Ученые из Бристольского университета в сотрудничестве с Университетом Солфорда раскрыли первопричину особенно раздражающего шума, производимого двигателями с поглощением пограничного слоя (BLI) - ключевой технологией в будущих электрических и гибридных самолетах.

Основываясь на более ранней работе, которая выявила общие источники шума в системах BLI, это последнее исследование, опубликованное сегодня в Nature npj Acoustics, углубляет физику генерации аэродинамического звука, показывая, как турбулентный поток в пограничном слое взаимодействует с вращающимися компонентами вентилятора и воздуховодов, создавая две отчетливые и неприятные на ощупь акустические характеристики.

Ключом к этому исследованию является оценка, основанная на гидромеханике, которая раскрывает фундаментальное аэродинамическое происхождение двух различных типов широкополосных шумовых паттернов, известных как "стог сена" - спектральных особенностей, влияющих на восприятие шума. В акустике "стог сена" описывает эффект турбулентного потока, рассеивающего тональные звуковые поля, в результате чего энергия определенного тона распространяется в более широком диапазоне частот.

Исследование показывает, что при низкой тяге (во время полета) более слабое всасывание вентилятора позволяет потоку в пограничном слое планера оставаться в значительной степени невозмущенным. В этом режиме поглощение потока регулируется искажением потока, вызванным кривизной корпуса, которое подвергает только кончики лопастей воздействию турбулентных структур с низкой скоростью вращения. Поскольку акустический вклад воздуховода преобладает при низкой тяге, основным механизмом создания шума является взаимодействие между турбулентным потоком и внутренним акустическим полем воздуховода, что приводит к образованию стога сена в воздуховоде.

При высокой тяге (во время взлета) сильное всасывание вентилятора нарушает обтекание пограничного слоя планера, создавая вызванное вентилятором искажение потока, которое приводит к образованию высокоимпульсных, сильно нестационарных турбулентных структур потока на большей части размаха лопастей. Это интенсивное взаимодействие между искаженным потоком, создаваемым вентилятором, и вращающимися лопастями приводит к стогу сена, когда неустойчивый поток многократно разрезается вращающимися лопастями на большую часть размаха вращающихся лопастей.

Ведущий исследователь доктор Фероз Ахмед, который работал на факультете естественных наук и инженерии Бристоля, проводя это исследование, сказал: "Эти две скрытые звуковые сигнатуры - стог сена - заставляют будущие встроенные авиационные двигатели восприниматься раздражающе, а не просто громко.

"Связывая модели поглощения турбулентного потока с тем, как люди воспринимают шум, мы даем инженерам инструменты для проектирования будущих самолетов, которые действительно звучат так же тихо, как и выглядят".

Эти выводы предлагают новую дорожную карту для разработки встроенных двигателей, которые звучат тише, а не просто измеряют уровень шума - жизненно важный шаг для улучшения общественного восприятия будущих городских воздушных судов.

Используя высокоточную установку в аэродинамической трубе, которая воспроизводит условия реального мира, исследователи собрали подробные данные о потоке и шуме во всех режимах полета, используя передовые приборы, включая анемометрию с помощью горячей проволоки, датчики давления и микрофоны дальнего действия. Это позволило им изолировать и связать каждую шумовую сигнатуру (стог сена) как с ее аэродинамической причиной, так и с ее влиянием на человеческое восприятие.

Последствия этого исследования весьма широки. Эти выводы служат практическим руководством по проектированию как для крупномасштабных транспортных самолетов, таких как Airbus ZEROe, ONERA NOVA, NASA/MIT Aurora D8, Airbus Nautilus и MITSAX-40, так и для производителей электрических самолетов вертикального взлета и посадки следующего поколения (eVTOL) для городской воздушной мобильности. Сектор (UAM), поддерживающий усилия по достижению цели ЕС FlightPath 2050 по снижению шума воздушных судов на 65%. Эти результаты могли бы помочь в разработке более тихих двигателей для будущих электрических самолетов и аэротакси.

Теперь команда планирует разработать стратегии аэродинамического и акустического контроля, чтобы уменьшить скопление сена как в вентиляторах, так и в воздуховодах. Они также намерены распространить этот анализ на другие концепции двигателей, включающие поглощение турбулентного потока, с целью формирования будущего бесшумной авиации.