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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE LỚP CỐT SỢI LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE LỚP CỐT SỢI Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS TRẦN ÍCH THỊNH Hà Nội - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu luận án: “Nghiên cứu tổn thất truyền âm qua composite lớp cốt sợi” cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Phú Thọ, ngày……tháng……năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Người cam đoan i LỜI CẢM ƠN Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn: GS TS Trần Ích Thịnh tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện động viên suốt trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả chân thành cảm ơn tập thể thầy, cô Bộ môn Cơ học vật liệu kết cấu – Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ hướng dẫn suốt thời gian tác giả nghiên cứu Bộ môn Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể thành viên nhóm Seminar "Cơ học Vật rắn biến dạng" - ĐH Bách Khoa Hà Nội, ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH Công nghệ, ĐH Xây Dựng, ĐH Kiến Trúc, Viện Khoa học Vật liệu Xây dựng, ĐH Giao Thông Vận tải, Học viện Hậu cần, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ĐH Thái Nguyên đóng góp nhiều ý kiến q báu có giá trị cho nội dung đề tài luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn TS Đinh Đức Tiến – Viện Nghiên cứu Chế tạo Tàu thủy - Đại học Nha Trang hướng dẫn, giúp đỡ chế tạo mẫu thí nghiệm trình tiến hành đo thực nghiệm Tác giả xin chân thành cảm ơn Tập thể cán giảng viên Khoa Cơ khí – Ơ tơ – Trường Đại học Cơng nghiệp Việt Trì giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi thời gian công viện để tác giả hồn thành thời gian học tập nghiên cứu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn bạn bè, đồng nghiệp tận tình giúp đỡ động viên suốt trình tác giả học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thành viên gia đình thơng cảm, tạo điều kiện chia sẻ khó khăn suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận án ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VII DANH MỤC CÁC BẢNG IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ X MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1 Giới thiệu vật liệu composite Lý thuyết truyền âm Sóng âm tiếng ồn 2 Tần số, bước sóng, biên độ Áp suất âm 10 Mức áp suất âm 11 Cường độ âm mức cường độ âm 11 Công suất âm mức công suất âm 12 Dải tần số âm 12 Tình hình nghiên cứu truyền âm qua kết cấu composite 13 Tình hình nghiên cứu truyền âm qua composite lớp 14 Tình hình nghiên cứu truyền âm qua kép composite 18 3 Tình hình nghiên cứu truyền âm qua composite sandwich, lõi xốp 23 Tình nghiên cứu truyền âm qua kết cấu Việt Nam Kết luận chương 33 34 CHƯƠNG TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE LỚP CỐT SỢI TRỰC HƯỚNG 37 Mơ hình kết cấu composite lớp trực hướng 37 2 Phương trình dao động composite lớp 38 Điều kiện biên composite lớp 39 Tổn thất truyền âm qua composite lớp 42 Kiểm tra độ tin cậy mơ hình phương pháp 48 iii Đánh giá số ảnh hưởng đến tổn thất truyền âm qua composite lớp trực hướng 53 Ảnh hưởng loại vật liệu composite 54 Ảnh hưởng góc tới 