Investigação numérica e experimental do ruído de jatos instalados e técnicas de redução de ruído

Abstract

A expansão do tráfego aéreo mundial aumentou a exposição ao ruído das comunidades lindeiras às zonas aeroportuárias. Tais comunidades por meio de reclamações impulsionaram legislações de ruído aeronáutico para garantir seu conforto acústico. Por outro lado, as fabricantes de aeronaves se veem no entrave de atender normativas e processos de certificações cada vez mais restritivos em busca da diminuição do ruído de seus produtos. Durante a decolagem, devido à maior exaustão de gases pelo motor, o ruído de jato é uma das fontes sonoras que se destacam. Motores turbofan de alta razão de passagem conseguiram uma redução do ruído através da diminuição da velocidade de mistura. Entretanto, o aumento dos motores começa a esbarrar em questões estruturais e aerodinâmicas. Além disso, a redução da potência sonora associada ao jato fez com que o ruído de instalação se tornasse cada vez mais relevante. Sabe-se que as geometrias em campo próximo amplificam o ruído irradiado para o campo distante, aumentando consideravelmente os níveis de pressão sonora, devido ao fenômeno do espalhamento acústico que acontece em torno do bordo de fuga da geometria. Este trabalho propõe um estudo para mitigação do ruído de instalação, através do tratamento acústico de componentes estruturais nas proximidades do jato. Uma das alternativas propostas é a mudança da impedância acústica da superfície, na região do bordo de fuga, através de materiais projetados que atendam as condições de impedância necessárias para redução do ruído. Para isso, buscou-se entender o ruído de instalação com uma geometria simplificada, através de um modelo de escala reduzida. Na sequência, implementou-se uma ferramenta numérica baseada no método de elementos de contorno, que permitiu simular a interação do campo acústico próximo gerado por um modelo de pacote de onda e a geometria. Com base neste modelo, foi possível estimar resultados experimentais e realizar projetos, otimizando uma impedância para atenuar o ruído de instalação em campo distante. Em seguida, modelos semi-empíricos foram utilizados para ajudar no projeto de liners para atenuação do ruído de instalação, que foram por sua vez confeccionadas via manufatura aditiva e então ensaiadas. O fechamento do estudo se dá através da medição experimental dos melhores casos projetados, que se mostram em acordo com o esperado pela simulação.

Abstract: The global air traffic expansion increased exposure to noise of communities bordering airport areas. Such communities, through complaints, boosted aeronautical noise legislation to ensure their acoustic comfort. On the other hand, aircraft manufacturers find themselves in the challenge of complying with increasingly restrictive standards and certification processes to reduce aicraft noise. During takeoff, due to the greater exhaustion of gases by the engine, jet noise is one of the sound sources that stands out. Turbofan egines of high bypass ratio achieved a reduction in noise by decreasing the mixing speed. Howevever the increase in engines begins to run into structural and aerodynamic issues. Futhermore, the reduction in the sound power associated with the jet turn the installation noise relevant. Currently, it is understood that the geometries in the near field amplify the radiated noise to the far field, considerably increasing the sound pressure levels, due to the phenomenon of acoustic scattering that happens around the trailing edge of the geometry. This work proposes a study to mitigate the installation noise, through the acoustic treatment of the structural components in the vicinity of the jet. One of the proposed alternatives is to change the acoustic impedance of the surface, in the trailing edge region, through materials designed to meet the impedance conditions necessary to reduce noise. For this, the installation noise was studied through the use of a small scale model, seeking experimental trends to delimit the noise frequency range. The installation noise was investigated with a simplified geometry, but closer to the final product. With the physical phenomenon understood, a numerical tool based on the boundary element method was implemented, which allowed simulating the interaction of the near acoustic field generated by a wave packet model and geometry. Based on this model, the impedance was optimized to attenuate installation noise in the far field. Subsequently, semi-empirical models were used to assist in the design of cavities to attenuate noise, which were built via additive manufacturing and then tested. The study was concluded through the experimental measurement of the best projected cases that are in agreement with the simulation.