Tấm kép lõi khoang khí được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp xây dựng và xe hiện đại, các kết cấu hàng không và vũ trụ..., do khả năng cách âm vượt trội so với tấm đơn. Để xác định khả năng cách âm của tấm kép, việc tính toán tổn thất truyền âm (STL) qua các kết cấu này ở các dải tần số khác nhau là cần thiết. Do đó, các nhà nghiên cứu đã đưa ra rất nhiều mô hình lý thuyết, thực nghiệm, thống kê và mô hình số để xác định tổn thất truyền âm qua tấm kép. Ta có thể kể đến như: phương pháp phân tích năng lượng thống kê (SEA), phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng cùng với phương pháp phần tử biên (BEM)… để xử lý các điều kiện biên và mặt phân cách, phương pháp ma trận truyền, phương pháp điều khiển âm thanh kết cấu chủ động (ASAC - Active Structural Acoustic Control), phương pháp áp điện (a patch- mobility method), phương pháp tiếp cận sóng được áp dụng trong bài toán truyền âm
19
qua các kết cấu dạng tấm khác nhau. Tác giả luận án có thể phân tích một số nghiên cứu tiêu biểu sau đây:
Nghiên cứu thực nghiệm đầu tiên về khả năng cách âm của tấm kép được thực hiện bởi London [27]. Tác giả này đã nghiên cứu cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm về tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm có hai mặt nhôm và lõi gỗ ép trong trường vang. Để áp dụng lý thuyết của London, cần phải biết trở kháng của tấm, của các thành phần tấm đơn giống hệt nhau. Đại lượng này có thể được xác định từ kết quả tổn thất truyền âm thu được trên các tấm đơn. Các thí nghiệm quy mô nhỏ được đề xuất để thấy được tầm quan trọng của các ảnh hưởng sóng kháng và sóng uốn đến tổn thất truyền âm đã được chứng minh. Một lý thuyết được phát triển trong [27] và đã mang lại sự đồng thuận tốt với kết quả thực nghiệm.
Crocker và Price [28] đã tính toán truyền âm qua tấm nhôm kép hữu hạn nhờ sử dụng phương pháp phân tích thống kê năng lượng (SEA). Nghiên cứu đã đưa ra phương trình quan hệ dòng năng lượng cho một hệ thống truyền phòng - tấm - phòng và khảo sát dao động của tấm ngăn cách giữa các phòng ở chế độ cộng hưởng hoặc không công hưởng trong các dải tần số tương ứng. Kết quả thử nghiệm và dự đoán lý thuyết về tổn thất truyền âm qua tấm kép được so sánh và nhận xét. Quirt [29, 30] cung cấp dữ liệu truyền âm bằng thực nghiệm qua kết cấu tấm kính đơn, kép và ba lớp đẳng hướng, vô hạn trong một trường âm bán vô hạn cách âm hoàn toàn. Kết quả thực nghiệm đã được so sánh với dự đoán của một số mô hình lý thuyết trong dải tần số 1/3 octave. Bằng cách áp dụng một số công thức kinh nghiệm và tham khảo những dữ liệu hiện có, sự phụ thuộc có hệ thống của tổn thất truyền âm vào độ dày tấm kính và nhịp giữa các tấm được xem xét và đánh giá.
Chonan và Kugo [31] nghiên cứu về các đặc tính truyền âm qua kết cấu tấm ba lớp kim loại đẳng hướng, vô hạn bị kích thích bởi sóng âm phẳng ở tần số cao. Nghiên cứu đã đưa ra biểu thức tính tổn thất truyền âm dưới dạng hàm của tần số và góc tới của sóng âm và một số tính toán khác cho tấm ba lớp. Kết quả đã chỉ ra ảnh hưởng của độ cứng lớp bề mặt của tấm kép và chiều dày lớp lõi đến tổn thất truyền âm, tần số cộng hưởng khi truyền âm qua kết cấu tấm ba lớp nói trên.
Sas và cộng sự [32, 33] đã nghiên cứu ứng xử dao động âm của kết cấu tấm kép nhôm đẳng hướng, hữu hạn có khoang khí hình chữ nhật được ngàm chặt vào một khung thép cứng bằng cách sử dụng các phương pháp giải tích, phương pháp số và phương pháp thực nghiệm. Các tần số cộng hưởng và hàm dạng của kết cấu và khoang
20
khí cũng được xác định. Các hàm đáp ứng tần số của hệ thống ghép nối được tính toán dựa vào một số điểm trên các tấm và trong khoang khí. Cơ cấu ghép nối được đặc trưng bởi các hệ số tính toán thành phần và trường cưỡng bức trong khoang được xác định bằng phương pháp bản đồ áp suất âm thanh. Kết quả số theo lý thuyết được so sánh với kết quả thực nghiệm trên toàn dải tần số được đối chứng, phân tích và thảo luận. Bao và Pan [34] đã đưa ra ba cách tiếp cận khác nhau để kiểm soát truyền âm qua kết cấu tấm nhôm kép đẳng hướng, hữu hạn có khoang khí ngăn cách giữa hai phòng (phòng phát - phòng thu). Việc áp dụng các nguồn điều khiển âm trong khoang khí giữa hai tấm (điều khiển khoang khí), áp dụng các nguồn điều khiển dao động trên tấm bức xạ (điều khiển tấm) và áp dụng các nguồn điều khiển âm trong phòng thu (phòng điều khiển) được nghiên cứu và so sánh với nhau bằng thực nghiệm. Kết quả cho thấy sự kết hợp mô hình của từng hệ thống con (khoang khí, tấm và phòng) và các cơ chế điều khiển liên quan là hai yếu tố quan trọng nhất quyết định hiệu quả của từng cách tiếp cận tương ứng.
