Vibroacoustic analysis in the cabin of a regional turboprop with innovative materials by Actran

L'obiettivo principale di questo lavoro è quello di valutare il comfort acustico, cioè il rumore a cui sono soggetti i passeggeri in cabina. Nello specifico si devono calcolare i livelli di pressione acustica nella cabina di un turboelica regionale considerando una sorgente sonora formata da molteplici componenti di rumore tonale e a banda larga, che caratterizzano il rumore generato dai motori durante le condizioni di volo di crociera. In particolare, si mira a dimostrare le ottime prestazioni acustiche delle tecnologie passive per la riduzione del rumore e delle vibrazioni, come i metamateriali, rispetto alle soluzioni classiche di insonorizzazione. Inoltre si vuole valutare il rumore in cabina con una configurazione priva di finestrini, windowless. Tuttavia c’è una carenza di modelli numerici affidabili, validi anche per materiali innovativi, che siano in grado di prevedere la risposta strutturale e la potenza acustica irradiata. La disponibilità di uno strumento di simulazione numerica è un requisito fondamentale, in particolare per gli aeromobili di tipo regional dove le richieste sono più stringenti. Ciò si unisce all’esperienza da degli utenti nell’impiego di tali strumenti e alla loro capacità di interpretare correttamente e realisticamente i risultati numerici prodotti. In parallelo, la possibilità di studiare materiali e configurazioni innovativi è un fattore trainante nell’affrontare il problema del rumore interno agli aeromobili. Poiché i carichi acustici considerati sono nell’intervallo delle basse frequenze, il metodo degli elementi finiti (FEM) può essere adottato per la simulazione vibro-acustica di questo problema. In questo contesto, Actran è un potente strumento FEM di MSC Software per l'analisi acustica e vibro-acustica di strutture complesse, che tiene conto di diverse geometrie, condizioni di carico e di materiali innovativi: tra questi, materiali porosi, materiali ortotropi 3D e materiali con proprietà non convenzionali come metamateriali, i quali possono presentare proprietà meccaniche e di massa negative, complesse e dipendenti dalla frequenza. Inoltre, questo software consente diversi tipi di analisi che sono stati convalidati attraverso molte applicazioni. In questo studio, i carichi aerodinamici dell'elica in condizioni di crociera sono stati calcolati con una Blade Element Momentum Theory (BEMT) e sono stati utilizzati per calcolare la pressione acustica sui pannelli della fusoliera attraverso un approccio integrale FW-H. I carichi alle prime tre Blade Passage Frequencies (BPF), rappresentando il contributo dominante, sono stati convertiti in carichi acustici (pressione con parte reale e immaginaria) per le successive analisi vibro-acustiche. Un materiale sandwich con un cuore in metamateriale è stato impiegato per i pannelli di rivestimento della cabina per migliorare l'assorbimento acustico attraverso la fusoliera. Il livello medio di pressione sonora all'altezza dell'orecchio del passeggero seduto è stato valutato numericamente. I risultati ottenuti con Actran rivelano una significativa riduzione del livello di pressione sonora nel complesso della gamma di frequenze e lungo tutta la cavità considerata, che comprende la cabina passeggeri, grazie all'utilizzo di metamateriali. Per quanto riguarda le valutazioni sulla configurazione windowless, i risultati rilevano che l’assenza dei finestrini non comporta una riduzione significativa, per alcune frequenze tonali addirittura nulla, del rumore in cabina.