Composite E1 (GPa) E2 (GPa) G12 (GPa) ν12 ρ (kg/m3) a x b (m2) h (m) H (m) Boron/Epoxy 204,000 18,500 5,590 0,23 2000 1 x 1 0,005 0,08 Glass/Epoxy 40,851 10,097 3,788 0,27 1946 Graphite/Epoxy 181,000 10,300 7,170 0,28 1600 Kevlar/Epoxy 76,000 5,500 2,300 0,34 1460
Hình 3.4 cho thấy, trong vùng tần số thấp (f < 100 Hz), giá trị STL của tấm kép bằng vật liệu Boron/Epoxy là lớn nhất so với các tấm kép bằng vật liệu composite còn lại và giá trị STL của tấm kép Kevlar/Epoxy là nhỏ nhất. Các điểm cộng hưởng đầu tiên của kết cấu
cũng ứng với các giá trị tần số khác nhau, cụ thể: Tấm Boron/Epoxy và Glass/Epoxy tại tần số f = 100 Hz, tấm Graphite/Epoxy tại tần số f = 90Hz còn tấm Kevlar/Epoxy tại tần số, f = 80Hz. Trong vùng tần số này, mật độ bề mặt của tấm là yếu tố quyết định (vùng kiểm soát của độ cứng) hiện tượng cộng hưởng của kết cấu tấm kép (tấm-khoang khí-tấm). Trong vùng tần số cao hơn (f > 100 Hz), giá trị STL của tấm vật liệu Glass/Epoxy lớn hơn giá trị STL của tấm bằng các vật liệu composite khác.
Hình 3.4 Ảnh hưởng của loại vật liệu composite đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite lớp trực hướng, lõi khoang khí, liên kết tựa bản lề bốn cạnh.
3.6.2. Ảnh hưởng chiều dày tấm
Đối với tấm kép composite lớp trực hướng, hữu hạn chịu liên kết ngàm bốn cạnh bị kích thích bởi sóng âm tới với góc tới φ = 30o và góc phương vị θ = 30o. Tấm dưới và tấm trên có cùng kích thước hình học và vật liệu composite lớp khảo sát là Graphite/Epoxy gồm 8 lớp, cân bằng, đối xứng có cấu hình [0/90/0/90]s. Để xét ảnh hưởng của chiều dày tấm đến tổn thất truyền âm trên toàn dải tần số, ta chọn chiều dày tấm tương ứng với ba giá trị sau: h = 2 mm, 5 mm và 10 mm. Trong khi đó, các kích thước hình học tấm và cơ tính vật liệu không thay đổi và được cho trong mục 3.6.1. Kết quả tính tốn được thể hiện trong hình 3.5.
Hình 3.5 Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Graphite/Epoxy, trực hướng, lõi khơng khí, liên kết ngàm bốn cạnh.
Xét tấm kép composite lớp, trực hướng, hữu hạn chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh bị kích thích bởi sóng âm tới có góc tới φ = 30o và góc phương vị θ = 30o. Tấm dưới và tấm trên có cùng kích thước hình học và vật liệu composite lớp là Glass/Epoxy gồm 8 lớp, cân bằng, đối xứng có cấu hình [0/90/0/90]s. Để xét ảnh hưởng của chiều dày tấm đến tổn thất truyền âm trên toàn dải tần số, ta cũng chọn chiều dày tấm tương ứng với ba giá trị như sau: h = 2 mm, 5 mm và 10 mm. Trong khi đó, kích thước hình học và cơ tính vật liệu composite khơng thay đổi và được cho trong Bảng 3.4. Kết quả tính tốn được thể hiện trong hình 3.6.
Hình 3.6 Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Glass/Epoxy trực hướng, lõi khơng khí, liên kết tựa bản lề bốn cạnh.