Kropp và Rebillard [35] tập trung nghiên cứu vào tối ưu hóa khả năng cách âm của kết cấu tấm kép kim loại, đẳng hướng vô hạn trong vùng tần số thấp. Nghiên cứu đã đưa ra ba trường hợp khác nhau trong dải tần số thấp: tần số cộng hưởng của tấm cao hơn (thấp hơn nhiều hoặc gần hơn) với tần số tới hạn của kết cấu. Một mô hình phân tích được sử dụng để nghiên cứu khả năng tối ưu hóa cho ba trường hợp này. Kết quả quả nghiên cứu lý thuyết đã được so sánh với kết quả thực nghiệm. Kang và cộng sự [36] nghiên cứu truyền âm qua kết cấu tấm kim loại đẳng hướng, vô hạn bị kích thích bởi một một trường âm phẳng. Trong nghiên cứu này, một hàm trọng số để biểu diễn sự phân bố theo hướng của năng lượng sóng âm tới trên tấm ngăn cách trong buồng âm vang được đề xuất. Các tác giả đã thực hiện mô phỏng số bằng kỹ thuật dò tia để dự đoán tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm. Kết quả mô phỏng cho thấy, sự phân bố theo hướng được biểu thị gần đúng bằng hàm phân phối Gauss theo góc tới. Các kết quả dự đoán lý thuyết được so sánh với kết quả thực nghiệm và đã đạt được sự tương đồng tốt, cho phép xác nhận cách tiếp cận hàm Gaussian đề xuất.
Villot và cộng sự [37] nghiên cứu tính toán âm phản xạ và âm truyền qua kết cấu tấm kép kim loại đẳng hướng, vô hạn được kích thích bởi sóng âm phẳng trong không gian. Cách tiếp cận này đã đưa ra các kết quả dự đoán lý thuyết gần với các phép đo thực nghiệm hơn nhiều so với cách tiếp cận sóng cổ điển được áp dụng cho một kết cấu tấm vô hạn. Ngoài ra, ảnh hưởng của kích thước kết cấu lên cả quá trình truyền âm
21
(kích thích âm) và bức xạ âm (kích thích cơ học) cũng được thảo luận. Antonio và cộng sự [38] đã đánh giá khả năng cách âm của tấm kép bằng gốm (ceramic) đẳng hướng, vô hạn không xét đến điều kiện biên chịu áp suất âm điều hòa trong không gian. Nghiên cứu đã chỉ ra, toàn bộ tương tác giữa chất lỏng (không khí) và các lớp rắn đã được tính đến và việc tính toán không liên quan đến việc giới hạn độ dày của bất kỳ lớp nào, như lý thuyết Kirchhoff hoặc Mindlin yêu cầu. Tổn thất truyền âm thu được bằng các phép biến đổi Fourier ngược sử dụng cho các tần số phức tạp. Mô hình được sử dụng để tính toán tổn thất truyền âm qua bức tường kép đồng nhất với các tấm giống hệt nhau bị kích thích bởi sóng âm phẳng. Kết quả số theo lý thuyết được so sánh và thảo luận so với kết quả của London [27] và kết quả của Beranek [39] (phương pháp London - Beranek). Craik [40] nghiên cứu sự truyền âm qua các tấm kép kim loại đẳng hướng, hữu hạn nhờ phương pháp phân tích thống kê năng lượng (SEA). Lý thuyết được trình bày nhờ sử dụng mô hình tấm vô hạn để xác định chuyển động cưỡng bức của tấm cùng với hiệu suất bức xạ tấm hữu hạn. Nghiên cứu đã đưa ra một mô hình để tính toán hệ số tổn thất truyền âm và kết quả thu được tốt hơn so với dữ liệu đo đạc. Điều này cho phép các dự đoán tốt hơn về khả năng truyền âm qua các tấm kép nhẹ.
