ЗВУКОВОЙ ВОЛНОВОД ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В АКУСТИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ
SOUND WAVE GUIDE FOR USE IN ACOUSTIC STRUCTURES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в общем, к акустическим конструкциям, которые используются для ослабления шума, который исходит из определенного источника. Более конкретно, настоящее изобретение имеет целью обеспечение относительно тонких акустических конструкций, которые способны ослаблять широкий спектр шумовых частот, включая относительно низкочастотные шумы, такие как низкочастотный шум, который генерируется двигателями самолета.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Широко признано, что лучший способ борьбы с избыточным шумом, создаваемым конкретным источником, состоит в воздействии на этот шум в самом источнике. Как правило, это достигается путем добавления в конструкцию источника шума заглушающих акустических структур (акустическое воздействие). Одним из наиболее проблематичных источников шума является реактивный двигатель, используемый на большинстве пассажирских самолетов. Средства акустического воздействия обычно встроены во входные конструкции, гондолу и выходные конструкции двигателя. Эти средства акустического воздействия включают в себя акустические резонаторы, которые содержат относительно тонкие акустические материалы или решетки, которые имеют миллионы отверстий, создающих (полное) акустическое сопротивление для создаваемой двигателем звуковой энергии.
Популярным материалом для использования в авиационных и аэрокосмических аппаратах является сотовый материал, потому что он является относительно прочным и легким. Для акустических приложений, таких как гондолы двигателей, к сотовой структуре добавляют акустические материалы, - так, что сотовые ячейки с того конца, который расположен в направлении от двигателя, становятся акустически закрытыми, а на том конце, который расположен в направлении двигателя, закрыты пористым покрытием. Закрытие сотовых ячеек акустическим материалом таким образом создает звуковой резонатор, который обеспечивает ослабление, заглушение или подавление шума. Кроме того, во внутренней части сотовых ячеек также обычно есть и акустические перегородки, предназначенные для того, чтобы обеспечить резонаторы дополнительными свойствами по снижению шума.
Основная проблема, стоящая перед инженерами-акустиками, состоит в том, чтобы сделать гондолу как можно более тонкой и легкой, и при этом еще обеспечивающей достаточное подавление или гашения частот звуковых волн во всем диапазоне шума, создаваемого реактивным двигателем. Это основная проблема конструирования является затрудненной тем обстоятельством, что тенденцией в новых моделях больших реактивных двигателей является генерация дополнительного шума на низких частотах. В конструкциях новых двигателей стремятся использовать меньшее количество турбинных лопастей, что на более низких скоростях создает большее количество обходного воздуха. Это приводит к созданию шума двигателя, имеющего более низкую частоту.
Конкретные частоты шума, которые заглушаются данной сотовой ячейкой или резонатором, имеют непосредственное отношение к глубине ячейки. Вообще говоря, по мере того, как частота шума снижается, глубина ячейки должна увеличиваться, чтобы обеспечить адекватное заглушение или подавление. Относительно тонкие гондолы, имеющие глубину ячеек порядка 1 дюйма (25,4 мм) или менее, является достаточными для поглощения генерируемых реактивным двигателем шумов более высоких частотных диапазонов. Тем не менее, для того, чтобы поглощать более низкие частоты, которые, генерируются новейшими реактивными двигателями, требуются более глубокие акустические сотовые ячейки или резонаторы.
Один из подходов к решению проблемы поглощения нижней частоты шума реактивной струи заключается в том, чтобы просто строить гондолы с более глубокими клетками. Однако это приводит к увеличению габаритов и веса гондолы, что противоречит проектной цели создания гондол, которые являются как можно более тонкими и легкими по весу. Кроме того, увеличение веса и размера гондолы, необходимое для поглощения низкочастотного шума, может быть неприемлемым, особенно для двигателей больших самолетов, где размер и вес гондолы является основным критерием инженерного проектирования.
Другой подход включает в себя акустическое соединение между собой смежных ячеек с целью повышения эффективной акустической глубины объединенных ячеек. Этот подход не предусматривает низкочастотного поглощения, тем не менее, количество имеющихся акустических сотовых ячеек в данной конкретной структуре при этом уменьшено за счет комбинации множества ячеек с образованием одной акустических ячейки. Акустическое взаимосвязывание ячеек для увеличения поглощения ими звука низкой частоты подробно описано в патентной заявке США с порядковым номером 13/466.232.
