Разработка новых композиционных звукопоглощающих материалов

Актуальность разработки новых композиционных звукопоглощающих материалов для реализации защитных акустических технологий обоснована высокими требованиями к современным воздушным судам гражданской авиации РФ. Требуется разрабатывать эффективные технологии повышения звуко- и шумопоглощения, позволяющие при этом сохранять высокие аэродинамические характеристики их конструкции. Современное решение задач направленных на снижение шума связаны с использованием различного рода звукопоглощающих конструкций (ЗПК), структура которых оптимизирована для поглощения и гашения специфических звуковых частот. В авиастроении находят применение ЗПК следующего строения: резонансные однослойные, резонансные многослойные, пористые градиентные. Однако, применение таких типов ЗПК не только удорожает строительство самолёта, но и утяжеляет его конструкцию и соответственно ухудшает экономические показатели из-за повышения расхода топлива. Перспективным направлением для обеспечения эффективного звуко- и шумопоглощения является разработка пористо-волокнистых полимерных материалов градиентного типа с наноструктурированными наполнителями для широкополосных гомогенных ЗПК с полосой звукопоглощения, охватывающей всю область звуковых частот. Применение нанокомпозитных пористо-волокнистых полимерных материалов градиентного типа должно позволить повысить характеристики звукопоглощения конструкций ГТД воздушных судов в широком диапазоне частот. Для разработки теоретических основ проектирования новых нанокомпозитных пористо-волокнистых полимерных материалов с повышенными характеристиками звукопоглощения изучен и экспериментально верифицирован принцип построения градиентных ЗПК на основе изменения распределения плотности по глубине (толщине) пористо-волокнистого полимерного материала с широким частотным диапазоном с целью согласования волновых характеристик материала и снижения доли отраженной от поверхности ЗПК звуковой энергии. Новыми результатами теоретических исследований стали новые нанокомпозитные пористо-волокнистых полимерные материалы с такими акустическими свойствами, как низкое отражение звука от своей поверхности и высокие акустические потери внутри материала. Разработана модель воздействия виброакустических нагрузок на  пористо-волокнистый полимерный материал с наноструктурированными наполнителями, рассмотрены тестовые задачи, сформулированы технические требования проведения экспериментальных исследований. Получена оценка эффективности расчетных методик для нанокомпозитных пористо-волокнистых полимерных материалов. Проведена последовательность экспериментальных исследований, направленных на подтверждение эффектов звукопоглощения, выявлены основные параметры, модели материала, расчетная модель структуры материала. На основе сформулированных теоретических моделей, разработаны и экспериментально апробированы технологические рекомендации на получение новых нанокомпозитных пористо-волокнистых полимерных материалов градиентного типа с повышенными характеристиками звукопоглощения. В настоящее время существует большое разнообразие отечественных и зарубежных звукопоглощающих технологий для акустической защиты воздушных судов. Для обеспечения эффективного звукопоглощения применяются ЗПК следующего строения: резонансные однослойные, резонансные многослойные и пористые градиентные (диссипативные). В резонансных ЗПК энергия падающей звуковой волны гасится за счёт возбуждения вынужденных колебаний воздуха в замкнутых объёмах резонаторов. В диссипативных ЗПК потеря акустической энергии происходит за счёт трения частиц в пористых структурах из гомогенного материала. Основным эксплуатационным недостатком резонансных ЗПК является возможность гашения шума в узком диапазоне звуковых частот. Применение пористых градиентных ЗПК значительно повышает эффективность звукопоглощения в широком частотном диапазоне. Однако, на сегодняшний день, применение таких типов ЗПК не только удорожает строительство самолёта, но и утяжеляет его конструкцию и соответственно ухудшает экономические показатели из-за повышения расхода топлива. Фундаментальной задачей является проблема создания новых звукопоглощающих пористо-волокнистых полимерных материалов градиентного типа, применение которых должно обеспечить расширение диапазонов звуковых частот, эффективно поглощаемых материалом, а также повысить упруго-прочностные свойства ЗПК и оптимизировать аэродинамические характеристики конструкций воздушных судов гражданской авиации. Необходимо исследовать принцип изменения распределения плотности по глубине (толщине) пористо-волокнистого полимерного материала с целью согласования волновых характеристик и снижения доли отраженной от поверхности ЗПК звуковой энергии, в которых акустическая волна, при распространении вглубь ЗПК, должна попадать в слои с более высокой плотностью, вследствие чего потери при распространении звука будут увеличиваться, и за счет диссипативных потерь (потерь на трение при колебаниях в структуре материала) звуковая энергия будет эффективно снижаться. В частности, должны быть отработаны методики прогноза свойств и проектирования таких материалов. Должны быть разработаны технологии изготовления новых нанокомпозитных пористо-волокнистых полимерных материалов с повышенными характеристиками звукопоглощения. Аналогичные разработки зарубежом проводятся в компаниях Lockheed Martin, Boing, Dapra, BAE Systems и др.