54 Ảnh hưởng tính dị hướng 57 Ảnh hưởng độ dày composite 58 Ảnh hưởng điều kiện biên 59 Kết luận chương 61 CHƯƠNG TRUYỀN ÂM QUA TẤM KÉP COMPOSITE CỐT SỢI TRỰC HƯỚNG 63 Mô hình kết cấu kép composite cốt sợi trực hướng 63 Phương trình chuyển động kép composite lõi khơng khí 64 3 Điều kiện biên kép composite lõi khơng khí 65 Tổn thất truyền âm qua kép composite lõi không khí 69 Kiểm tra độ tin cậy mơ hình phương pháp 73 Đánh giá số ảnh hưởng đến tổn thất truyền âm qua kép composite 75 Ảnh hưởng loại vật liệu composite 75 Ảnh hưởng chiều dày 76 Ảnh hưởng chiều dày khoang khí 78 Ảnh hưởng góc âm tới 79 Ảnh hưởng cấu hình vật liệu composite 81 6 Ảnh hưởng kích thước bề mặt 82 Ảnh hưởng điều kiện biên 83 So sánh tổn thất truyền âm qua kép kim loại với kép composite lõi khơng khí 83 So sánh tổn thất truyền âm qua composite lớp với kép composite lõi khơng khí 84 Kết luận chương 85 CHƯƠNG TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE SANDWICH LÕI XỐP 87 Mơ hình kết cấu composite sandwich lõi xốp 87 Phương trình dao động composite sandwich lõi vật liệu xốp 88 Điều kiện biên composite sandwich lõi vật liệu xốp 89 4 Mơ hình vật liệu xốp giải toán dao động âm 90 iv Tổn thất truyền âm qua composite sandwich lõi xốp 98 Kiểm tra độ tin cậy mơ hình phương pháp 99 Đánh giá ảnh hưởng số yếu tố đến tổn thất truyền âm qua composite sandwich lõi xốp 102 Ảnh hưởng loại vật liệu composite sandwich 102 Ảnh hưởng chiều dày lớp da 103 Ảnh hưởng chiều dày lớp lõi xốp 104 Ảnh hưởng cấu hình vật liệu composite 106 Ảnh hưởng mô đun đàn hồi vật liệu composite 107 Ảnh hưởng tính lớp lõi xốp 107 7 Ảnh hưởng góc âm tới 111 Ảnh hưởng điều kiện biên 113 Kết luận chương 114 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE SANDWICH VỚI LÕI LÀ PU XỐP Quy trình thí nghiệm 116 116 1 Mơ tả phịng thu-phịng phát 116 Chế tạo mẫu composite sandwich lõi PU xốp 118 Phương pháp đo 121 Quy trình đo 121 5 Các thông số cần đo 122 Kiểm tra độ tin cậy phép đo 123 Kết thực nghiệm đo STL qua mẫu composite sandwich có lõi PU xốp 125 Mẫu composite sandwich I 126 2 Mẫu composite sandwich K 127 So sánh kết STL theo thực nghiệm lý thuyết qua mẫu composite sandwich lõi PU xốp 129 Tấm có khối lượng riêng lớp lõi khác nhau, chiều dày lớp da chiều dày lớp lõi 129 Tấm có chiều dày lớp da khác nhau, chiều dày lớp lõi, khối lượng riêng lớp lõi 132 v 3 Tấm có chiều dày lớp lõi khác nhau, chiều dày lớp da, khối lượng riêng lớp lõi 134 Kết luận chương 136 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 143 PHỤ LỤC A vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU λ, f, T*, c0 Bước sóng, tần số, chu kỳ vận tốc âm k, kx, ky, kz Số sóng theo phương x, y, z PM, Prms pi, p0 gc , χ, R, T0 Lp, LI, Lw, I Biên độ áp suất lớn nhất, biên độ áp suất bậc hai trung bình Áp suất âm biên độ lớn áp suất âm tức thời Hệ số chuyển đổi, hệ số nhiệt dung riêng, số khí nhiệt độ tuyệt đối Mức áp suất âm, mức cường độ âm, mức công suất âm cường độ âm pref a, b Áp suất âm tiêu chuẩn h, h1, h2, H Chiều dày chiều dày lõi Dij, Dij* Độ cứng uốn m*, mi* , j Mật độ bề mặt số phức ρ0, ω Mật độ khơng khí tần số góc sóng tới Φi, wi Thế vận tốc chuyển vị ngang Qij, Ei, G12, ν Kích thước Các số độ cứng Mô đun đàn hồi