Luận án Tiến sĩ Cơ học: Nghiên cứu sự truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:178

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Cơ học "Nghiên cứu sự truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng xử dao động âm qua các kết cấu dạng tấm composite lớp, cốt sợi trực hướng, tấm kép composite lớp trực hướng có khoang khí và tấm composite sandwich có lõi bằng vật liệu xốp; Nghiên cứu lý thuyết về truyền âm qua kết cấu tấm composite lớp, cốt sợi trực hướng chịu điều kiện biên bản lề và ngàm bốn cạnh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Cơ học: Nghiên cứu sự truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM NGỌC THÀNH NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE LỚP CỐT SỢI LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC Hà Nội - 2022 1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM NGỌC THÀNH NGHIÊN CỨU SỰ TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE LỚP CỐT SỢI Ngành: Cơ học Mã số: 9440109 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS TRẦN ÍCH THỊNH Hà Nội - 2022 2
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của luận án: “Nghiên cứu tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp cốt sợi” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Phú Thọ, ngày……tháng……năm 2022 Giáo viên hướng dẫn Người cam đoan GS. TS. TRẦN ÍCH THỊNH PHẠM NGỌC THÀNH i
LỜI CẢM ƠN Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn: GS. TS Trần Ích Thịnh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô Bộ môn Cơ học vật liệu và kết cấu – Viện Cơ khí - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hướng dẫn trong suốt thời gian tác giả nghiên cứu tại Bộ môn. Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể các thành viên trong nhóm Seminar "Cơ học Vật rắn biến dạng" - ĐH Bách Khoa Hà Nội, ĐH Khoa học tự nhiên, ĐH Công nghệ, ĐH Xây Dựng, ĐH Kiến Trúc, Viện Khoa học Vật liệu Xây dựng, ĐH Giao Thông Vận tải, Học viện Hậu cần, Học viện Kỹ thuật Quân sự, ĐH Thái Nguyên...đã đóng góp nhiều ý kiến quí báu và có giá trị cho nội dung đề tài luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn TS. Đinh Đức Tiến – Viện Nghiên cứu và Chế tạo Tàu thủy - Đại học Nha Trang đã hướng dẫn, giúp đỡ chế tạo mẫu thí nghiệm và quá trình tiến hành đo thực nghiệm. Tác giả xin chân thành cảm ơn Tập thể các cán bộ giảng viên Khoa Cơ khí – Ô tô – Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi về thời gian cũng như công viện để tác giả có thể hoàn thành được thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn các bạn bè, đồng nghiệp tận tình giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình đã thông cảm, tạo điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án. ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... II MỤC LỤC .................................................................................................................... III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ................................................................................... VII DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................... IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................... X MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................... 6 1.1. Giới thiệu về vật liệu composite ......................................................................... 6 1.2. Lý thuyết truyền âm ............................................................................................ 9 1.2.1. Sóng âm và tiếng ồn ..................................................................................... 9 1.2.2. Tần số, bước sóng, biên độ ........................................................................... 9 1.2.3. Áp suất âm .................................................................................................. 10 1.2.4. Mức áp suất âm........................................................................................... 11 1.2.5. Cường độ âm và mức cường độ âm ........................................................... 11 1.2.6. Công suất âm và mức công suất âm ........................................................... 12 1.2.7. Dải tần số âm .............................................................................................. 12 1.3. Tình hình nghiên cứu về truyền âm qua các kết cấu composite ....................... 13 1.3.1. Tình hình nghiên cứu về truyền âm qua tấm composite lớp ...................... 14 1.3.2. Tình hình nghiên cứu về truyền âm qua tấm kép composite ...................... 18 1.3.3. Tình hình nghiên cứu về truyền âm qua tấm composite sandwich, lõi xốp 23 1.3.4. Tình nghiên cứu về truyền âm qua kết cấu tấm ở Việt Nam ...................... 33 1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................. 34 CHƯƠNG 2. TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE LỚP CỐT SỢI TRỰC HƯỚNG ........................................................................................................................ 37 2.1. Mô hình kết cấu tấm composite lớp trực hướng ............................................... 37 2.2. Phương trình dao động của tấm composite lớp ................................................ 38 2.3. Điều kiện biên của tấm composite lớp .............................................................. 39 2.4. Tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp ...................................................... 42 2.5. Kiểm tra độ tin cậy của mô hình và phương pháp ............................................ 48 iii
