Acustica e NVH in una cabina passeggeri di aereo

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Sebbene ci siano un gran numero di effetti che influenzano il rumore in una cabina passeggeri di un aereo, i tre più importanti sono il motore, lo strato limite turbolento (TBL) e l’impianto di condizionamento e pressurizzazione (ECS): gli ultimi due sono l’obiettivo di studio della presente tesi. La capacità dei software di simulare tutto quanto circonda e comprende la cabina mediante un processo CAE e di agire sulle vibrazioni e l’acustica durante le diverse fasi di progettazione dell’aereo, fin dall’avanprogetto, è cresciuta di pari passo alla capacità di calcolo computazionale. Per questo le funzionalità e le capacità di simulazione di nuovi software sono stati ampliate progressivamente negli ultimi anni.

Figura 1: Principali cause del rumore interno in una cabina di aereo

   In tutti i veicoli di trasporto la pressione dell’aria (causa del rumore) e le vibrazioni sono interdipendenti: si parla quindi di vibroacustica, che studia gli effetti delle vibrazioni strutturali sulla trasmissione del rumore e della pressione dell’aria sulle vibrazioni, nel caso di problemi fortemente accoppiati. L’influenza della vibrazione del condotto di ECS e gli effetti nei fori di uscita dell’aria sono tenuti in conto per il calcolo del rumore percepito dai passeggeri. Per l’analisi della TBL, l’effetto delle vibrazioni dei pannelli, rinforzati mediante irrigidimenti, è stato anch’esso valutato. 

   Il processo CAE è stato diviso in tre parti. La prima fase è stata la generazione della geometria mediante Catia; nella seconda fase, è stata effettuata la meshatura dei diversi componenti con gli adeguati elementi, - BEAM, SHELL o SOLID – ed il metodo agli elementi finiti, utilizzando il software MSC Patran. Infine, lo studio vibroacustico è stato realizzato mediante un’analisi di tipo vibroacustico debolmente accoppiato in MSC Actran. L’accoppiamento debole tiene conto degli effetti della struttura sul fluido, ma non viceversa.

Figura 2: Cutaway di sezione di aereo intorno a un sedile

  Una giusta modellazione della struttura e del mezzo di trasmissione del rumore richiede di definire adeguatamente la sorgente dello stesso. Per ridurre il tempo di calcolo e lo sforzo computazionale, gli effetti dettagliati sui condotti, che si potrebbero ottenere mediante un’analisi  CFD della turbina di ventilazione, sono stati invece approssimati. La simulazione è stata effettuata mediante i modi dei condotti: la sorgente di rumore nel condotto è una onda piana orizzontale che si riflette sulle pareti e sulle estremità. Il suo contributo  al rumore viene determinato tanto per gli effetti viscosi dell’aria nei fori quanto per la vibrazione del condotto. La simmetria dell’asse lungo la cabina è stata utilizzata per ridurre il modello alla sua metà.

   Nel caso dello strato limite turbolento, anche con lo scopo di ridurre i tempi, le richieste di calcolo e la quantità di dati in input, la fluttuazione della pressione (WPF) è stata approssimata mediante il modello semi-empirico di Corcos, che descrive lo strato limite turbolento come un processo aleatorio stazionario e distribuito. Per tenere conto degli effetti della struttura e minimizzare i gradi di libertà, si è compiuta la estrazione modale della cabina mediante i software Actran e MUL2, questo ultimo sviluppato dal Politecnico di Torino. MUL2 permette estrarre la geometria e i modi in formato Nastran (BDF), uno dei vari formati accettati da Actran. Le soluzioni modali di entrambi i codici hanno dimostrato correlazione per il range di interesse. Infine la geometria, doppiamente simmetrica, permette di risolvere lavorando su un quarto della struttura complessiva, aggiungendo la ipotesi di modi antisimmetrici poco rilevanti. Questi modi, pertanto, non appariranno nei risultati quando si impongano i vincoli strutturali necessari per applicare la doppia simmetria.

   Due obiettivi secondari sono comparsi e affrontati durante la creazione dei modelli ECS e TBL, l’assemblaggio di programmi con Actran e il miglioramento della sua interfaccia grafica. Si è verificato che qualsiasi programma che genera files di uscita nei formati più tradizionali può essere assemblato; mentre le innovazioni richieste all’interfaccia grafica sono stati implementate nelle versioni attuali.  

   Si è dimostrato che nella installazione del ECS ci sono degli effetti da tenere in conto riguardanti il numero e la posizione delle uscite dell’aria, la posizione del condotto, i materiali assorbenti intorno al condotto e l’effetto dei sedili sulla propagazione. Precisamente, proprio in considerazione a questo ultimo aspetto, si può determinare la configurazione ottimale con i condotti sotto le sedie, dovuto all’effetto assorbente di questi e alla maggiore distanza dall l’orecchio. Il numero di fori più adeguato è quattro per ogni quarto di cabina, per ottenere una minore generazione di picchi di rumore.

Figura 3: Pressione percepita per il microfono 6 per la configurazione set1, per diversi numeri di uscite d'aria del sistema HVAC
   

Ruben Cobos Guerrero
Dipartimento di meccanica
Universitat Politècnica de Catalunya