Một công cụ thay đổi trò chơi tiêu diệt tiếng ồn trong không khí và nước

Cánh quạt được thiết kế để lấy chất lỏng, thường là không khí hoặc nước và sử dụng chuyển động quay để đẩy chất lỏng đó đi qua. Theo một nghĩa nào đó, chúng là sự tiến hóa từ vít của Archimedes, thứ có thể đã được sử dụng ở Ai Cập cổ đại hàng nghìn năm trước khi nó được Archimedes mô tả vào năm 234 trước Công nguyên.

Tuy nhiên, đối với các thiết bị được thiết kế để quay, có rất ít thay đổi thiết kế mang tính cách mạng trong một thời gian dài; máy bay điều khiển bằng động cơ vẫn sử dụng các đạo cụ cánh quạt xoắn có thiết kế tương tự như những chiếc trực thăng bằng tre mà trẻ em Trung Quốc đang sử dụng cách đây 2.400 năm, với mức tăng hiệu quả mong manh một cách đáng ngạc nhiên so với các đạo cụ bằng gỗ mà anh em nhà Wright đã phát triển trong các đường hầm gió vào năm 1903. Thuyền vẫn sử dụng cánh quạt kiểu vít, các biến thể của chúng có thể được tìm thấy từ những năm 1700.

Vì vậy, chúng tôi rất thích thú khi tìm thấy một vài nhóm tuyên bố rằng họ đã chứng minh được những lợi thế đáng kể trong cả không khí và nước bằng cách sử dụng một hình dạng khác biệt rõ rệt – cụ thể là các hình dạng vòng xuyến xoắn kỳ lạ dường như không chỉ yên tĩnh hơn nhiều so với các thiết kế truyền thống , nhưng hiệu quả hơn rất nhiều, đặc biệt là trong không gian biển, đến mức chúng có thể đánh dấu một bước tiến vượt bậc.

Một người thay đổi cuộc chơi tiềm năng trong không khí

Một vấn đề quan trọng với các đạo cụ multicopter là tiếng ồn khó chịu của chúng, thường được mô tả là “rè rỉ”, bởi vì phần lớn nó nằm ngay cùng dải tần với tiếng khóc của em bé. Con người có xu hướng nhạy cảm nhất với âm thanh trong khoảng từ 100 Hz đến 5 kHz. Điều này có ý nghĩa tiến hóa; đó là nơi chúng ta nghe thấy các nguyên âm là chìa khóa để giao tiếp bằng lời nói. Nhưng đó là vấn đề then chốt nếu các máy bay trực thăng phát huy hết tiềm năng của chúng và lấp đầy bầu trời của chúng ta bằng các dịch vụ giao hàng trên không nhanh, rẻ và sạch. Người dân và các nhà lập pháp không muốn tạo thêm nhiều tiếng ồn khó chịu cho cuộc sống đô thị.

Một nhóm làm việc trên một chiếc máy bay chạy bằng ion, im lặng tại Phòng thí nghiệm Lincoln của MIT đã tự hỏi liệu tiếng ồn của cánh quạt trong nhiều cánh quạt có thể được giảm thiểu bằng các cánh quạt có hình dạng khác nhau hay không.

Tiến sĩ Thomas Sebastian, một nhân viên cấp cao trong Nhóm Kỹ thuật Kết cấu và Chất lỏng Nhiệt của Phòng thí nghiệm Lincoln cho biết: “Các cánh quạt, như chúng ta biết, khá ồn ào. “Và chúng ta có thể nhìn vào đôi cánh để xem nó hoạt động như thế nào. Hồi đầu những năm 1900, người ta nghĩ ra đủ loại ý tưởng điên rồ cho máy bay và trong Thế chiến 2, có một số thiết kế về cơ bản là những chiếc cánh vòng này. Vì vậy, tôi tự hỏi nó sẽ trông như thế nào nếu bạn lấy một chiếc cánh vòng và biến một thứ như thế thành cánh quạt.”

“Chúng tôi đã đưa ra khái niệm ban đầu về việc sử dụng hình xuyến, hình cánh hình khuyên này, để hy vọng tạo ra một cánh quạt êm hơn,” Sebastian tiếp tục. “Tôi có một thực tập sinh của tôi, người hoàn toàn phi thường, chạy theo ý tưởng. Anh ấy lấy ý tưởng và tạo ra một loạt các lần lặp lại bằng máy in 3D.”