В настоящее время существует потребность в разработке гондол двигателя, а также других акустических конструкций, в которых акустические структуры были бы способны подавлять более широкий диапазон шумовых частот без увеличения толщины или веса акустической конструкции гондолы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с настоящим изобретением, было найдено, что ширина полосы или акустический диапазон гондолы или акустической конструкции другого типа может быть увеличена за счет размещения внутри акустической ячейки звукового волновода, который делит эту ячейку на две акустические камеры. Две камеры обеспечивают эффективное увеличение длины резонатора ячейки. В результате могут быть построены гондолы или другие акустические конструкции, которые способны поглощать относительно низкие частоты шума без увеличения толщины или количества ячеек в гондоле.
Настоящее изобретение относится, в общем, к акустическим конструкциям и, в частности, к гондолам для авиационных двигателей. Акустические конструкции в соответствии с настоящим изобретением, включают в себя сотовую структуру, которая имеет первый край, расположенный ближе всего к источнику шума, и второй край, расположенный удаленно от источника шума. Сотовая структура включает в себя множество акустических ячеек, при этом каждая из акустических ячеек имеет множество стенок, которые продолжаются между первым и вторым краями сотовой структуры. На втором краю каждой акустической ячейки расположен акустический барьер, чтобы сформировать звуковой резонатор, который имеет глубину, которая равна расстоянию между первым краем сотовой структуры и акустическим барьером.
Как признак настоящего изобретения, в акустическом резонаторе расположен звуковой волновод. Этот звуковой волновод включает в себя стенку акустического волновода, имеющую внутренние и внешние поверхности. Стенка акустического волновода имеет входной край, определяющий входное отверстие волновода и выходной край, определяющий выходное отверстие волновода. Входное отверстие волновода расположено ближе к первому краю сотовой структуры, чем выходное отверстие волновода, так что стенки акустического волновода делит ячейку сотовой структуры на внутренний канал звуковой волны или камеру и внешнюю камеру звуковой волны. Внутренняя камера ограничена внутренней поверхностью стенки акустического волновода, входным отверстием волновода, выходное отверстие волновода, и участком стенки ячейки, который продолжается между входным отверстием волновода и первым краем ячейки. Внешняя камера звуковой волны ограничена внешней поверхностью стенки акустического волновода, акустическим барьером, выходным отверстием волновода и стенкой сотовой структуры. Внутренние и наружные звуковые камеры, которые соединены на выходном отверстии волновода, обеспечивают эффективную акустическую камеру, которая значительно длиннее, чем толщина сотовой структуры.
Простым изменением длины, местоположения, размера и формы звуковой волновода может быть достигнуто широкое разнообразие эффективных акустических длин и других акустических признаков сотовых ячеек Настоящее изобретение обеспечивает значительное преимущество по сравнению с обычной акустической сотовой структурой, в которой все акустические ячейки имеют одинаковые эффективные акустические длины, и единственный способ удлинения ячеек состоит в том, чтобы увеличивать толщину сотовой структуры. Возможность акустически удлинять сотовые ячейки без увеличения толщины сотовой структуры особенно полезно для гондол реактивных двигателей, когда желательно сделать сотовую структуру как можно более тонкой, все еще обеспечивая акустические резонаторы, которые способны подавлять низкочастотный шум реактивного двигателя.
Описанные выше, а также многие другие признаки и сопутствующие преимущества настоящего изобретения станут более понятными при обращении к нижеследующему подробному описанию, рассмотренному в сочетании с прилагаемыми чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 показывает взятую в качестве примера акустическую конструкцию в соответствии с настоящим изобретением до того, как с сотовой структурой соединены сплошной и пористый поверхностные листы.
Фиг. 2 показывает одну взятую в качестве примера акустическую ячейку в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 3 представляет собой вид по фиг. 2 в сечении, на котором изображены внутренние и внешние акустические камеры.
Фиг. 4 представляет собой схематичный вид сбоку, показывающий четыре различных звуковой волновода в четырех разных местах внутри четырех ячеек акустической сотовой структуры.
На фиг. 5 представляет собой дополнительный чертеж, показывающим участок акустической конструкции в соответствии с изобретением рядом с источником шума.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 поз. 10 показан частично поэлементный вид участка взятой в качестве примера акустической конструкции в соответствии с настоящим изобретением. Акустическая конструкция 10 включает в себя акустическую сотовую структуру 12, которая расположена в виде сэндвича между пористым поверхностным листом 14 и сплошным поверхностным листом 16 акустического барьера. Участок собранной акустической конструкции 10 показан на фиг. 5, где она расположена рядом с источником 18 шума, который создает шум, как это показано стрелками 20.
