Thơng số hình học và cơ tính vật liệu composite sandwich

Tấm a x b (m) h1/H/h2 (x 10-3m) ρf (kg/m3) ρc (kg/m3) E1 (GPa) E2 (GPa) G12 (GPa) 12 Ec (MPa) c Klbm kg/m2 A 1,2 x 1,2 2,53/30/ 2,53 1600 46,88 10,58 2,64 1,02 0,17 57 0,25 9,502 C 1,2 x 1,2 2,53/30/ 2,53 1600 57,87 10,58 2,64 1,02 0,17 58 0,25 9,832 I 1,2 x 1,2 3,37/50/ 3,37 1600 114,58 10,58 2,64 1,02 0,17 59 0,25 16,513 K 1,2 x 1,2 3,37/50/ 3,37 1600 218,14 10,58 2,64 1,02 0,17 59,5 0,25 21,691

Hình 5.13 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich A và C

Từ hình 5.13, ta thấy, trong vùng tần số thấp (f < 125 Hz), tại 100 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm C tăng so với tấm A là 0,35 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm C tăng so với tấm A là 0,13 dB. Trong vùng tần số trung bình (125 Hz < f <

2000 Hz), ở tần số 1000 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm C tăng so với tấm A là 0,34 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm C tăng so với đến tấm A là 0,84 dB. Trong vùng tần số cao (f > 2000 Hz), tại 10000 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm C tăng so với tấm A là 2,07 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm C tăng so với tấm A là 2,58 dB.

Hình 5.14 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich I và K.

Tương tự, hình 5.14 cho ta thấy, trong vùng tần số thấp (f < 125 Hz), tại 100 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm K tăng so với tấm I là 0,80 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm K tăng so với tấm I là 1,76 dB. Trong vùng tần số trung bình (125 Hz < f < 2000 Hz), ở tần số 1600 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm K tăng so với tấm I là 3,88 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm K tăng so với đến tấm I là 4.04 dB. Trong vùng tần số cao (f > 2000 Hz), tại 10000 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm K tăng so với tấm I là 5,01 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm K tăng so với tấm I là 4,79 dB.

5.3.2 Tấm có chiều dày lớp da khác nhau, cùng chiều dày lớp lõi, cùng khối lượng riêng lớp lõi: Tấm E và tấm F; tấm G và tấm H khối lượng riêng lớp lõi: Tấm E và tấm F; tấm G và tấm H

Bảng 5.6. Thơng số hình học và cơ tính vật liệu composite sandwich

Tấm a x b (m) h1/H/h2 (x 10-3m) ρf (kg/m3) ρc (kg/m3) E1 (GPa) E2 (GPa) G12 (GPa) 12 Ec (MPa) c Klbm kg/m2 E 1,2 x 1,2 2,53/30/ 2,53 1600 79,86 10,58 2,64 1,02 0,17 58,5 0,25 10,485 F 1,2 x 1,2 3,37/30/ 3,37 1600 79,86 10,58 2,64 1,02 0,17 58,5 0,25 13,173 G 1,2 x 1,2 2,53/40/ 2,53 1600 79,86 10,58 2,64 1,02 0,17 58,5 0,25 11,290 H 1,2 x 1,2 3,37/40/ 3,37 1600 79,86 10,58 2,64 1,02 0,17 58,5 0,25 13,978

Hình 5.15 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich E và F.

Từ hình 5.15, ta thấy rằng trong vùng tần số thấp (f < 125 Hz), tại 80 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm F tăng so với tấm E là 0,56 dB, giá trị STL theo thực

nghiệm của tấm F tăng so với tấm E là 1,04 dB. Trong vùng tần số trung bình (125 Hz < f < 2000 Hz), ở tần số 1000 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm F tăng so với tấm E là 1,30 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm F tăng so với đến tấm E là 2,49 dB. Trong vùng tần số cao (f > 2000 Hz), tại 5000 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm F tăng so với tấm E là 4,40 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm F tăng so với tấm E là 3,71 dB.

Hình 5.16 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich G và H.

Tương tự, tù hình 5.16, ta thấy, trong vùng tần số thấp (f < 125 Hz), tại 80 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm H tăng so với tấm G là 0,09 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm H tăng so với tấm G là 0.83 dB. Trong vùng tần số trung bình (125 Hz < f < 2000 Hz), ở tần số 1000 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm H tăng so với tấm G là 1,60 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm H tăng so với đến tấm G là 2.19dB. Trong vùng tần số cao (f > 2000 Hz), tại 5000 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm H tăng so với tấm G là 5,26 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm H tăng so với tấm G là 6,37 dB.

