2.7.1. Khối âm thanh
Các tính chất của lưu chất mà tiểu biểu là không khí ở các điều kiện tiêu chuẩn sẽ có các tính chất sau:
• Khối lượng riêng: 1,2041 / ; • Vận tốc âm thanh: 343,24 m/s;
• Độ nhớt động lực, độ dẫn nhiệt, hệ số nhiệt là hằng số và áp suất bằng 0.
Acoustic – Structural Coupled Body: có ba sự chọn lựa chọn để mà xác định các phần tử âm thanh nên đính kèm chuyển vị và bậc tự do của áp lực tại các nút, và phương trình tương tác cấu trúc – lưu chất nên được xây dựng bằng ma trận đối xứng hoặc không đối xứng:
• Uncouple: Các phần tử âm thanh chỉ có duy nhất một bậc tử do ở các nút và không có sự ghép đôi với các phần tử cấu trúc.
• Couple With Unsymmetric Algorithm: Các phần tử âm thanh có bậc tự do áp suất và chuyển vị tại các nút và công thức không đối xứng cho ma trận FSI ( Fluid – Structure Interaction) được sử dụng.
• Couple With Symmetric Algorithm : Các phần tử âm thanh có bậc tự do áp suất và chuyển vị tại các nút và công thức đối xứng có ma trận FSI được sử dựng.
2.7.2. Sự kích thích 2.7.2.1. Nguồn sóng 2.7.2.1. Nguồn sóng
Incident Plane Wave ( sóng phẳng)
Sóng phẳng có thểđược tạo ra bắt nguồn từ bên trong hoặc ngoài mô hình phần tử hữu hạn và truyền qua nó.
(2.29) Trong đó:
• là biên độ của sóng phẳng;
• , , là những thành phần theo các trục x, y, z, sao cho:
(2.30)
Monopole wave (sóng đơn cực):
Sóng đơn cực là một trong những nguồn âm cơ bản và được sử dụng để tạo các loại nguồn sóng âm phức tạp hơn. 4 (2.31) Trong đó: • S là diện tích mặt cầu bán kính a : S=4 ; • u là vận tốc của bề mặt co lại hoặc giản nở của quả cầu;
• là vận tốc của âm thanh trong môi trường lưu chất âm thanh; • 2 là tần số góc của âm thanh;
• / là số góc;
• là tốc độ âm thanh nguồn.
Một nguồn sóng âm đơn cực có thể xác định từ bên trong hoặc bên ngoài của mô hình phần tử hữu hạn âm thanh.
Dipole wave ( sóng lưỡng cực)
Một lưỡng cực bao gồm hai nguồn âm đơn cực có cường độ bằng nhau nhưng ngược pha nhau, cách nhau một khoảng d.
4 cos
(2.32)
Cũng như sóng đơn cực, sóng lưỡng cực cũng được xác định từ bên trong hoặc từ bên ngoài mô hình phần tử hữu hạn.
2.7.2.2. Nguồn khối lượng
Để kích thích sóng âm trong môi trường âm thanh, ta sử dụng nguồn khối lượng (mass source)
Nguồn khối được nhập vào bằng cách định nghĩa là một đại lượng vô hướng và góc pha. Nguồn khối lượng được xác định tại các nút.
Đối với nguồn khối lượng thể tích, xác định nguồn khối lượng tại các nút thể tích. Đối với nguồn khối lượng bề mặt, xác định nguồn khối lượng tại ít nhất ba điểm thuộc phần tử bề mặt.Nguồn bề mặt hiện tại phải trùng với các mặt của phần tử.
Đối với nguồn khối lượng cạnh, xác định nguồn khối lượng ít nhất hai điểm được kết nối bởi phần tử cạnh.
Nguồn khối lượng điểm phải tại nút của phần tử.