Phòng thí nghiệm MIT Lincoln

Trong một vài lần thử, nhóm thực sự đã tìm ra một thiết kế không chỉ giảm mức độ tiếng ồn tổng thể ở mức lực đẩy nhất định mà còn giảm tiếng ồn đặc biệt trong phạm vi 1-5 kHz.

Thật vậy, chúng giống như tiếng gió thổi ào ạt hơn là tiếng cánh quạt, tạo ra âm thanh ít xâm phạm hơn nhiều. Thông thường, theo nhóm nghiên cứu, một máy bay không người lái chạy các đạo cụ này tạo ra mức độ âm thanh khó chịu ngang với một máy bay không người lái thông thường ở khoảng cách xa gấp đôi. Hãy lắng nghe trong video dưới đây:

“Điều quan trọng mà chúng tôi nghĩ là làm cho cánh quạt hoạt động êm hơn, đó là thực tế là bạn hiện đang phân phối các xoáy do cánh quạt tạo ra trên toàn bộ hình dạng của nó, thay vì chỉ ở phần chóp,” Sebastian nói. “Điều đó sau đó làm cho nó tiêu tan nhanh hơn một cách hiệu quả trong bầu khí quyển. Dòng xoáy đó không lan truyền xa, vì vậy bạn ít có khả năng nghe thấy nó hơn.”

Tiếng ồn của cánh quạt có thể được giải quyết phần nào bằng cách đặt các vòng xử lý âm thanh xung quanh chu vi đường đi của chân vịt, vòng này cũng có thể đóng vai trò là bộ phận bảo vệ chân vịt từ góc độ an toàn. Nhưng những thứ này tạo thêm khối lượng ký sinh, làm giảm tuổi thọ pin và chúng cũng có thể đón gió trong các tình huống ngoài trời, khiến máy bay không người lái phải làm việc nhiều hơn để ổn định.

Nhóm nghiên cứu đã phân tích các đạo cụ hình xuyến trông kỳ lạ này để xem liệu có bị phạt về hiệu quả lực đẩy hay không. Rõ ràng là không: thiết kế B160 hoạt động tốt nhất của nhóm không chỉ êm hơn ở một mức lực đẩy nhất định so với chân vịt tiêu chuẩn tốt nhất mà họ đã thử nghiệm, nó còn tạo ra nhiều lực đẩy hơn ở một mức công suất nhất định – khá đáng chú ý vì các đạo cụ tiêu chuẩn đã có hơn một thế kỷ phát triển đằng sau chúng và những hình xuyến này đang ở giai đoạn rất sớm, với rất nhiều sự tối ưu hóa vẫn chưa xuất hiện.

Phòng thí nghiệm MIT Lincoln

Hơn nữa, hình dạng vòng lặp của chúng không chỉ tăng thêm sự ổn định về cấu trúc mà còn giảm khả năng thanh chống cắt, kẹp hoặc mắc vào những thứ mà nó chạy vào. Bạn vẫn sẽ không muốn họ đánh vào mặt mình, nhưng có lẽ có một sự cải thiện an toàn cận biên ở đó.

Về nhược điểm, đây là những hình dạng khá phức tạp, vì vậy chúng khó sản xuất hơn nhiều so với các đạo cụ tiêu chuẩn sử dụng phương pháp ép phun rẻ tiền và dễ dàng. Chúng có lẽ là thứ bạn cần để in 3D. Nhưng ngay cả khi chúng tăng gấp đôi hoặc gấp ba giá của cánh quạt, đây là một bộ phận giá rẻ của máy bay không người lái và tác động tổng thể có thể không quá khó khăn đối với túi tiền.

Ở giai đoạn này, vẫn chưa rõ liệu các thiết kế như thế này có phù hợp ở quy mô lớn hơn hay không, thay thế các cánh quạt truyền thống trên máy bay cánh cố định hay thực tế là trên taxi hàng không VTOL điện. Loại thứ hai dường như yên tĩnh hơn đáng kể so với máy bay trực thăng, nhưng nếu cuối cùng chúng tràn ngập không phận đô thị bằng phương tiện giao thông trên không xanh, nhanh, rẻ, thì mỗi decibel tiếng ồn sẽ được tính khi vấp phải sự phản kháng của công chúng và quy định. Thực sự, câu hỏi đặt ra là những đạo cụ lớn hơn này sẽ chiếm tần số nào trong phổ âm thanh và liệu các đạo cụ hình xuyến có chuyển âm thanh theo hướng thân thiện với con người hay không.

