Politecnico di Torino – Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale

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L'argomento del progetto è legato allo sviluppo e all'integrazione di tecnologie e concetti innovativi per migliorare l'ambiente fisico della cabina in termini di comfort a bordo. Esso si concentra principalmente su fattori umani, rumore, vibrazioni e l’utilizzo di materiali ecologici. Inoltre, esamina l'alto potenziale della riduzione del rumore connesso ai materiali di assorbimento acustico non convenzionali e a concetti strutturali innovativi.
Una potenziale soluzione per il comfort della cabina è l'adozione di pannelli con struttura sandwich costituiti da un cuore con schiuma metallica. Saranno inoltre testate alcune soluzioni tecniche con l'aggiunta di materiali viscoelastici a bassa densità come i metamateriali (per verificare le prestazioni finali dei pannelli).
 
Sono stati considerati due diversi tipi di studio metodologico in base alle fonti disponibili e alle soluzioni richieste:
  • SPHERICAL SOURCE, studio del livello di pressione sonora trasmesso ai passeggeri di un aereo da una fonte sferica che simuli la presenza di un motore turboelica.
  • DIFFUSION SOUND FIELD, studio della perdita di trasmissione / riduzione del rumore all'interno di una sezione della cabina del velivolo usando una random diffuse sound field.
In accordo con MSC Software, Leonardo S.p.A. e Politecnico di Torino, la nostra attività si è concentrata su metodologie generali per limitare la complessità dell'applicazione, con l'obiettivo principale di creare un metodo di base per lo studio su:
  • DSF/NR. Analisi Energetica
  • Engine – Spherical Sound Source (Risposta dei materiali a confronto)
Requisiti del rumore su un velivolo regionale con motore turboelica
Per il tipo di velivolo scelto in condizioni di crociera, il livello di rumore interno medio percepito all'altezza dell'orecchio di una persona seduta al centro della cabina non dovrebbe superare i 74 dBA. Complessivamente l'indice SIL3, calcolato su tutta la media della cabina, non deve superare i 69 dB.
Processo di lavoro
Inizialmente il volume d’aria esterno al motore e la fusoliera sono stati progettati in CAD (fig.1). L’intero processo di lavoro è descritto in seguito:
- disegnare un ipotetico tronco di fusoliera;
- scegliere le linee guida dei modelli già esistenti;
- selezionare un modello a sezione circolare con quattro sedili per fila;
- infine limitare lo studio solo su metà del tronco della fusoliera (a causa della sua simmetria) al fine di   ridurre le risorse computazionali richieste.
 
Figura 1: CAD Design volume d’aria esterno al motore e fusoliera
 
Una volta terminata la progettazione CAD del tronco di fusoliera, con un altro software, MSC Apex, il file CAD viene trasformato in un file mesh MSC Nastran (* .bdf). Le inesattezze riportate sono state poi corrette manualmente per rendere il modello adatto come file di input in Actran. (Fig. 2).
 
Figura 2: Mesh della fusoliera, MSC Apex
 
La risposta diretta in frequenza è la procedura di calcolo utilizzata per determinare la risposta di un sistema acustico, vibroacustico o aero-acustico ad una specifica eccitazione nelle coordinate fisiche e nel dominio delle frequenze. Questa è l’analisi più comune utilizzata in Actran.
Come già detto, è sufficiente solo la metà del tronco della fusoliera, a causa della sua simmetria. Considerando quindi, la configurazione classica di un velivolo turboelica ad ala alta, è stata analizzata la porzione di fusoliera più vicina al motore. Inoltre, sono state studiate e confrontate diverse configurazioni, considerando un ulteriore strato di fusoliera e cambiando la scelta dei materiali utilizzati su di essa. 
Inizialmente sono stati effettuati dei test strutturali per assicurare la corretta risposta del modello e in seguito sono state eseguite le analisi delle diverse combinazioni con i nuovi materiali.
 
