Nghiên cứu tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich và ứng dụng vào giảm ồn tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

ĐINH ĐỨC TIẾN

NGHIÊN CỨU TỔN THẤT TRUYỀN ÂM QUA TẤM
COMPOSITE SANDWICH VÀ ỨNG DỤNG VÀO GIẢM ỒN
TÀU THỦY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KHÁNH HÒA – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

ĐINH ĐỨC TIẾN

NGHIÊN CỨU TỔN THẤT TRUYỀN ÂM QUA TẤM
COMPOSITE SANDWICH VÀ ỨNG DỤNG VÀO GIẢM ỒN
TÀU THỦY

Ngành đào tạo:

Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số:

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS. TRẦN ÍCH THỊNH
2. TS. NGUYỄN VĂN ĐẠT

KHÁNH HÒA – 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của luận án: “Nghiên cứu tổn thất
truyền âm qua tấm composite sandwich và ứng dụng vào giảm ồn tàu thủy” là công
trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa
từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này.
Khánh Hòa, ngày 23 tháng 07 năm 2019
Tác giả luận án

Đinh Đức Tiến

iii


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt thời gian thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của Ban Giám
hiệu, quý Phòng, Khoa, Viện, Trung tâm của Trường Đại học Nha Trang, đã tạo điều
kiện tốt nhất cho tôi được hoàn thành đề tài. Đặc biệt là sự hướng dẫn khoa học tận tình
của GS.TS. Trần Ích Thịnh và TS. Nguyễn Văn Đạt đã giúp tôi hoàn thành tốt đề tài.
Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ này.
Xin chân thành cảm ơn cán bộ kỹ thuật Trung tâm thí nghiệm thực hành, Trường
Đại học Nha Trang và Trung tâm đo lường, Viện đo lường Việt Nam đã tạo điều kiện
trong quá trình thực nghiệm đề tài.
Tôi xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Khoa Kỹ Thuật Giao Thông, Trường Đại

học Nha Trang đã cung cấp thông tin và những đóng góp quý báu cho luận án.
Xin chân thành cảm ơn:
-

TS. Mai Đức Nghĩa, Trường sỹ quan Không quân Nha Trang.

-

Th.S. Phạm Ngọc Thành, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì, Phú Thọ.

Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ kỹ thuật, Viện nghiên cứu chế tạo Tàu thủy,
Trường Đại học Nha Trang, đã hỗ trợ về nhân lực và các trang thiết bị để quá trình thực
nghiệm được hoàn thành.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên
tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án.
Xin chân thành cảm ơn!
Khánh Hòa, ngày 23 tháng 07 năm 2019
Tác giả luận án

Đinh Đức Tiến

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN............................................................................................................................. iii
LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................................... iv
MỤC LỤC............................................................................................................................................ v
DANH MỤC KÝ HIỆU................................................................................................................... ix
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT...................................................................................................... xi

DANH MỤC BẢNG....................................................................................................................... xii
DANH MỤC HÌNH........................................................................................................................ xiv
TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN................................................. xviii
MỞ ĐẦU.............................................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU.................................................. 7
1.1. Giới thiệu về vật liệu composite sandwich........................................................................... 7
1.1.1. Khái niệm, cấu tạo.................................................................................................................. 7
1.1.2. Phân loại.................................................................................................................................... 8
1.1.3. Phạm vi ứng dụng................................................................................................................. 10
1.2. Vật liệu composite sandwich dùng trong tàu thủy........................................................... 10
1.2.1. Vật liệu lớp da....................................................................................................................... 11
1.2.2. Vật liệu lõi.............................................................................................................................. 14
1.2.3. Đặc điểm công nghệ thi công............................................................................................. 16
1.3. Lý thuyết truyền âm................................................................................................................. 17
1.3.1. Sóng âm................................................................................................................................... 17
1.3.2. Tần số, bước sóng, biên độ................................................................................................. 18
1.3.3. Mức áp suất âm, cường độ âm........................................................................................... 19
1.4. Một số kết quả nghiên cứu liên quan đến luận án............................................................ 23
1.4.1. Tình hình nghiên cứu về tổn thất truyền âm đối với vật liệu composite sandwich
.............................................................................................................................................................. 23

1.4.2. Nhận xét chung chương 1................................................................................................... 35
1.5. Kết luận chương 1.................................................................................................................... 35
v


CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH TỔN THẤT TRUYỀN
ÂM QUA TẤM COMPOSITE SANDWICH....................................................................... 36
2.1. Khai triển công thức thực nghiệm theo phương pháp phân tích thống kê năng lượng
..........................................................................................................................................36

