(57)【要約】  コアと、前記コアの両側に配置された外層とを備え、前記コアはコアクリアランスを有し、コアクリアランス領域におけるサンドイッチ構造体の音響挙動が２重壁の音響挙動に一致し、且つそれと同時に、サンドイッチ構造体の全体的な音響挙動が維持されるように、前記コアクリアランスの寸法が規定されたサンドイッチ構造体が開示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアと、前記コアの両側に配置された外層とを備え、
前記コアはコアクリアランスを有し、コアクリアランス領域におけるサンドイッチ構造体の音響挙動が２重壁の音響挙動に一致し、且つそれと同時に、サンドイッチ構造体の全体的な音響挙動が維持されるように、前記コアクリアランスの寸法が規定されるとともに、サンドイッチ構造体の音響挙動が、低周波数帯域においてはコアクリアランスを有さない同じ寸法のサンドイッチ構造体の音響挙動と一致し、高周波数帯域においては２重壁の音響挙動と一致するように、コアクリアランスの寸法が規定されるサンドイッチ構造体。
【請求項２】
前記コアクリアランスは、少なくとも一方の外層がコアによって支持されていない領域を有するように構成されている請求項１に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項３】
コアクリアランスの領域においてコアによって支持されていない外層領域の第１固有周波数は、コアクリアランスを有さない同じ寸法のサンドイッチ構造体のコインシデンス限界周波数よりも低く、且つ前記外層の２重壁共振よりも高い請求項１または２に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項４】
コアによって支持されていない隣接する外層領域の固有周波数は異なっている請求項１、２または３に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項５】
隣接するコアクリアランス領域の固有周波数の比は、素数又は無理数に一致している請求項４に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項６】
少なくとも一つの外層は、隣接するコアクリアランス領域において、異なった厚さ（ｄ）を有している請求項１〜５のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項７】
コアの両側に配置された外層は、異なった厚さ（ｄ）を有している請求項１〜６のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項８】
コアの両側に配置された外層は、異なった材料で構成されている請求項１〜７のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項９】
一方の外層の下方でのみコアが部分的に除去されることによって、一方の外層がコアによって支持されていない領域を有する一方、他方の外層がコアによって全て支持されるように、前記コアクリアランスは設けられる請求項１〜８のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項１０】
前記コアはハニカム構造を有している請求項１〜９のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項１１】
前記コアは、展伸材料で構成されている請求項１〜９のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項１２】
隣接するコアクリアランスは異なった形状を有している請求項１〜１１のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項１３】
隣接するコアクリアランスは異なった寸法を有している請求項１〜１２のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項１４】
前記コアクリアランスは三角形状または矩形形状である請求項１〜１３のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項１５】
コアクリアランスは円形状の断面を有する請求項１〜１３のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項１６】
コアクリアランスは三角形状の断面を有する請求項１〜１３のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項１７】
コアクリアランスはコアの高さ（ｈ）の一部のみを占めている請求項１〜１６のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項１８】
