Đánh giá các giải pháp cách âm giảm ồn bằng phương pháp mô phỏng

ĐÁNH GIÁ CÁC GIẢI PHÁP CÁCH ÂM GIẢM ỒN

BẰNG PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG

(AN EVALUATION OF SOUDPROOFING SOLUTIONS BY USING

SIMULATION MODELS)

Nguyễn Thị Tuyết Hƣơng¹, TS. Trần Vũ Tự²

¹Ủy ban Kiểm tra Tỉnh ủy tỉnh An Giang

²Khoa Xây dựng, Đại học Sư phạm Kỹ Thuật TP. HCM

Tóm tắt: Nghiên cứu đánh giá độ cách âm của vật liệu bằng cách xây dựng chương trình mô

phỏng dựa trên các thông số thí nghiệm về độ cách âm thực tiễn. Nghiên cứu gồm hai phần chính.

Phần thức nhất liên quan đến các thí nghiệm thực tế đánh giá độ cách âm của vật liệu. Phần thứ

hai liên quan đến sự phát triển chương trình mô phỏng trong netlogo để đánh giá độ cách âm của

vật liệu trên cơ sở xem xét các viễn cảnh nghiên cứu mà thực nghiệm chưa triển khai được. Kết

quả thực nghiệm cho thấy hiệu quả cách âm của các loại vật liệu là đáng kể. Mô hình mô phỏng

với sai số kiểm chứng mô hình là 17% đã dự báo hiệu quả cách âm trong các viễn cảnh kết hợp

các loại vật liệu cách âm. Mô hình mô phỏng cho thấy sự giảm âm lên đến 49.75% khi sử dụng kết

cấu tường 20 cm có khe giữa kết hợp vật liệu cao su non và mút hột gà khi so sánh với truyền âm

trực tiếp qua không khí mà không có bất kỳ vật liệu cách âm nào. Nghiên cứu là tiền đề cho những

nghiên cứu sâu về cách âm của vật liệu trong công trình sau này.

Từ khóa: tiếng ồn, mức âm, giảm ồn, giải pháp cách âm, mô phỏng.

Abstract: The research evaluates the efficiency of soundproof solutions by developing

simulation mdoels based on empirical tests. The research includes two pain parts. The first main

part relates to experiments on soundproffing materials. The second main part concerns the

development of simulation models in Netlogo to evaluate the soundproof level of materials based

on simulation scenarios. The experimental results show that the soundproofing level of materials

is very high. The siumulation models with a figure of 17% in validation error predicts efficiently

the sounfproof level of the materials. The simulation model shows that the soundproofing can be

up to by 49.7% when using 20cm width wall with the middle air slot in combination with yellow

foam and memory foam compared with direct transmisssion in the air without any soundproofing

structure. The research is useful for further studies on soundproofing materials afterward.

Keywords: noise, sound level, noise reduction, sounddroofing, simulation.

1. Tổng quan

Nghiên cứu sử dụng Netlogo [2] như là

công cụ mô phỏng đánh giá các viễn cảnh.

NetLogo là một môi trường lập trình mô

phỏng lại tự nhiên và các hiện tượng xã hội.

NetLogo được đưa ra bởi Uri Wilensky năm

1999 và vẫn đang tiếp tục được phát triển bởi

trung tâm Center for Connected Learning and

Computer-Based Modeling. NetLogo được

Hình 1. Màn hình giao diện chính của

phát triển phù hợp cho việc mô hình hóa các

hệ thống phức tạp Phần mềm NetLogo có giao

diện chính như sau:

NetLogo

Phần mềm NetLogo được tạo thành theo hướng dẫn. Trong NetLogo, có bốn loại

từ các tác nhân mà các tác nhân này có thể làm tác nhân: turtles, patches, links, and

the observer. Trong NetLogo tác nhân tường 20 cm có khe giữa thành giá trị áp suất

“turtles” có thể di chuyển và các “patches” đều thông qua đối chiếu với đồ thị tại hình 8.