Хотя акустическую конструкцию по настоящему изобретению можно использовать для демпфирования шума от большого разнообразия источников шума, эта акустическая конструкция особенно хорошо подходит для подавления шума, создаваемого авиационными двигателями и в особенности большими двигателями, используемыми для коммерческих воздушных судов. Соответственно, акустическая конструкция, показанная поз. 10 на фиг. 5, как правило, представляет собой часть гондолы, которая окружает центральную сердцевину турбовентиляторного реактивного двигателя 18.
Сотовая структура 12 включает в себя первый край 15, который находится как можно ближе к источнику шума 18, и второй край 17, который находится подальше от источника шума 18. Стенки сотовой структуры продолжаются между первым и вторым краями, образуя множество ячеек 22, при этом каждая из них имеет площадь поперечного сечения, измеренную перпендикулярно к стенам. На втором краю 17 каждой ячейки или вблизи него расположен акустический барьер, для того чтобы сделать каждую ячейку акустическим резонатором. Хотя акустические барьеры могут быть вставлены в сотовые ячейки и смещены наружу от второго края 17, обычная процедура состоит в том, чтобы размещать звуковой барьерный лист 16 на втором краю 17 сотовой структуры, чтобы покрыть все ячейки. Глубина ячеек (акустических резонаторов) равна расстоянию между первой кромкой 15 и акустическим барьером 16.
Как показано на фиг. 1, акустическая сотовая структура 12 составлена из множества взаимосвязанных ячеек 22. В целях описания на фиг. 2 и 3 показана отдельная ячейка 22 без пористого поверхностного листа 14. В соответствии с настоящим изобретением в акустическом резонаторе, образованном стенками 32 ячейки и акустическим барьером 16, расположен звуковой волновод в виде волновода 30 в форме усеченного конуса. Этот волновод 30 включает в себя стенки 33, которые имеют, соответственно, внутренние и наружные поверхности 34 и 36. Канал 30 имеет входное отверстие 38 и выходное отверстие 40.
Волновод 30 в форме усеченного конуса делит ячейку 22 на внутренний канал звуковой волны или камеру 42 и внешнюю камеру 44 звуковой волны. Внутренняя камера 42 звуковой волны определена внутренней поверхностью 34 волновода 30, входным отверстием 38 волновода, выходным отверстием 40 волновода и участком стенки ячейки, которая продолжается между входным отверстием 38 и первым краем 15 ячейки. Внешняя камера 44 звуковой волны определена внешней поверхностью 36 волновода 30, стенкой 32 ячейки, звуковым барьером 16 и выходным отверстием 40 волновода.
Как показано на фиг. 2 и 3, входящий в резонатор звук (стрелки 50) идет через внутреннюю камеру 42 звуковой волны и проходит через выходное отверстие 40 волновода во внешнюю камеру 44 звуковой волны. Звуковые волны 50 отражаются обратно определяющими поверхностями внешней камеры 44 звуковой волны, как показано стрелками 52. Отраженные звуковые волны 52 идут обратно через выходное отверстие 40 волновода во внутреннюю камеру 42 звуковой волны. Использование звукового волновода, такого как волновод 30 в форме усеченного конуса, позволяет управлять длиной пути входящих звуковых волн, так чтобы их эффективная длина пути была больше, чем глубина акустического резонатора. Это увеличение эффективной длины пути звуковых волн управляется и ограничивается размером и формой внутренней и внешней волновых камер. Размер и форма двух волновых камер, в свою очередь определены размером, формой и расположением волновода.
Возможен широкий выбор размеров и форм волновода. На фиг. 4 роз. 62, 64, 66 и 68 показаны размеры и формы четырех примерных волноводов в форме усеченного конуса. Чтобы продемонстрировать универсальность изобретения, эти волноводы 62, 64, 66 и 68 показаны расположенными в различных точках в пределах своих соответствующих акустических ячеек 72, 74, 76 и 78. Например, размер, форму, расположение ячеек и тип материала, используемого для изготовления волноводов, можно варьировать от ячейки к ячейке, чтобы достичь звукового демпфирования в широком диапазоне частот. В качестве альтернативы, один и тот же волновод может быть помещен в одном и том же месте внутри относительно большой группы акустических ячеек, для того чтобы достичь повышенного уровня акустического затухания для данного диапазона частот. На практике можно смешивать и сочетать волноводы, и их расположение, чтобы получить акустические структуры с широким диапазоном акустических свойств.
