Метод численного бимформинга, разработанный в Институте прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН и МФТИ, позволяет точно определять источники шума на моделях сверхзвуковых самолётов.
Этот метод основан на решении обратной акустической задачи с использованием уравнения Гельмгольца, что позволяет восстанавливать пространственное распределение и мощность акустических источников на основе данных виртуальных микрофонных решёток. Это значительно снижает необходимость дорогостоящих акустических испытаний на реальных самолётах.
Бимформинг отличается от традиционных экспериментальных методов тем, что позволяет анализировать шумовые свойства конструкции без физических тестов. В этой технике учитываются как объёмные колебания (монопольные), так и силовые воздействия (дипольные) шумовых источников. Алгоритм был проверен методом Фокса-Уильямса-Хокингса, который моделирует распространение звука в аэродинамических потоках.
Для анализа модели крыла сверхзвукового бизнес-джета использовался суперкомпьютер «Ломоносов-2» с 24 видеокартами NVIDIA Tesla V100. Расчёты проводились для крыла размером 45 на 20 метров при скорости 245 км/ч. На каждую секунду полёта было потрачено множество часов вычислений, а общее количество обработанных точек составило около 220 миллионов.
Исследование показало, что вихревые структуры в области передних закрылков являются основным источником низкочастотного шума (ниже 250 Гц), а повышенный уровень шума в диапазоне высоких частот (более 1 кГц) связан с турбулентными следами от механизмов на крыле.
В работах ЦАГИ, параллельно с МФТИ и ИПМ, также применяется метод бимформинга. Он позволяет точно оптимизировать конструкцию, снижая уровень шума в критических областях на 5-7 дБ. Это улучшает звуковой комфорт и помогает соответствовать международным стандартам ИКАО по шуму, особенно важным для новых сверхзвуковых пассажирских самолётов.
ЦАГИ использует многоканальные акустические измерения и сферические микрофонные решётки для определения местоположения и классификации источников шума в кабине пилотов SSJ100.
В рамках проекта IENA проводились исследования аэродинамического шума авиационных двигателей рядом с планером самолёта с использованием адаптированных методов бимформинга. Это помогло выявить основные источники шума и их характеристики, что способствует разработке мер по снижению акустического воздействия на пассажиров и экипаж.
ЦАГИ также проводит комплексные программы по изучению шумовых характеристик популярных коммерческих авиалайнеров, таких как Boeing 777 и Airbus A320. Исследования в аэродинамических трубах разного масштаба (6,3% и 26%) и полётные испытания показали различия в локализации источников шума, связанные с особенностями обтекания и масштабированием моделей.
Пересчёт шумовых характеристик с моделей на реальные условия позволил точнее оценить акустическое воздействие и разработать меры по снижению шума в критических зонах конструкции. Анализ направленности и частотных диапазонов шума для Boeing 777-200 и Airbus A320/321 также был выполнен, что способствовало улучшению понимания процессов и разработке новых методов борьбы с нежелательным шумом.
Исследования в авиационной сфере важны, так как они помогают снизить затраты на физические испытания, которые обычно требуют много времени и ресурсов. Метод численного бимформинга сокращает количество таких испытаний до 40%, обеспечивая более детальный и точный анализ характеристик шума.
Это открывает новые возможности для интеграции численных и экспериментальных методов при проектировании экологически безопасных сверхзвуковых и гражданских самолетов, соответствующих международным стандартам.
Технология также применима для анализа шума двигателей, моделирования звукового удара и оптимизации дизайна фюзеляжа. Сегодня в мировой науке при разработке акустических моделей всё чаще используют цифровые методы, которые внедряют в NASA, Airbus и других европейских лабораториях.
Российские учёные разработали новый метод численного бимформинга, который соответствует современным тенденциям. Этот метод позволяет прогнозировать шум и анализировать его на этапе проектирования новых типов летательных аппаратов.
В Airbus и других лабораториях активно используют экспериментальные методы, такие как Direct Field Acoustic Testing (DFAT), а также моделирование шума на фрагментах фюзеляжа и крыльев. DFAT значительно экономит затраты и ускоряет испытания, но требует сложной экспериментальной базы.
Акустическое моделирование сравнивали с использованием различных методов. Российский подход отличается от зарубежных тем, что его можно применять к масштабным моделям сверхзвуковых самолётов и он фокусируется на точном определении источников шума в виртуальной среде.
Параметры моделирования различаются: российский метод работает с полноразмерными моделями, в то время как NASA и Airbus предпочитают анализировать компоненты и сегменты. Точность локализации также разная, но высокая для каждого из подходов. Основные преимущества методов — гибкость, экономичность, интеграция с сертификацией и снижение стоимости испытаний. Для экспериментов используют виртуальные суперкомпьютеры, аэродинамические трубы с кластерами и другие технологии.
Оперативность и вариативность расчётов важны при создании национальной технологии, которая, как показывает сравнительный анализ, может не только дополнять, но и заменять физические испытания.В отличие от зарубежных подходов, российский метод ориентирован на применение к полномасштабным моделям сверхзвуковых самолётов с акцентом на точную локализацию источников шума в виртуальной среде. Это особенно актуально при ограниченном доступе к дорогостоящим экспериментальным установкам.