có tọa độ. “Patches” tại tọa độ (0, 0) được gọi

là gốc và tọa độ của các “patches” khác là

3. Phƣơng pháp nghiên cứu

3.1. Phát triển thuật toán

khoảng cách ngang và dọc từ bản này. Tọa độ

của “patches” pxcor và pycor. Giống như trong

mặt phẳng tọa độ toán học tiêu chuẩn, pxcor

tăng khi bạn di chuyển sang phải và pycor tăng

khi bạn di chuyển lên. Tổng số “patches” được

xác định bởi các thiết lập min-pxcor, max-

pxcor, min-pycor và max-pycor. Tọa độ

“patches” được thể hiện qua hình 2 như sau:

Nghiên cứu thực hiện xây dựng các

viễn cảnh mô phỏng mức âm thanh truyền qua

kết cấu vật liệu cách âm trong chương trình

NetLogo thông qua việc sử dụng mô hình sóng

để thực hiện mô phỏng. Thuật toán sử dụng

như sau:

Hình 2. Tọa độ “patches” của phần mềm

NetLogo

2. Cơ sở lý thuyết

Theo giáo trình của tác giả Nguyễn Võ

Châu Ngân [1] thì dao động của các phần tử

theo thời gian được thể hiện như sau:

Hình 3. Biểu diễn dao động của các phần tử

theo thời gian [1]

Hình 5. Sơ đồ thực hiện quá trình mô phỏng

Ngoài ra, tác giả Nguyễn Võ Châu Ngân [1]

cũng thể hiện mức âm và mức áp suất âm của

cùng một âm là như nhau và gọi chung là mức

âm và mối quan hệ giữa cường độ, áp suất,

mức âm được thể hiện qua hình sau:

Giao diện sau khi phát triển code cho

trường hợp truyền trực tiếp trong không khí,

bao gồm nguồn phát, nguồn thu và đường

truyền sóng được sử dụng mô phỏng cụ thể

như hình sau:

Hình 6. Giao diện mô hình mô phỏng trong

chương trình NetLogo

Nguyên lý của quá trình mô phỏng được

thực hiện như sau: nghiên cứu thực hiện tạo

nguồn phát, thiết bị đo âm thanh, sóng âm,

đường truyền sóng âm, kết cấu vật liệu cách

âm thông qua việc tạo các “patcher” và các

“turtle”. Để kiểm chứng việc mô phỏng đạt

hiệu quả, nghiên cứu đã viết các code để điều

chỉnh biên độ dao động, tổn thất đường âm

Hình 4. Quan hệ giữa cường độ, áp suất và

mức âm [1]

Từ hình 4, nghiên cứu thực hiện chuyển đổi

kết quả giá trị mức âm trung bình của các

trường hợp đo trực tiếp tại nguồn phát, đo cách

nguồn phát 1m, tường 10 cm, tường 20 cm,

trong không khí và truyền qua kết cấu vật liệu

sao cho kết quả các giá trị mức âm của quá

trình mô phỏng gần giống hoặc chính xác với

các kết quả đo mức âm trong quá trình thực

nghiệm. Sau khi có kết quả mô phỏng về mức

âm gần giống hoặc chính xác với quá trình

thực nghiệm, nghiên cứu tiếp tục mô phỏng

các trường hợp kết hợp vật liệu và kết cấu

cách âm chưa được thực hiện trong quá trình

thực nghiệm. Phương trình dao động của sóng

được giả thiết trong nghiên cứu này được viết

như sau:

c) Hình ảnh mô phỏng kết cấu tường 20 cm

Hình 7. Các loại kết cấu được mô phỏng bằng

phần mềm NetLogo

y = A sin (t)

Trong đó A: là biên độ dao động

Sau khi có kết quả mô phỏng đối với các

trường hợp trên, tác giả thực hiện đối chiếu với

kết quả thực nghiệm và sẽ thực hiện mô phỏng

đối với các trường hợp chưa thực nghiệm.

4. Kết quả nghiên cứu

: tần số góc

Các giá trị biên độ dao động được quan trắc

trực tiếp từ thí nghiệm thực tế để đưa vào mô

hình mô phỏng. Tấn số góc t = 2pi/T được

tính toán trực tiếp thông quá giá trị tần số f của

sóng quan trắc thực nghiệm, bằng cách xác

định các giá trị chu kỳ trung bình của mức âm.