Từ hình 3.5 và hình 3.6, ta nhận thấy rằng, ứng xử dao động âm của tấm kép composite Graphite/Epoxy liên kết ngàm bốn cạnh và tấm kép composite Glass/Epoxy liên kết tựa bản lề bốn cạnh khi bị kích thích bởi sóng âm đều có điểm chung là: giá trị STL tăng khi chiều dày của tấm tăng. Ảnh hưởng của chiều dày tấm đối với STL đặc
biệt mạnh ở vùng tần số thấp f < 100 Hz do trong vùng tần số này, độ cứng uốn của
tấm là nhân tố quyết định tới giá trị của STL. Trong vùng tần số cao hơn (f > 100 Hz), các diểm cực đại và cực tiểu xuất hiện dày và phức tạp hơn, do có sự tương tác mạnh mẽ giữa ứng xử riêng lẻ của các tấm đơn (trên và dưới) với ứng xử tổng thể của hệ thống tấm kép hữu hạn. Tuy nhiên, ở vùng tần số cao, mật độ cộng hưởng của tấm kép chịu liên kết ngàm bốn cạnh dày hơn so với tấm kép chịu liên kết tựa bản lề. Giá trị STL của tấm kép chịu liên kết ngàm bốn cạnh luôn cao hơn so với tấm kép chịu liên kết tựa bản lề trên toàn dải tần số xem xét.
3.6.3. Ảnh hưởng chiều dày khoang khí
Xét tấm kép composite lớp trực hướng, hữu hạn chịu liên kết ngàm bốn cạnh bị kích thích bởi sóng âm tới có góc tới φ = 30o và góc phương vị θ = 30o. Tấm dưới và tấm trên có cùng kích thước hình học và vật liệu composite lớp Graphite/Epoxy gồm 8 lớp cân bằng đối xứng có cấu hình [0/90/0/90]s. Để xét ảnh hưởng của chiều dày khoang khí đến tổn thất truyền âm trên tồn dải tần số, ta chọn chiều dày khoang khí tương ứng với ba giá trị sau: H = 0,02 m; 0,04 m và 0,08 m. Trong khi đó, các thơng số kích thước khác: chiều dài tấm, a = 1 m, chiều rộng tấm, b = 1 m và chiều dày tấm, h = 0,010 m khơng thay đổi. Cơ tính của vật liệu được cho trong mục 3.6.1 ở trên. Kết quả tính tốn được thể hiện trong hình 3.7.
Hình 3.7 Ảnh hưởng của chiều dày khoang khí đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Graphite/Epoxy trực hướng, lõi khơng khí, liên kết ngàm bốn cạnh.
Tiếp theo, ta xét tấm kép composite lớp trực hướng, hữu hạn chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh bị kích thích bởi sóng âm tới có góc tới φ = 30o và góc phương vị θ = 30o. Tấm dưới và tấm trên có cùng kích thước hình học và vật liệu composite lớp Glass/Epoxy gồm 8 lớp cân bằng đối xứng có cấu hình [0/90/0/90]s. Để xét ảnh hưởng
của chiều dày khoang khí đến tổn thất truyền âm trên toàn dải tần số, ta chọn chiều dày khoang khí tương ứng với ba giá trị sau: H = 0,04 m; 0,06 m và 0,08 m. Trong khi đó, các thơng số kích thước khác: chiều dài tấm, a = 1 m, chiều rộng tấm, b= 1 m và chiều dày khoang khí, h = 0,01 m khơng thay đổi. Cơ tính của vật liệu composite được cho trong mục 3.6.1. Kết quả tính tốn được thể hiện trong hình 3.8.
