớp da nhơm, lõi vật liệu polymer đàn hồi Lee cộng [62] đề xuất phương pháp gải tích gần để tính tốn truyền âm qua kết cấu vỏ sandwich có lớp da kim loại, kích thước lớn vơ hạn, lõi vật liệu xốp Fu cộng [79] nghiên cứu truyền âm qua composite sandwich có lớp da vật liệu composite có tính biến thiên (FGM), lõi dạng sóng điền đầy vật liệu xốp… Luận án phân tích cơng trình khoa học cơng bố tác giả nước nhằm đánh giá ưu, nhược điểm phương pháp, lý thuyết mơ hình thực nghiệm để nghiên cứu trình truyền âm qua kết cấu Từ phân tích vào yêu cầu thực tiễn lựa chọn đề tài, tác giả đưa nội dung nghiên cứu cho luận án CHƯƠNG TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE LỚP CỐT SỢI TRỰC HƯỚNG Trong chương hai, luận án xây dựng mơ hình giải toán dao động âm kết cấu chữ nhật composite lớp trực hướng dựa vào lý thuyết mỏng Kirchhoff phương pháp tách mốt Đi tìm cơng thức liên quan đến đặc trưng dao động âm kết cấu lập chương trình mơi trường Matlab để tính tổn thất truyền âm qua composite lớp trực hướng, hữu hạn, điều kiện biên khác (tựa lề ngàm bốn cạnh) bị kích thích sóng âm biến thiên điều hịa khơng khí 2.1 Mơ hình kết cấu composite lớp trực hướng Xét composite lớp trực hướng, hữu hạn, chữ nhật, liên kết lề ngàm bốn cạnh, gắn với vách ngăn cứng, vơ hạn cách âm hồn tồn thể hình 2.1 Hình 2.1 Sơ đồ truyền âm qua composite lớp hình chữ nhật trực hướng hữu hạn liên kết lề ngàm bốn cạnh 2.2 Phương trình dao động composite lớp Phương trình dao động composite lớp trực hướng, đối xứng bị kích thích sóng âm phẳng điều hịa mơi trường khơng khí mơ tả [45]: D11  w  x, y; t   w  x, y; t   w  x, y; t    D12  D66   D22 2 x x y y  m* (2.1)  w  x, y; t   j0 1  x, y, z; t     x, y, z; t    t đó: Dij (ij =11,12,66,22) độ cứng uốn tấm; j  1 số phức; m* khối lượng riêng bề mặt tấm; ρ0 khối lượng riêng khơng khí; ω tần số góc sóng tới Chuyển vị composite lớp gây sóng tới:  j  k x  k y t  (2.2) w  x, y; t   w0e x y Thế vận tốc âm miền tới xác định sau: 1  x, y, z; t   I mne   j k x x  k y y  k z z t   mne   j k x x  k y y k z z t  (2.3) đó: Imn, βmn biên độ sóng tới sóng phản xạ cộng với sóng xạ Thế vận tốc âm miền truyền qua xác định bởi:   x, y, z; t    mn e   j k x x  k y y  k z z t  (2.4) đó: εmn biên độ sóng truyền qua (chiều dương) kx, ky, kz số sóng theo phương x, y, z, xác định: kx = k0sinφcosθ; ky = k0 sinφsinθ; kz = k0cosθ Với k0 =ω/c0 số sóng âm khơng khí 2.3 Điều kiện biên composite lớp Điều kiện biên composite lớ liên kết tựa lề bốn cạnh: 2w Tại (2.5) x  0, a;  < y < b, w = 0, 0 x 2w Tại (2.6) y  0, b;  < x < a, w = 0, 0 y Điều kiện biên cho composite lớp liên kết ngàm bốn cạnh: w Tại (2.7) x  0, a;  < y < b, w = 0, 0 x w Tại (2.8) y  0, b;  < x < a, w = 0, 0 y Điều kiện liên tục composite lớp trực hướng [23], [47]: 1  Tại (2.9) z  0,    j w z z 1  (2.10)   j w z z Chuyển vị động viết lại cách sử dụng