Nghiên cứu tạo các cơ sở dữ liệu để thực

hiện mô phỏng như sau:

- Tạo go, setup từ Button.

- Tạo các Slide từ Button gồm tần số, tổn

thất trong không khí, tổn thất qua vật vật

liệu 2, biên độ, mức cường độ.

3.2. Các viễn cảnh mô phỏng

Để quá trình mô phỏng đạt hiệu quả, tác

giả thực hiện mô phỏng lại mức âm truyền qua

các kết cấu đối với tường 10 cm, tường 20 cm

và tường 20 cm khe giữa để kiểm chứng lại

với kết quả thực nghiệm. Các viễn cảnh mô

phỏng được thể hiện qua hình 7.

- Tạo plot điểm phát dùng để vẽ giá trị

biên độ tại điểm phát, điểm đo dùng để

vẽ giá trị biên độ tại điểm đặt máy đo.

Các nội dung trên được thể hiện qua hình

sau:

Hình 8. Kết quả tạo các cơ sở dữ liệu từ

chương trình mô phỏng

a) Hình ảnh mô phỏng kết cấu tường 20 cm

khe giữa

Nghiên cứu thực hiện ghi nhận và xuất kết quả

mô phỏng qua kết quả vẽ biểu đồ điểm đo và

điểm phát bằng cách click chuột phải vào biểu

đồ điểm đo hoặc điểm phát chọn Export và đặt

tên file. Sau đó, nghiên cứu thực hiện mở

chương trình excel vào Data rồi click chuột

vào From text thực hiện chọn file đã đặt tên và

nhấn import. Để có kết quả từ chương trình mô

phỏng sang file excel nghiên cứu đã thực hiện

các bước trong Text Import Wizard – Step 1 of

3 để chuyển đổi. Các bước được thể

b) Hình ảnh mô phỏng kết cấu tường 10 cm

hiện qua các hình sau:

a) Bước chọn biểu đồ điểm phát để xuất kết

quả

Hình 11. Kết quả mô phỏng đối với trường

hợp giá trị biên độ 5,83

Tương tự trường hợp tính biên độ dao động

của mức âm tại nguồn phát, biên độ dao động

của trường hợp đặt máy đo trực tiếp cách

nguồn phát 1 m là 0,73 Pa. Mô hình mô phỏng

được thể hiện qua hình sau:

b) Bước chuyển file kết quả từ phần mềm mô

phỏng sang file excel

Hình 9. Các bước ghi nhận kết quả và xuất

file kết quả mô phỏng qua chương trình excel

Nghiên cứu thực hiện mô phỏng đối với

03 trường hợp đặt máy đo nguồn phát 1 m và

trường hợp mức áp suất truyền qua tường 10

cm và trường hợp chưa làm thực nghiệm là

tường 20 cm có khe giữa kết hợp cao su non

và mút hột gà.

4.1. Trƣờng hợp đo mức âm khi đặt máy đo

tại vị trí nguồn phát

Hình 12.Kết quả mô phỏng tại điểm đo cho

trường hợp truyển trực tiếp trong không khí

cách 1 m

Qua mô phỏng, kết quả tại điểm đo gồm

4 giá trị có biên độ dao động, nghiên cứu tính

sai số giữa giá trị mô phỏng so với giá trị thực

nghiệm bằng công thức sau:

Quá trình đo và kết quả đo mức âm được

thể hiện qua hình 10.

Trong đó

a) Vị trí đặt máy

đo mức âm

b) Kết quả thí nghiệm

V_{mô phỏng}: giá trị biên độ dao động mô

phỏng

V_{thực nghiệm}: giá trị biên độ dao động thực

nghiệm.

Hình 10. Kết quả thực nghiệm khi đặt máy đo

trực tiếp tại nguồn phát

Từ kết quả thực nghiệm cho thấy rằng

khi đặt máy đo tại vị trí nguồn phát thì đo

được mức âm giá trị lớn nhất (max) là 112,70

dB, giá trị nhỏ nhất là 104,50 dB và giá trị

trung bình là 109,29 dB.