2.1.1. Giới thiệu................................................................................................................................ 36
2.1.2. Giả thiết và khái niệm.......................................................................................................... 37
2.1.3. Công thức thực nghiệm xác định tổn thất truyền âm................................................... 40
2.2. Mục đích thực nghiệm............................................................................................................ 42
2.2.1. Mô tả phòng thí nghiệm...................................................................................................... 42
2.2.2. Phương pháp chế tạo mẫu thử............................................................................................ 46
2.2.3. Phương pháp đo.................................................................................................................... 47
2.2.4. Quy trình và số lượng điểm đo.......................................................................................... 47
2.2.5. Các thông số cần đo............................................................................................................. 48
2.2.6. Tiêu chuẩn áp dụng............................................................................................................... 48
2.2.7. Kiểm tra độ tin cậy............................................................................................................... 48
2.3. Kết quả thực nghiệm đo STL qua các mẫu composite sandwich.................................. 50
2.3.1. Mẫu composite sandwich M2............................................................................................ 50
2.3.2. Mẫu composite sandwich M3............................................................................................ 52
2.3.3. Mẫu composite sandwich M4............................................................................................ 53
2.3.4. Mẫu composite sandwich M5............................................................................................ 55
2.3.5. Mẫu composite sandwich M6............................................................................................ 56
2.3.6. Mẫu composite sandwich M7............................................................................................ 58
2.3.7. Mẫu composite sandwich M8............................................................................................ 59
2.3.8. Mẫu composite sandwich M9............................................................................................ 61
2.3.9. Mẫu composite sandwich M10.......................................................................................... 62
2.3.10. Mẫu composite sandwich M11........................................................................................ 64
2.3.11. Nhận xét chung chương 2................................................................................................. 65
2.4. Kết luận chương 2.................................................................................................................... 66
vi


CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN TỔN THẤT TRUYỀN ÂM QUA TẤM
COMPOSITE SANDWICH DÙNG TRONG CHẾ TẠO KẾT CẤU TÀU THỦY. 67
3.1. Lý thuyết tấm composite sandwich...................................................................................... 67

3.1.1. Trường chuyển vị, biến dạng và ứng suất....................................................................... 68
3.1.2. Phương trình quan hệ nội lực biến dạng của tấm composite sandwich................... 68
3.2. Xây dựng mô hình xác định tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich........70
3.2.1. Mô tả lý thuyết...................................................................................................................... 70
3.2.2. Tổn thất truyền âm của tấm composite sandwich......................................................... 76
3.2.3. Xác định độ cứng uốn biểu kiến của tấm composite sandwich................................. 77
3.2.4. Xác định tần số dao động riêng của dầm composite sandwich.................................. 80
3.2.5. Xác định độ cứng uốn biểu kiến của dầm trong dải tần số 1/3 Octave....................89
3.3. Xác định tổn thất truyền âm của các tấm A – K................................................................ 97
3.4. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm...................................................... 102
3.4.1. So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm của tấm A............................... 102
3.4.2. So sánh kết quả tính toán giữa lý thuyết và thực nghiệm của tấm K..................... 102
3.5. So sánh giá trị STL theo các nhóm kết cấu...................................................................... 103
3.5.1. Tấm có khối lượng riêng lớp lõi khác nhau, cùng chiều dày lớp da, cùng chiều
dày lớp lõi: Tấm A và Tấm C; Tấm I và Tấm K..................................................................... 103
3.5.2.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...................................................................... 105
3.5.3.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............................................................................... 108
3.6. Nhận xét chung chương 3.................................................................................................... 110
3.7. Kết luận chương 3.................................................................................................................. 110
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIẢM ỒN BUỒNG MÁY TÀU KHÁCH

VỎ COMPOSITE........................................................................................................................ 112
4.1. Đặt vấn đề................................................................................................................................ 112
4.2. Các phương pháp giảm ồn đối với động cơ diesel (máy chính) lắp đặt trên tàu
khách vỏ composite...................................................................................................................... 113
vii

4.2.1. Tiếng ồn từ động cơ........................................................................................................... 113
4.2.2. Các phương pháp giảm ồn động cơ diesel tàu thủy.................................................... 117
4.3. Một số nhận xét...................................................................................................................... 119
4.4. Ứng dụng giảm ồn buồng máy tàu khách vỏ composite............................................... 120
4.4.1. Giới thiệu chung về tàu nghiên cứu............................................................................... 121
4.4.2. Các thông số chính............................................................................................................. 121
4.4.3. Thông số động cơ............................................................................................................... 121
4.4.4. Bố trí chung toàn tàu.......................................................................................................... 122
4.4.5. Nắp buồng máy................................................................................................................... 122
4.5. Kết quả đo độ ồn khi tàu GW01 hoạt động..................................................................... 123
4.5.1. Phương pháp, thiết bị, vị trí đo và quy trình đo........................................................... 123
4.5.2. Kết quả đo............................................................................................................................ 124
4.6. Phương án xử lý độ ồn.......................................................................................................... 128
4.6.1. Kết quả đo độ ồn khi tàu VQGNC hoạt động.............................................................. 129
4.6.2. So sánh kết quả đo độ ồn của hai tàu............................................................................. 132
4.6.3. Nhận xét chung chương 4................................................................................................. 135
4.7. Kết luận chương 4.................................................................................................................. 135
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ............................................................................................ 137
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN........................................................................................... 139
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................ 140
PHỤ LỤC

viii


DANH MỤC KÝ HIỆU
CHỮ LA TINH
Aij

: Các thành phần của ma trận độ cứng màng;

A-K

: Ký hiệu các tấm composite sandwich thứ tự từ A đến K.
2

AP
Bs

: Tạp âm nền;

Bij

: Các thành phần của ma trận tương tác màng – uốn – xoắn;
c

: Vận tốc âm thanh (m/s);

cυ

: Hệ số co dãn độ nhớt;

