Проблема снижения авиационного шума при взлете, наборе высоты и посадке самолета является одной из основных экологических проблем защиты окружающей среды от воздействия авиации и занимает центральное место в деятельности международных экологических и авиационных организаций. Решения КАЕП ИКАО, принятые в феврале 2013 г., существенно ужесточили международные экологические требования, предъявляемые к авиационной технике, в частности – нормы по шуму самолетов на местности.

Нормируемым параметром является максимальное значение эффективного уровня воспринимаемого шума (еffective perceivel noisi level), измеряемое в децибелах – ЕPN dB. Основным источником шума двигателей с высокой степенью двухконтурности на всех режимах работы является вентилятор, генерирующий излучение с дискретными и непрерывными по частоте спектрами в интервале 0–10 кГц. Общий уровень фронтального и тылового шума при взлете самолета с двухконтурной силовой установкой составляет ~120 ЕPN dB на высоте 120 м.

Основными составляющими звукового спектра вентилятора являются гармоники частоты следования рабочих лопаток, образующиеся при их взаимодействии с аэродинамическим потоком, и более низкочастотные гармоники ротора, связанные с появлением скачков уплотнения на передних кромках лопаток рабочего колеса и в межлопаточных каналах [1]. Гармоническое излучение вентилятора обладает отчетливо выраженной направленностью, при этом максимум интенсивности для гармоник роторной частоты отмечен в передней полусфере в направлении 40–60 град относительно оси самолета, для гармоник частоты следования – в направлениях 40–60 град и 110–120 град.

Современная технология снижения шумности нагнетательной секции двухконтурной силовой установки представляет собой единый комплекс активных (следует отличать от активных электронных средств подавления шума) и пассивных мероприятий. Активные технологии нацелены на улучшение аэродинамики входной части, рабочего колеса и каналов вентилятора и способны обеспечить снижение шума на неспецифических частотах на величину до 10 ЕPN dB.

Пассивные способы снижения шума вентилятора и двигателя в целом связаны с использованием в газовоздушных каналах различного рода звукопоглощающих конструкций (ЗПК), структура которых оптимизирована для поглощения и гашения специфических звуковых частот. Степень снижения шума зависит от общей площади ЗПК и акустической эффективности ЗПК в каждой температурной зоне двигателя. Применение ЗПК на двигателе позволяет снизить акустическую эмиссию на ~20 ЕPN dB.

В авиастроении находят применение ЗПК следующего строения: резонансные однослойные, резонансные многослойные и пористые градиентные.

Однослойные ЗПК резонансного типа относятся к звукопоглощающим конструкциям первого поколения. В состав таких конструкций входят следующие элементы: входная перфорированная панель, резонансный заполнитель высотой 15–25 мм и непроницаемое жесткое основание. Однослойные ЗПК работают в условиях высоких уровней звука (до 150–160 дБ) и высокоскоростного потока (число Маха Ма=0,3–0,5). Геометрические параметры резонансных ЗПК (высота резонансного заполнителя, процент перфорации, диаметр отверстий, толщина лицевой панели) выбирают таким образом, чтобы обеспечить максимальное снижение шума на частоте следования лопаток рабочего колеса вентилятора (1,5<f<3,0 кГц) [2, 3]. В качестве резонансного заполнителя могут быть использованы стеклопластиковые или металлические соты, гофрированные, ячеистые и другие объемные заполнители из различных материалов. Основной эксплуатационный недостаток однослойных резонансных ЗПК – это возможность гашения шума только в узкой полосе частот (1500–3000 Гц). Кроме того, акустические характеристики таких конструкций (коэффициент звукопоглощения и импеданс) в значительной степени зависят от уровня воздействующего на конструкцию звукового давления и, следовательно, могут изменяться в зависимости от режима работы двигателя.

Расширение диапазона звукопоглощения и повышение эффективности резонансных ЗПК может быть достигнуто путем использования многослойных ЗПК,содержащих несколько слоев резонансного заполнителя, каждый из которых обеспечивает звукопоглощение в определенной полосе частот. Известны различные конструктивно-технологические решения, позволяющие повысить эффективность звукопоглощения многослойных резонансных ЗПК. Значительное повышение эффективности звукопоглощения может быть достигнуто путем использования в составе многослойных резонансных ЗПК слоев из воздухопроницаемых волокнистых материалов, обеспечивающих поглощение звуковой энергии.

Новым и перспективным направлением по снижению шума авиационных двигателей является разработка пористых материалов градиентного типа для широкополосных гомогенных ЗПК с полосой звукопоглощения, охватывающей всю область звуковых частот. В принцип построения таких конструкций заложена изменяемая по глубине ЗПК плотность материалов. Так, входные слои гомогенно градиентной ЗПК должны отличаться пониженной плотностью с целью согласования волновых характеристик материала и снижения доли отраженной от поверхности ЗПК звуковой энергии. При распространении в глубь ЗПК акустическая волна должна попадать в слои с более высокой плотностью, вследствие чего потери при распространении звука будут увеличиваться, и за счет диссипативных потерь (потерь на трение при колебаниях в структуре материала) звуковая энергия будет эффективно снижаться. Градиентный материал сочетает в себе такие свойства, как низкое отражение звука от своей поверхности и высокие акустические потери внутри материала, что практически недостижимо на материалах с постоянными по объему физическими параметрами [4]. Основным компонентом для градиентных ЗПК являются пористоволокнистые материалы.