2.6. Đánh giá một số ảnh hưởng đến tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp trực hướng ............................................................................................................................. 53 2.6.1 Ảnh hưởng của loại vật liệu composite ....................................................... 54 2.6.2. Ảnh hưởng của góc tới ............................................................................... 54 2.6.3. Ảnh hưởng của tính dị hướng ..................................................................... 57 2.6.4. Ảnh hưởng của độ dày tấm composite ....................................................... 58 2.6.5. Ảnh hưởng điều kiện biên .......................................................................... 59 2.7. Kết luận chương 2 ............................................................................................. 61 CHƯƠNG 3. TRUYỀN ÂM QUA TẤM KÉP COMPOSITE CỐT SỢI TRỰC HƯỚNG ........................................................................................................................ 63 3.1. Mô hình kết cấu tấm kép composite cốt sợi trực hướng ................................... 63 3.2. Phương trình chuyển động của tấm kép composite lõi không khí .................... 64 3.3. Điều kiện biên của tấm kép composite lõi không khí ....................................... 65 3.4. Tổn thất truyền âm qua tấm kép composite lõi không khí................................ 69 3.5. Kiểm tra độ tin cậy của mô hình và phương pháp ............................................ 73 3.6. Đánh giá một số ảnh hưởng đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite ... 75 3.6.1. Ảnh hưởng của loại vật liệu composite ...................................................... 75 3.6.2. Ảnh hưởng chiều dày tấm........................................................................... 76 3.6.3. Ảnh hưởng chiều dày khoang khí ............................................................... 78 3.6.4. Ảnh hưởng góc âm tới ................................................................................ 79 3.6.5. Ảnh hưởng của cấu hình vật liệu composite .............................................. 81 3.6.6. Ảnh hưởng của kích thước tấm bề mặt....................................................... 82 3.6.7. Ảnh hưởng của điều kiện biên .................................................................... 83 3.6.8. So sánh tổn thất truyền âm qua tấm kép kim loại với tấm kép composite lõi không khí .................................................................................................................... 83 3.6.9. So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp với tấm kép composite lõi không khí .............................................................................................................. 84 3.7. Kết luận chương 3 ............................................................................................. 85 CHƯƠNG 4. TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE SANDWICH LÕI XỐP 87 4.1. Mô hình kết cấu tấm composite sandwich lõi xốp............................................ 87 4.2. Phương trình dao động của tấm composite sandwich lõi bằng vật liệu xốp .... 88 4.3. Điều kiện biên của tấm composite sandwich lõi là vật liệu xốp ....................... 89 4.4. Mô hình vật liệu xốp và giải bài toán dao động âm .......................................... 90 iv
4.5. Tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich lõi xốp ................................ 98 4.6. Kiểm tra độ tin cậy của mô hình và phương pháp ............................................ 99 4.7. Đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố đến tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich lõi xốp ........................................................................................ 102 4.7.1. Ảnh hưởng của loại vật liệu composite sandwich .................................... 102 4.7.2. Ảnh hưởng chiều dày lớp da .................................................................... 103 4.7.3. Ảnh hưởng chiều dày lớp lõi xốp ............................................................. 104 4.7.4. Ảnh hưởng của cấu hình vật liệu composite ............................................ 106 4.7.5. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi vật liệu composite ................................. 107 4.7.6. Ảnh hưởng của cơ tính lớp lõi xốp ........................................................... 107 4.7.7. Ảnh hưởng của góc âm tới ....................................................................... 111 4.7.8. Ảnh hưởng của điều kiện biên .................................................................. 