前記コアは、少なくとも一方の外層の下方にて、コア格子に低減される請求項１〜１７のいずれか一項に記載のサンドイッチ構造体。
【請求項１９】
前記コア格子は外層同士を連結するウェッブを備えている請求項１８に記載のサンドイッチ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コアと該コアの両側に配置される外層とを備えるサンドイッチ構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型航空機においては、乗客の音響快適性に対する強い要望に応じて、キャビンの壁構造、及び前記キャビンの内張を構成するキャビン壁要素の音響特性の改善が要求されている。前記キャビン壁要素の標準的な材料は、例えば、ハニカム構造を有するコアを備えたサンドイッチパネルのような、サンドイッチ構造を形成している。
【０００３】
図５は、前記サンドイッチパネルの構造の一例を示す。サンドイッチパネル１００は、厚さｄ１の外層３００と、厚さｄ２の外層４００と、高さｈの支持コア２００とからなる３層構造である。支持コア２００の上側に配置された外層３００及び支持コア２００の下側に配置された外層４００として、例えば繊維強化複合材料が用いられる。支持コア２００は、フェノール樹脂を含浸した紙で構成され、外見上、蜂の巣に類似したハニカム状を成している。コア材料として、将来的には、例えばフェノール樹脂の発泡体が多用されると思われる。
【０００４】
サンドイッチパネルの主たる利点は、軽量、かつ高い剛軟度を備えていることにある。サンドイッチパネルにおいて、引っ張り応力及び圧縮応力は、主に外層を介して伝えられ、一方、コアは、構造全体がパネルの面に対して垂直に歪むことにより生ずるせん断応力を伝える。
【０００５】
しかしながら、同じ構造を有し、かつ単位面積当たりの重量が同一か、またはほぼ等しい材料と比較して、音響伝送や音響放射に関するサンドイッチパネルの音響特性は劣る。例えば、サンドイッチパネルが示すコインシデンス限界周波数上での音響伝送損失は、質量則に基づいて計算された均質材料についての値よりもかなり低い値を示す。均質な壁構造に対して、サンドイッチパネルの場合では、音響伝送損失が、広域に渡ってプラトーなコインシデンス限界周波数の帯域内にて低下する。この原因は、コアのせん断抵抗によるものであって、この帯域ではサンドイッチパネル内の横波の伝搬速度を支配する。
【０００６】
そこで、サンドイッチパネルの音響伝送損失を改善する一つの方法として、前記コアのせん断抵抗を下げることによって前記横波の伝搬速度を空気伝搬音の速度以下に維持することがある。
【０００７】
ドイツ特許出願公開第１００３４９００号及び欧州特許出願公開第１３８２４３９号により、例えば切断することによってサンドイッチパネルのコアのせん断抵抗を下げることが知られている。この結果、音響伝送損失の変化が改善され、サンドイッチパネルの放射音が低減する。
【０００８】
コインシデンス効果による音響伝送損失への悪影響を低減させる他の方法は、サンドイッチパネルの構造を通じた遮音性を増大させることである。
コアの両側に外層を備えるサンドイッチパネルは、欧州特許出願公開第１０６１１９０号に開示されている。同公報に記載されているコア自体は、少なくとも２つのコア層から構成されており、最も外側にある２つのコア層はそれぞれ外層に接続されている。コア層は、スペース要素によって互いに離間して配置されている。このサンドイッチパネルは、単層壁と比較して構造音響学的な観点でその遮音性が改善されているとともに、石膏ボー
ド／ミネラルウール／石膏ボード壁といった従来からある２重壁に比べて簡素な構造を有する。互いに離間して配置された前記コア層は、もっぱら静的特性に基づいて設計されたものである。欧州特許出願公開第１０６１１９０号では、サンドイッチパネルの構造設計上の条件や音響特性については考慮されていない。２重壁の共振周波数を回避する方法は提案されていない。
【０００９】
Ｆｅｎｇ，Ｌによる「音響伝送損失を増大させるための改良されたハニカムパネル」（音響及び振動に関する第１０回国際会議，ストックホルム，２００３年，４５４９頁−４５５４頁）によれば、アルミニウムの外層とコアとの間の接着剤を部分的に切り離すことによってアルミニウム型サンドイッチパネルの音響伝送損失を増大させることが知られている。それによれば、サンドイッチパネルは、質量則に基づいて、コインシデンス限界周波数の帯域や２重共振の帯域において、均質な壁構造と音響的にほぼ同様な振る舞いを呈する。これについて不利な点は、サンドイッチパネルのコアに対して外層を部分的に接着することが、航空機の構造に使用するのに適当でないということにある。製造上、接着させないところに対して分離シートを付加しなければならなく、しかも、このシートは製造後において取り除くことが出来ず、よってサンドイッチパネルの重量を増加させる。接着しない領域内では、コア、分離シート及び外層が振動し、各構成部品を損傷させてサンドイッチパネルの耐用年数を短くさせることとなる。
