lõi xốp
Kết cấu composite sandwich bao gồm hai tấm bề mặt và lõi bằng các vật liệu khác nhau (mục 1.1) có các thuộc tính chịu lực, tản nhiệt, cách âm và giảm ồn... Do đó, các kết cấu sandwich ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong giao thông vận tải tốc độ cao, máy bay hàng không, tàu thủy, và các phương tiện vận tải khác mà vấn đề cách âm, giảm ồn là mối quan tâm chính do tiếng ồn được phát ra từ động cơ và các yếu tố ảnh hưởng từ bên ngoài truyền âm vào bên trong cabin gây ảnh hưởng đến sự an toàn và thoải mái cho người sử dụng các phương tiện dân dụng hoặc quân sự. Tuy nhiên, cho đến nay chỉ có một số nghiên cứu tập trung vào vấn đề này.
Biot [48] đã phát triển một lý thuyết truyền sóng ứng suất trong vật liệu xốp bao gồm hai pha (pha rắn và pha lỏng). Nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu xốp có thể mô tả bằng bốn tham số không thứ nguyên tương ứng với hai loại sóng truyền trong vật liệu xốp gồm sóng dọc (sóng airborne và sóng khung), sóng cắt và một tham số đặc trưng khác. Các đường cong phân tán vận tốc pha và hệ số suy giảm cho ba loại sóng được vẽ dưới dạng hàm của tần số cho các tổ hợp khác nhau của các tham số đặc trưng.
Sau đó, Allard và các cộng sự [49 - 51] nghiên cứu nhằm dự đoán các đặc tính âm qua kết cấu tấm sandwich kim loại có lõi là vật liệu xốp nhiều lớp (polycarbodiimide, polyurethane), vô hạn từ các phép đo đơn giản. Ma trận truyền thu được từ lý thuyết Biot [48] được sử dụng để mô tả các lớp đồng nhất và vật liệu phân lớp. Một phương pháp chung để mô hình hóa sự lan truyền âm thanh trong các kết cấu phân lớp cũng đã được đề xuất.
Trong [52, 53], Lang và Dym đã nghiên cứu sự truyền âm qua hai kết cấu composite sandwich có kích thước vô hạn: Tấm composite sandwich đối xứng có lớp da kim loại với lõi xốp đẳng hướng và tấm composite sandwich không đối xứng có lớp da kim loại với lõi xốp trực hướng. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng có hai biện pháp cơ bản để cải thiện (tăng) khả năng cách âm của kết cấu tấm composite sandwich. Cụ thể: thứ nhất, tăng độ cứng của lớp da; độ cứng càng tăng thì tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich cũng tăng. Thứ hai, tăng độ cứng lớp lõi để tăng tần suất
24
trùng hợp ngẫu nhiên ở tần số thấp. Tác giả cũng đã đề xuất phương pháp thiết kế kết cấu tấm composite sandwich, chỉ chú ý đến khối lượng riêng, độ dày của lớp lõi và lớp da như các thông số thiết kế.
Lauriks và cộng sự [54, 55] đã nghiên cứu truyền âm qua kết cấu tấm sandwich kim loại có lõi là vật liệu xốp có kích thước vô hạn. Nghiên cứu đã sử dụng ma trận truyền và lý thuyết Biot [48] cho vật liệu xốp để tính toán tổn thất truyền âm qua hệ thống tấm - vật liệu xốp - tấm. Lý thuyết trên mô tả tốt đặc tính âm của vật liệu xốp nhiều lớp có tấm chắn không thấm nước. Tuy nhiên, phương pháp này gặp khó khăn trong việc ước tính điều kiện ghép nối khối lượng, điều kiện khớp nối nhớt và khả năng nén phụ thuộc vào tần số của không khí trong vật liệu xốp. Kết quả số được so sánh, đánh giá và thảo luận với kết quả thực nghiệm.
Bolton và cộng sự [56, 57] đã đưa ra lý thuyết và các phép đo liên quan đến sự truyền âm qua các tấm sandwich kim loại (Nhôm) có lõi bằng vật liệu xốp ( polyurethane - PU) hữu hạn. Nghiên cứu đã sử dụng lý thuyết vật liệu xốp do Biot [48] đề xuất, bao gồm các dạng sóng lan truyền trong vật liệu xốp để tính toán tổn thất truyền âm qua tấm sandwich với các góc tới tùy ý dựa trên các phương trình truyền sóng trong vật liệu xốp đàn hồi và đưa ra các dạng tổng quát cho ứng suất và chuyển vị bên trong vật liệu xốp. Các giải pháp trên được thể hiện dưới dạng một số hằng số có thể được xác định bằng cách áp dụng các điều kiện biên tương thích chuyển vị. Các phép đo về sự mất mát do truyền âm ngẫu nhiên qua các kết cấu tấm sandwich bằng nhôm với lõi bằng bọt polyurethane cũng được trình bày và được chứng minh là phù hợp tốt với các dự đoán lý thuyết.
