6.1 TÍNH CHẤT HÚT ÂM CỦA VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU
6.1.1 Giải thích sự hút âm và phân loại vật liệu
Hút âm và phản xạ âm là hai tính chất quan trọng của các vật liệu và kết cấu xây dựng. Nĩ cĩ ảnh hưởng trực tiếp đến sự hình thành trường âm trong các phịng, cĩ liên quan đến sự phân bố mức âm trong phịng, đến thời gian âm vang, độ khuếch tán của trường âm, nền ồn trong phịng. Do đĩ ảnh hưởng đến chất lượng thu nhận âm thanh.
Năng lượng âm bị hút là phần năng lượng âm khơng phản xạ trở lại vào phịng sau khi âm thanh lan truyền tới đập vào bề mặt kết cấu. Năng lượng âm bị hút bao gồm năng lượng bị mất trong vật liệu, năng lượng lan truyền theo kết cấu và năng lượng âm truyền qua kết cấu. Như vậy hút âm và phản xạ âm là hai khái niệm trái ngược nhau.
Sự mất mát năng lượng âm trong vật liệu và kết cấu xảy ra do bốn nguyên nhân chính:
- Do ma sát: năng lượng âm biến thành năng lượng nhiệt. Trong vật liệu và kết cấu nĩi chung, đặc biệt các vật liệu hút âm cĩ rất nhiều lổ rỗng. Sĩng âm tới bề mặt vật liệu, kích thích khơng khí trong các lổ rỗng dao động, tạo ra ma sát giữa khơng khí và thành lổ. Vì vậy năng lượng âm bị tổn thất do biến thành năng lượng nhiệt.
- Do khơng khí bị nén: năng lượng âm biến thành năng lượng nhiệt. Khơng khí trong các lổ rỗng đồng thời bị sĩng âm nén lại theo từng chu kỳ làm cho nĩ nĩng lên. Nhiệt lượng mới xuất hiện này sẽ truyền ra các thành lổ và giảm dần cùng với áp suất cho đến chu kỳ tiếp theo. Như vậy dạng mất năng lượng âm thứ hai cũng dưới dạng năng lượng nhiệt.
- Các thành lổ biến dạng bị nĩng lên: năng lượng âm biến thành năng lượng nhiệt. Do sự khác nhau trong cấu trúc của vật liệu nên khi bị sĩng âm tác động, trong chu kỳ nén các thành mỏng hơn bị biến dạng và nung nĩng nhiều hơn. Năng lượng nhiệt này truyền ra xung quanh và kịp cân bằng một phần, làm giảm áp suất trước chu kỳ dãn tiếp theo. Do đĩ gây ra mất năng lượng cũng dưới dạng nhiệt.
- Do biến dạng dư: năng lượng âm mất mát dưới dạng cơ năng. Sĩng âm gây ra biến dạng trong vật liệu nhưng sự biến dạng này xảy ra khơng thuận nghịch, khi áp suất giảm sẽ cĩ biến dạng dư. Năng lượng âm bị mất cĩ thể coi là hiệu số giữa năng lượng chi phí cho biến dạng đàn hồi và năng lượng vật liệu nhận được để phục hồi dạng ban đầu (khơng hồn tồn).
Theo đặc điểm cơ lý của vật liệu và theo sự mất năng lượng âm, người ta chia vật liệu và kết cấu hút âm thành các loại sau:
- Vật liệu hút âm xốp: gồm hai loại
¾ Loại cĩ các thành lổ cứng, khơng đàn hồi, hút âm do ma sát của khơng khí với thành cứng và do sự truyền nhiệt của vật liệu. Thuộc loại này bê tơng bọt, gạch xốp...
¾ Loại cĩ các thành lổ đàn hồi, sự hút âm xảy ra theo cả 4 nguyên nhân đã nêu. Thuộc loại này cĩ các loại tấm sợi ép mềm, các loại thảm dệt, đan...
- Kết cấu dao động cộng hưởng: hút âm do sự dao động của mặt kết cấu dưới tác dụng của sĩng âm. Ðặc biệt sự hút âm mạnh nhất xảy ra ở vùng tần số cộng hưởng của kết cấu. Với kết cấu này, các đặc tính cơ lý của vật liệu và các thơng số hình học của cấu tạo cĩ ảnh hưởng lớn đến đặc điểm hút âm.
- Kết cấu cộng hưởng khơng khí: làm việc theo nguyên tắc cộng hưởng nhưng là của khối khơng khí dao động trong kết cấu. Sự hút âm xảy ra do ma sát của khơng khí với thành kết cấu trong một phạm vi tần số khá hẹp đã được tính tốn trước.
- Loại kết cấu hút âm phối hợp: được chế tạo đặc biệt để phối hợp các tính năng hút âm của ba loại trên, nhờ đĩ khả năng hút âm được mở rộng trong phạm vi tần số thường gặp trong đời sống và sản xuất.
Khả năng hút âm của vật liệu và kết cấu được đánh giá qua hệ số hút âm α theo các dãy tần số âm từ 125 đến 4000 Hz. Hệ số hút âm này phụ thuộc vào gĩc tới của sĩng âm. Gĩc tới vật liệu của sĩng âm (so với pháp tuyến của bề mặt vật liệu) càng lớn thì hệ số hút âm càng giảm, và độ giảm càng nhanh khi gĩc tới càng tiến gần đến tiếp tuyến 90o.
6.1.2 Ðo hệ số hút âm
Hệ số hút âm cĩ thể tính tốn hoặc đo đạc trong các phịng thí nghiệm đặc biệt. Phương pháp tính tốn thường rất phức tạp và khĩ cho các kết quả chính xác do khơng thể tính hết các yếu tố ảnh hưởng đến sự hút âm của vật liệu và kết cấu. Cĩ hai phương pháp đo hệ số hút âm: