La sfida acustica della mobilità urbana dell'aria

La mobilità dell'aria urbana (UAM) promette di rimodellare il trasporto urbano spostando il traffico dalle strade congestionate ai cieli. L'aereo elettrico di decollo verticale e di atterraggio (eVTOL) si trova al centro di questa trasformazione, offrendo viaggi rapidi, punti a punto con zero emissioni operative.

Il rumore degli aeromobili eVTOL è fondamentalmente diverso da quello degli elicotteri convenzionali. Mentre gli elicotteri producono un diverso battito a bassa frequenza causato dall'interazione con la lama-vortex, i disegni eVTOL spesso sono dotati di propulsione elettrica distribuita con più piccoli rotori che girano a velocità variabili. Questa configurazione crea un ampio spettro di firme acustiche, alcune delle quali sono più fastidiose agli ascoltatori umani che semplice rumorosità suggerisce.

Gli ingegneri e i progettisti devono quindi perseguire la riduzione del rumore non solo come una questione di conformità ai limiti normativi, ma come prerequisito per l'accettazione della comunità. Le operazioni di eVTOL silenziose non sono facoltative. Sono le basi su cui si costruisce l'intero ecosistema UAM. Le seguenti sezioni esaminano le fonti di rumore primarie e le strategie di progettazione che vengono impiegate per mitigarle.

Per una visione più ampia del panorama del rumore UAM, i lettori possono consultare la ricerca di NaSA sul rumore della mobilità urbana[.

Comprendere le fonti di rumore eVTOL

L'effettiva riduzione del rumore inizia con una precisa comprensione di dove e di come si genera il rumore. Gli aeromobili eVTOL presentano molteplici sorgenti acustiche distinte, ognuna delle quali richiede diversi approcci di mitigazione.

Rotor e Propeller Aerodinamica

La fonte di rumore dominante per la maggior parte delle configurazioni eVTOL è il rumore aerodinamico dei rotori e delle eliche. Le lame ruotano, interagiscono con l'aria circostante, generando fluttuazioni di pressione che si propagano come suono.

Blade-Vortex Interaction (BVI)] si verifica quando una lama del rotore passa attraverso il vortice della punta versato da una lama precedente. Questa interazione produce impulsi a pressione affilati che si manifestano come il caratteristico suono dello schiaffo sentito dagli elicotteri.

Il rumore di ingestione di turbolenza[] si presenta quando i rotori operano in flussi d'aria disturbati. Durante il decollo e l'atterraggio, gli aeromobili eVTOL volano attraverso turbolenze a effetto terra, la costruzione di onde e gli edifici di confine atmosferici.

Trailing Edge and Tip Noise[[]] deriva dalla turbolenza di strato di confine che passa sopra il bordo di traino della lama e dal flusso complesso alla punta della lama. Queste fonti producono rumore ad alta frequenza che può essere particolarmente fastidioso per le orecchie umane.

Powertrain elettrico e componenti meccanici

A differenza dei modelli convenzionali, i modelli eVTOL si affidano a motori elettrici, inverter e cambio che producono le proprie firme acustiche. I motori elettrici generano sia il rumore tonale alle frequenze rotazionali del motore che il rumore a banda larga dalle forze elettromagnetiche. Le scatole di ingranaggi, necessarie per alcune architetture di propulsione distribuite, producono frequenze di fusione caratteristiche e le loro armoniche.

Rumore di interazione con l'airframe

L'airframe contribuisce alla firma del rumore generale, in particolare durante l'atterraggio e il decollo quando le superfici di controllo, l'atterraggio e le cavità strutturali interagiscono con il flusso d'aria. Le lacune, le aperture di slitta e i pozzi di ruota generano sorgenti di rumore localizzate che, mentre singolarmente piccole, si combinano per aumentare il livello acustico complessivo.

Strategie di progettazione per la riduzione del rumore

Affrontare queste diverse fonti di rumore richiede un approccio multistrato che spazia dal design aerodinamico, dall'ingegneria dei materiali, dal controllo attivo e dalla pianificazione operativa.

