Từ những năm 50 của thế kỷ trước cho đến nay, nhiều nghiên cứu về sự truyền âm qua kết cấu tấm kim loại đẳng hướng, vô hạn và hữu hạn đã được thực hiện dựa trên các cơ sở lý thuyết và phương pháp khác nhau. Bên cạnh đó, các mô hình thực nghiệm đã được đề xuất để tiến hành đo và tính toán tổn thất truyền âm qua các kết cấu dạng tấm kim loại. Tuy nhiên, nghiên cứu về ứng xử dao động âm của các kết cấu tấm Composite lớp trực hướng hữu hạn có các điều kiện biên khác nhau (ngàm và tựa bản lề bốn cạnh) còn rất hạn chế và rất ít các công trình đã được công bố. Tác giả sẽ phân tích các nghiên cứu trên thế giới để làm sáng tỏ vấn đề này:
Vào năm 1962, Maidanik [4] đã nghiên cứu ứng xử dao động âm qua kết cấu tấm kim loại (nhôm) có gân hữu hạn chịu liên kết tựa bản lề được kích thích bởi sóng âm sử dụng phương pháp thống kê. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, phổ gia tốc của trường dao động có liên quan đến phổ áp suất bởi yếu tố ghép nối là một hàm bức xạ và lực cản cơ học của kết cấu. Khả năng chống bức xạ của tấm có gân được nghiên cứu như một hàm của tần số và phân tích dự đoán tấm có gân làm tăng khả năng chống bức xạ. Sự thống nhất giữa kết quả lý thuyết và thực nghiệm được chứng minh là thỏa đáng.
Sewell [5] nghiên cứu truyền âm qua tấm kim loại vô hạn sử dụng phương pháp phân tích thông kê năng lượng (Statistical Energy Analysis - SEA). Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra được quá trình truyền dao động cưỡng bức dưới tần số giới hạn phù hợp với thực nghiệm và sự khác biệt so với phương pháp phân vùng trong ống dẫn sóng được ghi nhận. Tuy nhiên, phương pháp này được áp dụng với điều kiện là khối lượng bề mặt của tấm lớn hơn 10kg/m2.
Craggs và Stead [6, 7] sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho chuyển vị của tấm và áp suất âm để mô phỏng hoạt động của hệ thống phòng - tấm kim loại ngăn cách. Một ma trận không đối xứng được đề xuất bao gồm chuyển động, chuyển vị của tấm và áp suất âm trong phòng. Kết quả thu được từ mô hình phần tử hữu hạn so sánh với kết quả thu được từ các thí nghiệm ở cả tần số riêng và hình dạng chế độ ghép nối.
15
Tuy nhiên, với mô hình đề xuất còn có những mặt hạn chế: số bậc tự do lớn, chuyển động của sóng phẳng là chủ đạo và hoạt động tốt nhất trong vùng tần số thấp.
Loma và Hayek [8] nghiên cứu ứng xử dao động của một tấm kim loại (Nhôm) đẳng hướng hữu hạn hình chữ nhật liên kết tựa bản lề kích thích bởi môi trường âm thanh bán vô hạn trong môi trường chất lỏng sử dụng hàm Green. Các hệ số được xác định từ các phương trình đại số bao gồm sự ghép nối điều kiện biên không đồng nhất và trở kháng bề mặt âm. Giải pháp cũng được mở rộng để dự đoán trong trường hợp phân bố tải tùy ý và một biểu thức công suất trong hệ thống tấm - chất lỏng - tấm được đề xuất. Kết quả số do tải chất lỏng được so sánh với các phép tính gần đúng ở tần số thấp. Donato [9] đã xây dựng mô hình thực nghiệm được thực hiện trong một buồng không dội âm có kích thước hữu hạn 1,83 m x 3,05 m (6 x 10 feet2)được gắn trên một sàn gỗ được phủ lên một lớp nỉ mỏng để đo tổn thất truyền âm. Buồng không dội âm này bao gồm hai phòng: phòng phát - phòng thu và chúng có thể được lồng vào nhau theo cả chiều ngang để có diện tích lớn hơn và theo chiều dọc để có độ dày gấp đôi khi cần thiết. Các phòng được ngăn cách bởi một tấm kim loại hình chữ nhật. Nguồn âm thanh trong phòng phát điều khiển nguồn âm tới kích thích qua tấm ngăn cách giữa hai phòng, phòng thu có đặt các máy thu được treo trên một rãnh trượt có thể di chuyển dọc và vuông góc với mặt sàn. Kết quả tính toán so sánh với kết quả đo đạc trong thực nghiệm đã được thảo luận.