113 4.8. Kết luận chương 4 ........................................................................................... 114 CHƯƠNG 5. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VỀ TRUYỀN ÂM QUA TẤM COMPOSITE SANDWICH VỚI LÕI LÀ PU XỐP .............................................. 116 5.1. Quy trình thí nghiệm ....................................................................................... 116 5.1.1. Mô tả phòng thu-phòng phát .................................................................... 116 5.1.2. Chế tạo mẫu composite sandwich lõi PU xốp .......................................... 118 5.1.3. Phương pháp đo ........................................................................................ 121 5.1.4. Quy trình đo .............................................................................................. 121 5.1.5. Các thông số cần đo .................................................................................. 122 5.1.6. Kiểm tra độ tin cậy của phép đo ............................................................... 123 5.2. Kết quả thực nghiệm đo STL qua các mẫu composite sandwich có lõi là PU xốp ............................................................................................................................... 125 5.2.1. Mẫu composite sandwich I ....................................................................... 126 5.2.2. Mẫu composite sandwich K ..................................................................... 127 5.3. So sánh kết quả STL theo thực nghiệm và lý thuyết qua các mẫu composite sandwich lõi PU xốp .................................................................................................... 129 5.3.1. Tấm có khối lượng riêng lớp lõi khác nhau, cùng chiều dày lớp da và cùng chiều dày lớp lõi ....................................................................................................... 129 5.3.2 Tấm có chiều dày lớp da khác nhau, cùng chiều dày lớp lõi, cùng khối lượng riêng lớp lõi .................................................................................................... 132 v
5.3.3 Tấm có chiều dày lớp lõi khác nhau, cùng chiều dày lớp da, cùng khối lượng riêng lớp lõi .................................................................................................... 134 5.3. Kết luận chương 5 ........................................................................................... 136 KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 143 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... A vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU λ, f, T*, c0 Bước sóng, tần số, chu kỳ và vận tốc âm thanh k, kx, ky, kz Số sóng theo các phương x, y, z Biên độ áp suất lớn nhất, biên độ áp suất căn bậc hai PM, Prms trung bình pi, p0 Áp suất âm và biên độ lớn nhất của áp suất âm tức thời Hệ số chuyển đổi, hệ số nhiệt dung riêng, hằng số khí và gc , χ, R, T0 nhiệt độ tuyệt đối Mức áp suất âm, mức cường độ âm, mức công suất âm và Lp, LI, Lw, I cường độ âm pref Áp suất âm tiêu chuẩn a, b Kích thước tấm h, h1, h2, H Chiều dày tấm và chiều dày lõi Dij, Dij* Độ cứng uốn của tấm. m*, mi* , j Mật độ bề mặt của tấm và số phức ρ0 , ω Mật độ không khí và tần số góc của sóng tới Φi, wi Thế vận tốc và chuyển vị ngang của tấm. Các hằng số độ cứng và Mô đun đàn hồi kéo, nén theo Qij, Ei, G12, ν phương i, mô đun cắt và hệ số Poisson Imn, βmn, γmn, ψmn, εmn Biên độ sóng φ, θ Góc tới và góc phương vị φmn ,αi,mn, ωmn Hàm dạng, hệ số dạng và tần số dao động riêng của tấm ξ1, ξ2 Sự dịch chuyển của hạt âm I* Hằng số độ cứng Пi, vi* Công suất âm và vận tốc âm cục bộ τd, τ0, STL Hệ số công suất truyền âm và tổn thất truyền âm χmn , mn ,кmn, ξmn, ηmn, Các hệ số tham chiếu ζmn, Ψmn, Λmn, Δmn, Ωmn  zs ;  zf Ứng suất pháp của pha rắn và pha lỏng theo phương z u sz , u fz Chuyển vị của pha rắn và pha lỏng theo phương z v*z Vận tốc hạt âm trường không khí theo phương z vii
es, ef, us, uf Biến dạng và chuyển vị của pha rắn và pha lỏng A, N, Pr Hệ số Lamé, mô đun cắt đàn hồi và số Prandtl Q, S Hệ số thay đổi thể tích của pha rắn và pha lỏng Σ Độ xốp của vật liệu xốp Hệ số Young mô đun của pha rắn, mô đun bulk của sự Es , Ef, E0 đàn hồi chất lỏng trong các lỗ rỗng và mô đun bulk của không khí ϑ, ψ Hệ số hình học kết cấu và trở kháng dòng chảy J0 , J 1 Hàm Bessel bậc không và bậc nhất k1 , k 2 Hai sóng dọc truyền trong pha pha rắn và pha lỏng Khối lượng riêng của pha rắn và pha lỏng, khối lượng ρ1, ρ2, ρij riêng tương đương ρa, a* Hệ sô liên kết giữa pha rắn và pha lỏng, hệ số nhớt D1, D2, D3, D4 Biên độ phức của bốn thành phần sóng  1s ,  2s , 1f ,  2f ,Ω1, Ω2, Các thông số phụ của pha rắn và pha lỏng Г2,mn, Г1,mn Ma trận truyền, Véc tơ lực, véc tơ cột của D1, D2, D3, D4 M, R, D, V và ma trận nghịch đảo của ma trận chuyển M Qi,mn, fmn Hệ số và hằng số phụ thuộc điều kiện biên Fmn, [Tij] Véc tơ lực tổng quát và ma trận phần tử Mức áp suất âm trung bình đo được trong phòng phát – L1, L2 phòng thu Thời gian vang của phòng thu khi ngàm chặt tấm thử T giữa hai phòng V2, Ap Thể tích của phòng thu và diện tích mặt mẫu thử STL Tổn thất truyền âm viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Cơ tính riêng của một số vật liệu thường gặp ................................................. 