Progettazione avanzata del rotore e del propeller

La geometria del rotore esercita la più forte influenza singola sulle emissioni di rumore. Diversi parametri di progettazione sono ottimizzati per le firme acustiche più basse:

L'ottimizzazione di Blade Twist e Planform[[] consente agli ingegneri di distribuire il carico lungo la lama in modo da ridurre al minimo le fluttuazioni di pressione instabile.

Leading Edge Serrations and Trailing Edge Brushes[] disturbano la coerenza degli eddie di strati di confine prima che si irradiano come suono. Queste caratteristiche biomimetiche, modellate dopo gli adattamenti di volo silenziosi dei gufi, hanno dimostrato la riduzione del rumore di 2 a 4 dB nei test di tunnel eolico.

Variable Rotor Speed[[[]] offre una potente leva per la riduzione del rumore in diverse fasi di volo. Durante la crociera, i rotori possono operare a bassa velocità RPM rispetto al decollo, scambiando un'efficienza propulsiva per una significativa riduzione del rumore.

Le configurazioni rotorie o interleaved e le configurazioni rotorie[] in architetture coassiali o tandem possono usare interferenze distruttive per annullare specifiche frequenze di rumore.

Materiali per l'assorbimento e l'abbattimento del suono

Il controllo del rumore passivo attraverso i materiali offre un percorso complementare all'ottimizzazione del rotore. La sfida per le applicazioni eVTOL sta ottenendo un assorbimento significativo senza aggiungere peso proibitivo.

I Liners Acoustic[] basati su principi di risonanza Helmholtz possono essere integrati in pareti di dotto e canali di ingresso.Questi liner sono costituiti da piccole cavità collegate alla superficie attraverso perforazioni, sintonizzate per assorbire specifiche gamme di frequenza.

Poroso Composite Sandwich Structures[[[]]] combinare rigidità strutturale con assorbimento del suono. incorporando schiume a celle aperte o strati fibrosi nel nucleo di pannelli compositi, i progettisti possono creare superfici portanti che smorzano anche l'energia acustica. Questi materiali sono particolarmente efficaci per il rumore ad alta frequenza a banda larga e possono ridurre i livelli di rumore della cabina da 3 a 6 dB.

I trattamenti applicati ai pannelli e alle superfici cutanee convertono l'energia vibrazionale in calore attraverso la deformazione della canapa in uno strato viscoelastico. Il CLD è più efficace nel ridurre il rumore della struttura da motori e riduttori, impedendo alle vibrazioni meccaniche di irradiare come suono dall'airframe.

Il German Aerospace Center (DLR) ha pubblicato una vasta ricerca sui trattamenti acustici leggeri per applicazioni eVTOL. I loro risultati possono essere esaminati nel programma di ricerca sulla mobilità urbana DLR[].

Sistemi di controllo del rumore attivo

Il controllo attivo del rumore (ANC) utilizza onde sonore generate elettronicamente per cancellare il rumore indesiderato attraverso interferenze distruttive. Mentre ANC è ben stabilito per le cuffie e cabine automobilistiche, la sua applicazione per gli aerei eVTOL presenta significative sfide tecniche.

I sistemi ANC[] utilizzano microfoni di riferimento vicino alla fonte del rumore per prevedere il campo sonoro, quindi guidare diffusori secondari per produrre anti-rumore. Per il rumore del rotore, che è periodico e prevedibile, i sistemi di feedforward possono raggiungere 10-15 dB di cancellazione alle frequenze di passaggio della lama e le loro frequenze armoniche.

I sistemi ANC[] utilizzano i microfoni di errore nella zona di destinazione e regolano adattativamente il segnale anti rumore senza richiedere un riferimento. Questi sistemi sono più semplici da implementare ma sono generalmente limitati alle frequenze più basse e alle larghezza di banda più strette.

Structural ANC[[]] utilizza attuatori piezoelettrici legati ai pannelli di aria per cancellare le vibrazioni strutturali prima di irradiare come suono. Questo approccio è particolarmente promettente per ridurre il rumore della cabina dalle vibrazioni motorie e dagli armonici del cambio.

Percorso di volo e Ottimizzazione operativa

La riduzione del rumore non è solo una questione di progettazione hardware, ma il flusso di un aereo eVTOL ha un impatto importante sulla sua impronta acustica a livello di terra.