【００１０】
ドイツ特許第１４２２０２０号及びドイツ特許第１１９１５９７号には、コアとコアの両側に配置される外層とを備えるサンドイッチ構造体が開示されている。そのサンドイッチ構造体のコアには、コアクリアランスが一定の間隔で配置されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、音響伝達損失が改善されたサンドイッチ構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の目的は、請求項１に記載されるようなサンドイッチ構造体によって達成される。即ち、当該サンドイッチ構造体は、好ましくは、一方または両方の外層の直下に配置されたコアクリアランスを有するコアを備え、前記クリアランスは、コアクリアランス領域におけるサンドイッチ構造体の音響挙動が局所的に２重壁の音響挙動に一致し、且つそれと同時に、該サンドイッチ構造体の全体的な音響挙動が維持されるように、その寸法が規定されている。コアクリアランスの適切な寸法の規定と配置によって、本発明に係るサンドイッチ構造体の音響挙動は、高周波数帯域においては２重壁の音響挙動と一致し、低周波数帯域においては従来のサンドイッチパネルの音響挙動と一致する。この音響挙動を得るために、外層間のコアに設けられたコアクリアランスについて、その一方はコアクリアランス領域におけるサンドイッチ構造体の音響挙動が２重壁の音響挙動に局所的に一致するのに十分に大きく、その他方はサンドイッチ構造体の全体的な音響挙動を保持するのに十分に小さい。この場合、コアはハニカム構造を有し、コアクリアランスはハニカム構造から切り抜かれている。同様に、コアは、例えば、発泡合成樹脂といった硬化発泡体から構成されていてもよく、コアクリアランスは硬化発泡体から切り抜かれるか、または、発泡させた後にそのまま放置しておくことで形成される。コアクリアランスは、外層がコアを構成するハニカム構造体または発泡体によって支持される領域と、外層が支持されない或いは僅かしか支持されない領域とを形成する。サンドイッチ構造体は、例えばサンドイッチパネルであってもよい。
【００１３】
本発明のサンドイッチ構造体の利点は、従来のものに加えてさらに、コインシデンス限界周波数の帯域において、同じ寸法で構成された従来のサンドイッチパネルと同じような
挙動を示し、かつ、コインシデンス限界周波数の帯域よりも上では、音響学的に２重壁に類似し、従来のサンドイッチパネルには類似しない挙動を示すことである。コインシデンス限界周波数の帯域よりも下では、本発明に係るサンドイッチ構造体は、従来のサンドイッチパネルと同様な挙動を示す。さらに、本発明のサンドイッチ構造体の利点は、コアが部分的に除去されているため、従来のサンドイッチパネルに比べて重量が軽減されていることである。好ましい効果として、音響伝送損失に関することに加えて、コアクリアランスによってコアのせん断抵抗が低下することが挙げられる。
【００１４】
本発明の有利な点は、少なくとも一方の外層がコアに支持されていない領域を有するようにコアクリアランスが形成されていることである。この場合、コアによって支持されていない両外層の領域、または、コアによって支持されていない一方のみの外層の領域を形成するように、コアが部分的に完全に、或いはコアの高さの一部に渡って除去されることによって、コアクリアランスが形成されてもよい。コアクリアランス領域内における、コアによって支持されていない外層領域の第１固有周波数は、好ましくは、コアクリアランスを有さない同じ寸法のサンドイッチ構造体のコインシデンス限界周波数よりも低く、且つ外層の２重共振よりも高い。加えて、好ましくは、コアによって支持されていない、隣接する外層領域の固有周波数同士が異なっている。隣接するコアクリアランス間の干渉を回避するために、隣接するコアクリアランスの固有周波数同士の比は、好ましくは素数または無理数である。
【００１５】
本発明の他の有利な点は、少なくとも一方の外層は、隣接するコアクリアランスの領域において異なった厚さを有していることにある。隣接するコアクリアランスの領域における外層の厚さの相違は、コアクリアランスの領域における、コアによって支持されていない外層領域の固有周波数を異ならせるという効果を生じさせる。
【００１６】
さらなる本発明の有利な点は、コアの両側に配置された外層は異なった厚さを有していることにある。コアの両側に配置された外層同士を異なった厚さにすることは、２重壁共振に影響を与える。外層の厚さを適切に選択することによって、２重壁共振を適切な周波数に調整することができる。コアを介して対向するように配置される外層をそれぞれ異なった材料で形成することによっても同様な効果が得られる。
【００１７】