Di

: Các thành phần của ma trận độ cứng uốn;

j

Dx

Dy

: Độ cứng uốn theo phương x (Nm);
: Độ cứng uốn theo phương y (Nm);
E

: Mô đun Young (GPa);

ƒ

: Tần số (Hz);

h

: Chiều dày mẫu (m);

I
k

: Cường độ âm (W/m );
: Số sóng;

2

L1

: Mức áp suất âm trung bình đo được tron

L2

: Mức áp suất âm trung bình đo được tron

LP

: Áp suất âm (dB);
m : Khối lượng (kg);

m*

: Khối lượng bề mặt của tấm

M2

: Mẫu composite sandwich M

M3

: Mẫu composite sandwich M

M4

: Mẫu composite sandwich M

M5

: Mẫu composite sandwich M

M6

: Mẫu composite sandwich M

M7

: Mẫu composite sandwich M

M8

: Mẫu composite sandwich M

M9

: Mẫu composite sandwich M

M10

: Mẫu composite sandwich M

M11

: Mẫu composite sandwich M

P0

: Áp suất âm đối chiếu (dB);

PA

PU1

PU2
PU3
PU4

: Áp suất âm tức thời (dB); : Foam PU có tỷ trọng 46,88kg/m3 ; : Foam PU có tỷ trọng 57,87kg/m3 ; 3

PU5
3

S2
STL

: Foam - PU có tỷ trọng 218,14kg/m3 ;

T

: Tổng diện tích bề mặt phía trong phòng thu (m2);

T2

: Tổn thất truyền âm - Sound Transmission Loss (dB);

t1

: Chu kỳ sóng (s);

t2

: Thời gian vang của phòng thu (s);

tc

: Chiều dày lớp da trên (m);
: Chiều dày lớp da dưới (m);
: Chiều dày lớp lõi (m);
u

: Vận tốc dao động các phần tử (m/s);

W : Năng lượng lưu trữ nhiệt (J);
w

: Chuyển vị uốn của tấm (m);

: Sợi thủy tinh dệt vuông gó

WR800

Z

: Trở kháng âm;
CHỮ HY LẠP

s

α2

ρ0

: Hệ số hấp thụ trung bình tr

ζ

: Tỷ số giảm chấn;

λ

: Bước sóng (m);

Π

: Năng lượng dao động (J);

ρ

: Tỷ trọng (kg/m );

3

3

: Tỉ trọng của không khí (kg/m )
τ

: Hệ số truyền của vách ngăn;

υ

: Hệ số Poisson;

Φi

: Hàm thế vận tốc của trường âm thanh;

ωn

: Tần số góc (rad/s).

x


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BEA

: Boundary element analysis (Phân tích phần tử biên);

BPO

: Benzoyl Peroxide

CSM

: E-glass chopped strand mat (Sợi thủy tinh dạng matting)

GRP

: Glass reinforced plastic (Vật liệu composite)

GW01

: Tàu Green World 01;

KLBM

: Khối lượng bề mặt (kg/m2)

Lt

: Lý thuyết ;

MEKP

: Methyl Ethyl Ketone Peroxide (Chất đông rắn);

MEKP

: Metyl etyl kepton peroxite (Chất đông rắn)

NCS

: Nghiên cứu sinh;

PTHH

: Phần tử hữu hạn;

PU

: Poly urethane (Vật liệu lõi foam)

PVC

: Poly vinyl clorua (Nhựa nhiệt dẻo);

SEA

: Statistical energy analysis – SEA (Phân tích thống kê năng lượng);

SP

: Sound pressure (Áp suất âm);

SPL

: Sound pressure level (Mức áp suất âm);

STL

: Sound tranmission loss (Tổn thất truyền âm);

Tn

: Thí nghiệm;

TSDĐR

: Tần số dao động riêng;

v/ph

: vòng/phút;

VQGNC : Tàu Vườn Quốc Gia Núi Chúa;
WIA

: Wave impedance analysis (Phân tích trở kháng sóng);

xi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Cơ tính riêng của một số vật liệu thường gặp........................................................... 8
Bảng 1.2. Cơ tính riêng của một số vật liệu lõi thường gặp..................................................... 9
Bảng 1.3. Sự cải tiến về mặt độ cứng và sức bền khi thay đổi kết cấu................................ 11
Bảng 1.4. Tám Octave cho phép................................................................................................... 23
Bảng 2.1. Tổng hợp các các thông số của mẫu thử.................................................................. 47
Bảng 2.2. Giá trị đo tổn thất truyền âm qua tấm thép.............................................................. 49
Bảng 2.3. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich M2.................................................. 51
Bảng 2.4. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich M3.................................................. 52
Bảng 2.5. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich M4.................................................. 54
Bảng 2.6. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich M5.................................................. 55
Bảng 2.7. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich M6.................................................. 57
Bảng 2.8. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich M7.................................................. 58
Bảng 2.9. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich M8.................................................. 60
Bảng 2.10. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich M9............................................... 61
Bảng 2.11. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich M10............................................. 63
Bảng 2.12. Giá trị đo STL của mẫu composite sandwich M11............................................. 64
Bảng 3.1. Hằng số vật liệu của 10 tấm composite sandwich thí nghiệm............................ 78
Bảng 3.2. Thông số hình học của các dầm................................................................................. 80
Bảng 3.3. Mười tần số tự do đầu tiên của dầm A, B................................................................ 83
Bảng 3.4. Mười tần số tự do đầu tiên của dầm C, D................................................................ 83