hàm trực giao tọa độ tổng quát sau: Tại z  h,  w  x, y; t       x, y   mn m , n 1 mn e jt (2.11) đó: φmn hàm dạng dao động, αmn hệ số dạng Chuyển vị hạt âm áp suất âm liên hệ phương trình động lượng, sau [43]: 2 p1 2 p2 (2.13)    ;   2 t 0 z z 0 t 0 z z 0 Theo phương trình Bernoulli, mối quan hệ áp suất âm với vận tốc âm [23]:    pi  0  i  ,  i  1,   t  (2.14) Mối quan hệ hệ số Imn I0 tương ứng với điệu kiện biên, cụ thể: Đối với có liên kết tựa lề bốn cạnh: I mn   I mn   1 e jkx a   1 e m n k a m  2 x 2  jk y b  k b 2 y n  Đối với có liên ngàm bốn cạnh: I mn   I abk x2 k y2  e  jakx  4m  2 a k 2 x   1 2 mn  4n    j k x a  k yb   1  e e  jbk y b k 2 y   (2.15)  (2.16)  Ta có mối quan hệ hệ số vận tốc âm với hệ số dạng sau:   (2.17)  mn  I mn   mn ;  mn   mn kz kz Áp dụng tính chất hàm trực giao cho phương trình (2.1) : j  j k z t   j  k z t   j k z t    (2.18) qmn  mn qmn  t   *  I mn e   mn e    mn e  m  z z z  Trong đó, qmn  t  đạo hàm bậc hai chuyển vị dạng tấm, qmn(t); ωmn tần số dao động riêng chữ nhật composite lớp, trực hướng xác định [105]: 10 CHƯƠNG TRUYỀN ÂM QUA TẤM KÉP COMPOSITE CỐT SỢI TRỰC HƯỚNG Trong chương 3, luận án tập trung vào xây dựng mơ hình giải toán truyền âm qua kết cấu kép, chữ nhật vật liệu composite lớp trực hướng dựa vào lý thuyết mỏng Kirchhoff phương pháp tách mốt Đi tìm cơng thức liên quan đến đặc trưng dao động âm kết cấu lập chương trình mơi trường Matlab để tính tổn thất truyền âm qua kép composite lớp trực hướng, hữu hạn, điều kiện biên khác (tựa lề ngàm bốn cạnh) bị kích thích sóng âm biến thiên điều hịa mơi trường khơng khí 3.1 Mơ hình kết cấu kép composite cốt sợi trực hướng Giả sử, kép composite, hình chữ nhật, kích thước hữu hạn, chứa khoang khơng khí gắn với vách ngăn cứng, kích thước lớn vơ hạn cách âm hồn tồn (Hình 3.1) Hình 3.1 Sơ đồ truyền âm qua kép composite lớp có khoang khí hình chữ nhật, trực hướng, hữu hạn liên kết lề ngàm bốn cạnh 3.2 Phương trình chuyển động kép composite lõi khơng khí Phương trình dao động kép composite lớp đối xứng, trực hướng với khoang khơng khí kín bị kích thích sóng âm phẳng biến thiên điều hịa biểu diễn [23], [45]:  w1  x, y; t   w1  x, y; t   w1  x, y; t    D12  D66   D22 2 x x y y (3.1)  w1 ( x, y; t )  j0  1 ( x, y, z; t )   ( x, y, z; t )    2t  w2  x, y; t   w2  x, y; t   w2  x, y; t  D11  D  D  D   12 66 22 x x y y (3.2) D11  m*  m*  w2 ( x, y; t )  j0   ( x, y, z; t )   ( x, y, z; t )    2t đó: Фi (i=1,2,3) vận tốc âm miền tới, khoang khí miền truyền qua; 11 Chuyển vị gây sóng tới:  j ( k xk y t )  j ( k xk y t ) (3.3) w1 ( x, y; t )  w01.e x y ; w2 ( x, y; t )  w02.e x y Thế vận tốc âm khoang khí biểu diễn bởi:  j ( k x  k y  k z t )  j ( k x  k y k z t ) (3.4) 2 ( x, y, z; t )   mn e x y z  mn e x y z đó: γmn biên độ dương sóng ψmn biên độ âm sóng 3.3 Điều kiện biên kép composite lõi không khí Điều