Tại sao công nghệ động cơ máy bay điện mới nổi lại nghe có vẻ khó chịu đến vậy—và cách khắc phục
bởi Đại học Bristol
Giàn thử nghiệm quạt dẫn BLI bên trong buồng cách âm tại Đại học Bristol, có quạt dẫn gắn trên tấm S cong và một mảng micrô trên cao để đo khí động học. Tín dụng: Tiến sĩ Feroz Ahmed
Các nhà khoa học tại Đại học Bristol hợp tác với Đại học Salford đã phát hiện ra nguyên nhân gốc rễ đằng sau tiếng ồn đặc biệt khó chịu do động cơ hấp thụ lớp ranh giới (BLI) tạo ra—một công nghệ quan trọng trong máy bay điện và máy bay lai trong tương lai.
Dựa trên công trình trước đó đã xác định các nguồn tiếng ồn chung trong hệ thống BLI, nghiên cứu mới nhất này, được công bố trên npj Acoustics, đi sâu hơn vào vật lý tạo ra âm thanh khí động học, tiết lộ cách dòng chảy lớp ranh giới hỗn loạn tương tác với các thành phần quạt và ống dẫn quay để tạo ra hai đặc điểm âm thanh riêng biệt và khó chịu về mặt nhận thức.
Chìa khóa cho nghiên cứu này là đánh giá dựa trên cơ học chất lưu, khám phá ra nguồn gốc khí động học cơ bản của hai loại mẫu nhiễu băng thông rộng khác nhau, được gọi là "haystacking"—các đặc điểm quang phổ ảnh hưởng đến cách nhận thức tiếng ồn.
Trong âm học, "haystacking" mô tả hiệu ứng của dòng chảy nhiễu loạn làm phân tán các trường âm thanh, khiến năng lượng của một âm cụ thể lan truyền trên một dải tần số rộng hơn.
Nghiên cứu cho thấy ở lực đẩy thấp (trong khi bay), lực hút của quạt yếu hơn cho phép luồng lớp ranh giới khung máy bay vẫn không bị nhiễu loạn. Trong chế độ này, quá trình hấp thụ luồng được điều chỉnh bởi sự biến dạng luồng do độ cong khung máy bay gây ra, chỉ để lộ các đầu cánh trước các cấu trúc luồng nhiễu loạn có động lượng thấp.
Vì sự đóng góp âm thanh của ống dẫn chiếm ưu thế ở lực đẩy thấp, nên cơ chế tạo ra tiếng ồn chính là sự tương tác giữa luồng chảy nhiễu loạn và trường âm thanh bên trong ống dẫn—dẫn đến "duct haystacking".
Thiết bị thử quạt dẫn BLI bên trong buồng không phản xạ tại Đại học Bristol, có quạt dẫn gắn trên tấm cong hình chữ S và một mảng micrô trên cao để đo khí động học. Tín dụng: Tiến sĩ Feroz Ahmed
Ở lực đẩy cao (trong khi cất cánh), lực hút mạnh của quạt làm gián đoạn luồng không khí của lớp ranh giới khung máy bay, tạo ra sự biến dạng luồng không khí do quạt tạo ra, kéo theo các cấu trúc luồng không khí nhiễu loạn có động lượng cao, rất không ổn định trên một phần lớn hơn của sải cánh.
Sự tương tác mạnh mẽ này giữa luồng không khí bị biến dạng do quạt tạo ra và các cánh quạt quay dẫn đến "sự xếp chồng của quạt", trong đó luồng không khí không ổn định bị các cánh quạt quay cắt liên tục theo một phần lớn của sải cánh quạt quay.
Tiến sĩ Feroz Ahmed, nhà nghiên cứu chính, làm việc tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật của Bristol, cho biết: "Hai đặc điểm âm thanh ẩn này—tiếng ồn từ đống cỏ khô—khiến động cơ máy bay nhúng trong tương lai cảm thấy khó chịu về mặt nhận thức, không chỉ là tiếng ồn.
"Bằng cách liên kết các mô hình hấp thụ dòng chảy nhiễu loạn với cách mọi người cảm nhận tiếng ồn, chúng tôi cung cấp cho các kỹ sư các công cụ để thiết kế máy bay trong tương lai thực sự có âm thanh êm như vẻ ngoài của chúng".
Những hiểu biết sâu sắc này đưa ra lộ trình mới để thiết kế động cơ nhúng có âm thanh êm hơn, không chỉ đo được độ êm hơn—một bước quan trọng để cải thiện sự chấp nhận của công chúng đối với máy bay di chuyển trên không trong đô thị trong tương lai.
Sử dụng thiết lập đường hầm gió có độ trung thực cao mô phỏng các điều kiện thực tế, các nhà nghiên cứu đã thu thập dữ liệu chi tiết về lưu lượng và tiếng ồn trên các chế độ bay bằng cách sử dụng các thiết bị đo lường tiên tiến—bao gồm phép đo gió bằng dây nóng, cảm biến áp suất và micrô trường xa. Điều này cho phép họ cô lập và kết nối từng đặc điểm tiếng ồn (tiếng ồn từ đống cỏ khô) với cả nguyên nhân khí động học của nó và tác động của nó đối với nhận thức của con người.
Thiết lập phép đo bằng dây nóng cho cấu hình BLI, có quạt dẫn được lắp đặt cạnh khung máy bay cong bề mặt. Thiết lập này cho phép phân tích trường vận tốc độ phân giải cao để khám phá nguồn gốc khí động học của mẫu tiếng ồn do chất đống cỏ khô và mối liên hệ của nó với tiếng ồn được nhận thức. Tín dụng: Tiến sĩ Feroz Ahmed
Ý nghĩa của nghiên cứu này rất rộng.
Những hiểu biết sâu sắc này cung cấp hướng dẫn thiết kế có thể thực hiện được cho cả máy bay vận tải quy mô lớn—như Airbus ZEROe, ONERA NOVA, NASA/MIT Aurora D8, Airbus Nautilus và MITSAX-40—và cho các nhà sản xuất máy bay cất cánh và hạ cánh thẳng đứng điện thế hệ tiếp theo (eVTOL) trong lĩnh vực di chuyển trên không đô thị (UAM), hỗ trợ các nỗ lực đạt được mục tiêu FlightPath 2050 của EU là giảm 65% tiếng ồn của máy bay.
Những phát hiện này có thể giúp thiết kế động cơ yên tĩnh hơn về mặt nhận thức cho máy bay điện và taxi hàng không trong tương lai.
Nhóm nghiên cứu hiện có kế hoạch phát triển các chiến lược kiểm soát khí động học và âm thanh để giảm cả tiếng ồn do quạt và ống dẫn. Họ cũng đang tìm cách mở rộng phân tích này sang các khái niệm đẩy khác liên quan đến việc hấp thụ dòng chảy nhiễu loạn, với mục tiêu định hình tương lai của ngành hàng không yên tĩnh.
Thông tin thêm: Feroz Ahmed et al, Đặc điểm khí động học và tâm lý âm học của lớp ranh giới hấp thụ quạt ống dẫn, npj Acoustics (2025). DOI: 10.1038/s44384-025-00010-z
được cung cấp bởi Đại học Bristol
