Шумовое загрязнение от транспорта и промышленности является одной из ключевых экологических угроз, ведущей к росту сердечно-сосудистых заболеваний и хронического стресса. Решение этой проблемы во многом зависит от эффективности звукопоглощающих панелей, используемых в авиадвигателях и корпусах техники. Однако существующие технологии их производства, основанные на сборке многослойных звукопоглощающих панелей, не обеспечивают нужной точности и ведут к высокому проценту брака и снижению эффективности шумоподавления. Ученые Пермского Политеха разработали способ изготовления однослойных разновысотных звукопоглощающих панелей для авиадвигателей. Такая технология позволит снизить шум и уменьшить массу конструкции в 1,5 раза по сравнению с существующими аналогами.

На изобретение выдан патент.

Шум, создаваемый техногенными объектами, уже давно является серьезной глобальной проблемой. Безопасным для слуха в течение длительного времени считается уровень до 55-60 дБ, что сравнимо с тихим офисом. Регулярное воздействие громкостью свыше 85 дБ (как на оживленной автодороге) в течение восьми часов создает серьезные риски. По данным ВОЗ такой уровень звукового давления ведет к повышенным рискам развития сердечно-сосудистых заболеваний, стресса и нарушений сна.

Особую актуальность задача снижения шума приобретает в авиационной отрасли. Строгие международные нормы, устанавливающие предельные уровни звука для зон вблизи аэропортов, сдерживают их территориальное расширение, увеличение количества взлет-посадочных операций и ввод в эксплуатацию новых рейсов. Кроме того, высокий уровень шума внутри салона лайнера (порядка 75-85 дБ) создает хронический дискомфорт для пассажиров, провоцируя повышенную утомляемость и стресс. Для членов экипажа, ежедневно работающих в таких условиях, это воздействие перерастает в устойчивый профессиональный риск для здоровья.

Ключевым элементом систем шумоподавления, особенно в двигателях, являются резонансные (звукопоглощающие) панели. Их эффективность напрямую зависит от точности изготовления ячеек. Любые производственные дефекты, даже малейшие неровности, отклонения в размерах или микрозазоры, приводят к резкому снижению их акустических свойств.

Существующие технологии производства таких панелей не позволяют изготавливать их с гарантированной точностью. Для эффективного подавления шума необходимы неоднородные структуры с разной геометрией и объемом. Однако их производство через ручную или автоматизированную установку отдельных деталей оказывается ненадежным и слишком дорогим для широкого применения. Кроме того, чем сложнее конструкция, тем больше требуется операций по сборке, и каждая из них может привести к ряду дефектов, таких как расслоение, изменение формы ячеек, нарушение процента перфорации.

Еще одним ограничением существующих технологий является вес самой конструкции. Звукопоглощающие панели часто имеют значительную массу, поскольку для эффективной работы требуют применения двух и более слоев звукопоглощающих заполнителей (с ячейками постоянной формы и объема). В авиации любое увеличение веса приводит не только к повышенному расходу топлива, но и к сокращению дальности полета.

Ученые Пермского Политеха разработали уникальный способ изготовления однослойной широкополосной звукопоглощающей конструкции. Он основан на формировании сложной внутренней геометрии панелей, что позволяет снизить шум в диапазоне рабочих частот авиационного двигателя и уменьшить вес панелей в 1,5 раза по сравнению с аналогами.

В основе новой технологии лежит создание разновысотной матрицы - специальной пресс-формы. Она работает по принципу точного штампа, задающего внутреннюю геометрию звукопоглощающих панелей. Для ее изготовления ученые создали цифровую 3D-модель, в которой задали все параметры: высоту, форму и расположение каждого элемента. Далее с помощью промышленной 3D-печати из металла или композита они изготовили готовый образец. Поверхность пресс-формы представляет собой рельеф из выступов разной высоты, каждый из которых будет формировать определенную ячейку конструкции.

Процесс производства самих панелей также состоит из нескольких этапов. Сначала подготовленную пресс-форму размещают на ровной поверхности и на ее выступы укладывают обычный сотовый заполнитель, например, из алюминия или полимера. Важно, что все ячейки имеют разную глубину и объем. Там, где выступ высокий, почти не остается свободного места, а где он низкий, образуется глубокая полость. Таким образом, уже на этом этапе автоматически формируется основа с разными параметрами, которая станет каркасом для будущих панелей шумоподавляющей конструкции.

Образовавшиеся в ячейках полости заполняют специальными акустическими материалами. В зависимости от требуемых свойств используют разные составы: от жестких полимерных смол до мягких вязких паст или пористых наполнителей. Материал вносят с небольшим избытком, после чего заготовку подвергают термообработке. В конце излишки на панелях срезают, получая идеально ровную ячейку строго заданной формы.

Ключевое преимущество предложенного способа состоит в том, что вся сложная внутренняя структура формируется не вручную, а за счет контакта с формой. Раньше для создания ячеек разной глубины в каждую приходилось вставлять отдельную заглушку. Новая технология исключает сотни таких операций, что снижает и риск брака.

- Для объективной оценки эффективности новой конструкции мы провели лабораторные испытания. Опытные образцы панелей, изготовленные по новому методу, поместили в акустическую трубу - стандартный стенд для измерения звукопоглощающих свойств материалов. Далее на них направили звуковые волны разной частоты и с помощью специальных микрофонов зафиксировали уровни отраженной энергии. На основе собранных данных мы вычислили коэффициент звукопоглощения в определенном диапазоне - ключевой показатель эффективности. Для наглядности полученные результаты были представлены в виде графика, который показывает, как панель справляется с шумом на разных частотах,- рассказал Павел Писарев, заведующий научно-исследовательской лабораторией пространственно-армированных композиционных материалов кафедры "Механика композиционных материалов и конструкций" ПНИПУ, кандидат технических наук.

Проведенные испытания показали два ключевых преимущества новой технологии. Во-первых, она позволила добиться значительного снижения массы конструкции. За счет отказа от многослойных ЗПК, которые классически используются в настоящее время в двигателях, а также благодаря рациональной внутренней структуре, вес панели был уменьшен в 1,5 раза по сравнению с существующими аналогами. Для авиационной отрасли, где каждый килограмм напрямую влияет на топливную экономичность, этот показатель имеет ключевое значение.

- Что касается звукопоглощения, испытания подтвердили, что новая панель является более "широкополосной", то есть она эффективно подавляет шум не на отдельных частотах, а в целом диапазоне. При этом количественные замеры показали общий рост акустической эффективности как минимум до 12%, что является значимым результатом в данной области. Можно сказать, что разработанный способ предлагает готовое решение для преодоления существующих ограничений в производстве современных звукопоглощающих панелей. Переход от трудоемкой сборки к использованию 3D-матрицы позволяет создавать конструкции с очень точной и сложной геометрией, что ранее было экономически невыгодно, - дополнила Карина Ахунзянова, младший научный сотрудник кафедры "Механика композиционных материалов и конструкций" ПНИПУ.

Области применения технологии охватывают все отрасли, где требуется эффективное шумоподавление. В первую очередь, в авиации такие панели можно ставить в двигателях и салонах самолетов, чтобы снизить шум и соответствовать строгим международным нормам. Они также подойдут для поездов и автомобилей - как для тихих моторов, так и для шумозащитных экранов у дорог. Кроме того, эту разработку можно использовать в строительстве и на заводах, чтобы снизить шум от промышленного оборудования.