kiện biên cho kép composite lớp liên kết tựa lề bốn cạnh liên kết ngàm bốn cạnh trình bày chương Điều kiện liên tục cho kép 1   j w1; z  h,   j w1; z z   z  h  H,  j w2 ; z  2h  H, -  j w2 z z z  0, - (3.5) Chuyển vị hạt áp suất âm liên hệ phương trình động lượng, sau [43]: 2 p1 1   t 0 z  p2   2 t 0 z ; z 0 2 p2 2   t 0 z ;  p3   t 0 z (3.6) z h ; z H h z H 2h Ta thu biểu thức tính biên độ:  mn  I mn   kz  1,mn e jk H   2,mn  z 1,mn ;  mn   kz e   2,mn  1,mn e jk H   jk z  h  H  z  mn   kz e jk z  h  H  e jk z  H  h   ;  mn  e  jk z  H  h   ; (3.7)  2,mn e jk ( H  h ) z kz Thay phương trình liên tục điều kiện biên vào phương trình chuyển động (3.1) – (3.2) đồng thời áp dụng tính chất trực giao hàm dạng, ta được:  j  k z z t   j0  I mn   mn  e  0 *  j   k z z t  m   mn  mn  e    j  k z z t   j   mn   mn  e q2,mn  t   2,2 mn q2, mn  t   *  0  j  k z   t   z m  e   mn q1,mn  t   1,2mn q1, mn  t   (3.8) (3.9) Tần số dao động tự nhiên composite lớp trực hướng hữu hạn, xác định [96]: 12    D 11 i2,mn  A  4 mn  4  4   2D12  D66  mn2  D22 mn . mn dA  x  x y  y  m *   mn  mn dA , i  1,2 (3.10) A Hệ phương trình để xác định α1,mn α2,mn cho dạng ma trận sau:  R11 R12  1,mn  S  (3.11)   R   21 R22   2,mn    3.4 Tổn thất truyền âm qua kép composite lõi khơng khí Tổn thất truyền âm qua composite lớp trực hướng hữu hạn kích thích sóng đơn trường sóng mơi trường khơng khí giới thiệu Chương 2, mục 2.4 luận án 3.5 Kiểm tra độ tin cậy mơ hình phương pháp Xét kép đẳng hướng, hữu hạn có điều kiện biên tựa lề bốn cạnh Hình 3.2 So sánh tổn thất truyền âm qua kép nhôm đẳng hướng hữu hạn theo lý thuyết thực nghiệm Lu Xin [47] Từ hình 3.2, ta thấy dự đốn STL theo lý thuyết luận án phù hợp tốt với kết thực nghiệm Lu Xin [47], đặc biệt tần số thấp (f < 300 Hz) Đối với kép đẳng hướng hữu hạn có điều kiện biên ngàm bốn cạnh Hình 3.3 So sánh tổn thất truyền âm qua kép nhôm đẳng hướng hữu hạn theo lý thuyết với lý thuyết thực nghiệm Carneal Fuller [42] 13 Hình 3.3 rõ dự đoán phù hợp tốt với kết thực nghiệm dự đoán lý thuyết Carneal Fuller [42] 3.6 Đánh giá số ảnh hưởng đến tổn thất truyền âm qua kép composite 3.6.1 Ảnh hưởng loại vật liệu composite Hình 3.4 Ảnh hưởng loại vật liệu composite đến tổn thất truyền âm qua kép composite lớp trực hướng, lõi khoang khí, tựa lề bốn cạnh 3.6.2 Ảnh hưởng chiều dày Hình 3.5 Ảnh hưởng chiều dày đến tổn thất truyền âm qua kép composite Graphite/Epoxy, trực hướng, lõi không khí, ngàm bốn cạnh 3.6.3 Ảnh hưởng chiều dày khoang khí Hình 3.6 Ảnh hưởng chiều dày khoang khí đến tổn thất truyền âm qua kép composite Glass/Epoxy trực hướng, lõi khơng khí, tựa lề bốn cạnh 3.6.4 Ảnh hưởng kích thước bề mặt 14 Hình 3.7Ảnh hưởng kích thước bề mặt đến tổn thất truyền âm qua kép composite lớp Graphite/Epoxy có khoang khí tựa lề bốn cạnh 3.7 Kết luận chương Chương luận án giải toán truyền âm qua kết