Panneton và Atalla [58] đã tính hiệu suất truyền âm thanh qua kết cấu tấm đa lớp kim loại, kích thước hũu hạn có lõi vật liệu xốp. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã dựa trên mô hình phần tử hữu hạn ba chiều kết hợp với lý thuyết Biot và phương pháp phần tử biên để tính toán tổn thất truyền qua kết cấu đa lớp. Các dự đoán số về tổn thất truyền âm qua vật liệu xốp được kẹp giữa hai tấm đàn hồi hữu hạn được trình bày và thảo luận qua so sánh với kết quả của các tấm sandwich vô hạn.
Lee và Kondo [59] đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm sandwich có lớp da bằng nhôm, lõi là vật liệu polymer đàn hồi, hữu hạn chịu liên kết bản lề được kích thích trong một trường âm để xem xét ảnh hưởng của lớp giảm chấn do lõi đàn hồi của tấm gây ra trong quá trình truyền âm. Để tính tổn thất truyền âm, nghiên cứu trên đã sử dụng tích phân Rayleigh kết hợp với điều kiện
25
biên bản lề. Kết quả thực nghiệm phù hợp tốt với kết quả tính theo lý thuyết tấm hữu hạn hiện tại nhưng cho thấy sự khác biệt đáng kể so với lý thuyết tấm vô hạn.
Sgard và cộng sự [60] đã dự đoán tổn thất truyền âm qua tấm sandwich kim loại (nhôm) có lõi bằng vật liệu xốp (fiberglass và foam), hữu hạn chịu liên kết tựa bản lề trong trường khuếch tán có tần số thấp. Nghiên cứu đã dựa trên mô hình phần tử hữu hạn (FEM) cho các lớp khác nhau kết hợp với phương pháp phần tử biên (BEM) và sử dụng sơ đồ tích hợp Gauss để tính toán tổn thất truyền âm. Các kết quả lý thuyết và thực nghiệm đã được đưa ra so sánh và thảo luận.
Bằng phương pháp phân tích sóng, Nilsson [61] đã nghiên cứu một số tính chất động học của kết cấu dạng dầm và tấm sandwich có lớp da là nhôm, lõi là các vật liệu xốp tổ ong, nomex, foam - PU chịu các điều kiện biên ngàm và tựa bản lề. Tác giả đã mô phỏng dao động uốn của dầm sandwich được cắt ra từ kết cấu tấm theo lý thuyết dầm Timoshenko. Phương trình vi phân bậc sáu để tính độ cứng uốn biểu kiến của dầm sandwich được suy ra bằng nguyên lý Hamilton. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm sandwich được xác định bằng các phép đo phụ thuộc vào tần số và các điều kiện biên của kết cấu. Sau đó, sử dụng phương trình hồi quy các kết quả đo của dầm để xác định độ cứng uốn của tấm composite sandwich. Một số kết quả dự đoán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm của tác giả được so sánh và thảo luận.
Lee và cộng sự [62] đã đề xuất một phương pháp gải tích gần đúng để tính toán sự truyền âm thanh qua kết cấu tấm và vỏ sandwich có lớp da kim loại, kích thước lớn vô hạn, lõi bằng vật liệu xốp, bị kích thích bởi một trường sóng âm biến thiên điều hòa. Theo lý thuyết Biot [48], vật liệu xốp bao gồm pha rắn và pha lỏng, ba thành phần sóng cùng tồn tại trong vật liệu, điều này làm cho việc phân tích quá trình truyền âm rất phức tạp. Do đó, nghiên cứu đã phát triển phương pháp gần đúng rất đơn giản: mô hình hóa vật liệu xốp chỉ bằng cách sử dụng sóng mạnh nhất trong ba sóng (bỏ qua thành phần sóng cắt) và lý tưởng hóa vật liệu như một chất lỏng tương đương để tính tổn thất truyền âm. Độ tin cậy của kết quả tính theo phương pháp trên được so sánh và thảo luận với kết quả thực nghiệm.