Tóm lại, một nguồn khối lượng phóng ra các sóng áp lực theo mọi phương, đối với một hệ thống lan truyền hoặc cộng hưởng, một nguồn khối lượng được sử dụng để kích thích các chếđộ lan truyền cũng như là cộng hưởng của cấu trúc.
Chỉ có chế độ thích hợp mới có thể tồn tại trong cấu trúc, để giảm các chế độ không cần thiết, chọn sự phân bố nguồn khối lượng dựa trên sự phân bố áp suất của các chế độ kích thích.
Nguồn khối lượng là tỷ lệ khối lượng dòng chảy trên một đơn vị thể tích:
(2.33)
Một nguồn khối lượng có thểđược áp dụng vào một điểm, một cạnh, một mặt hay một body. Vì vậy đơn vị của nguồn khối lượng tùy thuộc vào sự lựa chọn dạng hình học mà áp dụng nguồn khối lượng: Dạng hình học Đơn vị Điểm Kg/(s) Cạnh Kg/(m s) Mặt Kg/(m m s) Body Kg/( m m m s)
Một nguồn khối lượng kích thích áp dụng vào một điểm có thểđược xác định bởi công thức:
(2.34) Trong đó:
• là khối lượng riêng của lưu chất âm thanh; • là vận tốc tại một nút
• là diện tích bề mặt được liên kết với nút; • Q là vận tốc thể tích của một nguồn.
2.7.3. Lưc tác động 2.7.3.1. Áp suất tĩnh 2.7.3.1. Áp suất tĩnh
Tốc độ của âm thanh được tính bằng định luật khí lý tưởng:
(2.35)
(2.36) Trong đó:
• / là tỷ lệ của nhiệt dung riêng;
• là hệ số nhiệt dung riêng tại áp suất không thay đổi trên một đơn vị khối lượng;
• là hệ số nhiệt dung riêng tại thể tích không thay đổi trên một đơn vị thể tích; • là hằng số khí;
• là nhiệt độ;
• là áp suất tuyệt đối của khí quyển.
Khối lượng riêng của lưu chất âm thanh tại vị trí x được tính bằng:
,
(2.37)
(2.38)
2.7.3.2. Tấm trở kháng
Công thức toán học cho điều kiện biên được chọn theo phương thức âm được tiếp nhận của tấm trở kháng 1/ , nghịch đảo của trở kháng âm Z(x), như sau:
, , (2.39)
Trong đó:
• , , , là vận tốc âm thanh pháp tuyến tới tấm trở kháng trong mặt trên (+) hoặc mặt dưới ( - ) của tấm.
• p(x) là áp lực âm trên tấm trở kháng.
2.7.4. Điều kiện biên 2.7.4.1. Biên trở kháng 2.7.4.1. Biên trở kháng
Một biên trở kháng có thể áp dụng cho mặt ngoài của một khối âm thanh, trong đó chỉ có một bên tiếp xúc với lưu chất âm thanh như hình sau:
Hình 2.1. Biên trở kháng nằm ngoài và trong miền âm thanh
Điều kiện biên trở kháng chỉ có thể áp dụng cho mặt ngoài của miền âm (hình trái) và sẽ không có tác dụng nếu áp dụng trong miền âm (hình phải).
Một ví dụ áp dụng cho loại điều kiên biên này là khi vật liệu xốp được gắn vào bên trong của một khoang âm thanh.Nếu hai mặt của vật liệu xốp âm thanh được liên kết với bề mặt của lưu chất âm thanh, khi đó sẽ xem xét sử dụng bảng trở kháng (Impedance sheet) từ Loads để thay thế.