cấu kép composite cốt sợi trực hướng, chứa khoang khơng khí Đã phát triển xây dựng phương trình dao động âm cho kép composite lớp chữ nhật, cốt sợi trực hướng Bằng phương pháp tách mốt, tác giả tìm nghiệm tốn dao động kép chữ nhật, trực hưóng, hữu hạn tác dụng nguồn âm Đặc biệt, luận án tìm biểu thức tường minh để tính tổn thất truyền âm qua kép composite chữ nhật, cốt sợi trực hướng chịu liên kết lề ngàm bốn cạnh.Từ hệ thức thiết lập được, luận án xây dựng chương trình máy tính mơi trường Matlab để tính tổn thất truyền âm qua kết cấu kép chữ nhật composite trực hướng với liên kết khác Chương trình tính cho kết tin cậy cho phép đánh giá định lượng ảnh hưởng thông số như: loại vật liệu composite, cấu hình vật liệu composite, kích thước (chiều dài, chiều rộng, độ dày), độ dày khoang khí, … đến khả cách âm kép composite lớp CHƯƠNG4 TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE SANDWICH LÕI XỐP Chương luận án tập trung vào xây dựng mơ hình giải tốn truyền âm qua kết cấu composite sandwich trực hướng, lõi xốp, hay gọi kép composite trực hướng có lõi vật liệu xốp dựa vào lý thuyết mỏng Kirchhoff, lý thuyết vật liệu xốp Biot phương pháp tách mốt 4.1 Mơ hình kết cấu composite sandwich lõi xốp Giả sử, kép composite lớp hình chữ nhật, trực hướng, đồng nhất, hữu hạn đủ mỏng điền đầy lõi hai 15 vật liệu xốp gọi composite sandwich minh họa hình 4.1 Hình 4.1 Sơ đồ truyền âm qua kép composite lớp có lõi xốp hình chữ nhật trực hướng hữu hạn liên kết lề ngàm bốn cạnh 4.2 Phương trình dao động composite sandwich lõi vật liệu xốp Phương trình dao động composite lớp sandwich đối xứng, trực hướng, hữu hạn bị kích thích sóng âm phẳng điều hịa mơ tả bởi: D11  w1  x, y; t   w1  x, y; t   w1  x, y; t    D12  D66   D22 2 x x y y  m1* D11* (4.1)  w1  j01   zs   zf t 2 4  w2  x, y; t  * *  w2  x, y; t  *  w2  x, y; t   D  D  D  12 66  x2y 22 x y (4.2)  w2   j03   zs   zf t đó:  zs ;  zf ứng suất pháp theo phương z pha rắn pha  m2* lỏng vật liệu xốp 4.3 Điều kiện biên composite sandwich lõi vật liệu xốp Đối với kết cấu sandwich, lõi xốp mơ tả hình 4.2, điều kiện biên sau phải thỏa mãn: (4.3) v*z  j w, usz  w, u fz  w Ngồi ra, điều kiện biên phương trình (4.3) phải thỏa mãn bề mặt lớp xốp, cụ thể:  Tại z = h1, (4.4) -  jw1 , u sz  w1 , u fz  w1 z  Tại z = H + h1, (4.5)  jw2 , u sz  w2 , u fz  w2 z 16 Dưới kích thích sóng âm điều hịa, chuyển vị uốn xác định theo mục 3.3 luận án 4.4 Mơ hình vật liệu xốp giải toán dao động âm Theo lý thuyết Biot [48], ta có mối quan hệ es, ef với us uf cho thành phần chuyển vị pha rắn pha lỏng theo phương z:  k k k k  j  k x  k y t   u s  je D 1z e jk z  D 1z e jk z  D z e  jk z  D z e jk z (4.6) x   y z uzf  je   j k x x  k y y t  j k xk  zs  e  x x k12 1z 2z k12   2z k22 k22  k1z  jk1 z z k k k   c1D2 12z e jk1 z z  c2 D3 22z e  jk2 z z  c2 D4 22z e jk2 z z  (4.7)  c1D1 