بخشی از مقاله
چکیده
صداي حاصل از موتور که از طریق سازه و بدنه به داخل هواپیما نفوذ می کند هنوز یکی از معضلات جدي براي طراحان هواپیماهاي توربوپراپ به شمار می رود. چرخش ملخ هاي موتور منبع اصلی صدا در این نوع هواپیماها می باشد. این صدا از طریق سازه و هوا به بدنه هواپیما منتقل شده و آن را به ارتعاش در می آورد. به دلیل فرکانس پایین صداي حاصل از ملخ، کاهش سر و صداي ایجاد شده در داخل هواپیما توسط مستهلک کننده هایی همچون لاستیک، ویسکوالاستیک و سایر جاذب هاي غیر دینامیکی میسر نمی باشد.
در این مقاله طراحی جاذب دینامیکی براي نصب روي بدنه جهت جذب ارتعاش و استهلاك انرژي صوت در سازه هواپیما که مسیر انتقال ارتعاش و صوت می باشد، مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا روابط تئوري جهت طراحی جاذب هاي دینامیکی قابل تنظیم استخراج شده، سپس مدل اجزاء محدود جاذب، با استفاده از نرم افزار حلاحشA تحلیل گردیده و در پایان ساخت و تست آن براي هواپیماي آنتونف 140 انجام شده است.
مقدمه
به طور کلی روش هاي بررسی رفتارهاي ارتعاشی و صوتی بر اساس چگونگی کاربرد، به سه گروه عمده شامل جداسازي ارتعاش، کنترل راه هاي انتقال ارتعاش توسط سازه و کنترل صدا تقسیم می شوند. اغلب کتب ارتعاشات تا حدي معادلات اساسی جاذب هاي ارتعاشی دینامیکی را آورده اند. در این میان دن هارتوگ به طور مفصل به بحث در مورد تئوري این جاذب ها پرداخته است .[1] بیشوپ براي اولین بار مساله اضافه نمودن یک جاذب ارتعاشی به یک سازه پیوسته یا چند درجه آزادي گسسته را مطرح کرد .[2] ریشینگ و کمپ بل کاربرد این جاذب ها را تحت تاثیر بارهاي اتفاقی تشریح کردند .[3] کولوسکی در مورد جاذب هاي ارتعاشی غیر خطی و اصول طراحی آن ها مطالعاتی انجام داده است .[4]
جاذب هاي ارتعاشی غیر فعال در دهه اخیر به شکل موفقیت آمیزي در مهندسی عمران براي حفاظت از ساختمان هاي بلند در مقابل زلزله و باد، عمدتا در ژاپن و آمریکا طراحی و ساخته شده اند. در سال هاي اخیر جاذب هاي ارتعاشی متفاوتی براي هواپیماها و هلیکوپترها ارائه شده است. گاردو نیو [5] بازنگري وسیعی روي مکانیزم هاي تحریک صوتی فعال و غیر فعال و الگوریتم هاي کنترل آن ها انجام داده است. مطالعه اي که توسط ونگ انجام گرفت، نشان داد که در طراحی جاذب هاي دینامیکی دو مسئله مدنظر است، اول مشخصات جاذب اعم از سختی، میرایی و جرم و دوم محل اتصال جاذب .[6] براي مقابله با صدا و ارتعاش حاصل و اثرات سوء آن، روش هاي غیر فعال جداسازي ارتعاش و کنترل ارتعاش سازه اي زیادي پیشنهاد شده است.
یکی از روش هاي کاهش ارتعاش حاصل از صوت، افزایش سختی بدنه در نواحی نزدیک به ملخ می باشد. این کار را می توان با افزایش ضخامت پوسته، زیاد کردن تعداد فریم ها در این ناحیه و افزودن پروفیل ها و صفحات تقویت کننده به پوسته براي بالا بردن سختی بدنه و سازه در این نواحی انجام داد. اما به دلایلی همچون محدودیت براي افزایش بیش از حد وزن در هواپیما و به هم خوردن تعادل سختی کل سازه هواپیما این گزینه ها قابل استفاده نمی باشند. همچنین استفاده از برخی روش هاي غیر فعال براي مستهلک نمودن صداي انتقالی به داخل کابین مانند افزودن لایه هاي مقید ویسکوالاستیک و استفاده از لاستیک و مواد جاذب بر سر راه مسیر انتقال صدا در فرکانس هاي پایین داراي تاثیري ناچیز می باشد.