5.3.3 Tấm có chiều dày lớp lõi khác nhau, cùng chiều dày lớp da, cùng khối lượng riêng lớp lõi: Tấm E và tấm G; tấm F và tấm H

Bảng 5.7 Thơng số hình học và cơ tính vật liệu composite sandwich

Tấm a x b (m) h1/H/h2 (x 10-3m) ρf (kg/m3) ρc (kg/m3) E1 (GPa) E2 (GPa) G12 (GPa) 12 Ec (GPa) c Klbm kg/m2 E 1,2 x 1,2 2,53/30/ 2,53 1600 79,86 10,58 2,64 1,02 0,17 58,5 0,25 10,485 G 1,2 x 1,2 2,53/40/ 2,53 1600 79,86 10,58 2,64 1,02 0,17 58,5 0,25 11,290 F 1,2 x 1,2 3,37/30/ 3,37 1600 79,86 10,58 2,64 1,02 0,17 58,5 0,25 13,173 H 1,2 x 1,2 3,37/40/ 3,37 1600 79,86 10,58 2,64 1,02 0,17 58,5 0,25 13,978

Từ Hình 5.17, ta thấy, trong vùng tần số thấp (f < 125 Hz), tại 80 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm G tăng so với tấm E là 0,78 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm G tăng so với tấm E là 0.34 dB. Trong vùng tần số trung bình (125 Hz < f < 2000 Hz), ở tần số 1000 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm G tăng so với tấm E là 0,2 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm G tăng so với đến tấm E là 0,48 dB. Trong vùng tần số cao (f > 2000 Hz), tại 2500 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm G tăng so với tấm E là 1,87 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm G tăng so với tấm E là 0,53 dB.

Hình 5.18. So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich F và H.

Tương tự, hình 5.18 cho thấy, trong vùng tần số thấp (f < 125 Hz), tại 80 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm H tăng so với tấm F là 0,32 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm H tăng so với tấm F là 0.13 dB. Trong vùng tần số trung bình (125 Hz < f < 2000 Hz), ở tần số 1000 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm H tăng so với tấm F là 1,64 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm H tăng so với đến tấm F là 2,19 dB. Trong vùng tần số cao (f > 2000 Hz), tại 3125 Hz, giá trị STL theo lý thuyết của tấm H

tăng so với tấm F là 3,14 dB, giá trị STL theo thực nghiệm của tấm H tăng so với tấm F là 4,13 dB.

5.3. Kết luận chương 5

Chương 5 đã trình bày một quy trình thực hiện và các kết quả thí nghiệm đo tổn thất truyền âm qua các mẫu tấm composite sandwich có hai lớp da bằng vật liệu composite sợi thủy tinh/ nền plyester khơng no với cấu hình đúng trục [0/90/0/90]s và lớp lõi bằng vật liệu PU xốp. Tấm composite sandwich bị ngàm 4 cạnh. Từ các kết quả thực nghiệm thu được, tác giả rút ra một số kết luận sau:

Các kết quả thực nghiệm thu được có độ tin cậy cao và tương đồng với các kết quả tính tốn lý thuyết theo chương trình Matlab đã xây dựng trong chương 4 của luận án.

Khối lượng riêng lớp lõi PU xốp có ảnh hưởng lớn nhất đến tổn thất truyền âm qua các tấm composite sandwich nghiên cứu. Khi tăng khối lượng riêng lớp lõi xốp, giá trị STL theo lý thuyết và thực nghiệm đều tăng. Giá trị tăng trung bình theo lý thuyết là 2,124 dB, theo thực nghiệm là 1,988 dB trên toàn dải tần số ở 1/3 Octave.

Chiều dày lớp da có ảnh hưởng đáng kể đến tổn thất truyền âm qua các tấm composite sandwich khảo sát. Chẳng hạn, khi h tăng từ 2,53mm đến 3,37mm, các

thông số khác khơng thay đổi thì STL theo lý thuyết tăng 1,476 dB, theo thực nghiệm STL tăng 1,774 dB trên toàn dải tần số ở 1/3 Octave.