e k k k k  1 2  y y t  j k xk  zf  e  1z y y t  s  jk1 z z  D2e jk1 z z   2s D3e jk2 z z  D4e jk2 z z  (4.8) 1 D1e      f  jk1 z z  D2e jk1 z z   2f D3e jk2 z z  D4e jk2 z z  (4.9) 1 D1e     Thay phương trình vận tốc, u , u phương trình (4.6) (4.7), chuyển vị ngang w1, w2 vào phương trình điều kiện biên ta được: Kết hợp phương trình (4.6) - (4.9) ta thu hệ bốn phương trình đại số cho bốn ẩn số (D1 - D4) xếp lại thành phương trình ma trận sau: MD  R (4.10) Có thể tính vec tơ D từ phương trình ma trận (4.10): D = V.R, V = M-1 ma trận nghịch đảo ma trận truyển M Bài toán giải ta xác định α1,mn α2,mn Trong luận án, tác giả áp dụng phương pháp Galerkin cho phương trình chuyển động compoite lớp trực hướng hữu hạn (4.1) (4.2) ta được: s z f z   w  x, y; t   w  x, y; t     D12  D66    D11 x x 2y     x, y  dxdy  0 0   w  x, y; t   w  mn * s f  D22   m  j       1 z z  y t   b a  *  w  x, y; t   * *  w  x, y; t  D  D  D     11 22 66 2 b a x x y    x, y  dxdy  0 0   w  x, y; t   w  mn * s f  D22*  m2  j0   z   z  y t   (4.11) (4.12) 17 Lời giải hệ phương trình vơ hạn xử lý số cách lấy phần thích hợp: ≤ m, n ≤ 10, số mode tối đa lựa chọn dựa vào độ xác chi phí tính tốn Do đó, hệ phương trình xếp lại dạng phương trình ma trận 2M2 x 2M2 sau: T11,mn T  21,mn T12,mn  1,mn  F    mn     T22,mn  M x M  2,mn 2 M x1  2 M x1 (4.13) Sau giải hệ phương trình ma trận (4.13), ta xác định hệ số dạng αi,mn (i = 1, 2) chuyển vị Từ đó, biến phụ thuộc khác w1, w2, β, ε xác định 4.5 Tổn thất truyền âm qua composite sandwich lõi xốp 4.6 Kiểm tra độ tin cậy mơ hình phương pháp Xét kép đẳng hướng, hữu hạn, có lõi vật liệu xốp chịu liên kết tựa lề bốn cạnh Hình 4.2 So sánh tổn thất truyền âm qua sandwich nhơm, đẳng hướng, hữu hạn có lõi vật liệu xốp theo lý thuyết với kết thực nghiệm Lee Kondo [59] Từ hình 4.2, ta thấy đường cong STL qua sandwich nhôm với lõi xốp tính theo lý thuyết luận án tương đồng với đường STL theo thực nghiệm Lee Kondo [59], sai lệch trung trình tồn dải tần số xét 1,37dB Tiếp theo, xét sandwich đẳng hướng, hữu hạn, có lõi vật liệu xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh Hình 4.3 So sánh tổn thất truyền âm qua sandwich nhôm, đẳng hướng, hữu hạn có lõi vật liệu xốp theo lý thuyết với kết lý thuyết Bolton [57] 18 Hình 4.4, cho thấy đường cong mơ tả STL theo lý thuyết luận án tương đồng với đường STL tính theo lý thuyết Bolton [57]; sai lệch trung trình tồn dải tần số xét 3.70 dB 4.7 Đánh giá ảnh hưởng số yếu tố đến tổn thất truyền âm qua composite sandwich lõi xốp 4.7.1 Ảnh hưởng loại vật liệu composite sandwich Hình 4.4 Ảnh hưởng loại vật liệu đến STL qua composite sandwich trực hướng, hữu hạn, lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh 4.7.2 Ảnh hưởng chiều dày lớp da Hình 4.5 Ảnh hưởng chiều dày lớp da đến STL qua composite sandwich trực hướng, hữu hạn lõi xốp chịu liên