Figura 3: Spherical Source nella mesh del volume d’aria esterno (Configurazione ad ala alta)
 
Per la risposta diretta in frequenza, la sorgente sferica simula la presenza di un motore (Fig. 3), posizionato sotto l'ala di un velivolo turboelica con configurazione ad ala alta. Essa deve essere supportata da una mesh di volume che identifica l'aria intorno al motore. Anche l’aria all’interno della cabina deve essere supportata da una mesh di volume la quale viene identificata come mezzo di propagazione acustica all’interno della fusoliera. Dopo aver impostato tutti i tipi di mesh, si ottiene il modello completo ed è possibile configurare i componenti e le condizioni al contorno prima di avviare il calcolo.
Componenti e condizioni al contorno:
- Cavità d'aria, a ogni dominio di volume vuoto viene assegnata la proprietà di volume d’aria;
- Volume del materiale, ai volumi dei sedili e del tappeto vengono assegnate le proprietà del materiale   poroso di cui sono composti;
- Superfici Sottili, a tutte le superfici del modello vengono assegnate le caratteristiche del materiale di cui sono composte e il loro spessore;
- Interfaccia tra la superficie di accoppiamento, si associa un accoppiamento, con una precisa tolleranza, tra le superfici con mesh diversa;
- Acustica Infinita, sulle superfici esterne che delimitano il modello viene associata una proprietà di elementi infiniti al fine di evitare una riflessione sonora sulla superficie;
- Gli spostamenti e le rotazioni sono bloccate;
Nel post-processing è stato incluso:
- Microfoni posizionati in tre aree: la posizione della testa di un passeggero seduto al posto finestrino e corridoio, la posizione delle orecchie di un passeggero seduto, la posizione delle altezze medie della popolazione europea lungo il corridoio. Attraverso un comando di FRF Output si è determinato un grafico con i picchi di risonanza e l’andamento dei decibel percepiti a ogni frequenza;
- Output Map, associata ai domini della fusoliera, del pavimento e del supporto pavimento, che forniscono informazioni sugli spostamenti all'interno della struttura;
- Field Map, associata a un piano longitudinale e trasversale, in cui viene proiettato l’andamento del livello di pressione del suono che attraversa la fusoliera.
Le stesse ipotesi sono state fatte per un modello di un velivolo con configurazione ad ala bassa col motore posizionato sotto l'ala.
 
 
Grafico 1 : Andamento SPL tra diverse configurazioni di fusoliere in alluminio con microfono posizionato sul posto finestrino
 
Un esempio di ciò che l'utente ottiene nel post-processing, Sono due Output Map relative alla tendenza degli spostamenti [mm] (Fig. 4) sulla struttura della fusoliera, e il livello di pressione sonora [dBA] (Fig. 5).                                  
Figura 4 : Spostamenti [mm] Output Map      Figura 5 : Sound Pressure Level [dBA] Output Map
 
In ultima analisi è stata effettuata la Noise Reduction che indica quanto il livello di pressione sonora è diminuito a causa della struttura. Questo indicatore è necessario per migliorare l'assorbimento della fusoliera. I risultati sono calcolati nella cavità della fusoliera utilizzando la sua pressione quadratica media.
Per le applicazioni di rumore in cabina, i valori all'interno della fusoliera sono più rappresentativi nella Noise Reduction perché non viene analizzato un singolo pannello della struttura, come viene fatto, invece, per lo studio di una Trasmission Loss, ma viene analizzato l’intero volume del veicolo in cui sono presenti i passeggeri. Il calcolo è impostato nello stesso modo per entrambi i casi (TR e NR) tranne per la valutazione di potenza che non è richiesta nel NR, dato che l'analisi considera solo la pressione e non l'energia dissipata durante la propagazione acustica.
Nel nostro studio consideriamo solo la fusoliera esterna senza pavimento e rinforzo inferiore. I risultati non sono quindi affidabili perché la cavità su cui è realizzata non esiste nella realtà ma risulta comunque utile per confrontare i diversi effetti strutturali dei materiali. 
 
Grafico 6 : Confronto NR tra diverse configurazioni della fusoliera esterna
 
Laurea Magistrale in Ingegneria Aerospaziale
Relatori: Prof. E. Carrera, Prof. M. Cinefra, Ing. Rubén Cobos Guerrero, Ing. D. Catelani
Studente: Sebastiano Passabì