В современной авиации одним из ключевых факторов комфорта и безопасности пассажиров и пилотов является снижение уровня шума двигателей. На взлете он может достигать 110-150 дБ, в то время как для человеческого уха комфортным считается 20-40 дБ. Излишний шум способен воздействовать не только на слуховой аппарат, но также на работу сердечно-сосудистой и нервной системы, вызывать головные боли и повышенную утомляемость. Для уменьшения такого шума в авиации используются специальные звукопоглощающие конструкции. Ученые Пермского Политеха модернизировали один из их элементов, изменив физику течения воздуха, что позволило повысить поглощение звука конкретной конструкции с 85% до 90-95% на частотах 400-500 Гц и высоких уровнях звукового давления.
Статья опубликована в журнале «Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение». Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-72-00037. Разработка проведена в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
Современные турбореактивные двигатели становятся все более мощными, для чего их все чаще увеличивают в размерах. Однако больший диаметр ведет к повышению шума. Его основной источник — это вентилятор внутри двигателя, который из-за крупных габаритов генерирует звуковые волны преимущественно на низких частотах — ниже 500 Гц, в то время как комфортная слышимость для человеческого уха начинается выше 500 Гц. При длительном воздействии такой диапазон вреден для человека, поскольку приводит к болезням органов слуха, дыхания, нервной и сердечно-сосудистой системы.
Для борьбы с этим существуют различные инженерные решения. Например, на выходе двигателя устанавливают шумоглушащие сопла — это конусообразные или цилиндрические конструкции, которые уменьшают звук выхлопа за счет того, что изменяют направление потоков газов, выходящих из двигателя. Ранее ученые Пермского Политеха уже исследовали разные варианты этих сопел и их влияние на подавление звука. Однако они не уменьшают весь возникающий при работе самолета шум, поскольку устанавливаются снаружи и воздействуют только на реактивную струю, не влияя на сам вентилятор.
Для глушения звука внутри двигателя устанавливаются звукопоглощающие конструкции (ЗПК), которые представляют собой множество пустых ячеек-резонаторов, закрытых тонкими перфорированными листами. Каждая ячейка имеет одно, чаще несколько, отверстий, через которые внутрь попадают звуковые волны. Работает эта система следующим образом: звуковая волна через отверстия входит в резонатор, воздух в шейке (толщине перфорированного листа) начинает колебаться, и за счет трения о стенки энергия звука превращается в тепло. Так лишний шум глушится. Однако низкие частоты плохо поглощаются классическими ЗПК из-за ограничений по размерам и материалам.
Ученые Пермского Политеха нашли способ улучшить их работу, не увеличивая габариты ЗПК.
В России в настоящее время используются базовые резонаторные шейки, имеющие толщину перфорированного листа и гладкую внутреннюю поверхность. Исследователи же предложили удлинить шейку во внутренний объем резонатора и добавить на ее внутреннюю поверхность турбулизаторы — дополнительные неровные грани с выступами в виде ребер или гофр, которые помогают лучше поглощать возникающий шум. Эти элементы создают турбулентный поток, который, в отличие от плавного движения воздуха, обладает большим числом завихрений. Это значительно увеличивает трение и, соответственно, рассеивает больше звуковой энергии в тепло.
Ученые протестировали несколько моделей с разной степенью выраженности граней на поверхности шейки: без них, маломасштабные, среднемасштабные и крупномасштабные (изменение диаметров граней ≈ 0,6-0,8 мм). Сначала было проведено численное моделирование, затем — эксперименты на реальных образцах резонаторов диаметром 30 мм. Они были изготовлены методом 3D-печати из АБС-пластика с последующей доработкой проектной геометрии. Образцы тестировались в лаборатории ПНИПУ на интерферометре (высокоточный прибор для измерения акустических характеристик конструкций) с нормальным падением волн. В нем регистрировался коэффициент звукопоглощения при высоком уровне звукового давления — 150 дБ, что характерно для большинства реальных авиационных двигателей.
— Результаты показали, что лучше поглощают шум более крупные турбулизаторы с гранями в удлиненной шейке ≈ 0,6-0,8 мм. Также эффект можно усилить, увеличив количество шеек резонатора с одной до трех. Благодаря таким конструктивным решениям можно повысить звукопоглощение дополнительно на 5-7% в более широком диапазоне частот. То есть, если у обычной длинной и гладкой шейки на резонансной частоте этот показатель составляет 85%, то с использованием предложенной нами конструкции он будет доходить до 90-95% при высокой степени перфорации. В совокупности с другими методами это внесет существенный вклад в снижение авиационного шума, — объясняет Олег Кустов, доцент кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы», ведущий сотрудник Лаборатории механизмов генерации шума и модального анализа ЦАИ ПНИПУ.
В будущем ученые планируют продолжить исследования на более крупных моделях и в условиях скользящего потока, близкого к реальным условиям работы авиационного двигателя.
Исследование ученых Пермского Политеха поможет бороться с проблемой низкочастотного шума самолетов благодаря использованию особой конструкции турбулизаторов. Повышение эффективности звукопоглощающих конструкций позволит создавать более тихие и экономичные двигатели, что, в свою очередь, способствует устойчивому развитию гражданской авиации.