Phát triển tấm composite từ hạt thủy tinh xốp aerogels cho các ứng dụng âm thanh

Nhóm ứng viên Viện Phát triển & Ứng dụng Vật liệu âm thanh (DASM), Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội cùng Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn đã tham gia tư vấn và triển khai các thí nghiệm đánh giá đặc tính âm của vật liệu cho đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo hạt thủy tinh xốp để sản xuất tấm ốp cách âm, tiêu âm và chống cháy” cấp Thành phố Hà Nội, do do PGS.TS Nguyễn Minh Ngọc (Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội) làm chủ nhiệm (2021-2023). 

Những kết quả liên quan sản phẩm của đề tài được trình bày một phần trong báo cáo khoa học “Minh-Ngoc NGUYEN*, Phuong-Lam NGUYEN, Khac-Ky NGUYEN, Viet-Dung VU, and Van-Hai TRINH*, Development of composite panels based on porous glass aerogels for acoustic applications” tại Hội thảo quốc tế“ESCP-2023, IX International Scientific and Practical Forum “Environmentally Sustainable Cities and Population: Problems and Solutions” (Hanoi, Vietnam, April 20-21, 2023)” (Hội thảo Khoa học Quốc tế lần thứ XII với chủ đề “Thành phố và Khu định cư bền vững về môi trường: Vấn đề và giải pháp – ESCP 2023” tổ chức ở Hà Nội ngày 20-21/4/2023).

Dưới đây, chúng tôi tóm tắt và trích đăng nội dung chính của báo cáo:

Phát triển tấm composite từ hạt thủy tinh xốp aerogels cho các ứng dụng âm thanh

Nguyễn Minh Ngọc (1)

Nguyễn Phương Lâm (2)

Nguyễn Khắc Kỷ (1)

Vũ Việt Dũng (2)

Trịnh Văn Hải (3)

1. Khoa Xây dựng, Đại học Kiến trúc Hà Nội, quận Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam

2. Viện Phát triển và Ứng dụng Vật liệu Âm thanh (DASM), huyện Hoài Đức, Hà Nội, Việt Nam

3. Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn (IVEE), quận Bắc Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu về việc sản xuất vật liệu composite từ hạt thủy tinh xốp cho các ứng dụng xử lý âm học. Một loại vật liệu mới có khả năng chống cháy, chịu nhiệt, không thấm nước, độ bền cao và cách nhiệt được làm từ hạt thủy tinh xốp (làm từ thủy tinh phế thải) và vữa xi-măng. Đầu tiên, các tấm bê-tông composite có độ xốp cao khoảng 66–82% và các lỗ rỗng hình cầu có kích thước theo đơn vị milimet (khoảng từ 0,15mm đến 10mm) được chế tạo. Sau đó, các phép đo âm thanh được thực hiện để xác định hệ số hấp thụ âm thanh và đặc tính lưu thông của một số tấm composite.

Dữ liệu thí nghiệm khi so sánh với mô hình bán hiện tượng Johnson-Champoux-Allard-Lafarge cho thấy sự phù hợp tốt về mặt dự đoán đặc tính hấp thụ âm thanh. Từ kết quả thu được có thể nhận định rằng độ xốp mở và độ dày của vật liệu  ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất hấp thụ âm thanh. Với tấm bê-tông hạt thủy tinh xốp dày 33,3mm có hệ số hấp thụ âm thanh tốt, có thể lớn hơn 0,60 ở dải tần [820 1290] Hz và đạt giá trị 0,84 ở tần số cộng hưởng thấp ~ 1032Hz. Do đó, phương pháp này cho phép xác định và kiểm chứng các mô hình âm học cho các vật liệu được làm từ hạt thủy tinh xốp và đồng thời mở ra khả năng tìm kiếm các tham số thiết kế đối với vật liệu âm học.