Пористоволокнистые полимерные материалы представляют собой композиты на основе волокнистых нетканых полотен из полиэфирных, полиамидных, полиоксадиазольных, арамидных или других волокон с полимерным связующим [5–9]. Пористоволокнистые полимерные материалы могут быть использованы в качестве компонентов ЗПК, работающих до температуры 300°С. При более высоких температурах используются пористоволокнистые материалы из металлических волокон [10–19].

В данной статье приведены сведения о разработанных в ВИАМ пористоволокнистых полимерных звукопоглощающих материалах.

Разработан и паспортизован звукопоглощающий пористоволокнистый материал марки ВТИ-7 на основе волокон полиоксадиазола и кремнийорганического связующего. Свойства материала представлены в табл. 1. Материал изготовляют методом прямого прессования на ограничительных упорах.

Таблица 1

Свойства звукопоглощающего полимерного пористоволокнистого материала марки ВТИ-7

Материал ВТИ-7 устойчив к воздействию влаги: уровень сохранения механических свойств материала составляет 67% после выдержки в камере тропического климата в течение 2 мес и 85% – после выдержки в условиях повышенной влажности (φ=98%, 30 сут). Акустические свойства материала ВТИ-7 также стабильны при действии на материал климатических факторов. Коэффициент звукопоглощения материала составляет 0,6–1,0 после выдержки в следующих условиях:

– при температуре 200°С в течение 1000 ч (диапазон частот 1000–5000 Гц);

– в камере тропического климата в течение 3 мес (диапазон частот 800–4800 Гц);

– после термоциклирования – 30 циклов при температуре от -60 до +200°С (диапазон частот 1000–5000 Гц);

– в условиях повышенной влажности в течение 30 сут (диапазон частот 1000–4800 Гц).

Материал ВТИ-7 рекомендован для изготовления сотовых многослойных ЗПК в качестве разделительных слоев между сотовыми заполнителями и как звукопоглощающий слой, используемый взамен сот. Толщина слоя из материала ВТИ-7 выбирается в соответствии с требованиями к акустическим характеристикам ЗПК.

В табл. 2 представлены акустические характеристики модельных образцов ЗПК различной структуры на основе сочетания материала ВТИ-7 с стеклосотопластом
ССП-1-8Э.

Таблица 2

Акустические характеристики модельных образцов звукопоглощающих конструкций (ЗПК) с использованием материала ВТИ-7

Акустические характеристики модельных образцов ЗПК зависят от степени перфорации входного слоя. Образцы со степенью перфорации от 5,3 до 8,5% имеют коэффициент звукопоглощения 0,8 в области низких частот (850–2250 Гц). Увеличение степени перфорации до 10% приводит к смещению максимального коэффициента звукопоглощения в диапазон высоких частот – от 1900–5000 кГц.

На рис. 1 представлены результаты испытаний ЗПК, проведенных ГОСНИЦ ЦАГИ на установке «Канал с потоком», по режимам, имитирующим работу двигателя ПС-90А.

Рисунок 1. Акустическая эффективность звукопоглощающих конструкций на основе материала ВТИ-7 при Ма=0,425:

■ – вариант 1; ▲ – вариант 2; ● – максимальное затухание

Испытаны ЗПК двух типов:

– резонансная двухслойная ЗПК (с двумя слоями резонансного заполнителя), содержащая следующие элементы – входной слой из металлической сетки марки С-450, стеклосоты высотой 20 мм, 2 слоя материала ВТИ-7 (плотность 0,19–0,21 г/см³), стеклосоты высотой 10 мм, заполненные материалом ВТИ-7 (вариант 1);

– комбинированная резонансно-градиентная ЗПК, в которой взамен одного слоя резонансного сотового заполнителя использовали шесть слоев материала ВТИ-7 общей толщиной 10 мм (вариант 2).

Результаты акустических испытаний показали, что ЗПК на основе пористоволокнистого полимерного композиционного материала ВТИ-7 имеют широкую полосу поглощения шума. Диапазон частот, в котором происходит эффективное звукопоглощение (снижение шума на 8–10 дБ), составляет 1000–5000 Гц, т. е. более двух октав. При этом ЗПК градиентного типа (вариант 2) обеспечивает на частотах 1,6 и 5 кГц максимально возможное затухание звука – на 16 и 9 дБ соответственно. Акустические характеристики градиентной ЗПК на основе материала ВТИ-7, полученные экспериментальным путем, приближаются к расчетным значениям снижения шума.

На рабочую температуру 300°С разработан и паспортизован звукопоглощающий пористоволокнистый материал марки ВТИ-12 на основе нетканого полотна из полиимидных волокон и полиимидного связующего СП-97с. Свойства материала представлены в табл. 3.

Таблица 3

Свойства звукопоглощающего пористоволокнистого материала марки ВТИ-12

Материал ВТИ-12 изготовляют методом прямого прессования на ограничительных упорах. Предварительно проводят пропитку нетканого материала из полиимидных волокон полиимидным связующим СП-97с с последующей сушкой. Прессовое формование материала проводят по ступенчатому режиму с максимальной температурой нагрева 300°С.

Материал ВТИ-12 устойчив к термостарению при температуре 300°С. Коэффициент звукопоглощения двухслойных образцов после термостарения при температуре 300°С в течение 1000 ч составил 0,60–0,81 (в диапазоне частот соответственно
1580–3700 Гц). Коэффициент звукопоглощения трехслойного образца после термостарения при температуре 300°С в течение 1000 ч составил 0,6–0,8 (в диапазоне частот соответственно 1400–4200 Гц).

Прочность материала ВТИ-12 сохраняется на уровне 70% после термостарения при 300°С в течение 1000 ч. Удлинение при разрыве после термостарения материала не изменяется.

На материал ВТИ-12 разработана документация: ТУ 1.595-9-932–2006 и ТР 1.595-9-641–2006 «Изготовление звукопоглощающего материала марки ВТИ-12».

Исследовано влияние высоты ЗПК на коэффициент звукопоглощения образцов, состоящих из материала ВТИ-12 и стеклосот высотой 5, 10, 20, 25 и 30 мм. Установлено, что увеличение высоты ЗПК приводит к увеличению значения коэффициента звукопоглощения на низких частотах, а на высоких частотах коэффициент звукопоглощения практически не зависит от высоты ЗПК (табл. 4).

Таблица 4

Акустические характеристики звукопоглощающих конструкций (ЗПК)

на основе материала ВТИ-12 и стеклосотового заполнителя

На установке «Канал с потоком» при скорости звука Ма=0,325 в диапазоне частот 500–10000 Гц в ГОСНИЦ ЦАГИ испытаны четыре комплекта ЗПК:

– входной слой в виде перфорированного листа толщиной 0,8 мм и перфорацией 8%, стеклосотопласт высотой 20 мм со стороной ячейки 8 мм, сетка марки С-450, стеклосотопласт высотой 10 мм со стороной ячейки 3,5 мм, 4 слоя материала ВТИ-12 (вариант 1);

– входной слой в виде перфорированного листа толщиной 0,8 мм и перфорацей 8%, стеклосотопласт высотой 5 мм со стороной ячейки 8 мм, сетка марки С-450, стеклосотопласт высотой 20 мм со стороной ячейки 3,5 мм, 3 слоя пористоволокнистого материала марки ВТИ-12 (вариант 2);

– входной слой в виде перфорированного листа толщиной 0,8 мм и перфорацей 8%, стеклосотопласт высотой 5 мм со стороной ячейки 8 мм, сетка марки С-450, стеклосотопласт высотой 15 мм со стороной ячейки 3,5 мм, 3 слоя пористоволокнистого материала марки ВТИ-12 (вариант 3);

– входной слой в виде сетки марки С-450, стеклосотопласт высотой 20 мм со стороной ячейки 8 мм, 3 слоя пористоволокнистого материала марки ВТИ-12 (вариант 4).

Результаты исследований показали (рис. 2), что ЗПК на основе стеклосотопласта и материала ВТИ-12 обеспечили широкую полосу поглощения звука. Снижение шума на 8–10 дБ наблюдается в диапазоне частот от 800 до 5000 Гц, что составляет две с половиной октавы. При этом на отдельных частотах из данного частотного диапазона обеспечивается максимально возможное затухание (близкое к расчетному значению).

Рисунок 2. Акустическая эффективность звукопоглощающих конструкций на основе сотопластов и трехслойного композиционного материала ВТИ-12 при Ма=0,325:

■ – вариант 1; ▲ – вариант 2; ● – вариант 3; ○ – вариант 4; ♦ – максимальное затухание

Комплекты трехслойных конструкций 1, 2 и 3 имеют звуковую эффективность на 10–15% выше по сравнению со звуковой эффективностью двухслойной конструкции (комплект 4). Структура ЗПК комплекта 3 обеспечила высокую звуковую эффективность: 16 дБ при частоте 1600 Гц, что указывает на оптимальное соотношение высоты и размера ячейки стеклосотопласта в конструкции. Эффективность комплекта 4 на частоте 1600 Гц оказалась ниже, чем у комплектов 1, 2 и 3; на остальных частотах эффективность не ниже 10–8 дБ в области частот 1000–5000 Гц соответственно. Комплект 3 имеет звуковую эффективность не ниже 5 дБ в диапазоне частот 800–10000 Гц.

Таким образом, разработаны пористоволокнистые материалы, имеющие высокие коэффициенты звукопоглощения 0,6–1 в диапазоне частот 1–5 кГц, которые в составе ЗПК в диапазонах частот 1,3–5 кГц обеспечивают акустическую эффективность, сопоставимую с максимально возможным затуханием (близким к расчетному значению).