ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ СОТОВАЯ ПАНЕЛЬ
SOUND ABSORBING HONEYCOMB PANEL

Изобретение относится к многослойным звукопоглощающим панелям с сотовым заполнителем резонансного типа, гасящим звуковые колебания (шум), создаваемые газовыми потоками и их нагнетателями, и предназначено для использования в области авиакосмической техники, транспортной техники (автомобильной, судостроительной, железнодорожной, нефте-газо-перекачивающей), радиотехнике, строительстве, например, в качестве звукопоглощающих панелей при изготовлении проточных трактов современных авиационных турбореактивных двигателей.
Известна многослойная панель, содержащая обшивки, сотовый заполнитель из листового материала. Соты заполнителя выполнены в виде перфорированных многогранных чередующихся между собой "вершина - основание" усеченных пирамид с углом конусности 5÷50° (патент RU №2290312 от 27.12.2006).
Известная конструкция имеет недостаточный эффект шумоглушения, вследствие того, что перфорация боковых граней резонансных ячеек приводит к эффекту гашения акустических волн внутри ячеек, а не в канале (газовом тракте двигателя), в котором происходит наиболее активное взаимодействие резонансных излучений ячеек с основным шумовым потоком.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является звукопоглащающая сотовая панель, раскрытая в способе изготовления звукопоглощающей конструкции газового тракта (патент RU №2247878 от 10.03.2005). Звукопоглащающая сотовая панель содержит внутренний перфорированный и наружный слои обшивки, размещенный между слоями сотовый заполнитель, состоящий из ячеек, выполненных в виде чередующихся между собой "вершина - основание" усеченных пирамид и/или конусов, во внутреннем слое панели в области примыкания к нему ячеек выполнена перфорация в виде сквозных отверстий. Вокруг ячеек расположена система акустически сообщающихся между собой областей сложной формы. Данная конструкция принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - звукопоглощающая сотовая панель, содержащая внутренний и наружный слои обшивки, размещенный между слоями сотовый заполнитель, состоящий из ячеек, выполненных в виде чередующихся между собой "вершина - основание" усеченных пирамид и/или конусов; во внутреннем слое панели в области примыкания к нему ячеек выполнена перфорация в виде сквозных отверстий.
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является недостаточный эффект шумоглушения, вследствие того, что наличие между несущими слоями обшивки системы акустически сообщающихся между собой областей сложной формы вокруг изолированных сонаправленных усеченных пирамидальных и (или) конических ячеек затрудняет возникновение в этих областях и в соответствующих перфорациях несущего слоя активных резонансных явлений.
Задачей изобретения является повышение эффективности снижения шума, создаваемого газовым или воздушным потоком при прохождении им газовых трактов двигателя транспортного средства.
Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента звукопоглощения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной звукопоглощающей сотовой панели, содержащей внутренний и наружный слои обшивки, размещенный между слоями сотовый заполнитель, состоящий из ячеек, выполненных в виде чередующихся между собой "вершина - основание" усеченных пирамид и/или конусов, во внутреннем слое панели в области примыкания к нему ячеек выполнена перфорация в виде сквозных отверстий, согласно изобретению ячейки сотового заполнителя выполнены полидисперсными, в форме усеченных пирамид, и/или усеченных конусов, и/или пирамид, и/или конусов, расположены с фрактальной укладкой с чередованием между собой по размерам так, что все ячейки имеют одинаковую ориентацию «вершина-основание» и геометрически подобны, коэффициенты подобия ячеек образуют убывающую геометрическую прогрессию с коэффициентом 0.5 и заданным первым членом 1 для самых больших ячеек, большие основания всех полидисперсных ячеек в форме усеченных пирамид, и/или усеченных конусов, или основания всех ячеек в форме пирамид и/или конусов с одинаковым значением коэффициента подобия лежат в одной плоскости, причем указанные основания ячеек с коэффициентом подобия менее или равным 0.5 лежат в плоскости срединных поперечных сечений более крупных ячеек с удвоенным значением этого коэффициента подобия, и большие основания или основания самых больших ячеек с коэффициентом подобия 1 присоединены к наружному слою, малые основания или вершины всех полидисперсных ячеек присоединены к внутреннему перфорированному слою, при этом сквозные отверстия перфорации внутреннего слоя выполнены в каждую полидисперсную ячейку, образуя ее горловину.
Для усиления эффекта звукопоглощения отверстия перфорации в шумопоглощающем слое обшивки могут быть выполнены коническо-цилиндрической формы, когда контур большего основания усеченного конуса расположен на внешней поверхности шумопоглощающего слоя обшивки, а меньшее основание сопряжено по контуру с боковой поверхностью цилиндрической части перфорации.