Koval [10] sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình hóa sự truyền âm qua tấm composite lớp vô hạn trong một khoang kín. Các phần tử của tấm và phần tử âm được ghép với nhau để xác định các đặc trưng dao động của tấm. Mô hình này cho phép khảo sát bốn loại kết cấu khác nhau: vách ngăn không thấm nước, kết cấu tấm trực hướng, màng xốp và không khí đồng thời có tính đến ảnh hưởng của vận tốc chuyển tiếp giữa các phần tử ghép nối. Kết quả tính toán số được so sánh với các kết quả thực nghiệm được tiến hành tại Trung tâm Nghiên cứu Langley của NASA.
Roussos [11] nghiên cứu đặc tính truyền âm qua tấm kim loại đẳng hướng và tấm composite lớp trực hướng đối xứng, hữu hạn chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh. Tấm được mô phỏng theo lý thuyết tấm mỏng cổ điển và áp suất âm tới được giả định là một sóng phẳng kích thích lên tấm theo một góc tùy ý và không đáng kể so với áp suất bị chặn, các dao động của tấm được tính theo phương pháp tiếp cận thông qua tích phân hàm Green để liên kết các dao động của tấm. Tổn thất truyền âm được xác định qua tỷ số của công suất âm truyền với công suất âm tới. Đây là một phương pháp nghiên cứu
16
linh hoạt giúp dự đoán tổn thất do truyền nhiễu và cho phép xác định ứng xử dao động của tấm.
Ramakrishnan và Koval [12] sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình hóa sự truyền âm qua tấm composite lớp trực hướng, kích thước hữu hạn có hoặc không có gân gia cường. Các phần tử hữu hạn tấm-2D và phần tử không khí (phần tử âm 3D) được ghép với nhau để xác định tần số dao động tự do và tính toán tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm. Kết quả tính toán số được so sánh với các giá trị thực nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Langley của NASA. Các tác giả đã chỉ ra rằng phương pháp Phần tử hữu hạn cho kết quả khá tốt về tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm composite ở dải tần số thấp (khoảng 200 Hz). Ở tần số cao hơn, các cách tiếp cận khác sẽ hiệu quả hơn, chẳng hạn như phương pháp phân tích thống kê năng lượng. Mariem và Hamdi [13] nghiên cứu bài toán truyền âm qua kết cấu tấm kim loại tương tác với chất lỏng đồng nhất và có thể nén được trong miền âm giới hạn hoặc vô hạn sử dụng phương pháp phần tử biên kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả số cho thấy, nguồn năng lượng truyền qua có thể lớn hơn năng lượng trong miền tới ngay ở vài tần số cộng hưởng đầu tiên. Ở vùng tần số thấp, kết quả tính toán phù hợp với các kết quả thực nghiệm. Tuy nhiên, có một số sai sót trong các biểu thức mô tả sự tương tác của âm thanh lên kết cấu tấm.
Takahashi [14] nghiên cứu sự truyền âm qua kết cấu tấm nhôm (đẳng hướng) hữu hạn có mặt ngoài hấp thụ sử dụng phương pháp giải tích. Phương pháp này, đã xác định công suất âm của miền tới và miền truyền bằng cách sử dụng tích phân Helmholtz kết hợp với khai triển Fourier và hàm Green. Cuối cùng, biểu thức tổn thất truyền âm được đưa ra thông qua tỷ số công suất âm tới và công suất âm truyền. Kết quả tính toán số được so sánh với dữ liệu thực nghiệm và phù hợp tốt ở tần số trung và cao.
Ljunggren [15] nghiên cứu cách âm trong không khí đối với trường âm khuếch tán qua tấm nhôm dày (đẳng hướng), vô hạn sử dụng biểu thức giải tích cho các tấm dày tùy ý và lý thuyết tấm Mindlin. Phương pháp đã chỉ ra rằng, tần số tới hạn có thể được tính từ điều kiện bước sóng của sóng uốn bằng ba lần độ dày của tấm hoặc bằng cách khác, số Helmholtz tương ứng bằng 2. Kết quả số giữa lý thuyết và thực nghiệm là khá tốt trong vùng tần số cao. Tuy nhiên, lý thuyết tấm của Mindlin không giải thích được sự khác biệt giữa tổn thất truyền âm theo lý thuyết và thực nghiệm ở tần số, f <
1000 Hz. Harris [16] đã nghiên cứu thực nghiệm cho hệ thống kiểm soát tiếng ồn có thể của một hoặc nhiều trong bốn nhóm cơ bản bao gồm hấp thụ âm, rào cản âm, giảm
17
âm và kiểm soát dao động/ xung kích. Qua đó, tác giả đã khảo sát ứng xử âm khi truyền qua các kết cấu tấm kim loại đẳng hướng hữu hạn có khả năng cách âm, vật liệu giảm chấn, vật liệu chịu dao động,…Từ đó, nghiên cứu đã đưa ra được các kết cấu tối ưu cho khả năng cách âm, có tính ứng dụng cao trong việc thiết kế, sản xuất.