Bảng 3.5. Mười tần số tự do đầu tiên của dầm E, F................................................................. 83
Bảng 3.6. Mười tần số tự do đầu tiên của dầm G, H................................................................ 83
Bảng 3.7. Mười tần số tự do đầu tiên của dầm I, K................................................................. 84
Bảng 3.8. Xác định hệ số αn........................................................................................................... 88
Bảng 3.9. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm A, B....................................................................... 88
Bảng 3.10. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm C, D.................................................................... 88
Bảng 3.11. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm E, F...................................................................... 89
Bảng 3.12. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm G, H.................................................................... 89
xii


Bảng 3.13. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm I, K...................................................................... 89
Bảng 3.14. Các hệ số của phương trình hồi quy cho các dầm............................................... 91
Bảng 3.15. Phương trình hồi quy cho các dầm......................................................................... 92
Bảng 3.16. Thông số hình học và cơ tính của dầm Nhôm-PU.............................................. 93
Bảng 3.17. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm A và B trong dải 1/3 Octave.........................95
Bảng 3.18. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm C và D trong dải 1/3 Octave......................... 95
Bảng 3.19. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm E và F trong dải 1/3 Octave.......................... 96
Bảng 3.20. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm G và H trong dải 1/3 Octave......................... 96
Bảng 3.21. Độ cứng uốn biểu kiến của dầm I và K trong dải 1/3 Octave........................... 97
Bảng 3.22. Giá trị tính toán STL qua các tấm từ A đến K...................................................... 98
Bảng 3.23. So sánh giá trị STL lý thuyết với thực nghiệm cho tấm A và C.....................103
Bảng 3.24. So sánh giá trị STL lý thuyết với thực nghiệm cho tấm I và K......................104
Bảng 3.25. So sánh giá trị STL lý thuyết với thực nghiệm cho tấm E và F..................... 106
Bảng 3.26. So sánh giá trị STL lý thuyết với thực nghiệm cho tấm G và H....................107
Bảng 3.27. So sánh giá trị STL lý thuyết với thực nghiệm cho tấm E và G.................... 108
Bảng 3.28. So sánh giá trị STL lý thuyết với thực nghiệm cho tấm F và H.....................109
Bảng 4.1. Độ ồn của tàu GW 01 khi n = 1000 và 1500 (v/ph)............................................ 127
Bảng 4.2. Độ ồn của tàu GW01 khi n = 1800 và 2000 (v/ph)............................................. 128
Bảng 4.3. Độ ồn của tàu GW 01 khi n = 2350v/ph................................................................ 128

Bảng 4.4. Độ ồn của tàu VQGNC khi n = 1000 và 1500 (v/ph)......................................... 132
Bảng 4.5. Độ ồn của tàu VQGNC khi n = 1800 và 2000 (v/ph)......................................... 132
Bảng 4.6. Độ ồn của tàu VQGNC khi n = 2350v/ph............................................................. 132
Bảng 4.7. So sánh độ ồn phía bên ngoài buồng máy của hai tàu tương ứng với tần số
âm thanh động cơ và các chế độ vòng quay khai thác.......................................................... 133

xiii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Tàu đánh cá chế tạo bằng vật liệu composite................................................................ 1
Hình 2. Cano du lịch vỏ composite................................................................................................ 1
Hình 3. Tàu đáy kính vỏ composite............................................................................................... 2
Hình 4. Tàu chở khách vỏ composite............................................................................................ 2
Hình 5. Tàu kiểm ngư vỏ composite.............................................................................................. 2
Hình 1.1. Cấu tạo vật liệu composite sandwich.......................................................................... 8
Hình 1.2. Các dạng lõi của vật liệu composite sandwich.......................................................... 9
Hình 1.3. Vật liệu composite sandwich lõi foam - PU............................................................ 10
Hình 1.4. Vật liệu composite sandwich....................................................................................... 11
Hình 1.5. Nhựa polyester không no............................................................................................. 12
Hình 1.6. Chất đông rắn MEKP.................................................................................................... 13
Hình 1.7. Vải thủy tinh dạng Woven Rowing............................................................................ 14
Hình 1.8. Sợi thủy tinh dạng Matting.......................................................................................... 14
Hình 1.9. Vật liệu lõi – Divinycell H80...................................................................................... 15
Hình 1.10. Vật liệu lõi – Sphere core.......................................................................................... 16
Hình 1.11. Vật liệu lõi – Polyurethane........................................................................................ 16
Hình 1.12. Sóng hình sin................................................................................................................ 17
Hình 1.13. Bước sóng...................................................................................................................... 18
Hình 1.14. Biểu đồ thể hiện biên độ và bước sóng................................................................... 18
Hình 1.15. Biểu đồ áp suất âm...................................................................................................... 19