1. Giới thiệu

Trong âm học, vật liệu xốp thường thuộc một trong hai loại điển hình: đó là vật liệu xốp khung cứng hoặc vật liệu xốp khung đàn hồi. Trong nhóm các vật liệu xốp khung cứng, các thành/vách của các lỗ rỗng không bị biến dạng và kết quả là quá trình hấp thụ âm thanh xảy ra chủ yếu thông qua sự giảm chấn đàn hồi nhiệt và nhớt tổn hao khi âm thanh truyền qua hệ thống mạng các lỗ rỗng mở trong vật liệu [1, 2].

Hiệu suất âm học của vật liệu hấp thụ được quy định bởi cơ chế tiêu tán năng lượng âm thanh trong quá trình truyền sóng trong các môi trường này [2]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng đặc tính âm thanh (đặc tính truyền và hấp thụ) của các lớp hấp thụ phụ thuộc rất nhiều vào các thông số hình thái cơ sở của chúng [1, 3] (độ xốp, mạng kết nối lỗ rỗng). Do đó, nhiều phương pháp khác nhau đã được đề xuất để mô tả mối tương quan giữa đặc tính hình học cơ sở của vật liệu và các tính chất vĩ mô [2, 4]. Gần đây, những tiến bộ trong lý thuyết toán học, tính toán số học và xử lý tín hiệu đã cho phép phát triển một số phương pháp phức tạp để dự đoán và đo lường các đặc tính âm học của vật liệu xốp.

Về mặt hình thái, vật liệu xốp âm học có thể được phân thành ba loại chính [2, 5]: xốp bọt, xốp dạng sợi và xốp dạng hạt. Cả loại xốp bọt và xốp sợi đều có thể là những giải pháp tốt với hệ số hấp thụ âm thanh cao cũng như khả năng điều chỉnh hấp thụ âm thanh cho các dải tần số cụ thể do những lợi thế vượt trội của chúng [6, 7]

Tuy nhiên, trong một số ứng dụng công nghiệp cụ thể với yêu cầu thêmcác đặc tính làm việc khác như khả năng chống cháy, độ bền cao hoặc yếu tố giảm chấn, vì thế, chúng ta phải nghĩ đến các cấu trúc vật liệu dạng hạt hoặc dạng xốp kim loại có khả năng hấp thụ âm thanh kém [8].

Gần đây, vật liệu dựa trên hạt thủy tinh được nghiên cứu cho nhiều ứng dụng khác nhau nhờ chức năng làm việc chính cũng như những đặc tính ưu việt của chúng khi sử dụng, như khả năng chống cháy, thân thiện với môi trường. Trong các ứng dụng âm thanh, Liu et al. đã nghiên cứu hiệu suất hấp thụ âm thanh của bọt titan độ xốp cao từ 86%–90% và các lỗ khí hình cầu có kích thước milimet [11]. Vật liệu này có khả năng hấp thụ âm thanh có thể lớn hơn 0,6 trong dải tần số [3150–6300] Hz và thậm chí còn cao hơn 0,9 ở tần số cộng hưởng. Trong tài liệu [10], đặc tính hấp thụ âm thanh của hạt silica /cuộn polyester được nghiên cứu bằng phương pháp hàm truyền hai micrô. Để xem xét chi tiết khả năng xử lý âm học của các vật liệu được làm từ hạt thủy tinh xốp, Mazrouei-Sebdan et al. đã giới thiệu chi tiết một số phương pháp mô tả đặc tính âm thanh và dữ liệu có sẵn về đặc tính cách âm/hấp thụ âm thanh của các cấu trúc âm thanh khác nhau dựa trên các loại hạt thủy tinh khác nhau [9].

Trong nghiên cứu này, chúng tôi muốn giới thiệu phương pháp chế tạo và mô tả đặc tính âm học (ví dụ: đặc tính lưu thông, hệ số hấp thụ âm thanh) của các tấm composite làm bằng hạt thủy tinh xốp.