Tanneau và cộng sự [63] đã nghiên cứu khả năng truyền âm qua kết cấu tấm đa lớp kim loại đẳng hướng, kích thước vô hạn có lõi là vật liệu bọt (foam), chịu tác dụng bởi một trường âm thanh biến thiên điều hòa trong môi trường chất lỏng. Nghiên cứu đã dựa trên mô phỏng phân tích các đặc tính âm của các pha vật liệu thành phần kết hợp với thuật toán di truyền được áp dụng trong dải tần số 1/3 octave. Quá trình tối ưu
26
hóa dẫn đến sự lựa chọn tối ưu cho số lượng lớp cũng như tính chất và độ dày của mỗi lớp nhằm tăng tối đa tổn thất truyền âm qua kết cấu.
Joong Seok Lee và cộng sự [64] nghiên cứu tổn thất truyền âm qua tấm sandwich kim loại đẳng hướng, có kích thuocs vô hạn, được ngăn cách bởi lớp bọt tiêu âm nhiều lớp (bọt bao gồm không khí và các lớp đàn hồi) bị kích thích bởi trường âm trong môi trường không khí. Nghiên cứu đã xây dựng bài toán tối ưu hóa kết cấu sử dụng ma trận truyền kết hợp với lý thuyết Biot [48] để nội suy năm thông số nội tại trong vật liệu đàn hồi và không khí. Các kết quả số cho thấy bố cục các bọt được tối ưu hóa bằng phương pháp tối ưu hóa kết cấu đề xuất hoạt động tốt hơn bọt danh nghĩa cho tất cả các tần số được xem xét.
Wang và cộng sự [65] nghiên cứu lý thuyết về truyền âm qua kết cấu tấm composite sandwich có lớp da bằng vật liệu composite trực hướng, kích thước vô hạn, lớp lõi tổ ong có xét đến biến dạng cắt ngang. Phương trình điều chỉnh của dao động uốn đối với các tấm composite sandwich trực hướng được suy ra dựa trên lý thuyết tấm của Mindlin và biểu thức cho hệ số truyền cũng được suy ra bằng cách sử dụng phương pháp trở kháng. Tính đúng đắn của các dự đoán mô hình được kiểm tra dựa trên dữ liệu thực nghiệm có sẵn. Sau đó, các tác giả khảo sát ảnh hưởng của một số thông số chính đến tổn thất truyền âm (STL) của tấm composite sandwich trực hướng bao gồm độ cứng cắt của lõi, độ dày của tấm da và độ dày của lớp lõi.
Naify [66] nghiên cứu các dự đoán lý thuyết về tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm composite sandwich (lớp da kim loại, lớp lõi bằng vật liệu xốp) có kích thước vô hạn kèm theo các lớp khí ga được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp ma trận truyền. Trong phương pháp này, tác giả sử dụng các phương trình đàn hồi 3D của tấm để giải quyết sự thay đổi mức áp suất âm thanh ở phía máy thu của tấm so với ở phía nguồn phát của tấm. Phương pháp này đã dự đoán chính xác sự gia tăng tương đối của tổn thất truyền âm được quan sát với việc bổ sung các cấu hình lớp khí khác nhau. Các giá trị tổn thất truyền âm được đo bằng thực nghiệm đã được so sánh với các kết quả tính toán dựa trên mô hình.
Zhou và cộng sự [67, 68] đã trình bày sự tối ưu hóa quá trình truyền âm qua kết cấu tấm sandwich kim loại (nhôm), có lõi là vật liệu xốp trong môi trường chất lỏng. Các tác giả đã sử dụng hàm tần số của sóng tới để tính tổn thất truyền âm qua tấm. Lý thuyết của Biot [48] được sử dụng để mô hình hóa vật liệu xốp đàn hồi. Ba loại cấu hình tấm composite sandwich được xem xét và ứng xử truyền âm được nghiên cứu trên
27
một dải tần số xác định để giảm thiểu sự truyền âm và trọng lượng kết cấu. Kết quả lý thuyết được so sánh và thảo luận với kết quả thực nghiệm.