Hình 1.16. Cường độ âm................................................................................................................ 21
Hình 1.17. Các dải tần số 1 octave và 1/3 octave..................................................................... 22
Hình 2.1. Sơ đồ dòng năng lượng giữa kết cấu và trường vang............................................ 38
Hình 2.2. Sơ đồ khối cho các dòng năng lượng giữa kết cấu với hai phòng vang............38
Hình 2.3. Mô hình bộ truyền âm qua kết cấu tấm.................................................................... 39
Hình 2.4. Đo truyền âm bằng phương pháp hai phòng........................................................... 40
Hình 2.5. Sơ đồ phòng đo tổn thất truyền âm............................................................................ 44
xiv


Hình 2.6. Thiết bị thí nghiệm, mặt ngoài phòng thí nghiệm.................................................. 45
Hình 2.7. Gắn tấm mẫu thử............................................................................................................ 45
Hình 2.8. Đo STL qua các mẫu thử composite sandwich....................................................... 46
Hình 2.9a. Chế tạo lớp da dưới..................................................................................................... 46
Hình 2.9b. Chế tạo lớp da trên...................................................................................................... 46
Hình 2.9c. Liên kết với lớp lõi...................................................................................................... 46
Hình 2.10. Các tấm mẫu composite............................................................................................. 46
Hình 2.11. Vị trí các điểm đo......................................................................................................... 47
Hình 2.12. Đo STL qua mẫu thép................................................................................................. 48
Hình 2.13. Đồ thị đo STL qua mẫu thép tiêu chuẩn................................................................. 49
Hình 2.14. Đo STL qua mẫu composite sandwich M2............................................................ 50
Hình 2.15. Đồ thị STL thực nghiệm qua mẫu composite sandwich M2............................. 51
Hình 2.16. Đo STL qua mẫu composite sandwich M3............................................................ 52
Hình 2.17. Đồ thị STL thực nghiệm qua mẫu composite sandwich M3............................. 53
Hình 2.18. Đo STL qua mẫu composite sandwich M4............................................................ 53
Hình 2.19. Đồ thị STL thực nghiệm qua mẫu composite sandwich M4............................. 54
Hình 2.20. Đo STL qua mẫu composite sandwich M5............................................................ 55
Hình 2.21. Đồ thị STL thực nghiệm qua mẫu composite sandwich M5............................. 56
Hình 2.22. Đo STL qua mẫu composite sandwich M6............................................................ 56
Hình 2.23. Đồ thị STL thực nghiệm qua mẫu composite sandwich M6............................. 57

Hình 2.24. Đo STL qua mẫu composite sandwich M7............................................................ 58
Hình 2.25. Đồ thị STL thực nghiệm qua mẫu composite sandwich M7............................. 59
Hình 2.26. Đo STL qua mẫu composite sandwich M8............................................................ 59
Hình 2.27. Đồ thị STL thực nghiệm qua mẫu composite sandwich M8............................. 60
Hình 2.28. Đo STL qua mẫu composite sandwich M9............................................................ 61
Hình 2.29. Đồ thị STL thực nghiệm qua mẫu composite sandwich M9............................. 62
Hình 2.30. Đo STL qua mẫu composite sandwich M10......................................................... 62
Hình 2.31. Đồ thị STL thực nghiệm qua mẫu composite sandwich M10........................... 63
Hình 2.32. Đo STL qua mẫu composite sandwich M11......................................................... 64
xv


Hình 2.33. Đồ thị STL thực nghiệm qua mẫu composite sandwich M11........................... 65
Hình 3.1. Mô hình tấm composite sandwich............................................................................. 68
Hình 3.2. Sơ đồ truyền âm qua một tấm composite sandwich hình chữ nhật ngàm bốn cạnh
............................................................................................................................................................... 71

Hình 3.3. Số lớp tấm A, C, E, G................................................................................................... 78
Hình 3.4. Số lớp tấm B, D, F, H, I, K.......................................................................................... 78
Hình 3.5. Tấm composite sandwich và Dầm Ax(A0), Ay(A90)............................................ 79
Hình 3.6. Phần tử Shell 181, 8 nút cho lớp da........................................................................... 81
Hình 3.7. Phần tử Solid 186, 20 nút cho lớp lõi........................................................................ 81
Hình 3.8. Sơ đồ thuật toán tính 10 tần số dao động tự do đầu tiên của dầm...................... 81
Hình 3.9. Mô hình dầm composite sandwich............................................................................ 82
Hình 3.10. Mô hình lưới phần tử dầm sandwich...................................................................... 82
Hình 3.11. Mô hình mặt cắt của 15 phần tử............................................................................... 82
Hình 3.12. Mười mode dao động tự do của dầm Ax(A0)........................................................ 87
Hình 3.13. Đường cong hồi quy theo thực nghiệm và nội suy của dầm Nhôm................. 93
Hình 3.14. Đường cong hồi quy của dầm A0 và A90.............................................................. 94
Hình 3.15. Đường cong hồi quy của dầm B0 và B90.............................................................. 94

Hình 3.16. Tổn thất truyền âm qua tấm A.................................................................................. 98
Hình 3.17. Tổn thất truyền âm qua tấm B.................................................................................. 99
Hình 3.18. Tổn thất truyền âm qua tấm C.................................................................................. 99
Hình 3.19. Tổn thất truyền âm qua tấm D.................................................................................. 99
Hình 3.20. Tổn thất truyền âm qua tấm E................................................................................ 100
Hình 3.21. Tổn thất truyền âm qua tấm F................................................................................ 100
Hình 3.22. Tổn thất truyền âm qua tấm G............................................................................... 100
Hình 3.23. Tổn thất truyền âm qua tấm H............................................................................... 101
Hình 3.24. Tổn thất truyền âm qua tấm I................................................................................. 101
Hình 3.25. Tổn thất truyền âm qua tấm K............................................................................... 101
Hình 3.26. Đồ thị so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm của tấm A................................ 102
Hình 3.27. Đồ thị so sánh giữa lý thuyết và thực nghiệm của tấm K................................ 102
Hình 3.28. Đồ thị so sánh STL qua tấm A và C...................................................................... 104
xvi


Hình 3.29. Đồ thị so sánh STL qua tấm I và K....................................................................... 105
Hình 3.30. Đồ thị so sánh STL qua tấm E và F...................................................................... 106
Hình 3.31. Đồ thị so sánh STL qua tấm G và H..................................................................... 107
Hình 3.32. Đồ thị so sánh STL qua tấm E và G..................................................................... 108
Hình 3.33. Đồ thị so sánh STL qua tấm F và H...................................................................... 109
Hình 4.1. Một số khu vực phát sinh nguồn ồn của động cơ................................................ 114
Hình 4.2. Các khu vực tập trung tiếng ồn của động cơ diesel tàu thủy............................ 115
Hình 4.3a. Mức ồn của động cơ diesel..................................................................................... 115
Hình 4.3b. Khu vực phát ồn của động cơ diesel..................................................................... 116
Hình 4.4. Giới hạn mức ồn của động cơ.................................................................................. 116
Hình 4.5. Một số thiết bị tiêu âm điển hình............................................................................. 118
Hình 4.6. Bình tiêu âm kết hợp.................................................................................................. 119
Hình 4.7. Tường cách âm............................................................................................................. 119
Hình 4.8. Tàu GW01..................................................................................................................... 122

Hình 4.9. Tàu VQGNC................................................................................................................. 121
Hình 4.10. Bố trí chung 02 tàu khách....................................................................................... 122
Hình 4.11. Bố trí chung nắp buồng máy 02 tàu...................................................................... 122
Hình 4.12. Thiết bị đo độ ồn....................................................................................................... 123
Hình 4.13. Vị trí đo....................................................................................................................... 123
Hình 4.14. Đo trong buồng máy................................................................................................. 124
Hình 4.15. Đo ngoài buồng máy................................................................................................ 124
Hình 4.16. Hình ảnh đo xung độ ồn của tàu GW 01 khi n = 1500v/ph............................ 127
Hình 4.17. Hình ảnh đo xung độ ồn của tàu VQGNC khi n = 1500v/ph......................... 131
Hình 4.18. So sánh độ ồn của 2 tàu khi n = 1000(v/ph)....................................................... 133
Hình 4.19. So sánh độ ồn của 2 tàu khi n = 1500(v/ph)....................................................... 133
Hình 4.20. So sánh độ ồn của 2 tàu khi n = 1800(v/ph)....................................................... 134
Hình 4.21. So sánh độ ồn của 2 tàu khi n = 2000(v/ph)....................................................... 134
Hình 4.22. So sánh độ ồn của 2 tàu khi n = 2350(v/ph)....................................................... 134
xvii


TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Tên luận án: “Nghiên cứu tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich và
ứng dụng vào giảm ồn tàu thủy”.
Ngành/chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực
Mã số: 9520116
Nghiên cứu sinh: Đinh Đức Tiến
Khóa: 2013
Người hướng dẫn:

1. GS. TS. Trần Ích Thịnh
2. T.S. Nguyễn Văn Đạt

Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Nha Trang

Nội dung:
1.

Đưa ra được cách tiếp cận cả lý thuyết lẫn thực nghiệm một cách tin cậy và

khoa học trong việc xác định tổn thất truyền âm, từ đó đi đến việc giảm tiếng ồn trong
phương tiện thủy.
2.
Chế tạo mẫu và xây dựng thực nghiệm tổn thất truyền âm của tấm
composite
sandwich thông qua số liệu đo mức áp suất âm.
3.
vật

Thiết lập mô hình tính toán dao động âm cho tấm sandwich có lớp da bằng

liệu composite sandwich cốt sợi thủy tinh đồng phương nền polymer, lớp lõi bằng foam
- PU ngàm bốn cạnh. Một sáng kiến đáng chú ý là việc xác định độ cứng uốn biểu kiến
của tấm composite sandwich được xác định qua độ cứng uốn của dầm nhờ phương pháp
phần tử hữu hạn mà không cần tiến hành các thí nghiệm tốn kém. Trên cơ sở đó xác
định công thức tính tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich.
4.

Các số liệu thực nghiệm và kết quả tính toán lý thuyết được trình bày trong luận

án đảm bảo độ tin cậy, có giá trị thực tiễn.
5.
cho

Các kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng vào chế tạo kết cấu giảm ồn

buồng máy tàu thủy điển hình tại Viện nghiên cứu chế tạo Tàu thủy – Trường Đại học
Nha Trang.
Người hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nghiên cứu sinh
(Ký và ghi rõ họ tên)

GS.TS. Trần Ích Thịnh; TS. Nguyễn Văn Đạt

Đinh Đức Tiến


xviii


Thesis title: “Study on sound transmission loss through composite sandwich
plates and application to noise reduction in ships”.
Major
: Mechanical Dynamics Engineering
Major code

: 9520116

PhD Student

: Dinh Duc Tien

Course

: 2013

Supervisor

: 1. Prof. PhD. Tran Ich Thinh;
2. PhD. Nguyen Van Dat

Education Institution: Nha Trang University
Key Findings:
1.