Chiều dày lớp lõi ảnh hưởng không đáng kể đến tổn thất truyền âm qua các tấm composite sandwich. Cụ thể, khi H tăng từ 30mm đến 40mm, các thông số khác không thay đổi thì STL theo lý thuyết chỉ tăng 0,560 dB, theo thực nghiệm STL tăng 0,567 dB trên toàn dải tần số ở 1/3 Octave.

Các kết quả nghiên cứu trong chương 5 đã được tác giả công bố trong Tuyển tập các cơng trình hội nghị khoa học tồn quốc, Vật liệu và kết cấu composite Cơ học, Công nghệ và Ứng dụng [CT1]; Tuyển tập các cơng trình khoa học, Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 40 năm thành lập Viện Cơ học [CT8]; The International Conference on Modern Mechanics and Applications - ICOMMA 2020 [CT14], được chỉ mục bởi SCOPUS; Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rán lần thứ XV [ CT15], [CT16] và [CT17]; Proceedings of the International Conference on Engineering Research and Application-ICERA [CT13], được chỉ mục bởi SCOPUS. Các tài liệu này được chỉ rõ trong “Danh mục các cơng trình liên quan đến luận án đã được công bố” trong trang 140 của luận án.

KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ

Từ các kết quả đã trình bày trong các chương của luận án, một số điểm mới được rút ra như sau:

1. Từ phương trình dao động của kết cấu tấm kim loại đẳng hướng, luận án đã phát triển và xây dựng được phương trình dao động âm của tấm composite lớp chữ nhật, cốt sợi trực hướng; tấm kép composite lớp trực hướng và tấm composite sandwich lõi bằng vật liệu xốp.

2. Đặc biệt, dựa vào cơng suất âm thanh, luận án đã tìm được biểu thức tường minh để tính tổn thất truyền âm qua tấm composite cốt sợi trực hướng, tấm kép composite lớp trực hướng và tấm composite sandwich lõi xốp chịu liên kết bản lề và ngàm bốn cạnh.

3. Luận án đã xây dựng được ba chương trình máy tính trong mơi trường Matlab để tính tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm composite trực hướng, tấm kép composite trực hướng và tấm composite sandwich lõi xốp. Các chương trình tính cho kết quả tin cậy khi so sánh kết quả với các kết quả đã công bố trước.

4. Đã xây dựng được một quy trình tiến hành các thí nghiệm đo tổn thất truyền âm qua các mẫu tấm composite sandwich có hai lớp da bằng vật liệu composite trực hướng, cốt sợi thủy tinh/ nền plyester không no và lớp lõi bằng vật liệu PU xốp. Tổn thất truyền âm thực nghiệm được suy ra từ việc đo các mức áp suất âm của phịng phát và phịng thu có độ tương đồng cao với các kết quả tính tốn lý thuyết trong luận án.

5. Bằng tính tốn lý thuyết và bằng thực nghiệm, luận án đã đánh giá định lượng ảnh hưởng của các thông số như: loại vật liệu composite, tính dị hướng và cấu hình của vật liệu composite, góc âm tới, kích thước kết cấu tấm, độ dày lớp khơng khí, cơ tính và độ dày lớp vật liệu xốp và điều kiện biên đến khả năng cách âm của ba loại kết cấu tấm composite cốt sợi trực hướng hay được ứng dung trong các ngành kỹ thuật và đời sống.

Có thể tham khảo cách tiếp cận cùng với các kết quả tính tốn số và thực nghiệm để phân tích ứng xử dao động âm và thiết kế các kết cấu tấm composite lớp, tấm kép composite và tấm composite sandwich cốt sợi/nền polymer với lõi xốp có khả năng cách âm, giảm ồn cao cho các ứng dụng khác nhau trong chế tạo ô tô, tàu hỏa và tàu thủy vỏ composite tại Việt Nam.

Một số nhận xét

Từ các kết quả tính tốn số và thực nghiệm, luận án rút ra một số nhận xét và khuyến nghị dưới đây:

Đ v hư g

Tấm composite Fiberglass/Epoxy có khả năng cách âm tốt hơn tấm Kevlar/epoxy và tấm Graphite/epoxy. Khi tăng độ cứng theo phương sợi, hoặc giảm độ cứng cắt trong mặt phẳng tấm, hoặc tăng độ dày tấm thì tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp trực hướng sẽ tăng lên. Với cùng thơng số hình học và vật liệu, tấm chịu liên kết ngàm bốn cạnh có khả năng cách âm tốt hơn tấm bản lề trên bốn cạnh.