さらなる本発明の有利な点は、隣接するコアクリアランスは、異なった形状をしていることにある。これと別に、若しくはさらに、隣接するコアクリアランスの寸法が異なっていてもよい。コアクリアランスの形状は、好ましくは、製造の観点から、平面視にて断面が矩形形状、四角形状、円形状、三角形状である。この場合、コアクリアランスは、コア全体の高さに渡って延びていてもよいし、或いはコアの一部のみを占めていてもよい。基本的には、両外層がコアによって支持されていない領域を有するようにコアクリアランスが配置されることが考えられる。コアは、例えば高さの中間領域において連続的に保持される。そのコアは、少なくとも一方の外層の下方において、好ましくはコア格子になるように低減される。コアクリアランスがコアの高さ全体に渡って形成されている場合、コア格子は互いの外層同士を連結するウェッブを備えている。全ての実施形態において、コアは、コアクリアランスに適しているハニカム構造で形成されていてもよい。同様に、コアは、発泡材料で形成されていてもよい。
【００１８】
さらなる本発明の有利な点は、従属項と以下に記載する実施形態との組み合わせによって得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、サンドイッチ構造体１を示す。サンドイッチ構造体１は、実質的にコア２と、該コア２の両側に配置される２つの外層３，４と、コア２内に設けられ該コア２の高さ（
ｈ）全体を占めるコアクリアランス５とを備えている。コアクリアランス５の領域では、外層３，４はコア２によって支持されていない。コア２によって外層３，４が支持されていないそれらの領域は、見方によって、コアクリアランス領域または外層領域と称される。コアクリアランス５の寸法ａ１，ａ２のうち、一方の寸法については、コアクリアランス５の領域におけるサンドイッチ構造体１の音響挙動が２重壁の音響挙動に局所的に一致するのに十分に大きく、他方の寸法については、サンドイッチ構造体１の全体的な音響挙動を保持するのに十分に小さい。この場合のコア２はハニカム構造を有し、コアクリアランス５はハニカム構造から切り抜かれている。
【００２０】
基本的には、コア２は、例えば、発泡合成樹脂といった硬化発泡体から構成されていてもよい。図１は、図２ａの平面図で示されるサンドイッチ構造体１のコア２’のＡ−Ａ線に沿った断面図である。このコアクリアランス５’は平面視矩形形状を成す。同じ形状の隣接するコアクリアランス５の寸法ａ１，ａ２は、コア２によって支持されていない外層３，４の領域の固有周波数間の干渉を避けるために、互いに異なっている。
【００２１】
図２に示すようなサンドイッチ構造体１’，１’’，１’’’，１’’’’では、コアクリアランス５’，５’’，５’’’，５’’’’は、前述と同様に、コア２’，２’’，２’’’，２’’’’の全体的な高さｈを、コア格子６のみで支持している。コア格子６は、原理上の様々なコアクリアランス５’，５’’，５’’’，５’’’’の形状を示し、外層と互いに連結するウェッブ７を備えている。図２ａのコアクリアランス５’は、平面視矩形形状である。図２ｂのコアクリアランス５’’は、円形状である。円形状のコアクリアランス５’’は、コア２’’から、例えば穴鋸を使用することで非常に容易に切り抜くことができる。図２ｂでは、対角線上に隣り合ったコアクリアランス５’’の寸法が異なっている。図２ｃでは、三角形状のコアクリアランス５’’’を有するコア２’’’が示されている。三角形状のコアクリアランス５’’’は異なった向きに配置され、隣接するもの同士が異なった寸法を有している。図２ｄでは、コア２’’’’内に配置されたコアクリアランス５’’’’は、全てのコア２’’’’の残りの部分が、コア格子６を構成しかつ外層を互いに連結する支柱８となるように、その寸法が規定されている。支柱８は、好ましくは、コア２’’’’によって支持されていない外層領域の固有周波数同士の干渉を避けるために、不規則的に配置されている。
【００２２】
図３に示すサンドイッチ構造体１０では、コアクリアランス５０は、コア２０の高さｈの一部のみを占めており、一方の外層３０の下方においてのみ部分的にコア２０が除去されている。その結果、一方の外層３０は、コア２０によって支持されない領域を有し、他方の外層４０は、全てに渡ってコア２０によって支持されている。基本的には、コアクリアランス５０については、図２に示す形状と同じ形状であってよい。
【００２３】
図４は、本発明のサンドイッチ構造体、２重壁構造体及び従来のサンドイッチパネルの周波数に対する音響伝達損失ＴＬの変化を示している。本発明のサンドイッチ構造体、２重壁構造体及び従来のサンドイッチパネルは、外層間の距離及び単位面積当たりの重量が同じである。
【００２４】
好適な寸法に規定されたコアクリアランスは、本発明に係るサンドイッチ構造体における音響伝送損失ＴＬの周波数に依存した挙動を生じさせ、その挙動はサンドイッチパネル又は単層壁の挙動、及び２重壁の挙動と一致している。低周波数帯域において、その挙動は、従来のサンドイッチパネルや単層壁の挙動とほぼ一致している。高周波数帯域において、その挙動は、２重壁の挙動と一致する。サンドイッチ構造体の音響挙動は、背景技術に記載したように、周波数に対する横波の伝搬速度の挙動が消滅するように、コアクリアランスの影響を受ける。この結果、本発明のサンドイッチ構造体では、周りの空気に対する横波のコインシデンスが完全に回避され、その音響伝送損失ＴＬにおいて、プラトーな
