Vật liệu âm học hoạt động như thế nào?

22/11/2022

Âm học++

Trong bài viết này, Remak - Công ty giải pháp âm thanh lớn nhất Việt Nam sẽ cung cấp đến người đọc những kiến thức, khái niệm cơ bản và nguyên lý hoạt động của các loại vật liệu âm học.

1. Giới thiệu
1.1. Chất lượng âm thanh
Thuật ngữ “chất lượng âm thanh” bao gồm một loạt các tiêu chuẩn kết hợp lại (như áp suất âm thanh, thành phần quang phổ và thời lượng âm thanh thu nhận được) cũng như các yếu tố liên quan đến không gian – ví dụ, thời gian vang âm/dội âm sẽ cho biết không gian đó có đủ điều kiện, có đáp ứng tiêu chuẩn về âm học với mục đích sử dụng hay không.

1.2. Vật liệu âm học
Vật liệu âm học gồm một loạt các loại vật liệu dạng xốp, sợi, vải, kim loại, v.v được sử dụng để giảm bớt tiếng ồn cho nhà ở, nơi làm việc và cả cho khoang lái của các loại xe cơ giới. Chúng mang lại không gian sống và làm việc thoải mái và an toàn hơn nhờ việc giảm tiếng ồn đến từ bên ngoài hoặc từ chính bên trong của không gian đó. Các vật liệu âm học được sử dụng theo hai cách chính: cách âm (tiếng ồn bị chặn lại không truyền từ không gian này sang không gian khác); và tiêu âm (bản thân các tiếng ồn ở bên trong không gian ấy sẽ bị hấp thụ).

Thời gian vang âm/dội âm sẽ cho biết không gian có đủ điều kiện, có đáp ứng tiêu chuẩn về âm học với mục đích sử dụng hay không (ảnh minh họa)

1.3. Cách âm và hấp thụ âm
Khi sóng âm chạm vào mặt phẳng, năng lượng của nó (năng lượng tới Ei) sẽ được phản xạ ngược trở lại nửa không gian nó tới (năng lượng phản xạ Er). Theo định luật Snell, góc Ei và Er với mặt phẳng tiếp xúc bằng nhau.

Theo định luật Snell, càng nhiều năng lượng được hấp thụ, năng lượng truyền đi càng ít và ngược lại. Nói cách khác, vật liệu cách âm tốt hấp thụ âm thanh kém. Vật liệu càng xốp thì cách âm càng kém; vật liệu có khả năng cản luồng không khí truyền qua càng nhiều, khả năng cách âm càng cao. Theo cảm quan (không hoàn toàn đúng), một vật liệu càng nặng thì khả năng cách âm càng tốt.

Khi đã đạt được độ cách âm hoàn hảo, một lượng lớn các năng lượng tới sẽ được giữ trong phòng có nguồn phát âm. Nếu như căn phòng có khả năng hấp thụ âm kém, mức áp suất âm thanh bên trong phòng có thể sẽ tăng lên. Để tránh hiện tượng này, nên xử lý khả năng tiêu âm của bề mặt phòng một cách phù hợp để giảm phản xạ (độ vang âm).

“Năng lượng hấp thụ” là năng lượng bị tiêu tán trên bề mặt mà sóng âm tác động. Nó liên quan tới các đặc điểm của vật liệu của bề mặt, cả về cấu trúc bên trong lẫn độ đàn hồi và kết cấu của nó: bề mặt càng có độ đàn hồi, hoặc càng xù xì, thì càng hấp thụ năng lượng tốt bởi nó sẽ khiến các năng lượng bị biến dạng nhiều hơn hoặc các đường truyền âm sẽ tán xạ nhiều hơn. Sự tiêu tán âm xảy ra trong các lỗ khí và cấu trúc phân tử của vật liệu sẽ cao hơn, và năng lượng phản xạ lại căn phòng sẽ ít hơn. Dù sao đi nữa, lượng năng lượng trong những hiện tượng như vậy thường không gây ra bất cứ sự thay đổi đáng kể nào về nhiệt hay hình dạng bề mặt.