7 Bảng 1.2. Cơ tính riêng của một số vật liệu lõi thường gặp ............................................ 8 Bảng 1.3. Tám Octave cho phép ................................................................................... 13 Bảng 2.1 Các thông số sử dụng trong tính toán tổn thất truyền âm của tấm đẳng hướng, hữu hạn . ........................................................................................................................ 49 Bảng 2.2 Các thông số sử dụng trong tính toán tổn thất truyền âm của một tấm thép đẳng hướng hữu hạn . .................................................................................................... 50 Bảng 2.3 Cơ tính của vật liệu composite . ..................................................................... 52 Bảng 2.4 Tính chất cơ học của vật liệu composite . ...................................................... 54 Bảng 2.5 Cơ tính của vật liệu composite ....................................................................... 59 Bảng 3.1 Kích thước hình học và cơ tính của vật liệu composite. ................................ 75 Bảng 4.1 Các tham số vật liệu của tấm nhôm và lớp vật liệu xốp ............................... 99 Bảng 4.2 Các tham số vật liệu của tấm nhôm và lớp vật liệu xốp ............................. 100 Bảng 5.1. Tổng hợp các các thông số của mẫu thử ..................................................... 120 Bảng 5.2. Giá trị đo tổn thất truyền âm qua tấm thép ................................................. 124 Bảng 5.3. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich I ........................................... 126 Bảng 5.4. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich K ......................................... 128 Bảng 5.5. Thông số hình học và cơ tính vật liệu composite sandwich ....................... 129 Bảng 5.6. Thông số hình học và cơ tính vật liệu composite sandwich ....................... 132 Bảng 5.7 Thông số hình học và cơ tính vật liệu composite sandwich ........................ 134 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Cấu tạo vật liệu composite sandwich .............................................................. 7 Hình 1.2. Vật liệu composite sandwich có lõi PU........................................................... 8 Hình 1.3. Các dạng lõi của vật liệu composite sandwich ................................................ 8 Hình 1.4. Bước sóng ........................................................................................................ 9 Hình 1.5. Biểu đồ thể hiện biên độ và bước sóng ......................................................... 10 Hình 1.6. Sóng hình sin ................................................................................................. 10 Hình 1.7. Biểu đồ áp suất âm ........................................................................................ 11 Hình 1.8. Cường độ âm ................................................................................................. 11 Hình 1.9. Các dải tần số 1 octave và 1/3 octave ............................................................ 13 Hình 2.1 Sơ đồ truyền âm qua tấm composite lớp hình chữ nhật trực hướng hữu hạn liên kết bản lề hoặc ngàm bốn cạnh: ............................................................................. 37 Hình 2.2 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm thép đẳng hướng hữu hạn theo luận án và lý thuyết của Lin và cộng sự .......................................................................................... 49 Hình 2.3 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm nhôm đẳng hướng, hữu hạn theo luận án và lý thuyết của Roussos [11]. ....................................................................................... 50 Hình 2.4 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm nhôm đẳng hướng hữu hạn theo luận án và thực nghiệm của Harris [16]. .................................................................................... 51 Hình 2.5 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp trực hướng, hữu hạn theo lý thuyết và thực nghiệm của Koval [10]. ..................................................................... 51 Hình 2.6 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp, hữu hạn theo lý thuyết trong luận án và thực nghiệm của Kuo qua tấm [UD]7 [25]. ........................................ 52 Hình 2.7 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp, hữu hạn theo lý thuyết trong luận án và thực nghiệm của Kuo qua tấm [Mat]7 [25]. ....................................... 52 Hình 2.8 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp, hữu hạn theo lý thuyết trong luận án và thực nghiệm của Kuo qua tấm [Rovin]7 [25]. .................................... 53 Hình 2.9 Tổn thất truyền âm qua ba tấm composite lớp trực hướng, hữu hạn: Kevlar/epoxy, Graphite/epoxy và Fiberglass/epoxy. .................................................... 54 Hình 2.10 Ảnh hưởng của góc tới đến tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp Graphite/Epoxy liên kết tựa bản lề bốn cạnh. ............................................................... 55 Hình 2.11 Ảnh hưởng của góc phương vị đến tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp Graphite/Epoxy, liên kết tựa bản lề bốn cạnh. ........................................................ 55 x
