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)
Chênh lệch số giữa các mức áp suất âm, theo dexiben, trong dải octa hoặc dải một phần ba octa, tại một vị trí nhất định khi không có và có màn chắn âm được lắp ráp, mà ởđó có một hoặc một số nguồn âm cụ thểđang hoạt động.
Chênh lệch mức áp suất âm chèn trọng số A (A-weighted insertion sound pressure level difference)
Độ chênh lệch giữa các mức áp suất âm trọng số A tại một vị trí nhất định khi không có màn chắn và khi có màn chắn được lắp ráp, khi một hoặc một số nguồn âm xác định đang hoạt động, tính theo dexiben.
Suy hao do chèn (insertion loss)
Độ chênh lệch giữa các mức công suất âm, tính theo dexiben, theo dải octa hoặc dải một phần ba octa, phát ra trong phòng do (các) nguồn âm được che chắn và không không được che chắn bằng màng chắn âm.
Chỉ số giảm âm (sound reduction index)
Suy hao đường truyền (transmission loss)
Đại lượng đặc trưng cho năng lượng âm truyền qua một kết cấu xây dựng tương quan với năng lượng âm truyền đến bề mặt kết cấu này như quy định tại ISO 140-3, tính theo dexiben.
Suy giảm âm màn chắn trường tự do (free-field screen sound attenuation)
Độ chênh lệch giữa mức áp suất âm của nguồn âm tới vị trí nhất định theo đường trực tiếp từ nguồn âm được che chắn khi không có màn chắn lắp ráp, và mức âm bị nhiễu khi có lắp ráp màn âm, tính bằng dexiben theo công thức:
dB z 40 3 lg 10 Dz ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = λ Trong đó:
z là chênh lệch chiều dài đường truyền giữa đường truyền âm dài hơn xung quanh cạnh nhiễu ít hiệu quả nhất của màn chắn, tính theo mét, với đường truyền trực tiếp;
λlà chiều dài bước sóng của âm thanh, tính theo mét, với tần sốƒ tính theo héc.
CHÚ THÍCH 1: Sự suy giảm âm của màn chắn được cho đối với các tần số trung tâm dải octa hoặc dải một phần ba octa.
CHÚ THÍCH 2: Sự suy giảm âm của màn chắn đã rút gọn, , tính xấp xỉ cho các âm phản xạ từ tường gần nguồn âm và chú ý đến cạnh nhiễu ít hiệu quả nhất của màn chắn, đối với thiết bị thu âm đặt trong bán kính âm phản xạ từ nguồn âm, bằng
dB z 20 1 lg 10 Dz,r ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = λ
là bằng 3 dB đến 5 dB thấp hơn so với sự suy giảm âm màn chắn trường tự do Dz.
2.8.3. Tcxd 150:1986- tiêu chuẩn bắt buộc áp dụng toàn phần thiết kế chống ồn cho nhà ở
Tiêu chuẩn này áp dụng cho thiết kế mới, thiết kế cải tạo nhằm bảo đảm mức áp suất âm, mứcâm cho phép trong nhà ở, nhà tập thể cũng như khu vực xung quanh mà Các thuật ngữ chính dùng trong tiêu chuẩn này được định nghĩa ở phụ lục l.
Cần thiết kế và dự kiến các biện pháp chống tiếng ồn theo phương pháp âm học xây dựng trêncơ sở tính toán để giảm mức tiếng ồn như sau:
a) Cách âm cho các kết cấu ngăn che; làm kín các khe hở quanh cửa sổ, cửa đi. Cách âm tại chỗ cácđường ống kĩ thuật gặp kết cấu ngăn che.
b) Dùng kết cấu hút âm, màn chắn tiếng ồn
c) Tiến hành quy hoạch và xây dựng đô thị, các điểm dân cư theo đúng các chương trong "Tiêuchuẩn và quy phạm thiết kế quy hoạch xây dựng đô thị - TCVN 4449: 1987"
d) áp dụng các màn chắn và hàng cây xanh để giảm tiếng ồn theo đúng chương 6 của tiêu chuẩn này.
Trong bản thiết kế cần phải xác định các chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật cho các giải pháp kĩ thuật chốngồn đã chọn.
Khi thiết kế cần phải sử dụng các vật liệu cách âm vật liệu hút âm, vật liệu chống rung khôngcháy hoặc khó cháy.
Tiêu chuẩn mức ồn cho phép
Các trị số tiêu chuẩn của tiếng ồn ổn định tại các điểm tính là mức áp suất âm ốcta L, dB tại cácốc ta có tần số trung bình 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 và 8000 Hz. Các trị số tiêu chuẩn của tiếng ồn biến đổi theo thời gian tại các điểm tính là mức âm tươngđương (theo năng lượng) LAtg, dBA.
Các trị số tiêu chuẩn của tiếng ồn ngắt quãng và tiếng ồn xung tại các điểm tính là mức tươngđương (theo năng lượng) của áp suất âm LAtd, dB trong dải ốcta có các tần số trung bình 63, 125, 250,500, 1000, 2000, 4000 và 8000 Hz .
Mức áp suất âm cho phép (mức áp suất âm tương đương) dB ở các dải ốc ta, mức âm và mứcâm tương đương dBA trong nhà ở và khu vực xung quanh
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG
Phần này sẽ mô phỏng và giải quyết hai bài toán: bài toán hấp thụ âm thanh và bài toán cách âm.
3.1. Bài toán hấp thụ âm thanh
3.1.1. Tổn thất chèn (IL) và tổn thất truyền âm (TL)
Tổn thất chèn (IL) thường được sử dụng để phân loại hiệu suất âm thanh của hệ thống giảm âm như ống thẳng. Tổn thất chèn của thiết bị giảm âm được định nghĩa là sự giảm decibels trong công suất âm thanh truyền đi thông qua ống dẫn với bộ phận giảm âm ( , ), so với sự truyền âm qua một vách cứng ( , / ) được thể hiện qua công thức sau:
, / , ∆
Với điều kiện là sự chấm dứt âm thanh ở cuối ống của bộ phận giảm âm, sau đó giảm mức cường độ âm tại một điểm (đủ xa) của phần cuối của bộ phận giảm âm bằng với IL.
, / , ∆
Tổn thất truyền (TL) được định nghĩa là sự khác nhau giữa mức độ cường âm tác động và mức độ cường âm truyền đi ( khi chấm dứt là không phản xạ) và được thể hiện bởi công thức:
, , ∆
IL cung cấp một thước đo về sự hiệu quả của các bộ phận giảm thanh như là dạng hình học của ống, nguồn trở kháng. Đối với ống dẫn sóng một chiều ( khi các bước sóng