Từ hình 3.7 và hình 3.8, ta nhận thấy rằng, ứng xử dao động âm của tấm kép composite Graphite/Epoxy liên kết ngàm bốn cạnh và tấm kép composite Glass/Epoxy liên kết tựa bản lề bốn cạnh khi bị kích thích bởi sóng âm đều có điểm chung sau: giá trị STL tăng khi chiều dày của khoang khí tăng và vị trí cộng hưởng đầu tiên khơng phụ thuộc vào độ dày của khoang khí vì nó hồn tồn phụ thuộc vào mật độ khối lượng bề mặt của tấm. Tuy nhiên, vị trí cộng hưởng thứ hai thay đổi mạnh khi độ dày của khoang khơng khí tăng lên (di chuyển về phía tần số thấp hơn, hình 3.7 và hình 3.8) do cộng hưởng của hệ tấm - khoang khí - tấm đóng vai trị chính trong trường hợp này. Các vị trí cịn lại của chúng hầu như không thay đổi do ứng xử dao động của hệ thống tấm - khoang khí - tấm hoạt động đồng bộ và ổn định. Do đó, bằng cách điều chỉnh độ dày của khoang khơng khí, ta nên thiết kế các vách ngăn dạng tấm kép hữu hạn để cách âm tốt hơn trên một dải tần rộng. Tuy nhiên, với tấm kép chịu liên kết ngàm bốn cạnh, điểm cộng hưởng đầu tiên ở tấn số cao hơn, f = 110 Hz so với tấm kép chịu liên kết tựa bản lề tại, f = 100 Hz, đồng thời bước cộng hưởng của tấm kép ngàm cũng ngắn hơn.
Hình 3.8 Ảnh hưởng của chiều dày khoang khí đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Glass/Epoxy trực hướng, lõi khơng khí, liên kết tựa bản lề bốn cạnh.
3.6.4. Ảnh hưởng góc âm tới
Khảo sát tấm kép composite lớp trực hướng, hữu hạn chịu liên kết ngàm bốn cạnh. Tấm dưới và tấm trên có cùng kích thước hình học và vật liệu composite
Graphite/Epoxy gồm 8 lớp cân bằng đối xứng có cấu hình [0/90/0/90]s. Xét ảnh hưởng của góc âm tới (góc tới φ và góc phương vị θ) đến tổn thất truyền âm trên toàn dải tần số bằng hai cách: thay đổi góc tới φ = 0o, 30o, 45o, 60o; góc phương vị θ = 15o khơng thay đổi và thay đổi góc phương vị θ = 15o, 30o, 45o, 60o, cịn góc tới φ = 30o khơng đổi. Kích thước hình học và cơ tính của vật liệu được cho trong Bảng 3.4. Kết quả được thể hiện trong các hình dưới đây.
Hình 3.9 Ảnh hưởng của góc tới đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Graphite/Epoxy trực hướng lõi khơng khí liên kết ngàm bốn cạnh.
Hình 3.10 Ảnh hưởng của góc phương vị đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Graphite/Epoxy trực hướng lõi khơng khí liên kết ngàm bốn cạnh.
Hình 3.9 và hình 3.10 mơ tả rõ, ảnh hưởng góc tới của sóng âm (góc tới và góc phương vị) đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite trực hướng, hữu hạn có khoang khí chịu liên kết ngàm bốn cạnh. Khi góc tới (φ) thay đổi và góc phương vị (θ) khơng đổi ta thấy: ở vùng tần số thấp (f < 90 Hz), góc tới càng lớn càng dễ truyền âm qua tấm kép hơn so với góc tới nhỏ tức là giá trị STL giảm khi tăng góc tới. Ở vùng tần số cao (f > 90 Hz), các đường cong STL tương ứng với sự thay đổi của góc tới, nhìn
chung, lại có xu hướng tương tự nhau do ứng xử dạng của hệ thống tấm - khoang khí- tấm bắt đầu có sự đồng bộ (hình 3.9). Khi cho góc phương vị (θ) thay đổi và góc tới khơng đổi ta thấy: ở vùng tần số thấp (f < 90 Hz), giá trị STL giảm nhẹ khi tăng góc phương vị. Ở vùng tần số cao (f > 90 Hz), đường cong STL thay đổi rõ ràng hơn so với khi ở vùng tần số thấp do ứng xử dao động âm của kết cấu mạnh mẽ hơn (hình 3.10). Do đó, ta có thể kết luận rằng góc phương vị ảnh hưởng khơng đáng kể đến STL của tấm kép composite trực hướng, hữu hạn, chịu liên kết ngàm bốn cạnh.