Bosmans và cộng sự [17] đã dự đoán truyền âm qua các kết cấu tấm kim loại mỏng, đẳng hướng được liên kết với nhau bằng mối nối cứng sử dụng phương pháp phân tích thống kê năng lượng (Statistical Energy Analysis - SEA). Kết quả lý thuyết được so sánh với kết quả thực nghiệm của tấm đẳng hướng tương đương.
Ko [18] đã đề xuất một mô hình lý thuyết để đánh giá việc giảm ồn qua kết cấu tấm sắt đẳng hướng, vô hạn sử dụng vách ngăn đàn hồi trong môi trường nước và không khí. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp ma trận truyền và khai triển chuỗi Fourier để tính được tổn thất truyền âm của kết cấu. Mô hình đã phân tích các ảnh hưởng của các thông số khác nhau như: kích thước tấm và đặc tính vật liệu đối với việc giảm tiếng ồn được trình bày. Nghiên cứu truyền âm qua kết cấu tấm kim loại đẳng hướng chịu liên kết bản lề trong môi trường chất lỏng của Laulagnet [19] được trình bày nhờ sử dụng phương trình tích phân hai lớp đối với áp suất âm. Cả bước nhảy áp suất và chuyển vị của tấm đều được phát triển trong các chế độ tấm liên kết bản lề. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra ảnh hưởng của vách ngăn lên bức xạ âm thanh cả trong chất lỏng nặng và nhẹ lên công suất âm bức xạ, vận tốc tấm và hệ số bức xạ.
Tadue và cộng sự [20, 21] đã tính toán tổn thất truyền âm qua các bức tường thép đơn và kép vô hạn trong môi trường không khí và nước khi bị kích thích bởi sóng âm điều hòa trong không gian. Phương pháp được sử dụng đã tính đến tương tác giữa chất lỏng (không khí hoặc nước) với các tấm và độ dày của tấm không bị giới hạn như lý thuyết Kirchhoff hoặc Mindlin kết hợp với hàm Fourie ngược để tính khả năng cách âm của môi trường bao gồm các lớp đẳng hướng, không khí và nước, đã được phân tích. Taylor và Govindjee [22] nghiên cứu ứng xử dao động âm của kết cấu tấm đẳng hướng, hữu hạn hình chữ nhật liên kết ngàm dựa trên sự mở rộng chuỗi cosin kép và khai triển công thức Sherman - Morrison - Woodbury. Kết quả số cho các tấm hình chữ nhật với các tỷ lệ các cạnh khác nhau được trình bày và so sánh với kết quả số thu được khi sử dụng phương pháp Hencky (về cơ bản là một phương pháp Levy đã được mở rộng) cho kết quả khả quan hơn. Nghiên cứu này được sử dụng để hiển thị tốc độ hội tụ cho các phương pháp phần tử hữu hạn tấm mỏng được tính toán bằng cách sử dụng phần tử Bogner - Fox - Schmit.
18
Frampton [23] đã nghiên cứu ứng xử dao động âm của một tấm nhôm đẳng hướng, hữu hạn hình chữ nhật liên kết tựa bản lề bốn cạnh bị kích thích bởi sóng âm phẳng điều hòa; tấm được ngâm trong môi trường chất lỏng. Tác giả xem xét ảnh hưởng của chất lỏng tới hiệu suất truyền âm bằng mô hình động của tấm, sau đó sử dụng phương trình sóng đối lưu kết hợp với điều kiện biên của tấm. Tiếp theo, phương pháp tính toán công suất âm thanh bức xạ được mô tả. Các kết quả số thu được cho thấy ảnh hưởng của chất lỏng đối với hiệu suất truyền âm đã được so sánh và thảo luận.
Kuo và các cộng sự [24, 25] nghiên cứu tổn thất truyền âm qua tấm vật liệu composite lớp trực hướng, kích thước vô hạn ở các tần số khác nhau bằng phương pháp ma trận truyền được xác định bởi ứng suất và vận tốc trên mô hình 2D và 3D. Các kết quả tổn thất truyền âm thực nghiệm và tính toán số được so sánh, các đặc tính vật liệu và truyền âm của chúng đã được nghiên cứu và thảo luận. Tuy nhiên, các mô hình bị hạn chế đối với vật liệu composite có tính đẳng hướng ngang, chẳng hạn như Mat hoặc tấm khuôn đúc.
Toyoda và cộng sự [26] nghiên cứu khả năng truyền âm qua kết cấu tấm đơn đẳng hướng, vô hạn sử dụng phương pháp chia lớp không khí. Để xác thực các dự đoán, một mô hình thực nghiệm để đo tổn thất truyền âm qua một tấm kính được phân lớp không khí nhờ các vách ngăn Acry đã được đo trong thí nghiệm. Những hạn chế của phương pháp được làm rõ với một số nghiên cứu tham số. Các kết quả thực nghiệm phù hợp tốt với các dự đoán lý thuyết.