Nhóm đã được cấp bằng sáng chế cho thiết kế này và trong khi không rõ liệu có kế hoạch thương mại hóa nó hay không, MIT dường như đã sẵn sàng cấp phép cho các nhà sản xuất quan tâm.

biển sắc bén

Một lợi thế thậm chí còn lớn hơn trong nước

Máy bay không người lái và hàng không là một chuyện, nhưng khí động học và thủy động lực học có liên quan chặt chẽ với nhau, và hóa ra đã có một sản phẩm sắp được sản xuất trong không gian biển có cách tiếp cận rất giống nhau.

Sharrow Marine đã và đang nhận được những kết quả hết sức ngoạn mục từ chân vịt thuyền sử dụng các vòng hình xuyến thay vì các cánh quạt tiêu chuẩn. Sau vài năm phát triển, công ty hiện đã thử nghiệm các đạo cụ của mình với hàng trăm chân vịt tiêu chuẩn và sự khác biệt thật đáng kinh ngạc. Các đạo cụ của Sharrow đơn giản là không tạo ra các xoáy đầu – một nguồn thất thoát năng lượng chính và là một thành phần lớn đáng ngạc nhiên trong tiếng ồn tổng thể của động cơ phía ngoài.

biển sắc bén

Giảm đáng kể lượng chất lỏng “trượt” ra các mặt của chân vịt thay vì bị đẩy qua, các đạo cụ hình xuyến hút nhiều nước hơn qua đó và đưa thuyền tiến xa hơn mỗi lượt. Chúng thường xuyên tăng gấp đôi tốc độ mà một chiếc thuyền có thể đạt được ở RPM tầm trung và thấp hơn, mở rộng đáng kể phạm vi vòng quay hiệu quả của động cơ. Và họ giảm mức tiêu thụ nhiên liệu khoảng 20% ​​- một vấn đề lớn thực sự do nhu cầu năng lượng khổng lồ của thuyền chạy bằng chân vịt và quy mô của ngành.

Sharrow nói rằng chúng có tác dụng thú vị là giảm đáng kể xu hướng nghiêng về phía sau của thuyền khi nó tăng tốc; thay vào đó, toàn bộ con thuyền nhô lên khỏi mặt nước trong khi vẫn ở mức cao hơn nhiều. Trên hết, ảnh hưởng đến tiếng ồn là hoàn toàn sâu sắc, như bạn có thể thấy trong video bên dưới.

Thật vậy, công ty cho biết đây là một chân vịt mà bạn có thể gắn ít nhiều vào bất kỳ động cơ bên ngoài nào, sau đó lao đi với tốc độ 30 dặm/giờ (48 km/giờ) đủ yên tĩnh để trò chuyện trên tàu mà không cần lớn tiếng. Công cụ đáng chú ý.

Sharrow đã bán các đạo cụ hình xuyến của mình, được gia công bằng máy CNC để phù hợp với nhiều loại động cơ gắn ngoài phổ biến từ hầu hết các nhà sản xuất lớn. Hạn chế ở đây là giá cả; chúng có giá 4.999 đô la Mỹ một chiếc bật bất kể kiểu máy nào, trong đó một cánh quạt thông thường có thể có giá gần 500 đô la Mỹ. Nhưng một lần nữa, đây là một thành phần khá nhỏ trong tổng chi phí của nhiều thuyền và do họ rất thèm ăn nhiên liệu, chi phí này có thể tự trả trong thời gian ngắn cũng như giúp hành trình của những người trên tàu thoải mái hơn rất nhiều , người ngoài cuộc và cho sinh vật biển dưới bề mặt.

Trong thời đại chuyển đổi năng lượng, những điều này cũng phải được bất kỳ ai chế tạo thuyền điện khí hóa cực kỳ quan tâm, trong đó việc tăng 20% ​​phạm vi hoạt động từ một phụ kiện 5 đô la sẽ là điều hoàn toàn không cần bàn cãi. Hãy xem phần trình bày khá ngắn gọn từ Sharrow trong video dưới đây.

Nguồn: MIT, Sharrow Marine