Với giá trị trung bình của mức âm là

109,29 dB đối chiếu với hình 4.42 thì giá trị

của biên độ dao dộng của áp suất âm là 5,83

Pa. Kết quả biên độ nguồn phát được thể hiện

trong chương trình phần mềm như sau:

Qua tính toán các kết quả sai số, nghiên

cứu thực hiện so sánh đánh giá giữa giá trị

thực nghiệm và giá trị mô phỏng đối với

trường hợp đặt máy đo trực tiếp cách nguồn

phát 1 m như sau:

đo cách nguồn phát 1 m, nghiên cứu thực hiện

tính sai số trung bình của trường hợp truyền

qua kết cấu tường 10 cm là 0,3%.

4.3. So sánh áp suất âm giữa kết quả mô

phỏng và kết quả thực nghiệm

Từ các giá trị của kết quả mô phỏng và

kết quả thực nghiệm, nghiên cứu thực hiện đối

chiếu, so sánh các giá trị biên độ áp suất âm

giữa mô phỏng và thực nghiệm được thể hiện

qua hình 16.

Hình 13. Đánh giá biên dộ dao động của giá

trị thực nghiệm và giá trị mô phỏng đối với

trường hợp đặt máy đo cách nguồn phát 1m.

Từ hình 13, nghiên cứu cho thấy rằng sai

số trung bình giữa giá trị biên độ dao động mô

phỏng và biên độ dao động thực nghiệm là

0,12 %.

4.2. Kết quả trƣờng hợp mô phỏng đối với

tƣờng 10 cm

Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho

thấy rằng giá trị mức âm trung bình qua kết

cấu tường 10 cm đo được là 64,49 dB. Từ giá

trị mức âm là 64,49 dB, nghiên cứu đối chiếu

với hình 4.42 cho thấy rằng biên độ dao động

áp suất là 0,03 Pa. Từ đó, kết quả mô phỏng

được thể hiện qua hình sau:

Hình 16. Kết quả so sánh giữa kết quả mô

phỏng và kết quả thực nghiệm

Qua hình 16, nghiên cứu cho thấy rằng

các giá trị mô phỏng và thực nghiệm với sai số

trung bình là 17%. Điều đó cho thấy mô hình

mô phỏng gần đúng với thực tế và chấp nhận

được.

4.4. Kết quả trƣờng hợp mô phỏng đối với

tƣờng 20 cm có khe giữa kết hợp cao su non

và mút hột gà

Hình 14. Màn hình mô phỏng tại điểm đo cho

trường hợp truyền qua kết cấu tường 10 cm

Từ việc mô phỏng áp suất âm truyền qua

kết cấu tường 10 cm, kết quả cho thấy rằng có

4 giá trị gần đúng với kết quả thực nghiệm.

Nghiên cứu thực hiện so sánh với kết quả biên

độ dao động thực nghiệm, được thể hiện biểu

đồ sau:

Việc mô phỏng trường hợp mô phỏng

đối với tường 20 cm có khe giữa kết hợp cao

su non và mút hột gà được thực hiện như hình

sau:

- Tạo kết cấu tường 20 cm có khe giữa.

- Tạo nguồn phát.

- Tạo điểm đo.

- Tạo biên độ tại điểm đo.

- Tạo lớp vật liệu mút hột gà và cao su

non.

- Tạo các thông số liên quan đến vật liệu,

tường đã được sử dụng trong mô phỏng

lần sau khi đã được kiểm chứng ở trường

hợp trên.

Hình 15. Đánh giá biên dộ dao động của giá

trị thực nghiệm và giá trị mô phỏng đối với

trường hợp đo truyền qua tường 10 cm.

Từ biểu đồ hình 15, tương tự trường hợp

biểu đồ hình sau:

Hình 19. Tỷ lệ % cách âm đối với tường 20 cm

có khe giữa kết hợp mút hột gà và cao su non

Hình 17. Màn hình mô phỏng tại điểm đo cho

trường hợp máy đo kết cấu tường 20 cm có

khe giữa kết hợp cáo su non và mút hột gà

Qua mô phỏng, kết quả biên độ áp suất

âm tại điểm đo là 0,002; -0,006; 0,002; -0,006.