Provided both theoretical and experimental approaches in a reliable and

scientific manner to determine sound transmission losses across composite sandwich
plates in order to reduce noise in ships.
2.

Fabricated samples and carried out the experiment to measure sound

transmission losses across composite sandwich plates using the sound pressure levels.
3.

Established the computational model and governing vibro-acoustic equation for

composite sandwich plates with fiberglass/polyester orthotropic face sheets and
polyurethane - PU foam isotopic core. On that basis, developed an explicit formula,
procedure and computer program in Matlab R14 to calculate sound transmission losses
across clamped composite sandwich plates. A noticeable achievement is the
determination of the apparent bending stiffness of the composite sandwich plates by

applying the finite element method on the sandwich beams cut out from the plates
instead of costly experiments.
4.

Experimental data and numerical results presented in the thesis ensure reliability

and practical implications.
5.

The research results have been applied to manufacture the noise reduction

structure of a typical ship’s engine room at Institute of Ship Research and Development,
Nha Trang University.

PhD Student

Dinh Duc Tien
xix


MỞ ĐẦU
1.

LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Vật liệu composite được biết đến lần đầu tiên vào khoảng thập niên 30, bắt đầu sử

dụng trong đóng tàu vào những năm đầu thập kỷ 40 của thế kỷ 20, và phát triển nhanh
chóng trong khoảng 20 năm trở lại đây.
Ngày nay, vật liệu composite được sử dụng phổ biến trong công nghiệp ô tô, hàng
hải và máy bay vì có nhiều ưu điểm. Trong lĩnh vực tàu thuyền, vật liệu composite (cốt

sợi thủy tinh, nhựa nền hữu cơ) được sử dụng ngày càng nhiều, đặc biệt trong chế tạo ca
nô du lịch, các loại tàu cao tốc, tàu cá, các loại tàu quét mìn dùng cho quân đội, dùng
bọc tàu vỏ gỗ, kiến trúc thượng tầng, cột buồm, ống khói. Ngoài ra, vật liệu composite
còn được sử dụng để chế tạo chân vịt và cánh quạt,…

Hình 1. Tàu đánh cá chế tạo bằng vật liệu composite

Hình 2. Cano du lịch vỏ composite
1


Hình 3. Tàu đáy kính vỏ composite

Hình 4. Tàu chở khách vỏ composite

Hình 5. Tàu kiểm ngư vỏ composite
Qua thực tế sử dụng, các sản phẩm trên đã đáp ứng khá tốt yêu cầu kỹ thuật đề ra
và ngày càng chiếm được lòng tin của người sử dụng.
Vật liệu này ngày càng được sử dụng rộng rãi do có các ưu điểm nổi bật sau:
2


-

Rất bền với môi trường: chịu được nắng, mưa, bức xạ mặt trời, và đặc biệt là khả

năng chịu nước mặn rất tốt. Có tính trơ với vi sinh vật biển và hàu hà;
thành;

-

Có khả năng kết hợp với một số vật liệu khác để vừa tăng độ bền, vừa giảm giá

Dễ thi công, dễ sửa chữa, dễ tạo dáng, độ bóng bề mặt và tính thẩm mỹ cao,

không đòi hỏi nhiều thiết bị khi thi công;
-

Tuổi thọ cao: có thể sử dụng trên 20 năm.

Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm trên, vật liệu composite vẫn tồn tại những khuyết
điểm thuộc về bản chất: độ bền va đập thấp; chất thải chưa được xử lý triệt để, ảnh hưởng
đến sức khỏe của người thi công, yêu cầu bảo quản khắt khe, giá thành còn hơi cao so với
vật liệu truyền thống (gỗ, thép,...) và đặc biệt do mô đun đàn hồi thấp, nên vật liệu
composite thường bị biến dạng lớn khi chịu tải, đặc biệt khi tải có chu kỳ (lực quán tính từ
các chi tiết quay của máy chính, máy phụ, lực từ chân vịt, áp lực âm thanh,...) dễ xảy ra hiện
tượng cộng hưởng, điều này vừa gây ồn, vừa gây rung động, ảnh hưởng đến độ bền và hiệu
quả sử dụng của trang thiết bị, đến sức khỏe người đi tàu,…

