Численное моделирование акустических испытаний самолётов |

Российские учёные из Института прикладной математики РАН и МФТИ разработали метод численного бимформинга для точной локализации источников шума на моделях сверхзвуковых самолётов. Метод основан на решении обратной акустической задачи с использованием уравнения Гельмгольца и позволяет реконструировать пространственное распределение и интенсивность акустических источников по данным виртуальных микрофонных решеток.

В отличие от экспериментальных методов, численный бимформинг не требует дорогостоящих физических испытаний.

Справка для пояснения метода :

Произведено обобщение стандартного алгоритма Conventional Beamforming, позволяющее взаимно
учитывать данные последовательных измерений одной микрофонной решеткой, располагаемой в
различных положениях по отношению к области генерации звука. В случае отсутствия непосредственной возможности применения микрофонных решеток необходимой геометрии в системе синхронного измерения, обобщенный алгоритм позволяет заменить измерение решеткой сложной конфигурации набором измерений одной микрофонной решеткой, последовательно помещаемой в различных положениях.

Источник:

Верификация и валидация модифицированного метода производятся при помощи численного моделирования, а также при помощи результатов проведенных экспериментов в акустической заглушенной камере АК-2 ЦАГИ, где в качестве источников шума использовались акустические динамики.

Метод обрабатывает сигналы с массива микрофонов, учитывая монопольные и дипольные источники шума. Для его верификации применялся метод Фокса-Уильямса–Хокингса. Реализация метода требует значительных вычислительных ресурсов; для анализа модели крыла размером 45×20 метров на скорости 245 км/ч использовался суперкомпьютер «Ломоносов-2». Обрабатывалось около 220 миллионов расчётных точек, что занимало десятки часов вычислений на каждую секунду полёта

Результаты исследования показали, что источники низкочастотного шума (менее 250 Гц) связаны с вихревыми структурами в зоне предкрылков, тогда как высокочастотный шум (выше 1 кГц) формируется турбулентными следами за элементами механизации крыла. Такая дифференциация позволяет инженерам точечно оптимизировать конструкцию, снижая уровень шума в критических зонах на 5-7 дБ. Это способствует не только улучшению акустического комфорта, но и помогает соответствовать ужесточающимся международным нормам ИКАО по шуму, особенно актуальным для новых сверхзвуковых лайнеров.

Параллельно с работами ИПМ и МФТИ, Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) активно применяет метод бимформинга в своих исследованиях. В ЦАГИ использовали многоканальные акустические измерения и сферические микрофонные решётки для локализации и ранжирования источников шума в кабине экипажа самолёта SSJ100. Также проводились исследования аэродинамического шума авиационных двигателей вблизи планера самолёта с использованием адаптированных многомикрофонных методов бимформинга в рамках проекта IENA. Эти исследования позволили выявить основные источники шума и их частотные характеристик, а полученные результаты помогут разработать меры по снижению акустического воздействия на пассажиров и экипаж.

Кроме того, ЦАГИ реализует комплексные программы по изучению шумовых характеристик широко распространённых коммерческих авиалайнеров, таких как Boeing 777 и Airbus A320. В частности, были проведены масштабные исследования на моделях этих самолётов в аэродинамических трубах различных размеров (6,3% и 26% масштабов) и в условиях летных испытаний. Эти работы позволили выявить различия в локализации и ранжировании источников шума, связанные с особенностями обтекания и масштабированием моделей, а также провести пересчёт шумовых характеристик с моделей на натурные условия. Анализ частотных диапазонов и направленности шума для Boeing 777-200 и Airbus A320/321 дал возможность более точно оценить акустическое воздействие и разработать рекомендации по снижению шума в критических зонах конструкции.

Таким образом, применение метода бимформинга в ЦАГИ охватывает широкий спектр задач — от локализации шумовых источников в кабине и на двигателях до комплексного анализа аэродинамического шума на моделях и натурных самолётах. Это позволяет не только повысить точность диагностики шумовых характеристик, но и интегрировать численные и экспериментальные методы для оптимизации конструкции и повышения комфорта пассажиров и экипажа.

Значение данных исследований для авиационной отрасли заключается в возможности снижения затрат на физические испытания, которые традиционно требуют значительных ресурсов и времени. Метод численного бимформинга позволяет сократить объём таких испытаний до 40%, обеспечивая при этом более детальный и точный анализ шумовых характеристик. Это открывает перспективы для интеграции численных и экспериментальных методов в процессе проектирования тихих сверхзвуковых и гражданских самолётов, соответствующих международным экологическим стандартам и требованиям ИКАО. Кроме того, технология может быть адаптирована для анализа шума двигателей, моделирования звукового удара и оптимизации конструкции фюзеляжа.

Сравнение с зарубежными исследованиями

Разработанный российскими учёными метод численного бимформинга соответствует современным мировым тенденциям в области акустического моделирования. Например, в NASA активно внедряются интегрированные цифровые методы для прогнозирования и анализа шума на этапе проектирования новых конфигураций летательных аппаратов, включая «экологически чистые» самолёты и «летающее крыло». В Airbus и ряде европейских лабораторий широко применяются экспериментальные методы, такие как Direct Field Acoustic Testing (DFAT), а также лабораторное моделирование шума на фрагментах фюзеляжа и крыльев. DFAT позволяет существенно снизить стоимость и ускорить испытания, однако требует сложной экспериментальной базы.

Сравнение методов акустического моделирования
Параметр	Российский метод	NASA/США	Airbus/ЕС
Масштаб моделирования	Полногабаритные модели	Компоненты, цифровое моделирование	Сегменты, лабораторные тесты
Точность локализации	Высокая (5–7 дБ)	Высокая (2 EPNdB)	Высокая (по JAR 25.571(d))
Экспериментальная база	Виртуальная, суперкомпьютер	Аэродинамические трубы, кластеры	DFAT, лаборатории, микрофоны
Основное преимущество	Гибкость, экономичность	Интеграция с сертификацией	Снижение стоимости испытаний

В отличие от зарубежных подходов, российский метод ориентирован на применение к полномасштабным моделям сверхзвуковых самолётов с акцентом на точную локализацию источников шума в виртуальной среде. Это особенно актуально при ограниченном доступе к дорогостоящим экспериментальным установкам. Сравнительный анализ показывает, что отечественная технология не только дополняет, но и в ряде случаев может заменить физические испытания, особенно на этапах проектирования, где важна оперативность и вариативность расчётов.

Источник: