Design and optimization of acoustic liners with complex cavities for improved broadband noise absorption

The recent advances in aircraft propulsion systems and in sound-absorbing technologies has caused broadband fan noise to become more prominent and the engine noise spectrum to shift towards lower frequencies. However, this evolving noise source cannot be attenuated adequately by the conventional acoustic treatments installed in aircraft nacelles. While traditional designs are indeed effective at reducing narrowband noise sources, the sound absorption at low frequencies is limited due to space and weight restrictions. This thesis proposes an innovative configuration of acoustic liner that provides enhanced absorption of broadband sound sources, while also permitting the attenuation of the low-frequency noise. The configuration can be easily adjusted to any space reserved for acoustic liners in aircraft nacelles, so that the gain in acoustic performance can be obtained within an acceptable overall thickness. The concept may also be tuned to target an individual noise spectrum. In the thesis, a liner design with complex cavities is optimised for two fixed overall depths, in order to maximise noise reduction between 500 Hz and 4000 Hz, in the absence of mean flow, and for a normally incident sound wave. Two scaled samples of these optimal liners were manufactured using stereolithography. Their measured acoustic impedances confirm the expected broadband sound absorption. The thesis validates the use of COMSOL to predict the measured impedance of both conventional and innovative liners with complex configurations. Moreover, some relevant considerations are outlined which must be accounted for in the simulation of the acoustic treatment. The principal acoustic features of the proposed liner concept are investigated in detail and an analytical routine is validated for preliminary design.

I recenti sviluppi dei sistemi propulsivi aeronautici e delle tecnologie per l’assorbimento del rumore hanno modificato il caratteristico spettro di frequenza del rumore generato dal motore turbofan. La componente in banda larga del rumore del fan ha acquisito un ruolo predominante e lo spettro del rumore del motore turbofan ha assunto frequenze caratteristiche sempre più basse. I trattamenti acustici tradizionalmente usati nelle gondole motore non sono adatti ad attenuare questo tipo di rumore, poiché assorbono efficacemente il rumore solamente in banda stretta. Inoltre, il limitato spazio disponibile e le restrizioni sulla massa dei trattamenti acustici impediscono un assorbimento efficiente del rumore a basse frequenze. La seguente tesi di laurea propone una configurazione innovativa di pannello fonoassorbente che promette una significativa riduzione del rumore ad ampio spettro e a basse frequenze. La configurazione è facilmente adattabile a qualsiasi volume riservato nelle gondole motore ai pannelli e la geometria proposta prevede una attenuazione del rumore a basse frequenze, anche in trattamenti dallo spessore complessivo limitato. Nell’elaborato, questa configurazione è ottimizzata per due spessori prestabiliti, al fine di massimizzare l’assorbimento sonoro tra 500 Hz e 4000 Hz, nell’ipotesi di onda sonora normale al pannello e in assenza di flusso medio. Due versioni ridotte di questi pannelli sono realizzate mediante stereolitografia e l’impedenza acustica misurata conferma la fono-assorbenza attesa nell’intervallo di frequenze considerato. La tesi dimostra l’efficacia di COMSOL nella modellazione dell’impedenza acustica effettiva, sia nel caso di pannelli fonoassorbenti tradizionali, sia nel caso di pannelli dalla configurazione complessa. Lo studio propone considerazioni rilevanti per la modellazione numerica dei pannelli fonoassorbenti, convenzionali e non, e presenta le principali caratteristiche acustiche della configurazione presentata. Dimostra, inoltre, la validità di una formulazione analitica per una progettazione preliminare di pannelli dalla configurazione complessa.