Công thức cho điều kiện biên trở kháng giống như công thức (3.39) đã được nêu ở phần trên, trong đó quan hệ giữa độ dẫn âm, vận tốc điểm pháp tuyến, và áp suất âm thanh được biểu thị qua phương trình:
, , (2.40)
Các bảng sau đây liệt kê các thuật ngữ mô tả phần thực và phần ảo của trở kháng và nghich đảo của trở kháng. Phương trình Phần thực Phần ảo Trở kháng Z = R+jX R (resistance ) X (reactance) Nghịch đảo của trở kháng Y = 1/Z = G + jB G ( conductance) B (susceptance) Bảng 2. 2. Phần thực và ảo của trở kháng và nghịch đảo trở kháng Các loại trở kháng. Trở kháng cơ học: (2.41) Trở kháng âm riêng: (2.42) Trở kháng âm: (2.43) Trở kháng đặc trưng: (2.44)
Trong đó: F là lực, u là vật tốc điểm âm thanh, p là áp suất âm, v và vân tốc thể tích, S là diện tích mặt cắt ngang của ống dẫn, M là khối lượng, T là thời gian, T là thời gian,
2.7.4.2. Biên bức xạ
Biên bức xạ là một loại điều kiện biên có thể được áp dụng cho các bề mặt ngoài của khối âm thanh để mà hấp thụ sóng âm đi ra.
Mối quan hệ của trở kháng trong phương trình (3.39) có thểđược sắp xếp lại, trong đó có sự khác biệt của vận tốc hạt pháp tuyến được viết dưới dạng góc áp suất pháp tuyến đến biên hấp thụ như sau: 0 1 1 (2.46) Trong đó: • là nghịch đảo của trở kháng âm đặc trưng của lưu chất
Biểu thức này có nghĩa rằng trở kháng trên biên của của lưu chất âm thanh sẽ gây ra sóng áp suất âm đi ra và pháp tuyến với biên được hấp thụ, và sẽ không bị phản xạ lại miền âm thanh.Tuy nhiên, đối với sóng âm tác động tới biên ở góc 90 độ thì sẽ có một vài phản xạ.
2.7.4.3. Bề mặt suy giảm
Một bề mặt suy giảm có thể áp dụng cho mặt mà hấp thụ sóng âm.
Các tính chất vật liệu của vật liệu hấp thụ âm thanh thường được xác định theo hệ số suy giảm , tỷ lệ giữa công suất âm thanh được hấp thụ bởi vật liệu với công suất âm thanh đến của vật liệu.
(2.47) Với nằm trong khoảng 0 1. Hệ số hấp thụ có thể được viết theo hệ số phản xạ như sau:
| | √1 (2.48) Và trở kháng của vật liệu có thểđược viết như sau:
1 √1
1 √1 (2.49)
Kết quả sẽ là phần thực của trở kháng và phần phức của trở kháng bằng 0.
Trở kháng pháp tuyến của vật liệu thường được đo trong thiết bị kiểm tra ống trở kháng, trong đó sóng phẳng trong ống và đi tới mẫu thử một góc 90 độ, do đó có thể đo được trở kháng pháp tuyến của vật liệu.
Thông thường khi vật liệu được lắp đặt trong một ứng dụng, âm thanh sẽđi tới vật liệu một góc ngẫu nhiên và cần thiết đễ xác định hệ số hấp thụ thống kê có thể được ước tính trở kháng pháp tuyến. Ngoài ra, hệ số hấp thụ âm thanh còn được xác định bằng cách lắp đặt một vùng vật liệu lơn trong buồng âm thanh và đo thời gian để mức áp suất âm thanh giảm 60 dB khi chấm dứt nguồn gây tiếng ồn.
2.7.4.4. Bề mặt tự do
Điều kiện biên này có thể được sử dụng để mô phỏng các vấn đề về trượt, nơi mà áp suất tại bề mặt của lưu chất bằng không và áp suất tại độ sâu z được tính bằng công thức: (2.50) Trong đó: • là khối lượng riêng của lưu chất; • là gia tốc trọng trường; • z là độ sâu đến bề mặt tự do.; 2.8. Mức áp suất âm
Mức áp suất âm thanh là một phép đo logarit của áp suất hiệu dụng của âm thanh so với giá trị áp suất âm thanh tham chiếu.