Với những tàu khách được chế tạo bằng vật liệu composite, hiện tượng ồn khi vận
hành hiện là vấn đề gây trở ngại lớn trong quá trình khai thác và sử dụng. Đặc biệt khi
máy chính là động cơ diesel (thường có lực quán tính lớn do khối lượng chi tiết chuyển
động quay lớn) được lắp trong các buồng máy có không gian hẹp như tàu hai thân, tàu
khách cỡ nhỏ,... Khi độ ồn vượt quá giới hạn cho phép (lớn hơn 80dB [8]), với tàu làm
bằng vật liệu composite sẽ gây nên rung động quá mức. Tác động của hiện tượng ồn sẽ
gây ra rung động và ngược lại, ảnh hưởng đến sức khỏe hành khách, nhân viên trên tàu.
Sự cách ly tiếng ồn trong ngành công nghiệp tàu thủy đã được nghiên cứu từ lâu và
được xem là giải pháp cốt lõi nhằm làm cho âm thanh từ động cơ trong buồng máy tới
cabin và phòng khách, phòng ngủ,... là nhỏ nhất. Tuy nhiên, cho đến hiện nay, hầu hết
các nghiên cứu giảm âm trên tàu chỉ được thực hiện với tàu vỏ thép, với tàu vỏ được chế

tạo bằng vật liệu composite và composite sandwich hầu như chưa có công trình nghiên
cứu hoàn chỉnh nào được công bố. Mặt khác, một trong những giải pháp cơ bản để cách
ly tiếng ồn là sử dụng vật liệu cách âm để tăng tổn thất truyền âm.
Từ những lý do trên, luận án tập trung vào “Nghiên cứu tổn thất truyền âm
qua tấm composite sandwich và ứng dụng vào giảm ồn tàu thủy”, làm cơ sở để lựa
chọn và chế tạo các kết cấu tàu thủy vỏ composite có lợi về phương diện giảm ồn.
3


2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Để lựa chọn vật liệu composite hợp lý dùng chế tạo các kết cấu tàu thủy nhằm
cách âm, giảm ồn từ buồng máy lan truyền ra ca bin, phòng khách, phòng ngủ,…trên
tàu, luận án cần thực hiện các mục tiêu cụ thể sau:
- Nắm được cơ sở lý thuyết truyền âm và xác định được tổn thất truyền âm qua
các kết cấu tấm composite sandwich cốt sợi thủy tinh nền polyester, lõi là vật liệu xốp
(foam - PU) chịu các liên kết động học khác nhau;
- Thiết lập được quy trình nghiên cứu thực nghiệm và triển khai các thí nghiệm
nhằm xác định tổn thất truyền âm qua các kết cấu tấm composite sandwich ứng dụng
trong tàu thủy ở Việt Nam;
-

Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào việc giảm ồn buồng máy tàu khách vỏ composite

được chế tạo tại Viện nghiên cứu chế tạo Tàu thủy, Trường Đại học Nha Trang.

3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Tấm composite sandwich (vỏ là composite nhiều lớp trực hướng, cốt sợi thủy
tinh nền nhựa polyester, lõi là foam – PU,…) để chế tạo các kết cấu tàu thủy;
- Dầm composite sandwich cắt ra từ tấm;

- Tàu khách vỏ composite cỡ nhỏ;
- Buồng máy tàu khách vỏ composite cỡ nhỏ.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Về lý thuyết
Nghiên cứu tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm composite sandwich đối xứng.
Về thực nghiệm
- Nghiên cứu thực nghiệm nhằm xác định tổn thất truyền âm qua một số kết cấu
tấm composite sandwich đối xứng;
- Nghiên cứu ứng dụng giảm ồn buồng máy tàu khách vỏ composite cỡ nhỏ.
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
4.1. Nghiên cứu thực nghiệm xác định tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm
composite sandwich
4.2. Nghiên cứu tính toán tổn thất truyền âm qua tấm composite sandwich
4.3. Nghiên cứu ứng dụng giảm ồn buồng máy tàu khách vỏ composite
4


5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.
5.1. Phương pháp lý thuyết
Xây dựng mô hình, phương trình dao động của tấm chịu tác động của nguồn âm
thanh và công thức tính tổn thất truyền âm qua kết cấu tấm composite sandwich.
5.2. Phương pháp thực nghiệm
Thiết kế, chế tạo tổ hợp phòng thu-phát âm thanh và các tấm mẫu
composite
sandwich cốt sợi thủy tinh/nền polyester không no;
tấm

Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm đo tổn thất truyền âm qua các kết cấu

composite sandwich với các cấu hình khác nhau;
-

Thực nghiệm giảm ồn buồng máy tàu khách vỏ composite.

6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN
6.1. Ý nghĩa khoa học
Cho đến nay, vấn đề cách âm, giảm ồn trong lĩnh vực hàng không, vũ trụ, ô tô, tàu
hỏa, tàu thủy v.v. đã và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm
nghiên cứu, nhưng còn một số vấn đề về tổn thất truyền âm qua các kết cấu tấm
composite sandwich chưa được giải quyết một cách thấu đáo và triệt để. Vì thế, nội
dung luận án được đặt ra và thực hiện là có ý nghĩa khoa học.
6.2. Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu đạt được về mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm trong
luận án sẽ là cơ sở khoa học để lựa chọn vật liệu và ứng dụng trong chế tạo các kết cấu
tàu thủy vỏ composite tại Viện nghiên cứu chế tạo Tàu thủy, Trường Đại học Nha Trang
nói riêng và các cơ sở đóng tàu composite nói chung, có khả năng cách âm và giảm ồn
tốt nhất.
7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN
Luận án có cấu trúc gồm: Mở đầu, 4 chương, kết luận và khuyến nghị, danh mục
các bài báo của tác giả đã công bố liên quan đến luận án, danh mục tài liệu tham khảo
và các phụ lục.
5