Hình 2.12 Ảnh hưởng của góc tới đến tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp [Rovin]7, liên kết ngàm bốn cạnh. ................................................................................ 56 Hình 2.13 Ảnh hưởng của góc phương vị trong tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp [Rovin]7 liên kết ngàm bốn cạnh. ........................................................................... 56 Hình 2.14 Ảnh hưởng của tính dị hướng đến STL của tấm composite lớp trực hướng, liên kết ngàm bốn cạnh đối với các giá trị khác nhau của E11/E. ................................. 57 Hình 2.15 Ảnh hưởng của tính dị hướng đến STL của tấm composite lớp trực hướng, liên kết ngàm bốn cạnh đối với các giá trị khác nhau của G12/G. ................................ 58 Hình 2.16 Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp trực hướng liên kết ngàm bốn cạnh. .............................................................................. 59 Hình 2.17 Ảnh hưởng của điều kiện biên đến tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp trực hướng với góc tới φ = 0o và góc phương vị θ = 45o. .............................................. 60 Hình 2.18 Ảnh hưởng của điều kiện biên đến tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp trực hướng với góc tới φ = 30o và góc phương vị θ = 45o. ............................................ 60 Hình 2.19 Ảnh hưởng của điều kiện biên đến tổn thất truyền âm qua tấm composite lớp trực hướng với góc tới φ = 60o và góc phương vị θ = 45o. ............................................ 60 Hình 3.1 Sơ đồ truyền âm qua tấm kép composite lớp có khoang khí hình chữ nhật, trực hướng, hữu hạn liên kết bản lề hoặc ngàm bốn cạnh: ............................................ 63 Hình 3.2. So sánh tổn thất truyền âm qua tấm kép nhôm đẳng hướng hữu hạn theo lý thuyết và thực nghiệm của Lu và Xin [47]. ................................................................... 74 Hình 3.3. So sánh tổn thất truyền âm qua tấm kép nhôm đẳng hướng hữu hạn theo lý thuyết với lý thuyết và thực nghiệm của Carneal và Fuller [42]. .................................. 74 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. ..................... 76 Hình 3.5 Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Graphite/Epoxy, trực hướng, lõi không khí, liên kết ngàm bốn cạnh. .......................... 77 Hình 3.6 Ảnh hưởng của chiều dày tấm đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Glass/Epoxy trực hướng, lõi không khí, liên kết tựa bản lề bốn cạnh. ......................... 77 Hình 3.7 Ảnh hưởng của chiều dày khoang khí đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Graphite/Epoxy trực hướng, lõi không khí, liên kết ngàm bốn cạnh. .......... 78 Hình 3.8 Ảnh hưởng của chiều dày khoang khí đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Glass/Epoxy trực hướng, lõi không khí, liên kết tựa bản lề bốn cạnh. ........ 79 xi
Hình 3.9 Ảnh hưởng của góc tới đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Graphite/Epoxy trực hướng lõi không khí liên kết ngàm bốn cạnh. ............................. 80 Hình 3.10 Ảnh hưởng của góc phương vị đến tổn thất truyền âm qua tấm kép composite Graphite/Epoxy trực hướng lõi không khí liên kết ngàm bốn cạnh. ............ 80 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......... 81 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. ....................................................................................................................................... 82 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. ........................... 83 Hình 3.14 So sánh STL của tấm kép composite lớp trực hướng, hữu hạn và tấm kép nhôm hữu hạn chứa khoang khí với điều kiện biên ngàm bốn cạnh. ............................ 84 Hình 3.15 So sánh STL của tấm composite lớp trực hướng, hữu hạn và tấm kép composite hữu hạn, điều kiện biên ngàm bốn cạnh. ..................................................... 85 Hình 4.1. Sơ đồ truyền âm qua tấm kép composite lớp có lõi xốp hình chữ nhật trực hướng hữu hạn liên kết bản lề hoặc ngàm bốn cạnh ..................................................... 87 Hình 4.2 Mặt cắt ngang của lớp xốp được gắn trực tiếp vào tấm composite lớp trực hướng. ............................................................................................................................ 89 Hình 4.3 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm sandwich nhôm, đẳng hướng, hữu hạn có lõi là vật liệu xốp theo lý thuyết với kết quả thực nghiệm của Lee và Kondo [59]. ... 100 Hình 4.4 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm sandwich nhôm, đẳng hướng, hữu hạn có lõi là vật liệu xốp theo lý thuyết với kết quả lý thuyết của Bolton [57]. ..................... 