Для усиления эффекта звукопоглощения в поперечных или наклонных сечениях ячеек сотового заполнителя дополнительно могут быть размещены проницаемые упругие мембраны. В каждой ячейке может располагаться одна, две или более мембран; количество слоев мембран и их ориентация (угол наклона к оси ячейки) в объеме ячейки определяются особенностями спектра шума и конструкции. Мембраны могут быть выполнены из тканей, сеток.
Пустоты между ячейками могут быть заполнены связующим.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - ячейки сотового заполнителя выполнены полидисперсными, в форме усеченных пирамид, и/или усеченных конусов, и/или пирамид, и/или конусов; ячейки расположены с фрактальной укладкой с чередованием между собой по размерам так, что все ячейки имеют одинаковую ориентацию «вершина-основание» и геометрически подобны, коэффициенты подобия ячеек образуют убывающую геометрическую прогрессию с коэффициентом 0.5 и заданным первым членом 1 для самых больших ячеек; большие основания или основания всех полидисперсных ячеек с одинаковым значением коэффициента подобия лежат в одной плоскости; большие основания или основания всех полидисперсных ячеек с коэффициентом подобия менее или равным 0.5 лежат в плоскости срединных поперечных сечений более крупных ячеек с удвоенным значением этого коэффициента подобия; большие основания или основания самых больших ячеек с коэффициентом подобия 1 присоединены к наружному слою; малые основания или вершины всех полидисперсных ячеек присоединены к внутреннему перфорированному (шумопоглощающему) слою; сквозные отверстия перфорации внутреннего слоя выполнены в каждую полидисперсную ячейку, образуя ее горловину; отверстия перфорации в шумопоглощающем слое обшивки выполнены коническо-цилиндрической формы, когда контур большего основания усеченного конуса перфорации расположен на внешней поверхности шумопоглощающего слоя обшивки, а его меньшее основание сопряжено по контуру с боковой поверхностью цилиндрической части перфорации; в поперечных или наклонных сечениях ячеек сотового заполнителя размещены проницаемые упругие мембраны; пустоты между ячейками могут быть заполнены связующим.
Размещение между несущими слоями в области вокруг изолированных ячеек сотового заполнителя геометрически подобных соноправленных по ориентации «вершина-основание» полидисперсных пирамидальных и/или конических ячеек, коэффициенты подобия которых образуют убывающую геометрическую прогрессию с коэффициентом 0.5 и заданным первым членом 1 для самых больших ячеек, приводит к увеличению числа резонансных частот для звукопоглощающей панели и, как следствие, к увеличению значений амплитуд акустического давления воздуха внутри и в горловинах ячеек в широком частотном диапазоне шума, что приводит к более активному взаимодействию резонансных излучений ячеек с основным шумовым потоком в проточном тракте (канале) перед шумопоглощающим слоем обшивки и к увеличению мощности акустического экрана в поперечном сечении канала, повышая коэффициент звукопоглощения.
Выполнение ячеек полидисперсного сотового заполнителя в форме неусеченных пирамид или конусов обеспечивает беспрепятственный выход сжатого воздуха из ячеек через горловины в канал, что приводит к увеличению значений амплитуд акустического давления воздуха в горловинах ячеек и увеличению мощности акустического экрана в поперечном сечении канала, повышая коэффициент звукопоглощения.
Выполнение сквозных отверстий перфорации внутреннего (шумопоглощающего) слоя непосредственно в местах или вблизи мест примыкания вершин или малых оснований всех полидисперсных ячеек обеспечивает прохождение шума в каждую ячейку с образованием резонансных акустических колебаний воздуха в отверстиях перфорации, являющихся горловинами ячеек.
Выполнение сквозных отверстий перфорации (горловин ячеек) во внутреннем слое обшивки коническо-цилиндрической формы обеспечивает лучшее прохождение акустических волн шума из проточного тракта в камеры ячеек, повышая коэффициент звукопоглощения.
Наличие в ячейках проницаемых упругих мембран, расположенных в поперечных или наклонных сечениях ячеек, приводит к усилению резонансных явлений в камерах ячеек благодаря преобразованию энергии упругой деформации мембран в кинетическую энергию движения воздуха в цилиндрических горловинах ячеек, увеличению значений амплитуд акустического давления воздуха в горловинах ячеек и увеличению мощности акустического экрана в поперечном сечении канала для более широкого частотного диапазона шума, повышая коэффициент звукопоглощения шума в широком диапазоне частот. Расположение в ячейках проницаемых упругих мембран позволяет интенсифицировать во всех ячейках и в перфорациях (горловинах ячеек) несущего слоя обшивки активные резонансные явления, минимизировать акустические потери и сделать максимально более полным процесс преобразования потенциальной энергии сжатого воздуха и упругой деформации мембран внутри ячеек в кинетическую энергию движения воздуха в горловинах ячеек и в создание акустического экрана в поперечном сечении канала, повышая коэффициент звукопоглощения шума в широком диапазоне частот.