kéo, nén theo phương i, mô đun cắt hệ số Poisson Imn, βmn, γmn, ψmn, εmn φ, θ Biên độ sóng φmn ,αi,mn, ωmn Hàm dạng, hệ số dạng tần số dao động riêng ξ1, ξ2 Sự dịch chuyển hạt âm I* Hằng số độ cứng Пi, vi* Công suất âm vận tốc âm cục τd, τ0, STL Hệ số công suất truyền âm tổn thất truyền âm χmn ,mn ,кmn, ξmn, ηmn, ζmn, Ψmn, Λmn, Δmn, Ωmn Góc tới góc phương vị Các hệ số tham chiếu  zs ; zf Ứng suất pháp pha rắn pha lỏng theo phương z u sz , u fz Chuyển vị pha rắn pha lỏng theo phương z v* Vận tốc hạt âm trường khơng khí theo phương z z vii es, ef, us, uf A, N, Pr Q, S Σ Es , Ef, E0 ϑ, ψ J0, J1 k1, k2 ρ1, ρ2, ρij ρa, a* D1, D2, D3, D4 1s , 2s ,1f , 2f ,Ω1, Ω2, Г2,mn, Г1,mn M, R, D, V Biến dạng chuyển vị pha rắn pha lỏng Hệ số Lamé, mô đun cắt đàn hồi số Prandtl Hệ số thay đổi thể tích pha rắn pha lỏng Độ xốp vật liệu xốp Hệ số Young mô đun pha rắn, mô đun bulk đàn hồi chất lỏng lỗ rỗng mơ đun bulk khơng khí Hệ số hình học kết cấu trở kháng dịng chảy Hàm Bessel bậc khơng bậc Hai sóng dọc truyền pha pha rắn pha lỏng Khối lượng riêng pha rắn pha lỏng, khối lượng riêng tương đương Hệ sô liên kết pha rắn pha lỏng, hệ số nhớt Biên độ phức bốn thành phần sóng Qi,mn, fmn Fmn, [Tij] Các thơng số phụ pha rắn pha lỏng L1, L2 Ma trận truyền, Véc tơ lực, véc tơ cột D1, D2, D3, D4 ma trận nghịch đảo ma trận chuyển M T Hệ số số phụ thuộc điều kiện biên V2, Ap STL Véc tơ lực tổng quát ma trận phần tử Mức áp suất âm trung bình đo phịng phát – phịng thu Thời gian vang phòng thu ngàm chặt thử hai phịng Thể tích phịng thu diện tích mặt mẫu thử Tổn thất truyền âm viii [96] S Rajaram, T Wang, S Nutt (2006), “Sound transmission loss of honeycomb sandwich panels”, Noise Control Engineering Journal, vol 54, pp 106-115 [97] S Rajaram, T Wang, S Nutt (2009), “Small-scale transmission loss facility for flat lightweight panels”, Noise Control Engineering Journal, vol 57, pp 536-542 [98] D Borelli, T Gaggero, E Rizzuto, C Schenone (2015), “Analysis of noise on board a ship during navigation and manoeuvres”, Ocean Engineering, Vol 105, pp 256-269 [99] Nguyễn Văn Đạt (2005), “Nghiên cứu kết cấu hợp lý hệ thống bệ máy tàu cá vỏ composite toán chống rung”, luận án tiến sĩ kỹ thuật Mã số 03 05 [100] Nguyễn Tiến Khiêm, “Nghiên cứu biện pháp giảm rung cho tàu thuỷ loại nhỏ làm từ vật liệu composite” Đề tài cấp Bộ 2006 – 2007 [101] Đinh Đức Tiến, Nguyễn Văn Đạt, Trần Ích Thịnh (2015), “Xác định tổn thất truyền âm qua kết cấu composite sandwich buồng máy tàu thủy”, Tuyển tập cơng trình hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XII, Đại học Duy Tân Đà Nẵng [102] Đinh Đức Tiến, Nguyễn Văn Đạt, Trần Ích Thịnh (2016), “Nghiên cứu thực nghiệm tổn thất truyền âm qua buồng máy tàu khách vỏ composite”, Tuyển tập cơng trình hội nghị Khoa học toàn quốc: Vật liệu kết cấu composite Cơ học, Công nghệ Ứng dụng, Đại học Nha Trang [103] Đinh Đức Tiến, Nguyễn Văn Đạt, Trần Ích Thịnh (2016), “Ảnh hưởng khối lượng riêng lớp lõi đến tổn thất truyền âm composite sandwich dùng buồng máy tàu thủy”, Kỷ yếu hội nghị Khoa học cơng nghệ tồn quốc Cơ khí – Động lực, Đại học Bách Khoa Hà Nội [104] Đinh Đức Tiến, Nguyễn Văn Đạt, Trần Ích Thịnh (2018), “Xác định tổn thất truyền âm qua sandwich dùng kết