Glide Slope e Approach Angle Management[[[]] possono ridurre significativamente l'esposizione al rumore per le comunità vicino ai vertiport. Gli angoli di approccio Steeper mantengono l'aereo a quote più elevate per più a lungo, riducendo l'area di esposizione al rumore di livello terra.

I profili di accelsione e di declerazione[[] influenzano il rumore attraverso i cambiamenti nel carico del rotore. I profili di accelerazione graduali producono meno rumore rispetto alle manovre aggressive perché evitano aumenti transitori nel caricamento della lama. I sistemi di gestione del volo autonome possono essere programmati con profili traiettoria che bilanciano considerazioni acustiche con l'adere del programma e l'efficienza energetica.

Le restrizioni temporali e il rumore dei rumori[] sono misure operative che possono integrare la riduzione del rumore tecnologico. Limitando le operazioni di eVTOL durante le ore notturne o in zone tranquille, gli operatori possono mantenere l'accettazione della comunità, permettendo la maturazione della tecnologia.

Ottimizzazione acustica della Powertrain elettrica

Il sistema di propulsione elettrica offre opportunità di riduzione del rumore attraverso scelte di progettazione a livello dei componenti.

L'ottimizzazione del modello di avvolgimento del motore[[[]] può ridurre le armoniche della forza elettromagnetica che producono rumore tonale. Le avvolgimento concentrato frazionari-slot, offrendo al contempo vantaggi di produzione, tendono a produrre livelli di rumore più elevati rispetto alle avvolgimento distribuite.

Pulse Width Modulation (PWM) Strategy] influenza il rumore del motore perché la frequenza di commutazione dell'inverter genera eccitazione elettromagnetica.

Ottimizzazione del design della scatola[[] per la riduzione del rumore comprende profili elicoidali, finiture avanzate della superficie dei denti e disegni di alloggiamento che isolano le vibrazioni di fusione.Per configurazioni eVTOL che utilizzano ingranaggi di riduzione, riduzione del rumore di 3 a 5 dB sono raggiungibili attraverso l'ottimizzazione della geometria degli ingranaggi e la produzione di precisione.

Regolazione e certificazione Paesaggio

La riduzione del rumore non è solo un obiettivo di progettazione; è sempre più un requisito normativo. Le autorità aeronautiche di tutto il mondo stanno sviluppando standard di certificazione del rumore specificamente per gli aerei eVTOL, e questi standard plasmano i trade-off di progettazione che i produttori devono fare.

Standard di rumore FAA e EASA

La Federal Aviation Administration (FAA) e l'European Union Aviation Safety Agency (EASA) hanno entrambi avviato processi di regolazione per la certificazione del rumore eVTOL. La FAA ha proposto di adattare gli standard di rumore degli elicotteri esistenti con regolazioni per le caratteristiche uniche degli aeromobili eVTOL, comprese le altitudini operative inferiori e le configurazioni di propulsione distribuite.

Una sfida chiave per i regolatori è che le metriche tradizionali del rumore, come il livello di esposizione sonora (SEL) e i decibel ponderati A, non possono catturare gli aspetti del rumore eVTOL che causano la più fastidio. La ricerca ha dimostrato che metriche che incorporano il contenuto tonale, la modulazione dell'ampiezza e la durata forniscono una migliore correlazione con la risposta umana.

Gli stakeholder del settore possono monitorare l'evoluzione del quadro normativo attraverso il sito web di rumore degli aerei della FAA.

Valutazione dell'impatto del rumore comunitario

Oltre alla certificazione, le valutazioni sull'impatto del rumore per le approvazioni di vertiport richiedono una modellazione sofisticata della propagazione del rumore degli aerei in ambienti urbani. Questa modellazione deve tener conto delle riflessioni di costruzione, dell'assorbimento atmosferico e delle caratteristiche direzionali di più sorgenti di rumore del rotore.

La pianificazione della compatibilità del rumore, analoga all'approccio utilizzato per gli aeroporti, sarà essenziale per la creazione di posti di lavoro, che comporta la definizione di zone di esposizione al rumore, la definizione di linee guida per la compatibilità con il suolo e l'impegno con le comunità interessate.