Диаметры, высоты и угол конусности коническо-цилиндрической горловины, количество, свойства (жесткость, толщина, проницаемость) мембран и их ориентация (угол наклона к оси ячейки) в объеме каждой ячейки выбираются из условия резонансной работы ячейки при заданной частоте шума; резонансная частота ячейки зависит от объема и угла конусности камеры ячейки, диаметров, высот и угла конусности коническо-цилиндрической горловины (толщины перфорированного слоя), количества, свойств, расположения (по высоте ячейки) и ориентации мембран и жесткостных свойств материала ячеек и несущего слоя (вблизи перфораций).
Ячейки сотового заполнителя могут быть расположены с тетрагональной или гексагональной укладками на плоскости или криволинейной поверхности. Для обеспечения жесткости конструкции панели пустоты между ячейками могут быть заполнены связующим.
Предлагаемая звукопоглощающая сотовая панель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-3.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема фрактального размещения полидисперсных конических ячеек в сотовом заполнителе.
На фиг. 2 показан частный случай двухуровневой ячейки периодичности звукопоглощающей панели.
На фиг. 3 показан частный случай трехуровневой ячейки периодичности звукопоглощающей панели.
Звукопоглощающая сотовая панель состоит из двух несущих слоев (обшивок): внутреннего шумопоглощающего перфорированного слоя 1 и наружного 2. Во внутреннем слое панели выполнена перфорация в виде сквозных отверстий 3.
Между слоями 1, 2 размещен сотовый заполнитель с ячейками, выполненными в виде чередующихся между собой "вершина - основание" усеченных пирамид и/или усеченных конусов и/или пирамид и/или конусов.
Ячейки сотового заполнителя выполнены полидисперсными, размещены с фрактальной укладкой с чередованием между собой по размерам - крупные ячейки 1-го уровня 4, последовательность более мелких ячеек, например: 2-го уровня 5, 3-го уровня 6 и 4-го уровня 7.
Все ячейки имеют одинаковую ориентацию «вершина-основание» и геометрически подобны, коэффициенты подобия размеров ячеек образуют убывающую геометрическую прогрессию с коэффициентом 0.5 и заданным первым членом 1 для самых больших ячеек.
Большие основания всех ячеек в форме усеченных пирамид и/или усеченных конусов или основания всех ячеек в форме пирамид и/или конусов с одинаковым значением коэффициента подобия лежат в одной плоскости. Указанные основания ячеек с коэффициентом подобия менее или равным 0.5 лежат в плоскости срединных поперечных сечений более крупных ячеек с удвоенным значением этого коэффициента подобия. Большие основания или основания самых больших ячеек 4 с коэффициентом подобия 1 присоединены к наружному слою 2.
Малые основания всех полидисперсных ячеек в форме усеченных пирамид и/или усеченных конусов или вершины всех ячеек в форме пирамид и/или конусов присоединены к внутреннему перфорированному слою 1.
Сквозные отверстия перфорации 3 внутреннего слоя 1 выполнены в каждую полидисперсную ячейку, образуя ее горловину.
Отверстия перфорации внутреннего слоя 1 обшивки могут быть выполнены цилиндрической или коническо-цилиндрической формы: контур большего основания усеченного конуса расположен на внешней поверхности внутреннего слоя обшивки, меньшее основание сопряжено по контуру с боковой поверхностью цилидрической части перфорации.
В поперечных или наклонных сечениях ячеек сотового заполнителя могут быть расположены проницаемые упругие мембраны. Пустоты между ячейками могут быть заполнены связующим.
Выполнение перфорации несущего слоя обшивки обеспечивает прохождение акустических волн шума из проточного тракта в конические камеры ячеек через их вершины и основания. Для беспрепятственного выхода сжатого воздуха из ячеек через перфорации (горловины) в канал необходимо стремиться к соосности и сопряженности цилиндрических поверхностей перфорации в слое и соответствующих внутренних поверхностей пирамидальных или конических ячеек. Коническая (неусеченная) форма камер резонансных отражающих ячеек, предпочтительнее пирамидальной формы, так как коническая форма позволяет более значительно минимизировать акустические потери и сделать максимально более полным преобразование потенциальной энергии сжатия воздуха внутри ячеек в кинетическую энергию движения воздуха в (цилиндрических или коническо-цилиндрических) горловинах перфорации шумопоглощающего несущего слоя панели.
Элементы звукопоглощающей панели с фрактальным сотовым заполнителем можно производить всеми известными способами изготовления изделий из полимерных композиционных материалов (автоклавное формование из препрегов, методом вакуумной инфузии, методом пропитки под давлением RTM, методом прямого прессования, пултрузионным методом).
Предложенная звукопоглощающая сотовая панель обладает более высокими звукопоглощающими свойствами в сравнении с прототипом.