Как показано на фиг. 4, звуковые волны 80 проходят в акустические ячейки через пористый лист 82. Звуковые волны, как показано стрелками 84, проходят через выходное отверстие волновода во вторую акустическую камеру, и отражаются обратно через выходное отверстие волновода, как показано стрелками 86. Лист акустического барьера показан поз. 88.
Включением внутрь акустической ячейки одной или более акустических перегородок может быть обеспечено дополнительное акустическое демпфирование и ослабление. Например, в акустическую ячейку 78 выше волновода 68 может быть включена акустическая перегородка 90. Кроме того, как показано в акустической ячейке 72, акустическая перегородка 92 может быть расположена ниже волновода. Акустическая перегородка 93 может быть расположен внутри волновода 64. Кроме того, акустическая перегородка 95 может быть также расположена на выходе волновода, как показано на фиг. 5. Выше и (или) ниже волновода можно также включить более одной акустической перегородки.
Необязательные акустические перегородки могут быть выполнены из любых стандартных акустических материалов, используемых для того, чтобы обеспечить ослабление шума, в том числе тканые волокна и листы перфорированного материала. Предпочтительным является использование акустических перегородок из тканого волокна. Эти акустические материалы, как правило, поставляются в виде относительно тонких листов сетчатой ткани с открытой структурой, которые специально предназначены для обеспечения ослабления шума. Предпочтительно, чтобы акустический материал представлял собой сетчатую ткань с открытой структурой, которая соткана из моноволоконных нитей. Волокна могут быть выполнены из стекла, углерода, керамики или полимеров. Моноволоконные полимерные нити изготавленные из полиамида, полиэфира, полиэтиленхлортрифторэтилена (ECTFE), этилентетрафторэтилена (ЭТФЭ), политетрафторэтилен (ПТФЭ), полифениленсульфид (ПФС), полифторэтиленпропилена (FEP), полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), полиамид 6 (нейлон 6, ПА6) и полиамида 12 (нейлона 12, PA12) представляют собой лишь несколько примеров. Для приложений с высокими температурами, таких как использование в гондолах реактивных двигателей, предпочтительной является сетчатая ткань с открытой структурой, изготовленная из ПЭЭК. Примерные перегородки описаны в патентах США №№ 7.434.659; 7.510.052 и 7.854.298, содержания которых включены в настоящее описание в качестве ссылки. Могут быть также использованы перегородки, выполненные посредством лазерного сверления пластиковых листов или пленок.
Волноводы могут быть изготовлены из широкого разнообразия материалов, при условии, что они совместимы с материалом или материалами, использованными для изготовления сотовой структуры. Предпочтительно, чтобы одни и те же типы материалов, описанные выше для изготовление акустических перегородок, использовались также и для того, чтобы изготавливать волноводы. Стенки волновода, предпочтительно выполнены из сплошного материала, так чтобы не происходило передачи звука через волновод в поперечном направлении. Применение стенок волновода из сплошного материала гарантирует, что все звуковые волны, входящие в акустическую ячейку, должны полностью пройти через внутреннюю камеру звуковой волны, прежде чем входить во внешнюю камеру звуковой волны. При желании материал, используемый для изготовления волноводов, может быть перфорированным, или же этот материал может быть сеткой, так что может иметь место передача некоторой ограниченной величины звуковой волны в поперечном направлении через стенки волновод. Использование звукопроницаемых волноводных стенок обеспечивает еще один вариант для изменения свойств ослабления звука акустической ячейки.
Входному отверстию волновода в виде усеченного конуса придана такая форма, чтобы он соответствовал стенкам акустической камеры. Например, волноводы, используемые в акустических ячейках с гексагональным поперечным сечением, будут иметь шестиугольную форму, соответствующую шестиугольной форме ячейки. Это позволяет иметь входное отверстие волновода, надежно скрепленное со стенками акустических ячеек. Входное отверстие волновода может быть надежно скреплено со стенками акустических ячеек, используя известные способы соединение, включая термическое соединение. Для того чтобы обеспечить увеличенную площадь поверхности для приклеивания к стенкам сотовой структуры, в нее в качестве в качестве части волновода может быть включен фланец. Волновод может быть выполнен тем же самым образом, будучи вставлен в акустическую ячейку, и соединен по месту таким же образом, как и акустические перегородки, описанные выше в патентах США №№ 7.434.659; 7.510.052 и 7.854.298, содержания которых включены в настоящее описание в качестве ссылки. Главное различие состоит в том, что волновод в виде усеченного конуса вставлен в акустическую ячейку и соединен с ней, а не с плоской акустической перегородкой.