20 (2.51)
Trong đó:
• p là áp suất âm thanh (Pa);
• là áp lực âm thanh tham chiếu, áp lực âm thanh tham chiếu được sử dụng trong không khí thường có giá trị bằng 20
Ngoài ra, mức áp suất âm thanh cũng có thể thể hiện qua công thức:
10 (2.52)
Trong đó:
• W là công suất âm thanh ( W)
• là công suất âm thanh tham chiếu (thường bằng 1dB = 10 ) • 2.9. Cường độ âm thanh
Cường độ âm thanh được định nghĩa là công suất truyền sóng trên một đơn vị diện tích theo hướng vuông góc với diện tích đó. Cường độ âm thanh có đơn vị là (W/m^2). Cường độ âm thanh được tính theo công thức:
(2.53) Trong đó:
• p là áp suất âm; • v là vận tốc hạt;
• v và p là những vec tơ và chúng đều có hướng cũng như là độ lơn. Cường độ âm thanh trung bình trong thời gian T được tính theo công thức:
2 (2.54)
Trong đó:
• f là tần số của âm thanh;
• là biên độ của sự chuyển vị các hạt sóng âm;
• là khối lượng riêng của môi trường âm thanh đang truyền đi; • là vận tốc âm thanh.
Đối với sóng âm hình cầu, cường độ âm theo hướng xuyên tâm và được tính theo công thức:
4
(2.55)
2.8. Một số tiêu chuẩn liên quan đến vấn đề truyền âm 2.8.1. Âm học - xác định hiệu quả cách âm của vỏ cách âm
Định nghĩa
Tiêu chuẩn này sử dụng các định nghĩa sau.
Đặc tính A (A - weighting)
Đặc tính tần sốđược định nghĩa trong TCVN 6775 (IEC 651)
Vỏ cách âm (enclosure)
Kết cấu bao bọc nguồn ồn (máy), được thiết kế để bảo vệ môi trường khỏi nguồn ồn (máy).
CHÚ THÍCH 3
Ví dụ, vỏ cách âm có thể là một kết cấu đứng tách biệt được đặt trên sàn hoặc kết cấu ít nhiều được gắn cốđịnh vào máy (Vỏ cách âm gắn cốđịnh vào máy, xem điều 4).
Mức áp suất âm, Lp (sound pressure level, Lp)
Mười lần lôgarit cơ số 10 của tỷ số giữa bình phương áp suất âm của một âm thanh và bình phương áp suất âm chuẩn.Mức áp suất âm biểu thị bằng decibel.Ap suất âm chuẩn bằng 20μPa (2x10-5 Pa).
Mức áp suất âm trung bìnhLp (average sound pressure level, Lp ) Tính theo bình phương trung bình các mức áp suất âm:
W L = 10lg ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + n pn p p L L L 0,1 0,1 1 , 0 10 ... 10 10 1 2 dB
Trong đó Lp1, Lp2,…, Lpn là mức áp suất âm, tính bằng decibel, được tính trung bình.
Mức công suất âm, LW (sound power level, LW)
Mười lần lôgarit cơ số 10 của tỷ số giữa công suất âm và công suất âm chuẩn.Mức công suất âm biểu thị bằng decibel.Công suất âm chuẩn là 1pW (10-12W).
Tính theo bình phương trung bình của các mức công suất: W L = 10lg ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + n wn w w L L L 0,1 0,1 1 , 0 10 ...10 10 1 2 dB
Trong đó LW1, LW2,….LWn, là mức công suất âm, tính bằng decibel, được tính trung bình.
Độ cách âm theo công suất âm, DW (sound power insulation, DW)
Độ giảm mức công suất âm do sử dụng vỏ cách âm (dải 1 octa hoặc dải 1/3 octa),Dw. Tính bằng decibel.