Từ kết quả trên, nghiên cứu thực hiện lấy giá

trị trung bình cộng của 4 giá trị mô phỏng của

biên độ áp suất là 0,004 Pa. Biên độ dao động

của áp suất được thể hiện như hình sau:

5. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu xây dựng chương trình mô

phỏng dựa trên phần mềm NetLogo để mô

phỏng hiệu quả cách âm của các loại vật liệu

trên cơ sở mô hình hóa đường truyền âm từ

nguồn phát đến nguồn thu. Kết quả kiểm chứng

mô hình mô phỏng cho thấy, giá trị thực tế và

giá trị mô phỏng chênh lệch nhau 17%. Dựa

trên mô hình mô phỏng, nghiên cứu dự báo sự

giảm âm khi sử dụng kết cấu tường 20 cm có

khe giữa kết hợp vật liệu cao su non và mút hột

gà là 49,57% khi so sánh với mức âm đo trực

tiếp trong không khí cách nguồn phát 1 m.

Kết quả mô phỏng có thể dùng dự báo mô

phỏng âm truyền qua kết cấu vật liệu cũng như

dự báo cho những trường hợp mà chưa tiến

hành thực nghiệm. Tuy nhiên, mô hình mô

phỏng còn khá đơn giản, tính chất truyền âm

qua vật liệu vẫn chưa được mô hình đúng theo

cách ứng xử của vật liệu. Những hạn chế sẽ

nghiên cứu trong tương lai.

Hình 18. Biên độ áp suất âm theo kết quả mô

phỏng

Dựa trên kết quả mô phỏng trường hợp

tường 20 cm có khe giữa kết hợp mút hột gà và

cao su non có biên độ áp suất là 0,004Pa.

Nghiên cứu thực hiện chuyển đổi qua mức áp

suất âm thông qua hình 8 được kết quả dự báo

mức âm đối với trường hợp này là 46,02 dB.

Qua kết quả trên nghiên cứu cho thấy so

với mức âm trung bình của trường hợp đo cách

nguồn phát 1 m là 91,26 dB thì trường hợp mô

phỏng tường 20 cm có khe giữa kết hợp cao su

non và mút hột gà có mức âm giảm trung bình

là 45,24 dB tương đương với giảm 49,57% so

với tỷ lệ mức âm đo trực tiếp cách nguồn phát

1 m. Kết quả mức âm giảm được thể hiện qua

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Võ Châu Ngân, Giáo trình ô nhiễm tiếng ồn và kỹ thuật xử lý, tháng 11/2003.

[2] Wilensky, U. NetLogo Rope model. http://ccl.northwestern.edu/netlogo/models/Rope . Center for

Connected Learning and Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston, IL, 1997

[3] Wilensky, U. NetLogo. http://ccl.northwestern.edu/netlogo/. Center for Connected Learning and

Computer-Based Modeling, Northwestern University, Evanston, IL, 1999.

[4] Hồ Phước Lộc, Nghiên cứu tính cách âm của tấm xơ khoáng (rockwool), Đại học Bách Khoa

Hà Nội, 2015.

[5] Hoàng Xuân Hiền, Nghiên cứu tính cách âm của tấm xơ thủy tinh glasswoo, Đại học Bách

Khoa Hà Nội, 2015.

[6] Kiều Tấn Đoàn, Nghiên cứu tính cách âm của tấm xơ tự nhiên gốc thực vật, Đại học Bách

Khoa Hà Nội, 2015.

[7] J. Turkiewicz and G. Wszolek . Theoretical and Experimental Determination of the Sound-Absorbing

Property Class of Acoustic Barriers. Acta Physica Polonica A, Volume 125, Issue 4A, pp. A-127-

A-130, April 2014.

[8] Xiaodong Zhu, Birm-June Kim, Qingwen Wang, and Qinglin Wu. Recent advances in the sound

insulation properties of Bio-based materials. BioResources, Vol. 9, Issue 1, pp. 1764-1786, 2014.

[9] Andrea Zent, John T. Long. Automotive Sound Absorbing Material Survey Results. SAE 2007 Noise

and Vibration Conference and Exhibition, 2007, P. 9.

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết

Họ tên: Nguyễn Thị Tuyết Hương

Đơn vị: Ủy ban Kiểm tra Tỉnh ủy An Giang

Điện thoại: 0903355542

Email: huongthanhtralx@gmail.com