Carneal và Fuller [41, 42] nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ứng xử dao động âm qua kết cấu tấm nhôm kép đẳng hướng, chữ nhật, hữu hạn chịu liên kết tựa bản lề trên bốn cạnh. Trong khi đó, mô hình thực nghiệm tiến hành theo phương pháp điều khiển âm thanh kết cấu chủ động (ASAC - Active Structural Acoustic Control) được thực hiện trên tấm nhôm kép liên kết ngàm. Do đó, để kiểm chứng với thực nghiệm, độ cứng của tấm kép chịu điều kiện biên bản lề đã được nhân thêm 2 để tiếp cận với điều kiện biên ngàm. Kết quả cho thấy, khi tăng kích thước của khoang khí thì tổn thất truyền âm qua tấm kép tăng lên. Brunskog [43] xác định khả năng cách âm của tấm kép nhẹ kim loại đẳng hướng, hữu hạn bị kích thích bởi sóng âm phẳng điều hòa trong không khí sử dụng hàm truyền Aspatial để tận dụng tính tuần hoàn và trường âm bên trong các khoang được mở rộng nhờ chuỗi cosin. Hệ số truyền (phụ thuộc góc và miền khuếch tán) và quá trình truyền âm được nghiên cứu khá chi tiết. Kết quả đạt được sự phù hợp giữa lý thuyết và các phép đo.
Chazot và Guyader [44] nghiên cứu tổn thất truyền âm qua các tấm kép bằng nhôm đẳng hướng, hữu hạn, có khoang khí chịu liên kiết tựa bản lề nhờ sử dụng phương pháp áp điện (a patch-mobility method). Tấm được kích thích bởi các áp suất áp điện có tính đến hình học của phòng và vị trí nguồn. Do đó, mô hình xác định được
22
vận tốc của tấm trước khi ghép nối và được sử dụng làm nhân tố kích thích trong mô hình di động. Sau đó, một tiêu chí hội tụ của mô hình được đưa ra để tính tổn thất truyền âm qua tấm kép. Phương pháp này và phương pháp FEM cho kết quả giống nhau khi so sánh tổn thất truyền âm của các tấm nhôm kép. Ngoài ra, để cải thiện các đặc tính cách âm của tấm kép, các nghiên khác nhau đã được đề xuất, cả về mặt thực nghiệm và lý thuyết.
Pellicier và Trompette [45] đưa ra các phương pháp khác nhau để tính toán truyền âm qua tấm kép kim loại đẳng hướng, hữu hạn, chứa khoang không khí hoặc vật liệu hấp thụ giữa hai tấm bị kích thích bỏi sóng âm trong môi trường chất lỏng dựa trên phương pháp tiếp cận sóng và ma trận truyền. Độ tin cậy của phương pháp đã được khẳng định qua so sánh kết quả lý thuyết với kết quả thực nghiệm. Ngoài ra, nghiên cứu đã chứng minh rằng phương pháp tiếp cận sóng rất thích hợp để mô hình hóa các tấm đơn hoặc tấm kép vô hạn. Khi vật liệu xốp được kết hợp bên trong vách ngăn tấm kép, mô hình cần được nâng cao và dựa trên lý thuyết Biot [48], để đảm bảo độ tin cậy so với các dữ liệu thực nghiệm.
Pietrzko và Mao [46] đã trình bày tổng quan về điều khiển chủ động và thụ động sự truyền âm qua kết cấu tấm kép nhôm đẳng hướng, vô hạn có khoang khí sử dụng vật liệu áp điện thông minh và các thiết bị truyền động điều khiển khác nhau để cải thiện tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm kép. Các kết quả số cho thấy việc sử dụng cảm biến/thiết bị truyền động áp điện (PZT) cải thiện đáng kể tổn thất truyền âm. Hơn nữa, các hoạt động nghiên cứu hiện tại về kiểm soát truyền âm qua kết cấu tấm kép cũng bao gồm việc bố trí các bộ cộng hưởng Helmholtz (HRs) được đặt trong khoang khí để điều khiển thụ động sự truyền âm thanh qua kết cấu tường kép. Mục tiêu nghiên cứu của các tác giả là tìm ra các tham số tối ưu của HRs (tỷ số giảm chấn, tần số tự nhiên, v.v.) để cải thiện tối đa tổn thất truyền âm trên một dải tần số xác định.
Lu và Xin [47]đã nghiên cứu ứng xử dao động âm của các kết cấu có dạng: tấm kim loại hoặc tấm kim loại có gân gia cường, tấm kép kim loại có khoang khí và tấm sandwich gồm: lớp da bằng vật liệu kim loại có lõi bằng vật liệu xốp, lõi dạng sóng hoặc dạng gân gia cường được kích thích bởi sóng âm điều hòa trong môi trường không khí hoặc chất lỏng cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm. Để khảo sát khả năng cách âm, tác giả đã tính toán tổn thất truyền âm qua các kết cấu trên có kích thước hữu hạn hoặc vô hạn bằng cách sử dụng phương pháp trọng lượng dư (Galerkin), lý thuyết Biot [48] cho vật liệu xốp kết hợp các hàm dạng có tính đến các điều kiện biên ngàm
23
và tựa bản lề bốn cạnh. Các nghiên cứu này liên quan đến các chủ đề đa ngành, đặc biệt bao gồm kiến thức tổng hợp về dao động âm qua các kết cấu dạng tấm, vật liệu xốp và kết cấu âm, trong đó chú ý nhiều đến việc hiển thị kết quả và kết luận, ngoài việc mô hình hóa lý thuyết đơn thuần.