Tuy nhiên, nếu năng lượng âm thanh được phát ra trong một căn phòng có khả năng hấp thụ âm kém, áp suất âm bên trong có thể tăng lên do các phản xạ âm thanh liên tiếp. Theo đó, cần phải cách âm để tránh truyền âm sang các phòng liền kề.

3 nhóm vật liệu xốp/sợi, các màng hấp thụ, và vật liệu cộng hưởng đều hoạt động tốt nhất trong các dải tần số khác nhau (ảnh minh họa)

2. Hấp thụ âm thanh
Hấp thụ âm thanh là một hiện tượng mà khi đó năng lượng âm thanh được chuyển thành một dạng năng lượng khác: nhiệt, cơ hoặc các năng lượng biến dạng. Vì vậy, hấp thụ âm có thể được gọi là một hiện tượng tán xạ năng lượng.

Có 3 nhóm vật liệu hấp thụ âm thực hiện chức năng của chúng theo từng cơ chế khác nhau: vật liệu xốp/sợi, các màng hấp thụ, và vật liệu cộng hưởng. Mỗi loại đều hoạt động tốt nhất trong các dải tần số khác nhau.

2.1. Vật liệu hấp thụ âm thanh dạng xốp/sợi
Vật liệu hấp thụ thường có tính đàn hồi, không đặc và dễ thẩm thấu; trên thực tế, chúng có có cấu trúc chủ yếu là lỗ li ti chứa không khí. Đây là những vật liệu mềm hoặc dạng sợi có chứa các túi khí nhỏ hoặc đường rãnh liên kết chặt chẽ với nhau. Dù được coi là vật liệu thẩm thấu tốt nhất, nhưng chúng không phải là những vật liệu duy nhất. Chúng có thể hấp thụ năng lượng âm thông qua hai cơ chế:

•    Khi là vật liệu mềm, chúng hấp thụ năng lượng âm do sự biến dạng xảy ra khi sóng âm tiếp xúc chúng.

•    Khi là vật liệu xốp, chúng hấp thụ bởi sự rung động của không khí chứa trong các lỗ rỗng, khiến năng lượng mất đi do ma sát với các cạnh của chúng.

Bởi chứa nhiều không khí, trở kháng âm Z của chúng khá giống với trở kháng của không khí Zair. Khi đó, phần lớn năng lượng của sóng tới có xu hướng đâm xuyên qua vật liệu, và chỉ có một phần nhỏ phản xạ lại. 

Các loại vật liệu hấp thụ dạng sợi có khả năng hấp thụ âm tốt nhất là bông thủy tinh và bông khoáng.

Độ dày của vật liệu hấp thụ cũng rất quan trọng cho khi xét về hiệu suất hấp thụ âm: vật liệu càng dày càng có khả năng hấp thụ âm cao.

Tấm sonic ốp tường là vật liệu hấp thụ âm thanh dạng xốp/sợi vừa bền đẹp, vừa mang lại hiệu quả tiêu âm cao, lại dễ dàng thi công và vệ sinh 

2.2.  Vật liệu hấp thụ dạng màng hoặc tấm

Vật liệu hấp thụ màng hoặc tấm là một vật liệu không thấm khí được cố định ở các cạnh của nó ở một khoảng cách nhất định so với một bề mặt cứng để tạo ra một khoang kín giữa cả hai. Khi độ cứng của vật liệu không đáng kể so với lực căng giữ nó, nó được cho là màng; khi độ cứng của nó phải được xem xét, vật liệu được cho là tấm.

2.3. Vật liệu cộng hưởng
Các vật liệu cộng hưởng âm thanh gồm một khoang thông với bên ngoài bằng một ống dẫn hẹp, và với kích thước như vậy chúng có thể tiêu tán năng lượng trong một tần số nhất định, tức là tần số cộng hưởng của nó.