Đ v ké hư g, h kh g khơ g khí

Trong số bốn loại tấm kép composite khảo sát: Tấm kép composite Boron/Epoxy, tấm kép Fiberglass/Epoxy, Kevlar/epoxy và tấm kép Graphite/epoxy, tấm kép composite Boron/Epoxy có khả năng cách âm tốt nhất. Tổn thất truyền âm của tấm kép với cấu hình [90/90/90/90]s cao hơn tấm kép với các cấu hình khác: [0/90/0/90]s, [0/0/0/0]s, và [90/0/0/90]s. Khi tăng độ dày tấm hoặc tăng độ dày lớp khơng khí thì tổn thất truyền âm qua tấm kép composite lớp cốt sợi trực hướng sẽ tăng lên. Với cùng thơng số hình học và vật liệu, tấm kép chịu liên kết ngàm bốn cạnh có khả năng cách âm tốt hơn tấm bản lề bốn cạnh. Tổn thất truyền âm của tấm kép composite lớp cao hơn tấm kép bằng nhôm. Khả năng cách âm của tấm kép composite lớp tốt hơn tấm đơn composite lớp với cùng các thông số kỹ thuật.

Đ v dw h hư g, õ bằ g vậ ệ x

Tấm composite sandwich Boron/Epoxy có khả năng cách âm tốt hơn tấm sandwich Fiberglass/Epoxy, Kevlar/epoxy và tấm Graphite/epoxy. Tổn thất truyền âm của tấm composite sandwich với cấu hình [90/90/90/90]s cao hơn tấm sandwich với các cấu hình khác: [0/90/0/90]s, [0/0/0/0]s, và [90/0/0/90]s. Khi tăng độ dày tấm lớp da, hoặc tăng độ cứng lớp da, hoặc tăng khối lượng riêng lớp lõi thì khả năng cách âm của tấm composite lớp sandwich trực hướng có lõi xốp sẽ tăng lên. Ngược lại, nếu tăng giá trị góc âm tới thì tổn thất truyền âm của tấm sandwich sẽ giảm đi. Với cùng thông số hình học và vật liệu, tấm composite sandwich chịu liên kết ngàm bốn cạnh có khả năng cách âm tốt hơn tấm bản lề bốn cạnh.

Đ v gh ê h gh ệ

Hệ thống phòng phát-phòng thu tự chế tạo với kích thước khơng quá lớn và

phương pháp đo tổn thất truyền âm qua số liệu đo mức áp suất âm (khơng đo cường độ âm) có độ tin cậy và có thể áp dụng cho các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo.

Khối lượng riêng lớp lõi-PU xốp có ảnh hưởng lớn nhất đến tổn thất truyền âm qua các tấm composite sandwich nghiên cứu. Khi tăng độ dày lớp da hoặc tang khối lượng riêng lớp lõi PU xốp, khả năng cách âm của tấm sandwich tăng lên trên toàn dải tần số ở 1/3 Octave. Trong khi đó, chiều dày lớp lõi ảnh hưởng khơng đáng kể đến tổn thất truyền âm qua các tấm composite sandwich.

KIẾN NGHỊ

Trên cơ sở các nội dung và kết quả nghiên cứu đã trình bày, có thể đề xuất một số nội dung cần tiếp tục nghiên cứu như sau:

+ Bằng phương pháp giải tích và phương pháp số, giải các bài tốn dao động âm của các kết cấu composite dạng tấm, tấm kép có khoang khí, tấm sandwich có lõi là vật liệu xốp, kết cấu composite có gân gia cường có tính đến tương tác với dịng khí động.

+ Nghiên cứu giải các bài toán truyền âm qua các kết cấu tấm, vỏ composite sandwich đa lớp da và đa lớp lõi xốp hoặc lõi tổ ong; lớp lõi không gắn trực tiếp với lớp da v.v. chịu các liên kết khác nhau.

+ Nghiên cứu giải một số bài toán truyền âm qua các kết cấu tấm, vỏ composite FGM chịu các liên kết khác nhau.

Đây là các kết cấu hay được ứng dụng trong các ngành công nghiệp hàng không, vũ trụ, xây dựng, giao thông, tàu thủy v.v.

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. Đinh Đức Tiến, Nguyễn Văn Đạt, Trần Ích Thịnh và Phạm Ngọc Thành (2016), “Nghiên cứu thực nghiệm tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm composite sandwich