2. Vật liệu và phương pháp

2.1. Vật liệu: Chế tạo và hình thái

Các aerogel/hạt xốp thủy tinh có kích thước và độ xốp có thể điều chỉnh được sản xuất, xem Hình 1(a)-(c). Trong nghiên cứu này, kích thước của xốp thủy tinh xốp dao động từ ~0,15mm đến ~10mm trong năm cấp độ: [0,15-1,25/1,25-2,5/2,5-5,0/5,0-10]mm, xem Hình 1(d).

Sau đó, hạt thủy tinh xốp được trộn với các thành phần và cốt liệu khác để tạo thành cấu trúc cấu bê-tông xốp, xem Hình 2(a). Để mô tả đặc điểm hình thái và đặc tính chức năng (đàn hồi, nhiệt, cách âm) của sản phẩm, các mẫu thử nghiệm được cắt từ các tấm bê-tông, xem Hình 2(b)-(c). Cần lưu ý rằng kích thước và hình dạng của mẫu thử có thể khác nhau tuỳ vào các thử nghiệm cụ thể. Ví dụ, để đo âm thanh, mẫu thử yêu cầu phải ở dạng hình trụ có đường kính ngoài 42,4mm (nhỏ hơn một chút so với đường kính trong của ống trở kháng).

Trong hình 2(d)-(f), chúng ta có thể thấy đặc điểm hình thái của các hạt thủy tinh xốp được chế tạo, các kết nối lỗ rỗng trong các hạt đơn cho thấy sự phân bố không đều rất rõ ở hình dạng (chủ yếu ở dạng hình cầu) và kích thước, điều này thấy rõ từ kỹ thuật chụp ảnh SEM. Ngoài ra, phần vách ngăn giữa của các hạt dường như bị đóng lại một phần bởi xi-măng dẫn đến một số lỗ khí bị đóng cục bộ trong các vật liệu này.

Để đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng thực tế, các tấm bê-tông thô được tạo ra ở bước cuối cùng: mài phẳng một/cả hai mặt hoặc được bao phủ bởi hệ thống khung hoặc lưới, xem Hình 3.

2.2. Thí nghiệm

Trong phần này, chúng tôi sẽ trình bày các thí nghiệm được sử dụng để kiểm tra đặc tính âm thanh của các tấm bê-tông được làm từ hạt thủy tinh (cụ thể là P1 và P2) được chế tạo bằng cách sử dụng các thành phần và cốt liệu khác với các hệ số được sử dụng như trong Bảng 1.

Bảng 1. Hệ số chế tạo được kiểm soát để chế tạo tấm bê-tông đúc sẵn.

Độ xốp hở của mẫu bê-tông được đo bằng phương pháp áp suất/khối lượng [12]. Sơ đồ phép đo được hiển thị trong Hình 4.

Điện trở suất tĩnh của các mẫu bê-tông tổ hợp thu được từ chênh lệch áp suất đo được 𝑝 và tốc độ dòng chảy tầng ổn định 𝑝 được kiểm soát [ 𝑄𝑄 13], theo tiêu chuẩn ISO 9053 [14] (phương pháp A): σ = ∆𝑝𝐴s𝐴/QLs với 𝐴𝑠 = 14.12cm² là diện tích mặt cắt ngang và độ dày của mẫu được cho là 𝐿𝑠 = 23.9mm và 𝐿s = 33.3mm đối với tấm P1 và tấm P2, xem Hình 5. sai số tương đối của phép đo này thấp hơn 5%.

Các đặc tính âm học được đo bằng phương pháp hàm truyền ba micrô [15], theo tiêu chuẩn ISO 10534-2 [16], xem Hình 6. Ống trở kháng có tổng chiều dài 1m và đường kính trong 44,4mm trong phạm vi dải tần [120 4300] Hz. Hệ số hấp thụ âm thanh tần số thẳng góc a được đo thông qua hàm truyền áp suất giữa micrô 1 và 2. Một hàm truyền khác giữa micrô 2 và 3 được sử dụng để đánh giá trực tiếp các thuộc tính hiệu dụng (gồm mật độ và mô-đun khối hiệu dụng) và ước tính ngược các đại lượng lưu chuyển (như độ dài đặc trưng, độ thấm và độ rối tần số cao) [17, 18].