Bởi vì các vật liệu này mang tính đặc thù, chúng thường được dùng chỉ khi cần loại bỏ tiếng vang ở một tần số nhất định nào đó, hoặc, trong một dải tần số hẹp. Nếu một số vật liệu hấp thụ âm thanh được đặt ở trong khoang trống và đặc biệt gần ống dẫn, phạm vi tần số hấp thụ của vật liệu cộng hưởng phần nào được mở rộng, nhưng hiệu suất hấp thụ lại giảm.

3. Cách âm
3.1. Vật liệu cách âm hoạt động như thế nào?
Sự truyền âm trong không khí thường là do dao động đàn hồi của không khí gây ra bởi sóng âm truyền đến và tác động vào bề mặt vật liệu. Điều đó càng dễ xảy ra hơn thông qua các điểm không liền mạch (ví dụ các vị trí xung quanh cửa sổ, cửa ra vào) hoặc các khe hở/kẽ hở không mong muốn (chẳng hạn như các vết nứt, các đoạn đường dây điện không được bịt kín hẳn, ống thông gió và các lỗ hở không được bịt đúng cách hoặc có phần khung bịt không kín, cùng nhiều vấn đề khác).

Mô phỏng hệ số truyền âm STC (Sound Transmission Class)

Tính cách âm của một vật liệu hoặc nhóm vật liệu đề cập đến đặc tính cản lại và, do đó, chính là khả năng cản âm, chặn âm, kết quả là giảm năng lượng âm truyền qua. Vật liệu cách âm tốt làm giảm năng lượng âm thanh nhận được ở đầu bên kia, gây ảnh hưởng đến biên độ sóng âm nhưng không qua hiện tượng tiêu tán âm giống như ở các loại vật liệu hấp thụ âm.

Các vật liệu dùng cho cách âm được đánh giá dựa vào hệ số STC, hay còn gọi là hệ số truyền âm, một loại hệ số đánh giá khả năng chặn âm của vật liệu đối với các tần số hội thoại khác nhau. Giống như Hệ số Giảm tiếng ồn thường dùng để đánh giá khả năng hút âm của các vật liệu tiêu âm, thước đo STC không hẳn có thể xác định chính xác rằng vật liệu đó sẽ có hiệu quả chặn các âm tần thấp hoặc cao hay không, ví dụ như tiếng máy móc hoặc tiếng nhạc.

Để chặn âm thanh, các chuyên gia âm học chủ yếu quan tâm đến yếu tố đặc chắc của vật liệu, đồng thời loại bỏ bất kỳ khe hở nào trên tường nơi mà âm thanh có thể đi qua. Tấm thạch cao cách âm, các tấm cách âm cao su dày đặc, và các nẹp cách âm là một trong các sản phẩm phổ biến dùng cho cách âm. Đôi khi vật liệu đa lớp được sử dụng để giảm thiểu sự truyền âm qua tường bằng cách phá vỡ tần số cộng hưởng của các vật liệu tương tự. Ngoài ra còn có các sản phẩm chuyên dụng cho xây dựng ví dụ như cửa sổ cách âm, cửa sổ giảm âm, và cửa ra vào cách âm.

3.2 Một số nguyên nhân làm giảm khả năng cách âm của tường
Mặc dù đã tính toán kỹ lưỡng, vẫn có một vài yếu tố có thể khiến hiệu quả cách âm thực tế của tường không như mong đợi. Hai trong số các nguyên nhân chính là các khe hở, lỗ hổng và sự tham gia của các truyền dẫn gián tiếp (truyền dẫn ngang hoặc truyền dẫn rắn), những yếu tố này thường không được xét tới trong quá trình tính toán.

Lỗ hổng, khe hở chủ yếu là các khe nứt ở cửa ra vào và cửa sổ, các khớp nối không kín, các khe hở trên đường ống đi dây điện, các khe hở trong quá trình xây dựng… Diện tích của các khe hở càng lớn, khả năng cách âm của tường càng giảm.

 

Quang Minh/Remak® Soundbox