cấu tàu thủy phương pháp phân tích thống kê lượng”, Tuyển tập cơng trình hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ XIV, Đại học Trần Đại Nghĩa, TP Hồ Chí Minh [105] Trần Ích Thịnh (1994), “Vật liệu composite – học tính tốn kết cấu”, Nhà xuất Giáo Dục [106] ASTM 90-02(E) (1990), “Standard test method for laboratory measurement of airborne sound transmission loss of building partitions and elements”, American Standard [107] ASTM 1289-91(E) (1991), “Standard specification for reference specimen for sound transmission loss”, American Standard [108] ISO 3741-88 (E) (1998), “Acoustics-Determination of sound power levels of noise sources—Precision methods for broad-band sources in reverberation rooms”, International Organization of Standardization, Geneva, Switzerland [109] ASTM 2249-02(E) (2002), “Standard test method for laboratory measurement of airborne sound transmission loss of building partitions and elements using sound intensity”, American Standard [110] G Porges (1977), “Applied Acoustics”, John Wiley & Sons, New York [111] Phịng thí nghiệm Viện nghiên cứu chế tạo Tàu thủy (2015), “Kết thử nghiệm tính vật liệu composite sandwich”, Đại học Nha Trang, Khánh Hòa 149 [112] Tiêu ch uẩn ISO 140 -4 (1998), “Acoustics — Measurement of sound insulation in buildings and of building elements — Part 4: Field measurements of airborne sound insulation between rooms” [113] Tiêu chuẩn ISO 3382-1 (2009), “Acoustics - Measurement of room acoustic parameters - Part 1: Performance space” [114] Tiêu chuẩn ISO 717–1 (2013), “Acoustics — Rating of sound insulation in buildings and of building elements — Part 1: Airborne sound insulation” [115] Tor Erik Vigran (2008), “Building Acoustics”, Taylor and Francis Group, London and NewYork 150 PHỤ LỤC Phụ lục A Khai triển tích phân kép phương trình (2 31), (2 39), (2 42), (3 29), (3 36) (3 39)  ab  2 jak  jb 1 e  2kx  2 jbk  2 j k xk y 1 e e dxdy ja  2k y  2 jak   1 e   ba   00  x y  ab   jb 1 e  2kx   ba  00 e  k x 0, k y  y (A 1) k x 0, k y 2 jbk y e x  jak x k x 0, k y  x  2 j ak xbk y   k x 0, k y y x y k x 0, k y   y  k  0, k  x kxk y  jbk dxdy ja 1 e  2k y    jbk 1 e jak  e   kxk y   j k x xk y y e (A 2) k x 0, k y e   j ak xbk y   k x 0, k y ba  x, y x, y dxdy mn kl 00 1  ab m = k, n = l mxnykxly sin sin sindxdy0 m k, n = l  sin 0 a b a b 0 m = k, n l  0 m k, n l a (A 3) ba ba a b a b 9  (A 4)   ab m =k, n l 2 ab m k, n l ba ba 00 00  a b (A 5) jkx xk y y x y e   mn bk  00 00  a b    2  ba ba   a b  jbk y 2  22 22 x k x 0, k y k x 0, k y k x 0, k y k x 0, k y 2  jak x   2             jbk y (A 6) Phụ lục B Các biểu thức ma trận M2 x M2 là:*1ii 1,2,3,*2ii 1,2,3,4 *1*ii 1,2,3 , xuất phần tử ma trận Tij,mn (i, j = 1, 2; m, n = 1,  2mx  2ny 2kx 2l y 1 cos 1 cos 1 cos 1 cos  dxdy 2, …, M)00mn  x,klyx,0 0y  dxdy  ab m = k, n = l b  ab m k, n = l 3   e     j k xk y  m x n y sin sin dxdy   ab1  1  k x 0, k y  n m n  ab 11 e  11  jak x x  mn    e jak ab 111 e1  jbk y  jbk y mn    abmn 11m e jak 1n e jbk 1mn e j ak  x ak    x, y e 2x y  my k2b  2  n2   jn a 1 e    k y k y b 4n  = jm b 1 e  k x k a 2 4m2         16m n2 1 e jak      y   2m x 2n yjkxky  1 cos 1ecos dxdy dxdy  j k xk y mn x x   1 e  k x yk kky a 