2.3. Mô hình âm học

Trong phương pháp tiếp cận chất lỏng tương đương, một chất lỏng hiệu dụng được thay thế cho môi trường xốp với mật độ hiệu dụng và mô-đun khối lượng hiệu dụng được tính (còn được gọi là mô hình Johnson-Champoux-Allard-Lafarge, cụ thể hơn chính là mô hình 5 tham số) [1, 2]:

 (1)

(2)

trong đó ρ0 là mật độ không khí, P0 là áp suất khí quyển, γ = Cp/Cv là tỷ số giữa nhiệt dung ở áp suất và thể tích không đổi, j là đơn vị ảo, η là độ nhớt động lực học. Sáu tham số (ϕ, Λ¢, k0, α∞, Λ, và k0¢ ) là các thuộc tính hình học và vận chuyển đã đề cập trước đó, xem phần 4.2.

Sau đó, số sóng và trở kháng đặc trưng thẳng góc được sử dụng để mô tả một lớp vật liệu đồng nhất.

(3)

Cuối cùng, hệ số hấp thụ âm thẳng góc a của lớp đồng nhất này được suy ra như sau:

*(4)

với hệ số phản xạ phức được ước tính theo phương trình sau:

(5)

trong đó, 𝑐0𝑐 0 là vận tốc âm thanh trong không khí và là trở kháng bề mặt thẳng góc của lớp có độ dày Ls.

3 Kết quả và thảo luận

Từ phép đo âm học thể hiện trong Hình 5, trở suất tĩnh của luồng  khí và độ xốp hở của hai mẫu được trình bày trong Bảng 2. Bảng 2. Kết quả trở suất dòng khí tĩnh và độ xốp hở của các mẫu thí nghiệm

Các hệ số hấp thụ âm thẳng góc đo được của hai tấm bê-tông thử nghiệm được vẽ trong Hình 7. Có thể nói rằng đặc tính hấp thụ âm thanh của các tấm composite dựa trên hạt thủy tinh xốp hoạt động giống như môi trường dạng hạt với cộng hưởng một phần tư bước sóng có đỉnh trong dải tần số thử nghiệm là [120 4300] Hz. Ngoài ra, mẫu vật liệu P1 có hệ số hấp thụ âm cực đại là 0,97 ở tần số ~1892Hz, trong khi mẫu P2 cho thấy đỉnh thấp hơn là 0,84 ở tần số cộng hưởng thấp hơn là 1032Hz.

Để đánh giá hiệu suất hấp thụ âm thanh của hai mẫu trên, hệ số hấp thụ âm thanh trên các dải một phần ba quãng tám từ 125Hz đến 4000Hz được vẽ trong Hình 7. Hệ số này có thể được sử dụng để chuyển đổi hệ số hấp thụ âm thanh thành một chỉ số đánh giá. Mức độ hấp thụ âm thanh của các mẫu thử nghiệm được xác định theo ISO 11654:1997 [19] và ASTM C423-17 [20]. Chỉ số đánh giá bao gồm trọng số hệ số hấp thụ âm (aW), hệ số giảm tiếng ồn (NRC); và mức hấp thụ âm trung bình (SAA). Kết quả thu được cho thấy rõ ràng tấm P2 cho khả năng hấp thụ âm thanh tốt hơn so với tấm P1.

Bảng 3. Mức độ tiêu âm của các mẫu thí nghiệm.

Tiếp theo, chúng tôi ước tính các đặc tính lưu thông vĩ mô và hấp thụ âm thanh bằng phương pháp mô tả đặc tính ngược [17, 18] với dữ liệu đo của phương pháp ba micrô (phần 2.2) và các giá trị đo của độ rỗng và trở suất tĩnh dòng khí (được trình bày trong Bảng 2). Các thuộc tính lưu thông vĩ mô được liệt kê trong Bảng 4.

Bảng 4. Kết quả tính chất lưu thông vĩ mô bằng phương pháp mô tả ngược.