3.6.5. Ảnh hưởng của cấu hình vật liệu composite
Xét ảnh hưởng của cấu hình vật liệu tới tổn thất truyền âm qua tấm kép composite lớp trực hướng, hữu hạn chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh bị kích thích bởi sóng âm tới có góc tới φ = 30o và góc phương vị θ = 30o. Tấm kép gồm tấm dưới và tấm trên bằng cùng vật liệu Glass/Epoxy với bốn cấu hình sau: [0/90/0/90]s, [0/0/0/0]s, [90/90/90/90]s và [90/0/0/90]s. Cơ tính vật liệu composite và kích thước tấm kép được cho trong mục 3.6.1.
Hình 3.11 Ảnh hưởng của cấu hình vật liệu đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Glass/Epoxy trực hướng có khoang khí, liên kết tựa bản lề bốn cạnh.
Từ hình 3.11, dễ thấy tổn thất truyền âm qua tấm kép Glass/Epoxy với cấu hình [90/90/90/90]s lớn hơn so với tấm với các cấu hình cịn lại đã xét. Đối với tấm có cấu hình [90/90/90/90]s điểm đầu tiên cộng hưởng xuất hiện ở tần số, f = 100 Hz, lần lượt
cho các cấu hình [90/0/0/90]s , [0/90/0/90]s ở tần số, f = 90 Hz và [0/0/0/0]s ở tần số, f = 80 Hz đây là vùng chịu chi phối của độ cứng uốn. Tại điểm cộng hưởng thứ hai, đối với tấm có cấu hình [90/90/90/90]s và [90/0/0/90]s tại tần số, f = 130Hz và tấm có cấu
hình [0/90/0/90]s và [0/0/0/0]s tại tần số, f = 140 Hz do sự cộng hưởng của hệ tấm -
tương ứng với các cấu hình hoạt động đồng bộ do ứng xử dao động của hệ thống tấm - khoang khí - tấm hoạt ổn định.
3.6.6. Ảnh hưởng của kích thước tấm bề mặt
Để xét ảnh hưởng của kích thước tấm bề mặt (a là chiều rộng tấm và b là chiều dài tấm) đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite lớp trực hướng, chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh bị kích thích bởi sóng âm tới có góc tới φ = 30o và góc phương vị θ = 0o, bốn nhóm kích thước được chọn như sau: a x b = 1 x 1m2; 4 x 4 m2; 16 x 16 m2 và 100 x 100 m2. Chiều dày tấm h = 0,005 m và chiều dày khoang khí, H = 0,08 m.
Tấm trên và tấm dưới bằng cùng vật liệu composite Graphite/Epoxy gồm 8 lớp cân bằng, đối xứng có cấu hình [0/90/0/90]s. Cơ tính của vật liệu được cho trong mục 3.6.
Hình 3.12 Ảnh hưởng của kích thước tấm bề mặt đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite lớp Graphite/Epoxy trực hướng có khoang khí liên kết tựa bản lề bốn cạnh.
