Шумоподавляющие конструкции — неотъемлемый элемент современных авиадвигателей. Они представляют собой ячеистую структуру из полимерных композиционных материалов, которая за счет резонансного взаимодействия поглощает акустические волны. Требования Международной организации гражданской авиации к уровню звукопоглощения таких конструкций постепенно ужесточаются. Чтобы отечественное авиастроение шло в ногу со временем, ученые Пермского Политеха спроектировали «интеллектуальную» шумоподавляющую конструкцию с эффективным звукопоглощением в широком диапазоне частот.
Статья, опубликованная в журнале «Russian Aeronautics» (№ 65, 2022г.), подготовлена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Одним из наиболее эффективных способов снижения шума авиационных двигателей является установка звукопоглощающих конструкций в виде сотовых панелей из резонансных ячеек. Они размещаются на внутренней поверхности воздухозаборника для снижения шума в передней полусфере двигателя и на стенках наружного воздуховодного канала для снижения шума в задней полусфере двигателя. Проектирование таких конструкций осуществляется на основе расчетов способности системы противодействовать звуковым волнам в каналах авиационного двигателя. Ученые Пермского Политеха смоделировали функционирование отдельной ячейки шумоподавляющей конструкции и группы таких ячеек с учетом параметров, которые ранее не принимались во внимание. Они провели вычислительные эксперименты, варьируя диаметр перфорации в ячейках, и определили схему их взаимного расположения для наилучшего шумопоглощения.
— Для реализации выявленных схем мы разработали модель адаптивного управления резонансными частотами ячеек через встроенные в перфорацию пьезоактивные элементы, которые способны преобразовывать механическое напряжение в электрический заряд и наоборот. Таким образом, пьезоактивные элементы трансформируют подаваемое на них электрическое напряжение в деформации, изменяющие диаметр горловин адаптивных резонаторов. Выявленные сочетания диаметров перфораций и схем взаимного расположения элементов могут быть применены при проектировании шумопоглощающих конструкций, в том числе адаптивных, — рассказывает руководитель проекта, и.о. заведующего кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского Политеха, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории пространственно-армированных композиционных материалов, кандидат технических наук Павел Писарев.
Достоверность результатов, полученных с помощью математического моделирования, подтверждается их сравнением с экспериментальными данными. Конструкция демонстрирует эффективное звукопоглощение в широком диапазоне частот при минимальном увеличении ее веса, что крайне важно для авиастроения.
Проведенное исследование позволит усовершенствовать технологию шумоподавления в авиадвигателях. Кроме того, выявленные закономерности колебательных процессов в акустических резонаторах актуальны и для других областей применения, в частности, для проектирования некоторых видов камер сгорания.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.