تشریح مساله
در این هواپیماي توربوپراپ، سرو صداي داخلی با تراز شدت صداهاي بالا - بالاتر از 110 دسی بل - در فرکانس هاي پایین - پایین تر از 500 هرتز - رخ می دهد. براي نمونه در هواپیماي توربوپراپ تحت مطالعه، فرکانس هاي تحریک عبارتند از فرکانس عبوري ملخ - ًب - B و هارمونیک هاي بزرگتر از آن که به طور اساسی در میزان شدت صوت نقش دارند. با استفاده از جاذب هاي جرمی تنظیم شونده مناسب می توان تا مقدار قابل توجهی سر و صداي حاصل از فرکانس تحریک ملخ و در نتیجه صداي داخل کابین را کاهش داد.
مطابق شکل 1 چرخش پره هاي موتور در هوا باعث ایجاد موج صوتی می شود. صوت حاصل از حرکت پره ها از طریق دو مسیر عمده به بدنه هواپیما منتقل می شود. اولین مسیر در محل نصب موتور به سازه استح موج صوتی و ارتعاشات حاصل از آن توسط بال یا همان سازه هواپیما به بدنه منتقل شده - مسیر انتقال سازه اي - و پس از انتقال توسط سازه به صورت صداهاي انتقالی توسط هوا ظاهر می شوند. در مورد دوم موج صوتی از طریق هوا به بدنه هواپیما برخورد کرده و با عبور از بدنه به داخل کابین نفوذ می کند - مسیر انتقال هوایی - . این موج با برخورد به پوسته ي هواپیما آن را به ارتعاش درآورده و از آن پس خود پوسته منبع تولید صوت گردیده و این صدائیست که به طور غالب در کابین شنیده می شود.
نتایج اندازه گیري هاي ارتعاشی در حین پرواز و تحلیل آن
تعداد هشت شتاب سنج براي اندازه گیري ارتعاش در نقاط مختلف کابین تعبیه شده است. محور x در امتداد محور طولی هواپیما و رو به جلو ، محور z در امتداد عرضی و محور y در راستاي عمود تعریف شده است. اندازه گیري ها در حالت کروز و در ارتفاع 16500 پایی در توان 94ی موتور ثبت شده است. با بررسی طیف هاي نقاط اندازه گیري شده در همه حالت ها سه قله جلب توجه می کند که فرکانس آن ها 18,3، 110 و 220 هرتز می باشد. فرکانس 18,3 هرتز فرکانس کاري موتور و فرکانس 110 فرکانس کاري تیغه ها یا هارمونیک ششم فرکانس کاري موتور است که داراي بلندترین قله می باشد و در حقیقت فرکانس برخورد تیغه هاي ملخ هواپیما با هواست. فرکانس 220 هرتز نیز هارمونیک دوم فرکانس کاري تیغه هاست.
نتایج اندازه گیري هاي صوتی در حین پرواز و تحلیل آن
صداي آزار دهنده موجود در کابین دقیقاً از ناحیه بال به سمت جلوي هواپیما تا محل فریم 7 به مقدار قابل توجهی از سایر نواحی هواپیما بیشتر است. از ناحیه بال به سمت عقب هواپیما صدا به طور قابل ملاحظه اي افت می کند، به طوري که در ردیف هاي آخر به صدایی حدود 782B می رسد - شکل. - 2 در تمام طول کابین، فرکانس 110 هرتز، فرکانس غالب بوده و باعث ایجاد صدا در داخل کابین می شود.
طراحی جاذب دینامیکی براي فرکانس غالب 110 هرتز
جاذب ارتعاشی، یک سیستم جرم و فنر کمکی است که فرکانس طبیعی آن با فرکانس تحریک جسم مرتعش تحت نیروي هارمونیک برابر است و باعث توقف حرکت دائمی نقطه اي که به آن متصل شده، می شود. با توجه به محدودیت هاي فضایی و وزنی در طراحی هواپیما، جاذب طراحی شده از لحاظ فضا و حجم اشغال کننده، بایستی قابل نصب روي فریم هاي هواپیما باشد و از لحاظ وزن، باید جرم بهینه اي را براي ماکزیمم کاهش ارتعاشات پوسته و در نتیجه استهلاك انرژي صوتی دارا باشد.
همچنین جاذب باید بتواند در محدوده اي از فرکانس، قابل تنظیم باشد. بنابراین به جاذبی با توزیع جرمی پیوسته و در عین حال گسترده و قابلیت تغییر در فرکانس طراحی شده نیاز می باشد. فرکانس طبیعی جاذب مذکور بایستی برابر با 110 هرتز یعنی فرکانس کاري تیغه هاي ملخ هواپیما باشد که در اندازه گیري هاي صوتی و ارتعاشی به عنوان فرکانس تحریک غالب در ایجاد صدا با بیشترین شدت نقش عمده اي داشته است.