コインシデンスディップが形成される。
【００２５】
図４を参照して前述した本発明のサンドイッチ構造体の周波数選択２重壁挙動を達成して、従来のサンドイッチパネル（即ち、コアクリアランスを有さないサンドイッチパネル）のコインシデンスを除去するために、外層及び支持コアについて同じ寸法及び材質の従来のサンドイッチパネルのコインシデンス限界周波数ｆｓｗ０を知ることは、コアクリアランスを設計する上で必要である。
【００２６】
続いて、例えば図１に示す寸法ａ１，ａ２のようなコアクリアランスの寸法は、コインシデンス限界周波数ｆｓｗ０以下において、コアによって支持されない外層領域が第１固有周波数ｆｅ１を有するように選択される。この場合、本発明のサンドイッチ構造体は、全体的に全体構造としてではなく、局所的に２重壁として作用する。他方、２重壁共振ｆｄｗ０の周波数帯域において、従来のサンドイッチパネルの全体的な挙動が得られており、そしてその領域において、音響伝送損失の悪化が生じない程度に、クリアランスは十分に小さくなるように選択される。これは、自由な外層領域の第１固有周波数ｆｅ１が２重壁共振ｆｄｗ０上に存在してなければならないことを意味する。つまり、次のような関係が成立しなければならない。
【００２７】
ｆｄｗ０＜ｆｅ１＜ｆｓｗ０
その結果、低周波数帯域では、サンドイッチパネルの好ましい音響特性が、本発明のサンドイッチ構造体においても保持されることとなる。高周波数では、本発明のサンドイッチ構造体は、音響学的には、２重壁のように振る舞う（図４）。
【００２８】
つまり、音響伝達損失の増大は同時に重量の軽減をももたらす。
各外層自身のコインシデンス限界周波数は、航空機の建造に典型的に使用される材料の音響快適性に関係する周波数帯域よりもかなり高い位置にあることが特に強調される。コアによって支持されない外層のコアクリアランス領域における、望まないキャビティ共振も、同様に音響快適性に関係する周波数帯域よりも上であると見込まれる。さらに、コア格子、即ち外層間に位置するコアは、２重壁キャビティを区分するように作用する。このようなことは、音響伝送損失に良好な効果をもたらす。回避されるべきことは、コアによって支持されていない外層領域を同じ固有周波数に調整することである。この場合、全体構造は、対応する周波数において、個々のエミッタで構成されるパネルのように動作する。従って、クリアランスは、異なった形状及び／又は寸法を有するべきである。このこととは別に、若しくはこのことに加えて、異なる外層の厚さや材料が使用されてもよい。図３に示すように、一方の外層のみの下方においてコアを部分的に除去することはまた、望ましい外層の異なった特性をもたらす。
【００２９】
本発明では、コアと外層とを接合する前にコアの対応する領域を単に除去するだけなので、大量生産することが容易となる。さらに、生産工程に対して悪影響が生じることもない。新規な、または付加的な材料を必要としないので、所轄官庁の承認も必要としない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
この発明は、それだけではないが、とりわけ、航空機製造に使用するためのサンドイッチ構造体の製造の分野において、産業上適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係るサンドイッチ構造体の断面模式図である。
【図２】コアクリアランスの様々な形状の平面模式図である。
【図３】本発明に係るサンドイッチ構造体の断面模式図であって、一方の外層の下方にのみ配置されたコアクリアランスを示す。
【図４】同じ寸法及び同じ単位面積当たりの重量を有する、本発明に係るサンドイッチ構造体、２重壁及び従来のサンドイッチパネルの音響伝送損失の変化を示す。
【図５】背景技術におけるサンドイッチパネルの断面模式図である。
【符号の説明】
【００３２】
１…サンドイッチ構造体、２，２’，２’’，２’’’，２’’’’…コア、３…外層、４…外層、５，５’，５’’，５’’’，５’’’’…コアクリアランス、６…コア格子、７…ウェッブ、８…支柱、１０…サンドイッチ構造体、２０…コア、３０…外層、４０…外層、５０…コアクリアランス、１００…サンドイッチパネル、２００…支持コア、３００…外層、４００…外層、ｄ…外層の厚さ、ｈ…コアの高さ、ａ１…コアクリアランスの寸法、ａ２…コアクリアランスの寸法。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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