kết tựa lề bốn cạnh 4.7.3 Ảnh hưởng chiều dày lớp lõi xốp Hình 4.6 Ảnh hưởng chiều dày lõi đến STL qua composite sandwich trực hướng hữu hạn lõi xốp chịu liên kết tựa lề bốn cạnh 19 4.7.4 Ảnh hưởng tính lớp lõi xốp Hình 4.7 Ảnh hưởng khối lượng riêng lớp lõi đến STL qua composite sandwich trực hướng, hữu hạn lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh 4.8 Kết luận chương Chương luận án giải toán truyền âm qua kết cấu composite sandwich cốt sợi trực hướng, lõi vật liệu xốp Dự lý thuyết mỏng Kirchhoff lý thuyết Biot vật liệu xốp, luận án phát triển xây dựng phương trình dao động âm cho composite lớp sandwich chữ nhật, cốt sợi trực hướng, lõi xốp Bằng phương pháp tách mốt phương pháp Galerkin, tác giả tìm lời giải toán dao động cho sandwich chữ nhật, trực hưóng, hữu hạn tác dụng nguồn âm Đặc biệt, luận án tìm biểu thức tường minh dựa cơng suất âm để tính tổn thất truyền âm qua composite sandwich, cốt sợi trực hướng, lõi xốp chịu liên kết lề ngàm bốn cạnh Từ hệ thức thiết lập được, luận án xây dựng chương trình máy tính mơi trường Matlab để tính tổn thất truyền âm qua kết cấu sandwich chữ nhật composite trực hướng với liên kết khác Chương trình tính cho kết tin cậy cho phép đánh giá định lượng ảnh hưởng thông số như: loại vật liệu composite, độ dày lớp da, độ dày lớp lõi, lớp lõi,…đến khả cách âm composite lớp sandwich, lõi xốp Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE SANDWICH VỚI LÕI LÀ PU XỐP Trong chương này, luận án trình bày nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định tổn thất truyền âm qua composite sandwich với hai lớp da composite lớp, cốt sợi thủy tinh/nền polyester lớp lõi PU (Polyurethane) xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh 5.1 Quy trình thí nghiệm 20 Luận án trình bày quy trình nghiên cứu thực nghiệm để xác định tổn thất truyền âm qua composite sandwich với hai lớp da composite cốt sợi thủy tinh/ polyester không no; lớp lõi vật liệu PU xốp (Polyurethane) 5.1.1 Mơ tả phịng thu-phịng phát Tại Trung tâm thí nghiệm thực hành, Trường Đại học Nha Trang, cộng tác với Viện đo lường Việt Nam [111] Trước hết thiết kế chế tạo hai phòng: phòng phát phịng thu đồng dạng hình học để thí nghiệm đo STL mơ tả hình 5.1 Hình 5.1 Sơ đồ phòng đo tổn thất truyền âm Phòng phát đáp ứng tiêu chuẩn ISO 3741-88 (E) [108] Tổn thất truyền âm xác định phương pháp đo mức áp suất âm, phù hợp với tiêu chuẩn ASTM E 2249-02(E) [109] 5.1.2 Chế tạo mẫu composite sandwich lõi PU xốp Mẫu composite sandwich: Các composite sandwich chế tạo có cấu hình đối xứng [0/90/0/90]s Lớp da chế tạo sợi thủy tinh WR800/nhựa polyester không no; sợi thủy tinh dệt theo phương 00/900; lõi vật liệu foam - PU Chiều dày lớp da trên, da lớp lõi tính tốn xác định theo tiêu chuẩn Đăng kiểm Việt Nam: QCVN 562013/BGTVT 5.1.3 Phương pháp đo Tấm mẫu thí nghiệm chia 16 ô, tương ứng với 