D'Alessandro và cộng sự [69] đã đánh giá một số nghiên cứu quan trọng về ứng xử dao động âm của kết cấu tấm kép, tấm đa lớp chứa khoang khí và kết cấu tấm sandwich (có lớp da là vật liệu kim loại, lõi là vật liệu xốp đẳng hướng, trực hướng, dị hướng, dạng sóng và dạng khung). Tác giả đã tổng hợp các phương pháp để tính toán tổn thất truyền âm qua các kết cấu trên như: phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), phương pháp phần tử biên (BEM), phương pháp phân tích thống kê năng lương (SEA), các mô hình lý thuyết khác nhau như lý thuyết bậc cao hoặc cổ điển và các mô hình thực nghiệm, các phép đo để xem xét, đánh giá các ứng xử của âm thanh, kết cấu tấm thành phần và của lớp lõi tới khả năng cách âm của kết cấu sandwich. Ngoài ra, nghiên cứu cũng đã đưa ra các nhận xét về ưu điểm cũng như các mặt hạn chế của các phương pháp trên cũng như các mô hình lý thuyết bậc cao hoặc cổ điển để dự đoán tổn thất truyền âm tốt nhất trong dải tần số rộng. Áp dụng mô hình một chiều vào kết cấu hữu hạn sẽ cho ta kết quả với sai số lớn trong vùng tần số thấp. Các mô hình FEM/BEM thích hợp ở vùng tần số trung bình thấp, nơi bước sóng âm đủ dài để ta có thể mô hình hóa bài toán bằng các phần tử hữu hạn với chi phí tính toán cao. Vì lý do này, SEA là phương pháp số được sử dụng nhiều nhất: công suất âm được xác định kể cả khi thiếu thông tin chi tiết về các nút của tấm, nó cho phép giảm chi phí tính toán và đánh giá khá dễ dàng tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm.
Petrone và cộng sự [70] đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về tổn thất truyền âm qua tấm Aluminium Foam Sandwich hữu hạn (cấu tạo bởi hai lớp nhôm với lõi được làm bằng nhôm xốp). Tác giả đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để tính sự phân bố vận tốc trên bề mặt tấm kết hợp với tích phân Rayleigh rời rạc để xác định tổn thất truyền âm qua kết cấu. Mô hình số được xác nhận và so sánh với kết quả thực nghiệm.
Shojaeifard và cộng sự [71, 72] dã đưa ra mô hình phân tích sự truyền âm qua tấm kép composite lớp trực hướng vói lõi là vật liệu PU (polyurethane), kích thước vô hạn. Trong nghiên cứu này, lý thuyết Biot [48] cho vật liệu xốp được kết hợp với lý thuyết tấm cổ điển cho các tấm composite lớp và các tác giả đã sử dụng phương pháp phân tích thống kê năng lượng (SEA) để tính tổn thất truyền của kết cấu trên các dải tần số. Độ tin cậy của phương pháp và kết quả thu được từ mô hình trên được phân tích và đánh giá khi so sánh với các kết quả thực nghiệm.
28
Sahu và cộng sự [73] đã nghiên cứu truyền âm qua kết cấu tấm sandwich có lớp da là nhôm và lớp lõi là vật liệu đàn hồi nhớt (Viscoelastic) có liên kết tựa bản lề bị kích thích bởi sóng âm phẳng điều hòa trong không khí bằng phương pháp điều khiển chủ động (the active control method). Ngoài ra, nghiên cứu còn đưa ra một mô hình phần tử hữu hạn sử dụng COMSOL Multiphysics để so sánh các tần số riêng và tổn thất truyền âm của tấm sandwich với kết quả giải tích.
Cherif và Atalla [74] đã nghiên cứu ứng xử dao động âm qua kết cấu tấm mỏng composite sandwich có lớp da là vật liệu kim loại đẳng hướng, lớp lõi bằng vật liệu xốp bị kích thích bởi một trường âm thanh trong không khí nhờ sử dụng mô hình lớp tổng quát (the General Laminate Model - GLM). Nhiều phương pháp thực nghiệm khác nhau: phương pháp băng thông nửa công suất (the half-power bandwidth method -3 dB method), phương pháp tốc độ phân rã (the decay rate method - DRM) và phương pháp công suất ở trạng thái ổn định (the steady state power input method - PIM) đã được sử dụng để đánh giá độ chính xác của mô hình này. Kết quả chỉ ra rằng, mô hình được sử dụng dự đoán rất tốt số sóng (đường cong phân tán), mật độ dạng và hiệu suất bức xạ của tấm composite sandwich được thử nghiệm. Tuy nhiên, dự đoán về tổn thất truyền âm mặc dù có thể chấp nhận được nhưng lại kém khả quan hơn đối với các tấm dày. Ta có thể tham khảo các dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu số của nghiên cứu này để đánh giá độ tin cậy của các mô hình giải tích hoặc mô hình tính toán số cho các tấm mỏng composite sandwich khác nhau.
Liu và cộng sự [75, 76] đã nghiên cứu tổn thất truyền âm qua tấm kép nhôm, hữu hạn có lõi bằng vật liệu polyurethane (PU) liên kết ngàm bốn cạnh bị kích thích bởi sóng âm phẳng điều hòa trong không khí. Nghiên cứ đã sử dụng lý thuyết Biot [48] để