Kết quả trên hình 3.12 cho thấy, khi tăng kích thước của tấm hữu hạn đến một mức độ nào đó, tấm được coi là vô hạn và trong trường hợp này, với kích thước, a x b = 100 x 100 m2, tấm có thể được coi là tấm vơ hạn. Đối với các tấm kép hữu hạn, ứng xử dao động ban đầu của tấm trên và tấm dưới tương tác mạnh với ứng xử của hệ thống tấm kép (bao gồm cộng hưởng của tấm trên- khoang khí - tấm dưới và cộng hưởng sóng đứng), và nó đóng vai trị chính trong dao động của cả hệ kết cấu. Tuy nhiên, đối với các tấm kép vô hạn, ứng xử dao động ban đầu dường như không ảnh hưởng đến ứng xử dao động âm của toàn hệ kết cấu tấm kép. Hình 3.12 hiển thị điểm cực tiểu đầu tiên đại diện cho cộng hưởng khối lượng - khơng khí - khối lượng và các điểm cực tiểu còn lại được gây ra bởi cộng hưởng của sóng dừng. Trên một dải tần số rộng, các điểm cực đại và cực tiểu trên đường cong STL của tấm hữu hạn có mật độ cao hơn nhiều so với tấm vơ hạn. Có thể thấy rằng, trong dải tần số này, tấm vô hạn sẽ
cung cấp cho ta giá trị cực đại tiệm cận với giá trị STL của tấm hữu hạn. Ngược lại, trong dải tần số thấp, kết quả tính cho tấm vơ hạn khơng có khả năng cung cấp giá trị phù hợp của STL cho tấm hữu hạn thực tế.
3.6.7. Ảnh hưởng của điều kiện biên
Trong mục này, ta so sánh ảnh hưởng của hai điều kiện biên (điều kiện biên ngàm và điều kiện biên tựa bản lề bốn cạnh) đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite lớp trực hướng, hữu hạn bị kích thích bởi sóng âm tới có góc tới φ = 30o và góc phương vị θ = 30o. Tấm trên và tấm dưới bằng cùng vật liệu Graphite/Epoxy gồm 8 lớp cân bằng đối xứng có cấu hình [0/90/0/90]s. Kích thước và cơ tính vật liệu của tấm được cho trong mục 3.6.1.
Hình 3.13 So sánh STL của tấm kép composite lớp trực hướng hữu hạn chứa khoang khí chịu điều kiện biên ngàm và điều kiện biên tựa bản lề bốn cạnh.
Hình 3.13 cho thấy rằng, điểm cộng hưởng đầu tiên rất nhạy cảm với độ cứng uốn của tấm và điểm cộng hưởng lần thứ hai (tức là cộng hưởng tấm - khoang khí - tấm) khơng nhạy cảm với các điều kiện biên (ngàm và tựa bản lề). Có thể thấy rằng, các giá trị STL của tấm kép composite chịu liên kết ngàm bốn cạnh cao hơn STL của kết cấu tấm kép chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh trong toàn bộ dải tần xem xét. Về tổng thể, các giá trị STL của kết cấu chịu hai điều kiện biên khác nhau có cùng quy luật cường độ, mặc dù các khoảng cộng hưởng khơng hồn tồn giống nhau.
3.6.8. So sánh tổn thất truyền âm qua tấm kép kim loại với tấm kép composite lõi khơng khí composite lõi khơng khí
Tác giả tiến hành tính tốn tổn thất truyền âm qua hai tấm kép có lõi là khoang khí: tấm kép bằng nhơm đẳng hướng, hữu hạn và tấm kép bằng composite lớp trực hướng, hữu hạn cùng chịu liên kết ngàm bốn cạnh bị kích thích bởi cùng sóng âm tới có góc tới
φ = 30o
và góc phương vị θ = 0o
. Hai tấm kép có các thơng số hình học giống nhau: chiều dài tấm, a = 1 m; chiều rộng tấm, b = 1 m; chiều dày tấm trên và tấm dưới h =
0,002 m và chiều dày khoang khí, H = 0,08 m. Cơ tính vật liệu của tấm nhôm: E = 70
GPa; ν = 0.33; ρ = 2700 kg/m3. Tấm composite lớp được chọn là Graphite/Epoxy gồm 8 lớp, cân bằng, đối xứng có cấu hình [0/90/0/90]s với các đặc tính cơ học được cho trong Bảng 3.4 ở trên.
Hình 3.14 So sánh STL của tấm kép composite lớp trực hướng, hữu hạn và tấm kép nhơm hữu hạn chứa khoang khí với điều kiện biên ngàm bốn cạnh.