101 Hình 4.5 Ảnh hưởng của loại vật liệu đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, hữu hạ,n lõi xốp chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh.......................................... 102 Hình 4.6 Ảnh hưởng của loại vật liệu đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, hữu hạn, lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh. ............................................... 102 Hình 4.7 Ảnh hưởng của chiều dày lớp da đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, hữu hạn lõi xốp chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh........................................... 104 Hình 4.8 Ảnh hưởng của chiều dày lớp da đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, hữu hạn lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh. ................................................ 104 Hình 4.9 Ảnh hưởng của chiều dày lõi đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng hữu hạn lõi xốp chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh............................................ 105 xii
Hình 4.10 Ảnh hưởng của chiều dày lõi đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng hữu hạn lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh. ................................................. 105 Hình 4.11 Ảnh hưởng của cấu hình đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng hữu hạn lõi xốp chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh. ...................................................... 106 Hình 4.12 Ảnh hưởng của cấu hình đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng hữu hạn lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh. ............................................................. 106 Hình 4.13 Ảnh hưởng của mô đun Young đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, lõi xốp chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh. ....................................................... 107 Hình 4.14 Ảnh hưởng khối lượng riêng lớp lõi đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, hữu hạn lõi xốp chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh. .................................. 108 Hình 4.15 Ảnh hưởng khối lượng riêng lớp lõi đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, hữu hạn lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh. ......................................... 108 Hình 4.16 Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi lớp lõi đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, hữu hạn lõi xốp chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh. .................. 109 Hình 4.17 Ảnh hưởng mô đun Young lớp lõi đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, hữu hạn lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh. ......................................... 109 Hình 4.18 Ảnh hưởng hệ số Poisson lớp lõi đến STL qua tấm kép composite trực hướng hữu hạn lõi xốp chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh............................................ 110 Hình 4.19 Ảnh hưởng hệ số Poisson lớp lõi đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, hữu hạn, lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh. ............................................... 110 Hình 4.20 Ảnh hưởng góc tới (φ) đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng, hữu hạn, lõi xốp chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh. ..................................................... 111 Hình 4.21 Ảnh hưởng góc phương vị (θ) đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng hữu hạn lõi xốp chịu liên kết tựa bản lề bốn cạnh............................................ 112 Hình 4.22 Ảnh hưởng góc tới (φ) đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng hữu hạn lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh. ............................................................. 113 Hình 4.23 Ảnh hưởng góc phương vị (θ) đến STL qua tấm composite sandwich trực hướng hữu hạn lõi xốp chịu liên kết ngàm bốn cạnh. ................................................. 113 Hình 4.24 So sánh ảnh hưởng của các điều kiên biên (ngàm và tựa bản lề) đến STL qua tấm kép composite trực hướng hữu hạn, lõi xốp. ................................................. 114 Hình 5.1 Sơ đồ phòng đo tổn thất truyền âm. ............................................................. 118 Hình 5.2. Chế tạo mẫu composite sandwich. .............................................................. 119 Hình 5.3. Vị trí các điểm đo. ....................................................................................... 121 xiii