4. Kết luận
Bài báo này đã đề xuất một phương pháp thử nghiệm để chế tạo và dự đoán các đặc tính âm học tiềm năng của các tấm composite được làm từ hạt aerogel thủy tinh xốp. Có thể kết luận từ các kết quả thu được rằng: (i) đặc tính hấp thụ âm thanh của các tấm composite dựa trên aerogel thủy tinh xốp hoạt động giống như môi trường dạng hạt với điểm cộng hưởng ở bước sóng một phần tư; (ii) giá trị hấp thụ âm thanh cao có thể đạt được trong các tấm bê-tông composite với liên kết lỗ rỗng nhỏ ở độ rỗng thấp; (iii) tăng độ dày mẫu giúp cải thiện hệ số hấp thụ âm thanh và dịch chuyển phổ của đặc tính hấp thụ âm thanh về phía tần số thấp.

Đối với các ứng dụng thực tế, các mẫu thử nghiệm và chế tạo có các thành phần khác và/hoặc các đặc tính phi âm thanh khác (ví dụ: nhiệt, cơ học) sẽ được xem xét trong các nghiên cứu sắp tới.

Tài liệu tham khảo

1. Zieliński, T.G., et al., Benchmarks for microstructure-based modelling of sound absorbing rigid-frame porous media. Journal of Sound and Vibration, 2020. 483.
2. Allard, J. and N. Atalla, Propagation of sound in porous media: modelling sound absorbing materials 2e. 2009: John Wiley & Sons.
3. Trinh, V.H., et al., Learning acoustic responses from experiments: A multiscale-informed transfer learning approach. The Journal of the Acoustical Society of America, 2022. 151(4): p. 2587-2601.
4. Trinh, V.H., Effect of membrane content on the acoustical properties of three-dimensional monodisperse foams: Experimental, numerical and semi-analytical approaches. 2018, Ph.D. Dissertation, Paris-Est University.
5. Attenborough, K. and I.L. Vér, Sound-Absorbing Materials and Sound Absorbers. Noise and Vibration Control Engineering: Principles and Applications, 2005: p. 215-277.
6. Arenas, J.P. and M.J. Crocker, Recent trends in porous sound-absorbing materials. Sound Vib., 2010. 44(7): p. 12-18.
7. Siddika, A., A. Hajimohammadi, and V. Sahajwalla, Powder sintering and gel casting methods in making glass foam using waste glass: A review on parameters, performance, and challenges. Ceramics International, 2022. 48(2): p. 1494-1511.
8. Gasser, S., F. Paun, and Y. Bréchet, Absorptive properties of rigid porous media: Application to face centered cubic sphere packing. The Journal of the Acoustical Society of America, 2005. 117(4): p. 2090-2099.
9. Mazrouei-Sebdani, Z., et al., A review on silica aerogel-based materials for acoustic applications. Journal of Non-Crystalline Solids, 2021. 562: p. 120770.
10. Talebi, Z., et al., Silica aerogel/polyester blankets for efficient sound absorption in buildings. Construction and Building Materials, 2019. 220: p. 76-89.
11. Liu, P., H. Qing, and H. Hou, Primary investigation on sound absorption performance of highly porous titanium foams. Materials and Design, 2015. 85: p. 275-281.
12. Salissou, Y. and R. Panneton, Pressure/mass method to measure open porosity of porous solids. Journal of applied physics, 2007. 101(12): p. 124913.
13. Stinson, M.R. and G.A. Daigle, Electronic system for the measurement of flow resistance. The Journal of the Acoustical Society of America, 1988. 83(6): p. 2422-2428.
14. ISO, 9053-1:2018: Acoustics — Determination of airflow resistance — Part 1: Static airflow method. International Standards Organization: Geneva, Switzerland, 1998.
15. Salissou, Y. and R. Panneton, Wideband characterization of the complex wave number and characteristic impedance of sound absorbers. J. Acoust. Soc. Am., 2010. 128(5): p. 2868-2876.