2 4m2 2b 2 4n 2   k x 0, k y  k x 0, k y k x 0, k y Các biểu thức ma trận M2 x M2 là:1i 1,2,3, 2i 1,2,3,4 *i *i *1*ii 1,2,3 , xuất phần tử ma trận Tij,mn (i, j = 1, 2; m, n = 1, 2, …, M), xác định:  1,1*1i    ; Ci     2 CM M xM  C1  C2 *1 1   *1 1,mn      *1 1,2i *2 1    0  *3 1 *3 1   1 *3 0  41  n ;1,*2n 2D22  b  1     *2 1,2*2 1*3 1*3 14  *3  m ;1 2D11  a      *3 0 1*3 0M xM 1  *1 ab  2 4        2*2  2*2 *2 ab  2 4   (B 1)  m n m n  3D11 3D22 4 D12 2D66  a b a b 1,1*2  (i=1,2, ,M); 2 (B 4) 0 1 3ab  ,2*2 2  1 1     1 0 MxM  *3 *3   (B 2)    (B 3)   M 4 MxM    ;   1 M xM c 0  *3 1     1 0 MxM (B 5) 2*3 2 2*3 0   M xM 2*3     2  2  ;2  3ab  *3 2      1 MxM  0  *4 2*4     2  2   *4 2 *4 *4 C1*  1**1     0 2*4 0 M xM 1 ;2*4 ab   1      * 0 1     1 0 MxM 1,1i **1 * Ci   4 (B 8) 2 m n  m n*   a b 2D  3D22b  4 D12 a 66  *  **2 **2 1**3 1    *3 1  n 1*3 1*3    *3 0 M  41 b ;1,**2n 2D22*  1 1*3 * 0      **2    0  *3 (B 7) ; CM* M xM    (i=1,2, ,M);   **1 1,1**2  (B 6) **3 xM 14   m ;1 2D11  a   d 1   (B 9)   1 0 MxM    (B 10)   M 4 MxM Phụ lục C Thí nghiệm đo tổn thất truyền âm qua Composite sandwich, lõi PU xốp Mẫu composite sandwich A Hình C Đo STL qua mẫu composite sandwich A Đồ thị mô tả quan hệ tổn thất truyền âm tần số dải 1/3 octave hình cho mẫu A Hình C Tổn thất truyền âm qua composite sadwich A e Mẫu composite sandwich B Hình C Đo STL qua mẫu composite sandwich B Đồ thị mô tả quan hệ tổn thất truyền âm tần số dải 1/3 octave hình cho mẫu B Hình C Tổn thất truyền âm qua composite sadwich B f Mẫu composite sandwich C Hình C Đo STL qua mẫu composite sandwich C Đồ thị mô tả quan hệ tổn thất truyền âm tần số dải 1/3 octave hình cho mẫu C Hình C Tổn thất truyền âm qua composite sadwich C g Mẫu composite sandwich D Hình C Đo STL qua mẫu composite sandwich D Đồ thị mô tả quan hệ tổn thất truyền âm tần số dải 1/3 octave hình cho mẫu D Hình C Tổn thất truyền âm qua composite sadwich D h Mẫu composite sandwich E Hình C Đo STL qua mẫu composite sandwich E Đồ thị mô tả quan hệ tổn thất truyền âm tần số dải 1/3 octave hình cho mẫu E Hình C 10 Tổn thất truyền âm qua composite sadwich E i Mẫu composite sandwich F Hình C 11 Đo STL qua mẫu composite sandwich F Đồ thị mô tả quan hệ tổn thất truyền âm tần số dải 1/3 octave hình cho mẫu F Hình C 12 Tổn thất truyền âm qua composite sadwich F j Mẫu composite sandwich G Hình C 13 Đo STL qua mẫu composite sandwich G Đồ thị mô tả quan hệ tổn thất truyền âm tần số dải 1/3 octave hình cho mẫu G Hình C 14 Tổn thất truyền âm qua composite sadwich G k Mẫu composite sandwich H Hình 15 Đo STL qua mẫu composite sandwich H Đồ thị mô tả quan hệ tổn thất truyền âm tần số dải 1/3 octave hình cho mẫu H Hình C 16 Tổn thất truyền âm qua composite sadwich H l ... công suất âm 12 Dải tần số âm 12 Tình hình nghiên cứu truyền âm qua kết cấu composite 13 Tình hình nghiên cứu truyền âm qua composite lớp 14 Tình hình nghiên cứu truyền âm qua kép composite 18... 3 Tình hình nghiên cứu truyền âm qua composite sandwich, lõi xốp 23 Tình nghiên cứu truyền âm qua kết cấu Việt Nam Kết luận chương 33 34 CHƯƠNG TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE LỚP CỐT SỢI TRỰC HƯỚNG... - 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/