Ученые Пермского Политеха создали инновационную звукопоглощающую конструкцию, которая эффективно подавляет шум двигателя. Разработка в 1,5 раза легче многослойных аналогов, при этом ее звукопоглощение на 20 децибел выше, чем у классических однослойных панелей, и работает она в широком диапазоне от 2000 до 5400 герц, эффективно снижая шум на всех этих частотах. Новые панели позволят сделать перелеты комфортнее для пассажиров и снизить шумовую нагрузку.
Авиационный шум — экологическая проблема современности. Самолетов становятся все больше, количество рейсов растет, а значит, увеличивается и нагрузка на людей и природу. Причем самолет утомляет сильнее, чем поезд или автомобиль. Немецкое исследование показало: при одинаковой громкости авиационный шум воспринимается людьми как более раздражающий. Это объясняется высокими частотами и неравномерностью звука: гул двигателей то нарастает, то стихает, не давая мозгу расслабиться.
Миллионы людей живут вблизи крупных аэропортов, и для них шум самолетов еще губительнее. У жителей таких районов выше риск гипертонии, сердечно-сосудистых заболеваний, нарушений сна и снижения когнитивных способностей. У детей, которые растут в таких зонах, хуже успеваемость в школе и концентрация внимания. Страдает экология: шум отпугивает птиц от привычных мест гнездования, нарушает пути миграции животных.
Чтобы защитить жителей от шума, аэропорты вынуждены ограничивать ночные рейсы. Авиакомпании тратят миллиарды на шумоизоляцию и штрафы за превышение норм. Все эти расходы в конечном счете закладываются в стоимость билетов.
Один из главных источников шума современного самолета — авиационный двигатель. Чтобы сделать полет тише, внутренние каналы двигателя обшивают специальными звукопоглощающими панелями. Внутри размещают заполнитель, который поглощает акустическую энергию.
Самый распространенный заполнитель — это соты, похожие на пчелиные. Они просты в изготовлении (технология производства давно отработана), поэтому такие панели относительно недороги и хорошо показывают себя в лабораторных испытаниях. Как правило, это соты с одинаковой высотой, настроенные на конкретные частоты. В условиях воздушного потока они работают хуже: воздух нарушает их настройку, из-за чего падает результативность шумоподавления.
Такую конструкцию можно сделать многослойной, и это частично решает проблему. Но самолет становится тяжелее, а в авиации лишний вес означает дополнительные расходы на топливо. При этом компаниям приходится либо чаще делать дозаправки, либо отказываться от части дальних маршрутов. Производство таких панелей сложнее и дороже: каждый новый слой увеличивает расход материалов, время изготовления и риск брака. В итоге многослойная конструкция получается менее жесткой, из-за чего сильнее вибрирует. Вибрации вредят самолету: они ускоряют износ деталей, создают дополнительный шум в салоне, а со временем могут привести к усталостным трещинам в конструкции.
Ученые ПНИПУ создали новую звукопоглощающую конструкцию для авиационных двигателей с инновационным заполнителем. Вместо привычных шестигранных сот они разработали ячейки в форме конусов — прямых и перевернутых. Каждый элемент поглощает шум на своей частоте. Сочетание множества объемов расположенных вперемешку ячеек и пространства между ними обеспечивает шумоподавление в широкой полосе частот и — высокую по сравнению с аналогами эффективность конусного заполнителя. Получилась компактная панель, которая подавляет шум сразу во всем рабочем диапазоне, в том числе при наличии воздушного потока.
Образцы напечатали на 3D-принтере, что позволило точно воплотить сложную геометрию. Испытания исследователи проводили на специальной установке «канал с потоком».
— Это звукоизолированная лабораторная установка, в которой создается тестовый шум 130–150 децибел (как шум работающего двигателя), чтобы проверить, как новая конструкция будет работать в условиях, приближенных к условиям полета. Сначала ее тестировали в неподвижной среде, потом при скорости потока, приближенной к настоящим полетам. Микрофоны измеряли, какой уровень шума поглощает панель. Для сравнения точно так же проверили обычную сотовую. Испытания проводили на частотах от 1300 до 6200 Гц — именно в этом диапазоне шумят авиационные двигатели. Мы проверяли, на каких частотах каждая панель работает лучше всего и как меняется эффективность при появлении потока воздуха, — объясняет Карина Ахунзянова, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории пространственно-армированных композиционных материалов (НИЛ ПАКМ) кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ.
Сначала ученые тестировали обычную сотовую панель. Без потока она отлично работала на низких частотах — снижала шум на 51–54 децибела. Это прекрасный результат: гул двигателя становится практически неслышным. Но на высоких частотах ее эффективность была гораздо ниже: она уменьшала шум всего на 14 децибел. Когда включили поток воздуха, сотовая панель стала работать хуже на всех частотах: ее показатели шумоподавления упали до 13–23 децибел.
— Конусная конструкция без потока стабильно работала на всех частотах и снижала шум на 38–40 децибел. Это хороший результат, позволяющий значительно уменьшить громкость двигателя. С потоком цифры почти не изменились: от 32 до 44 децибел. В отличие от сотовой, она практически не реагирует на поток воздуха и в реальных условиях работает стабильно. Новые панели позволяют делать самолеты тише, при этом не утяжеляя их и не делая производство дороже, — рассказывает Павел Писарев, заведующий НИЛ ПАКМ кафедры «Механика композиционных материалов и конструкций» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Новая конструкция легче многослойных аналогов в 1,5 раза, при этом коэффициент ее звукопоглощения выше в среднем на 20 дБ. Кроме того, она имеет более широкий диапазон, то есть эффективно снижает шум в диапазоне частот 2000–5400 Гц.
Обычные звукопоглощающие панели настраивают на три ключевых режима работы двигателя — взлет, посадку и крейсерский режим. Они идеально работают именно на этих трех частотах, но стоит появиться небольшим отклонениям при изготовлении, и точность настройки сбивается, и эффективность падает.
Разработка ученых работает иначе. Она изначально рассчитана на широкий диапазон частот, поэтому мелкие производственные погрешности на качестве шумоподавления не сказываются. Например, если размеры ячеек чуть отличаются от расчетных, стенки получаются неровными или возникают микроскопические дефекты материала — обычные панели в таких случаях теряют эффективность, а конусная продолжает работать стабильно.
Фотографии: пресс-служба ПНИПУЭто новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