Độ cách âm tính bằng công suất âm theo đặc tính A, DWA (A-weighted sound power insulation, DWA)
Độ giảm mức công suất âm theo đặc tính A do sử dụng vỏ cách âm với phổ nguồn âm thanh thực DWA. Tính bằng decibel.
Độ cách âm theo áp suất âm, Dp (sound pressure insulation, Dp)
Độ giảm mức áp suất âm do sử dụng vỏ cách âm tại một vị trí xác định, (dải 1 octa hoặc dải 1/3 octa). Tính bằng decibel.
Độ cách âm tính bằng áp suất âm theo đặc tính A, DpA (A-weighted sound pressure insulation, DpA)
Độ giảm mức áp suất âm theo đặc tính A do sử dụng vỏ cách âm tại một vị trí xác định cho phổ của nguồn âm thanh thực. Tính bằng decibel.
Độ cách âm theo áp suất âm (phương pháp hoán vị), Dpr (sound pressure insulation (reciprocity method), Dpr)
Độ chênh lệch giữa mức áp suất âm trung bình trong trường âm khuếch tán ở bên ngoài và mức áp suất âm trung bình bên trong vỏ cách âm được đặt cùng trong trường này.Tính bằng decibel.
Độ cách âm ước tính của vỏ cách âm, DWA,e, DpA,e hoặc DprAe (estimated noise insulation due to the inclosure, DWA,e, DpA,e or DprAe)
Độ giảm mức công suất âm hoặc mức áp suất âm được tính toán theo đặc tính A thu được từ DW, Dp hoặc từ Dpr được đo theo tiêu chuẩn này và phổ tiếng ồn đã được quy định (xem Phụ lục C). Tính bằng decibel.
Độ cách âm tính bằng áp suất âm theo trọng số (phương pháp hoán vị), Dpr,w (weighted sound pressure insulation (reciprocity method), Dpr,w)
Giá trị đơn được xác định theo phương pháp phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 7192-1 (ISO 717-1) ngoại trừ trường hợp chỉ số giảm âm được thay bằng mức suy giảm áp
suất âm, phương pháp hoán vị Dpr. Tính bằng decibel.
Độ cách âm công suất âm theo trọng số, DW,w (weightsd sound power insulation, DW,w)
Gá trị đơn được xác định theo phương pháp phù hợp với tiêu chuẩn TCVN 7192-1 (ISO 717-1), ngoại trừ trường hợp chỉ số giảm âm được thay bằng mức suy giảm công suất âm DW. Tính bằng decibel.
Tỉ lệ choán chỗ,φ (fill ratio, φ)
Tỉ số giữa thể tích của nguồn trong vỏ cách âm và thể tích bên trong của vỏ cách âm đó.
Trong trường hợp khó tính được thể tích vì hình dạng của nguồn phức tạp, có thể sử dụng thể tích tương đương theo ISO 3744.
Tỉ lệ khe hở,θ (leak ratio, θ)
Tỉ số giữa diện tích các mặt hở của vỏ cách âm và tổng diện tích bề mặt trong của vỏ cách âm (bao gồm cả các mặt hở).
2.8.2. Âm học – hướng dẫn kiểm soát tiếng ồn trong công sở và phòng làm việc bằng màn chắn âm
Màn chắn âm [(acoustical) screen]
Vật được thiết kếđặc biệt để che chắn một hoặc một số vị trí nhất định trong một khu vực nhất định khỏi tiếng ồn của (các) nguồn âm thanh xác định.
[ISO 11821:1997]
Màn chắn âm di chuyển hoặc tháo lắp được (portable or removable (acoustical) screen)
Màn chắn âm được thiết kế để tháo lắp hoặc di rời được mà không phải do các điều kiện môi trường khác bị thay đổi.
Chênh lệch mức áp suất âm chèn (insertion sound pressure level difference)
Suy giảm âm tại chỗ (in-situ sound attenuation)