Le direzioni e le tecnologie emergenti

Il settore della riduzione del rumore eVTOL sta avanzando rapidamente, con diverse tecnologie emergenti in grado di fornire ulteriori miglioramenti nei prossimi anni.

Imparare a utilizzare la Predizione e l'Ottimizzazione del rumore

I modelli di apprendimento automatico formati su grandi dataset di misurazioni del rumore del rotore possono prevedere la firma acustica di nuovi ordini di grandezza più velocemente rispetto alle tradizionali dinamiche di fluido computazionale. Questi modelli consentono agli ingegneri di esplorare vasti spazi di progettazione e identificare configurazioni che bilanciano il rumore, le prestazioni e il peso.

Attuatori di plasma per il controllo del flusso

Gli attuatori del plasma di scarica della barriera dielettrica (DBD) possono modificare il flusso d'aria sulle lame del rotore e le superfici del telaio senza muovere parti. L'energia dello strato di confine, gli attuatori del plasma possono ritardare la separazione del flusso, ridurre l'ingestione della turbolenza e modificare i meccanismi di rumore del bordo.

Metamateriali e chiusura acustica

I metamateriali acustici, le strutture ingegnerizzate che manipolano le onde sonore in modi non possibili con i materiali convenzionali, offrono una nuova frontiera per il controllo del rumore. I liner Metamaterial possono raggiungere un assorbimento profondo della lunghezza d'onda, il che significa che possono essere molto più sottili degli assorbenti tradizionali per la stessa gamma di frequenze.

Gestione integrata del rumore: una prospettiva di sistemi

In definitiva, raggiungere operazioni di eVTOL silenziose richiede un approccio a livello di sistemi che integra tutte le strategie sopra descritte. La riduzione del rumore non può essere ottimizzata in isolamento da altri obiettivi di progettazione, perché gli scambi abbondano. Ad esempio, i liner acustici aggiungono peso, riducendo il carico o la gamma. I sistemi di controllo del rumore attivi consumano energia elettrica e aggiungono complessità.

I sistemi di ingegneria che incorporano il rumore come variabile di progettazione primaria dalle prime fasi del concetto sono essenziali, tra cui metriche di rumore nei loop di ottimizzazione multidisciplinari che determinano la geometria del rotore, il layout dell'airframe, l'architettura della powertrain e il software di controllo del volo.

L'impegno comunitario è la componente finale, e forse più importante, della gestione integrata del rumore. Le tecnologie più avanzate di riduzione del rumore non riusciranno se le comunità si sentono escluse dal processo di pianificazione. La comunicazione trasparente sui livelli di rumore, le procedure operative e le misure di mitigazione costruiscono la fiducia necessaria per i programmi UAM per ottenere l'approvazione. Alcuni produttori di eVTOL hanno stabilito i pannelli di consulenza comunitaria e i programmi di monitoraggio del rumore che danno ai residenti l'ingresso diretto nelle decisioni operative.

Conclusioni

La riduzione del rumore per gli aerei eVTOL è una complessa sfida ingegneristica che tocca quasi ogni aspetto della progettazione e del funzionamento degli aerei. Dalla geometria delle pale rotore alla frequenza di commutazione degli inverter motori, dai materiali utilizzati nei pannelli airframe alla traiettoria portata durante l'approccio, ogni scelta ha conseguenze acustiche. Le operazioni sono elevate: le operazioni tranquille non sono una caratteristica piacevole da avere ma un requisito fondamentale per la mobilità dell'aria urbana.

Gli strumenti e le tecnologie per una riduzione del rumore efficace esistono e sono stati perfezionati da istituti di ricerca e produttori in tutto il mondo. Disegni avanzati di rotore, materiali assorbenti, sistemi di controllo attivo e procedure di volo ottimizzate offrono collettivamente il potenziale per ridurre il rumore eVTOL a livelli accettabili in ambienti urbani.

Ulteriori letture sulle sfide acustiche dell'aviazione elettrica si trovano attraverso il AIAA Aerospace Acoustics Committee[.