Входное отверстие волновода не должно соответствовать форме поперечного сечения акустической ячейки. Входное отверстие может иметь меньшую площадь поперечного сечения и (или) иную форму. В этих случаях между периметром входного отверстия и стенками ячеек расположен заплечик или соединительный элемент. Заплечик, предпочтительно, выполнен из звуконепроницаемого материала, так чтобы все звуковые волны направлялись во входное отверстие. При желании, заплечик или соединительный элемент может быть изготовлен из звукопроницаемого материала, такого как сетка или перфорированный перегородочный материал.
Выходное отверстие волновода может иметь различные формы поперечного сечения. Предпочтительны круговые выходные отверстия волновода. Тем не менее, возможны овальные и многоугольные выходные отверстия. Форма поперечного сечения выходного отверстия не должна соответствовать форме входного отверстия волновода. В предпочтительном варианте входное отверстие волновода имеет гексагональное поперечное сечение, которое соответствует форме ячейки, а выходное отверстие волновода имеет круговое поперечное сечение. Входное отверстие волновода предпочтительно, больше, чем выходное отверстие. Однако бывают ситуации, когда входное отверстие волновод может быть меньше, чем на выходное отверстие.
Материалы, используемые для изготовления сотовой структуры, могут быть любыми из тех, которые, как правило, используется в акустических конструкциях, включая металлы, керамики и композитные материалы. Примерные металлы включают алюминий и алюминиевые сплавы. Примеры композитных материалов включают стекловолокно, материал Nomex и различные комбинации из графита или керамических волокон с соответствующими смоляными матрицами. Предпочтительны смоляные матрицы, которые могут выдерживать относительно высокие температуры (от 300°F до 400°F) (149°С-204°С). Материалы, используемые для изготовления сплошного поверхностного листа 16, также могут быть любыми из сплошных поверхностных листовых материалов, как правило, используемых для акустических структур, которые обычно включают в себя материалы того же типа, что и материалы, используемые для изготовления сотовой структуры. Материалы, используемые для изготовления пористого поверхностного листа 14, также могут быть любыми из материалов, как правило, используемых для таких пористых структур, при условии, что пор или перфорационных отверстий в этой структуре достаточно для того, чтобы обеспечить вход звуковых волн от реактивного двигателя или от другого источника в акустические ячейки или резонаторы.
Для гондол реактивных двигателей ячейки сотовой структуры, как правило, имеют площадь поперечного сечения между около 0,1-0,5 кв. дюйма (0,64-3,2 кв. см) и глубину между около 1,0 и 2,0 дюймов (25,4-50,8 мм). Использование волноводов в соответствии с настоящим изобретением позволяет производить гондолы, имеющие глубину ячейки сотовой структуры на меньшем конце указанного интервала толщины (1,0 дюйма), которые обеспечивают такое же ослабление или подавление низкочастотного шума, которое обеспечено гондолами, имеющими толщины на верхнем конце указанного интервала толщины (2,0 дюйма).
Способность принимать гондолу с определенной толщиной и увеличивать эффективную длину резонатора без увеличения толщины резонатора или уменьшении количества имеющихся акустических ячеек является существенным преимуществом, поскольку позволяет изготавливать гондолу, максимально возможно тонкую и легкую, но все еще способную ослаблять уровень относительно низкочастотного шума, который создается конструкциями современных реактивных двигателей.
Как упоминалось ранее, предпочтительно, чтобы сплошной поверхностный лист 16 использовался в качестве звукового барьера, для того чтобы закрыть второй край 17 сотовой структуры, чтобы таким образом сформировать акустические резонаторы. В этой ситуации все звуковые барьеры расположены вдоль второго края сотовой структуры. Акустическую глубину ячеек при необходимости можно изменять посредством использования вместо поверхностного листа индивидуальных барьеров. Для того чтобы обеспечить желаемую глубину акустического резонатора, индивидуальные барьеры вставлены внутрь ячейки и закреплены по месту.
Описав, таким образом, взятые в качестве примеров варианты исполнения настоящего изобретения, специалистам в данной области следует заметить, что это описание является лишь примерным, и что в рамках объема настоящего изобретения в него могут быть внесены различные другие альтернативные варианты, адаптации и модификации. Соответственно, настоящее изобретение не является ограниченным вышеописанными вариантами исполнения, но является ограниченным лишь нижеследующими пунктами формулы изобретения.