Hình 5.4. Thiết bị thí nghiệm, mặt ngoài phòng thí nghiệm. ...................................... 122 Hình 5.5. Gắn tấm mẫu thử. ........................................................................................ 122 Hình 5.6. Đo STL qua các mẫu thử composite sandwich. .......................................... 122 Hình 5.7. Đo STL qua mẫu thép.................................................................................. 123 Hình 5.8. Đồ thị đo STL qua mẫu thép tiêu chuẩn. ..................................................... 125 Hình 5.9 Đo STL qua mẫu composite sandwich I. ..................................................... 127 Hình 5.10 Tổn thất truyền âm qua tấm composite sadwich I. ..................................... 127 Hình 5.11. Đo STL qua mẫu composite sandwich K. ................................................. 127 Hình 5.12. Tổn thất truyền âm qua tấm composite sadwich K. .................................. 129 Hình 5.13 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich A và C ............. 130 Hình 5.14 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich I và K. .............. 131 Hình 5.15 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich E và F. ............. 132 Hình 5.16 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich G và H. ............ 133 Hình 5.17 So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich E và G. ............. 134 Hình 5.18. So sánh tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich F và H. ............ 135 xiv
MỞ ĐẦU Tiếng ồn có thể được định nghĩa là âm thanh khó nghe hoặc không mong muốn. Tiếng ồn trên máy bay, trên ô tô, trên tàu hỏa hoặc tàu thủy sẽ làm cho hành khách khó chịu. Tiếng ồn trong nhà máy, phân xưởng sản xuất hoặc ngoài công trường làm giảm năng suất lao động của công nhân, thậm chí gây ra những tác động xấu đến sức khỏe của con người. Vì vậy, nhiều ngành công nghiệp như hàng không, giao thông vân tải, xây dựng, cơ khí v.v. đã và đang nỗ lực không ngừng trong nghiên cứu ứng dụng nhằm giảm thiểu và tối ưu hóa các đặc tính tiếng ồn và rung động. Tiếng ồn bên trong các cơ hệ, thiết bị, chẳng hạn như trong khoang máy bay hay trong khoang tàu hỏa, khoang xe khách...chủ yếu do kết cấu và tấn số thấp thường nhỏ hơn 400 Hz gây ra. Trường âm thanh bên trong khoang thiết bị chịu ảnh hưởng bởi đặc tính âm thanh của khoang thiết bị đó, bởi ứng xử động lực học của kết cấu xung quanh và bởi tương tác giữa các thành phần kết cấu với không khí (chất lỏng). Tần số cộng hưởng và dạng dao động của kết cấu dưới tác dụng của trường âm thanh phụ thuộc chủ yếu vào việc thiết kết các khoang kín đó. Âm thanh và rung động thường được kiểm soát bằng phương pháp chủ động và thụ động. Trong phương pháp điều khiển rung động chủ động, có thể sử dụng vật liệu áp điện làm cảm biến và cơ cấu chấp hành trong các kết cấu linh hoạt. Trong khi đó, trong phương pháp điều khiển thụ động, người ta sử dụng các loại vật liệu khác nhau như vật liệu rào cản, vật liệu hấp thụ, vật liệu giảm chấn và cách ly rung động. Vật liệu rào cản và vật liệu hấp thụ được sử dụng để làm giảm âm thanh lan truyền trong môi trường xung quanh, trong khí đó, vật liệu giảm chấn và cách ly rung động được sử dụng để giảm rung động do kết cấu gây ra, tức là giảm tiếng ồn. Để kiểm soát tiếng ồn hiệu quả, chúng ta cũng có thể sử dụng kết hợp các loại vật liệu khác nhau nói trên. Ngày nay, hầu hết các Tập đoàn công nghiệp, các Công ty sản xuất các thiết bị bay, xe ô tô, tàu hỏa, tàu thủy,... đều sử dụng thép nhiều lớp hoặc vật liệu composite nhiều lớp dưới dạng tấm đơn, tấm kép hoặc tấm sandwich với lõi polymer, lõi hợp kim nhôm hoặc lõi lượn sóng v.v. để cải thiện khả năng cách âm cho hệ thống. Vấn đề truyền âm và giảm ồn đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học và công nghệ trên thế giới. Bài toán về ứng xử dao động do âm thanh của các kết cấu kim loại đẳng hướng dạng tấm, tấm kép, tấm sandwich đã được nghiên cứu từ 50-60 năm nay bởi các nhà 1
khoa học trên thế giới nhờ các lý thuyết, các phương pháp tính toán và thực nghiệm khác nhau như: Phương pháp giải tích, phương pháp số, phương pháp phân tích thống kê năng lượng và phương pháp thực nghiệm. Tuy nhiên, vấn đề ứng xử dao động âm của các kết cấu composite, cốt sợi dị hướng dưới dạng tấm, tấm kép và tấm sandwich với lõi xốp mới được nghiên cứu gần đây và còn rất ít các kết quả công bố cả về mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm do tính phức tạp của vật liệu và kết cấu gây ra các tương tác giữa các thành phần của hệ thống tấm - khoang khí - tấm (đối với tấm kép) và tấm - lõi xốp - tấm (đối với tấm sandwich lõi xốp) trong quá trình truyền âm. Do đó, việc nghiên cứu lựa chọn (hoặc xây dựng) được một mô hình hoặc lý thuyết phù hợp với kết cấu Composite cần tính toán, thiết kế cùng với một phương pháp có độ tin cậy cao để tìm lời giải số cho bài toán truyền âm qua các kết Composite trực hướng, hữu hạn dạng tấm, tấm kép và tấm composite sandwich lõi xốp là rất quan trọng và cần thiết cho các nhà khoa học và các kỹ sư. Ở Việt Nam, vật liệu composite, cốt sợi/nền polymer đã được ứng dụng ngày càng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau như: trong chế tạo tàu khách, tàu du lịch vỏ composite, tấm cabin, tấm vách ngăn composite; vỏ máy bay cỡ nhỏ; vỏ, tấm vách ngăn toa xe tàu hỏa; vỏ, thùng xe ô tô tải v.v. Bên cạnh các đề tài về công nghệ, nhiều đề tài nghiên cứu khoa học về độ bền, ổn định và dao động tuyến tính, dao động phi tuyến của các kết cấu Composite cốt sợi, Composite FGM v.v. đã được đặt ra và thực hiện trong các nhóm nghiên cứu khoa học, chẳng hạn nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội, Viện Cơ học, Đai học Xây Dựng, Học Viện Kỹ thuật Quân Sự, Viện Khoa học - Công nghệ Xây dựng, Đại học Kiến Trúc v.v. Kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học nói trên đã được công bố trong nhiều tạp chí Quốc tế chuyên nghành và tuyển tập Hội nghị khoa học uy tín ở trong và ngoài nước. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu về sự truyền âm qua các kết cấu tấm và vỏ composite lớp dị hướng, cốt sợi/nền hữu cơ còn bỏ ngỏ và còn rất ít kết quả công bố. Xuất phát từ thực tế ứng dụng vật liệu Composite cốt sợi/ nền polymer ở Việt Nam và từ phân tích các kết quả nghiên cứu hiện có trong nước và trên thế giới về lĩnh vực truyền âm và dao động âm, luận án đã đặt vấn đề: “Nghiên 2
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN + Hiểu rõ được bản chất của bài toán truyền âm thanh qua kết cấu dạng tấm kim loại đẳng hướng và tấm composite, cốt sợi trực hướng. Từ đó, xây dựng được mô hình, phương trình dao động âm và tính được các đặc trưng truyền âm qua kết cấu tấm composite trực hướng chịu các liên kết cụ thể. + Giải được bài toán truyền âm qua kết cấu tấm composite, cốt sợi trực hướng; tấm kép composite, cốt sợi trực hướng chứa khoang không khí và tấm composite sandwich có lõi bằng vật liệu xốp. Đánh giá định lượng về ảnh hưởng của một số yếu tố như nguồn âm thanh, vật liệu composite, kết cấu tấm v.v. đến khả năng cách âm của các kết cấu tấm composite khảo sát. + Làm chủ được quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm đo tổn thất truyền âm qua các mẫu tấm composite sandwich cốt sợi thủy tinh/nền polyester không no có lõi là PU xốp. + Khẳng định được độ tin cậy của các công thức và chương trình máy tính tự thiết lập trong môi trường Matlab bằng cách so sánh các kết quả tính toán lý thuyết với thực nghiệm nhằm tạo nền tảng cho các nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu của luận án: - Tấm Composite lớp cốt sợi trực hướng, hữu hạn hình chữ nhật. - Tấm kép Composite lớp cốt sợi trực hướng, hữu hạn hình chữ nhật có chứa khoang khí. - Tấm Composite lớp sandwich, hữu hạn hình chữ nhật có hai lớp da là composite lớp trực hướng và lớp lõi là vật liệu polymer xốp. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu sự truyền âm qua kết cấu composite lớp cốt sợi/ nền polymer dạng tấm, tấm kép có khoang khí và tấm composite sandwich có lõi là vật liệu xốp chịu các điều kiện biên khác nhau (ngàm và tựa bản lề bốn cạnh). Vật liệu composite được giả thiết là đồng nhất, trực hướng, bề mặt tấm composite là trơn phẳng và làm việc trong giới hạn đàn hồi. Các tấm đều mỏng và thỏa mãn lý thuyết tấm Kirchhoff, lý thuyết truyền âm và lý thuyết Biot cho vật liệu xốp. 3
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN Trong những thập niên cuối của thế kỷ 20 và từ đầu thế kỷ 21 đến nay, tại rất nhiều cuộc hội thảo quốc tế, các nhà khoa học vẫn khẳng định "kiểm soát tiếng ồn" vẫn là nhiệm vụ của tương lai. Vấn đề cách âm, giảm ồn trong nhiều lĩnh vực công nghiệp đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm nghiên cứu, nhưng còn nhiều vấn đề về truyền âm qua các kết cấu tấm composite lớp, tấm kép composite lớp và tấm composite sandwich có lõi bằng vật liệu polymer xốp chưa được giải quyết một cách thấu đáo và triệt để. Đây là một lĩnh vực khoa học phức tạp và có tính liên ngành cao giữa Âm học, Cơ học, Vật liệu mới với Khoa học tính toán và Thực nghiệm v.v. Để có thể thiết kế tối ưu và tăng khả năng cách âm, giảm ồn qua các kết cấu Composite lớp cốt sợi/ nền polymer với những ứng dụng cụ thể nào đó trong thực tế, ta cần phải tiến hành nghiên cứu giải các bài toán truyền âm qua các kết cấu cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm và phải tính đến các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử dao động âm của các kết cấu này. Vì vậy, việc nghiên cứu về truyền âm qua các kết cấu tấm composite lớp trực hướng cốt sợi là có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rõ ràng. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Luận án đã sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp với phương pháp thực nghiệm để giải quyết các nội dung nghiên cứu đặt ra, cụ thể: Phương pháp lý thuyết: Xây dựng mô hình, phương trình vể ứng xử dao động âm của một số kết cấu composite lớp trực hướng dạng tấm bị kích thích bởi sóng âm biến thiên điều hòa và tìm công thức xác định tổn thất truyền âm qua các kết cấu tấm composite nói trên. Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo phòng phát, phòng thu và các tấm mẫu composite sandwich cốt sợi thủy tinh/nền polyester không no, lõi là Polyurethane (PU) xốp. Tiến hành thí nghiệm đo tổn thất truyền âm qua các kết cấu tấm composite sandwich nói trên với các thông số hình học và vật liệu khác nhau. CẤU TRÚC LUẬN ÁN Luận án gồm phần mở đầu, năm chương, phần kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Chương 1: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ứng xử dao động âm qua các kết cấu dạng tấm composite lớp, cốt sợi trực hướng, tấm kép 4