Improved acoustical properties of
launcher fairings
Improved acoustical properties of
launcher fairings
Improved acoustical properties of
launcher fairings
•
Teknisk akustik, Chalmers
– Docent Patrik Andersson
– Prof. Wolfgang Kropp
– Lars Hansson, Doktorand
– Omar Cossio Gonzales, Mastersstudent
•
RUAG Schweiz AG, RUAG Space
– Nicholas Eaton, Senior Systems Engineer
•
RUAG Space AB, Göteborg, Sweden
– Annalena Johansson, Director, Marketing and Sales
Improved acoustical properties of
launcher fairings
•
Projektet slutförs juni 2015
– Experimentell del avslutad
– Numerisk del påbörjad
Bakgrund
•
Raketuppskjutning
•
Extremt höga ljudtryck på
noskåpan skapade av
raketens egna motorer
Bakgrund
•
Raketuppskjutning
•
Extremt höga ljudtryck
skapade av
raketens egna motorer
Bakgrund
•
De höga ljudtrycken
orsakar kraftiga
vibrationer på lasten
Bakgrund
•
Ljudtryck och resulterande
vibrationer hos lasten
bestäms av
kåpkontruktionens
akustiska egenskaper
Bakgrund
•
Noskåpans akustiska egenskaper är
nyckelegenskaper för raketens potentiella kunder
– lastens volym
– lastens massa
– lastens dimensionering map vibrationer
•
Direkt påverkan på raketens och lastens ekonomi
Bakgrund
•
Kåppanel
Bakgrund
•
Sandwichpanel
– Kärna, honeycomb, aluminium
– Laminat, kolfiberlaminat
– Ytlager: kork + metallfolie
Bakgrund
•
Kåppanelerna är idag lätta, styva och svagt dämpade
– lätta pga bränsle- och lastekonomi
– styva (och svagt dämpade) pga stora yttre laster
•
Bra akustiska paneler är typiskt
– tunga
– mjuka
– starkt dämpade
Mål
•
Att på konceptnivå utveckla nya kåpstrukturer
med bättre akustiskt prestanda
– bättre ljudisolering
– bättre ljudabsorption
Strategi
•
Studera befintliga noskåpors akustiska egenskaper
– noskåpans egenskaper
– panelers egenskaper
– bestämma lämpligt analysverktyg
•
Identifiera metoder som ger noskåpor med
bättre akustisk prestanda
– ej ökad massa, snarare minskad
– ekonomiskt genomförbart
– praktiskt genomförbart
Metod
•
Experimentell
– karaktärisering av befintlig konstruktion
– validering av nya koncept
•
Numerisk modellering
– design och optimering av nya koncept
Experiment
•
Befintliga paneler har karaktäriserats map
– Styvhet och dämpning
– Vibrationsmönster
– Ljudutstrålning
– Ljudtransmission
Experiment
•
Punktmobilitet
– kraftgivare och accelerometer
– styvhet och dämpning
Experiment
•
Punktmobilitet
– svagt dämpad vid låga frekvenser
– högre dämpning vid högre frekvenser
– typiskt "sandwich" beteende
Experiment
•
Vibrationsmönster
– kraftgivare och laser dopplervibrometer
– modalanalys (Poly-MAX)
Experiment
•
Vibrationsmönster
– kopplingarna mellan paneler kan modeleras som stela
Experiment
•
Panelernas strålningsfaktor
– Mätt i efterklangsrum
• vibrationer med laser-dopplervibrometer
• efterklang och ljudtryck med mikrofoner
Experiment
•
Panelernas strålningsfaktor
– Kritisk frekvens 600-800 Hz
Experiment
•
Panelernas ljudisolering
– Mätt i transmissionslaboratorium
Experiment
•
Panelernas ljudisolering
– följer masslagen
Experiment
•
Noskåpans ljudisolering (mätdata från RUAG)
– låg vid ringfrekvensen
• strukturell resonans som kopplar starkt till kaviteten
– låg vid koincidensfrekvenser
• våglängd i luft = våglängd i struktur
• brett frekvensband pga kåpans krökning
Numerisk modellering: WFEM
•
Waveguide finite element method (WFEM)
– utnyttjar rotationssymmetrin
– vågledare längs omkretsen
– finita element i tvärsnittet
– betydligt kortare beräkningstider än FEM
– information om
• vågtyper
• vågutbredningshastigheter
x
Numerisk modellering: WFEM
•
Koordinatsystem
– r – radiell koordinat
– x – axiell koordinat
– fi – vinkel som ger position i omkretsen
x
Numerisk modellering: WFEM
•
Förskjutningsfältet
•
separerat i
– N – FE formfunktioner i tvärsnittet
• deformation av tvärsnittet
– v – vektor med de nodala frihetsgraderna
• förändringen av denna deformation längs omkretsen
Numerisk modellering: WFEM
•
Rörelseekvationen
•
Allmän lösning för vågor som utbreder sig längs omkretsen
•
Linjärt egenvärdesproblem
– varje polär ordning n ger egenfrekvenser och egenvektorer
Numerisk modellering: WFEM
•
Modell med bara kåpan
– skalelement
Numerisk modellering: WFEM
•
Modell med kåpa och luftkavitet
– skalelement
– volymelement
•
Under validering
Numerisk modellering: WFEM
•
Typiska resultat: Mobilitet
Numerisk modellering: WFEM
Typiska resultat: Egenvärden
polar order
•
Numerisk modellering: WFEM
•
Typiska resultat: Egenvektorer
Numerisk modellering: WFEM
•
Typiska resultat: Vågtyper och vågutbredningshastigheter
– exempel: lastbilsdäck
Resultat
•
Vibroakustisk karaktärisering av befintliga paneler
•
Rankning av akustiska effekter av noskåpans detaljer i olika
frekvensområden
– Panelskarvar, ventilationshål, ljudisolering och absorption
•
God förståelse för nuvarande noskåpors och panelers
akustiska egenskaper
•
Val av analysverktyg: WFEM
Förväntade resultat
•
Förbättrad fördelning av akustiska egenskaper över noskåpan
– massa, styvhet, dämpning
– optimering med WFEM
•
Förbättrade sandwichpaneler som möter nya krav för noskåpan
– design och optimering av paneler
– tillverkning (RUAG)
– experimentell validering
•
Projektet slutförs juni 2015
Tack för visat intresse!
•
För mer information:
– [email protected]
– 031-772 2202
– www.chalmers.se,
sök: Patrik Andersson