16 điểm đo Mỗi mẫu đo lần, tương ứng với 48 điểm đo Sau lần đo thứ tiến hành tháo mẫu thử để xoay mẫu góc 90o cho lần đo thứ 2, làm tương tự cho lần đo thứ Kết cuối giá trị trung bình lần đo 21 5.1.4 Quy trình đo Để tiến hành thí nghiệm, trước hết, cần xác định vị trí loa (nguồn âm phát) mơ tả hình 5.1 Hình 5.2 Gắn mẫu thử Hình 5.3 Đo STL qua mẫu thử composite sandwich 5.1.5 Các thơng số cần đo Trong q trình thí nghiệm, ta cần đo mức áp suất âm phòng phát L1; mức áp suất âm phòng thu L2 thời gian vang T Tổn thất truyền âm qua composite sandwich xác định theo công thức [1]:  Ap T  (5.1) STL  L1  L2  10log    0,161 V2  5.1.6 Kiểm tra độ tin cậy phép đo Kết đo tổn thất truyền âm qua thép đẳng hướng so sánh với kết tính theo định luật khối lượng (Mass law) kết thí nghiệm Rajaram [97] hình 5.4 Hình 5.4 Đồ thị đo STL qua mẫu thép tiêu chuẩn 22 5.2 Kết thực nghiệm đo STL qua mẫu composite sandwich có lõi PU xốp Mười (10) mẫu composite sandwich, ký hiệu từ A đến K Kết thực nghiệm cho mẫu composite sandwich khác giới thiệu Phụ lục C Mẫu composite sandwich I K Hình 5.5 Tổn thất truyền âm qua composite sadwich I K 5.3 So sánh kết STL theo thực nghiệm lý thuyết qua mẫu composite sandwich lõi PU xốp 5.3.1 Tấm có khối lượng riêng lớp lõi khác nhau, chiều dày lớp da chiều dày lớp lõi: Tấm A C Hình 5.6 So sánh tổn thất truyền âm qua composite sandwich A C 5.3.2 Tấm có chiều dày lớp da khác nhau, chiều dày lớp lõi, khối lượng riêng lớp lõi: Tấm E F Hình 5.7 So sánh tổn thất truyền âm qua composite sandwich E F 23 5.3 Kết luận chương Chương trình bày quy trình thực kết thí nghiệm đo tổn thất truyền âm qua mẫu composite sandwich có hai lớp da vật liệu composite sợi thủy tinh/ plyester khơng no với cấu hình trục [0o/90o/0o/90o]s lớp lõi vật liệu PU xốp Tấm composite sandwich bị ngàm cạnh Từ kết thực nghiệm thu được, tác giả rút số kết luận sau: Các kết thực nghiệm thu có độ tin cậy cao tương đồng với kết tính tốn lý thuyết theo chương trình Matlab xây dựng chương luận án Khối lượng riêng lớp lõi PU xốp có ảnh hưởng lớn đến tổn thất truyền âm qua composite sandwich nghiên cứu Khi tăng khối lượng riêng lớp lõi xốp, giá trị STL theo lý thuyết thực nghiệm tăng Giá trị tăng trung bình theo lý thuyết 2,124 dB, theo thực nghiệm 1,988 dB toàn dải tần số 1/3 Octave Chiều dày lớp da có ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất truyền âm qua composite sandwich khảo sát Chẳng hạn, h tăng từ 2,53mm đến 3,37mm, thông số khác không thay đổi STL theo lý thuyết tăng 1,476 dB, theo thực nghiệm STL tăng 1,774 dB toàn dải tần số 1/3 Octave Chiều dày lớp lõi ảnh hưởng không đáng kể đến tổn thất truyền âm qua composite sandwich Cụ thể, H tăng từ 30mm đến 40mm, thông số khác không thay đổi STL theo lý thuyết tăng 0,560 dB, theo thực nghiệm STL tăng 0,567 dB toàn dải tần số 1/3 Octave KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ Từ kết trình bày chương luận án, số điểm rút sau: - Từ phương trình dao động kết cấu kim loại đẳng hướng, luận án phát triển xây dựng phương trình dao động âm composite lớp chữ nhật, cốt sợi trực hướng; kép composite lớp trực hướng composite sandwich lõi vật liệu xốp - Đặc biệt, dựa vào cơng suất âm thanh, luận án tìm biểu thức tường minh để tính tổn thất truyền âm qua composite cốt sợi trực hướng, kép composite lớp trực hướng composite sandwich lõi xốp chịu liên kết lề ngàm bốn cạnh 24 - Luận án xây dựng ba chương trình máy tính mơi trường Matlab để tính tổn thất truyền âm qua kết cấu composite trực hướng, kép composite trực hướng composite sandwich lõi xốp Các chương trình tính cho kết tin cậy so sánh kết với kết công bố trước - Đã xây dựng quy trình tiến hành thí nghiệm đo tổn thất truyền âm qua mẫu composite sandwich có hai lớp da vật liệu composite trực hướng, cốt sợi thủy tinh/ plyester không no lớp lõi vật liệu PU xốp - Bằng tính tốn lý thuyết thực nghiệm, luận án đánh giá định lượng ảnh hưởng thơng số như: loại vật liệu composite, tính dị hướng cấu hình vật liệu composite, góc âm tới, kích thước kết cấu tấm, độ dày lớp khơng khí, tính độ dày lớp vật liệu xốp điều kiện biên đến khả cách âm ba loại kết cấu composite cốt sợi trực hướng hay ứng dung ngành kỹ thuật đời sống Có thể tham khảo cách tiếp cận với kết tính tốn số thực nghiệm để phân tích ứng xử dao động âm thiết kế kết cấu composite lớp, kép composite composite sandwich cốt sợi/nền polymer với lõi xốp có khả cách âm, giảm ồn cao cho ứng dụng khác chế tạo ô tô, tàu hỏa tàu thủy vỏ composite Việt Nam KIẾN NGHỊ Trên sở nội dung kết nghiên cứu trình bày, đề xuất số nội dung cần tiếp tục nghiên cứu sau: + Bằng phương pháp giải tích phương pháp số, giải toán dao động âm kết cấu composite dạng tấm, kép có khoang khí, sandwich có lõi vật liệu xốp, kết cấu composite có gân gia cường có tính đến tương tác với dịng khí động + Nghiên cứu giải toán truyền âm qua kết cấu tấm, vỏ composite sandwich đa lớp da đa lớp lõi xốp lõi tổ ong; lớp lõi không gắn trực tiếp với lớp da v.v chịu liên kết khác + Nghiên cứu giải số toán truyền âm qua kết cấu tấm, vỏ composite FGM chịu liên kết khác ... - Tấm Composite lớp sandwich, hữu hạn hình chữ nhật có hai lớp da composite lớp trực hướng lớp lõi vật liệu polymer xốp Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu truyền âm qua kết cấu composite lớp cốt. .. tảng cho nghiên cứu chuyên sâu ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu luận án: - Tấm Composite lớp cốt sợi trực hướng, hữu hạn hình chữ nhật - Tấm kép Composite lớp cốt sợi trực... nghiệm để nghiên cứu trình truyền âm qua kết cấu Từ phân tích vào yêu cầu thực tiễn lựa chọn đề tài, tác giả đưa nội dung nghiên cứu cho luận án CHƯƠNG TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE LỚP CỐT SỢI TRỰC