СОСТАВНАЯ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ ПАНЕЛЬ
COMPOSITE SOUND-ABSORBING PANEL

Изобретение относится к звукопоглощающим панелям с ячейками резонансного типа, гасящим звуковые колебания, создаваемые газовыми потоками и их нагнетателями, и предназначено для использования в области авиакосмической техники, транспортной техники, радиотехники, строительства, например, в качестве звукопоглощающих панелей при изготовлении проточных трактов современных авиационных турбореактивных двигателей.
Известны звукопоглощающие конструкции (ЗПК), состоящие из двух стенок, перфорированных и неперфорированных, между которыми находится однослойный или многослойный звукопоглощающий элемент. При этом между слоями материала сложного профиля, прилегающим к нему, расположен элемент резонансного типа, так называемый резонатором Гельмгольца (RU №2002111099; RU №2533484; RU №67650; RU №2531154).
Недостатком известных конструкций является сравнительно невысокая эффективность шумоглушения, в частности, в дискретном спектре поглощения, т.е. в эффективном поглощении звука в узком спектре частот и минимальном поглощении во всем остальном диапазоне, вследствие того, что существующие ЗПК настраиваются на определенный диапазон частот, который ограничен собственной частотой резонаторов используемых в конструкции.
Известна секционная звукопоглощающая конструкция, содержащая последовательно несколько описанных выше конструкций (секций) с разной высотой заполнителя, а соответственно, с разной шумопоглощающей способностью [В.Н.Крысин. Технологические процессы формообразования, намотки и склеивания конструкций. М. Машиностроение, 1989, с. 110] При этом высоту заполнителя отдельных секций выбирают, исходя из реальных условий работы конструкции (уровень шума, частота звука, величина
звукового давления вдоль секций конструкций). Настроенная на свою частоту, каждая секция в отдельности эффективно гасит шум в узкой полосе частот, но у целой конструкции ширина частот оказывается достаточно большой.
Недостатком известной конструкции является низкая эффективность снижения шума при достаточной ширине поглощаемого спектра вследствие того, что соседние резонаторы в рамках одной секции настроены на одну и ту же частоту, что приводит к взаимовлиянию резонаторов, а в следствии к снижению их совместной работы. Кроме того, к снижению акустической эффективности приводят значительные аэродинамические сопротивления из-за перепада высот заполнителя. Также недостатками известной конструкции являются технологические сложности при соединении отдельных секций, недостаточно крепкое крепление шумозащитной части к несущей части, наличие дефектов и сообщений между соседними ячейками, обусловленные сложным технологическим процессом склеивания, значительные металлоемкость, вес, громоздкость.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является составная звукопоглощающая панель (US 20180114516 А1), состоящая из нескольких соединенных между собой секций, выполненных с возможностью отсоединения друг от друга, каждая из секций содержит внутренний перфорированный и наружный несущие слои обшивки и размещенный между слоями заполнитель. При этом в каждой секции несущие слои обшивки и заполнитель между ними выполнены в виде отдельных ячеек различной формы и/или объема. Данная конструкция принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - составная звукопоглощающая панель, состоящая из нескольких соединенных между собой секций, выполненных с возможностью отсоединения друг от друга; каждая из секций содержит внутренний перфорированный и наружный несущие слои обшивки и
размещенный между слоями заполнитель, выполненные в виде отдельных ячеек различной формы и/или объема.
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является низкая эффективность снижения шума при достаточной ширине поглощаемого спектра вследствие того, что соседние резонаторы в рамках одной секции настроены на одну и ту же частоту, что приводит к взаимовлиянию резонаторов, а в следствии к снижению их совместной работы. Также недостатками известной конструкции являются недостаточно крепкое крепление шумозащитной части к несущей части, наличие дефектов и сообщений между соседними ячейками, обусловленные сложным технологическим процессом склеивания, значительные вес, громоздкость, т.к. конструкция выполнена многослойной.
Задачей изобретения является создание звукопоглощающей панели, позволяющей повысить эффективность снижения шума, создаваемого газовым или воздушным потоком, имеющую при достаточно широком спектре частот поглощаемого звука меньший вес, надежное соединение шумозащитной и несущей частей.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известной составной звукопоглощающей панели, состоящей из нескольких соединенных между собой секций, выполненных с возможностью отсоединения друг от друга, каждая из секций содержит внутренний перфорированный и наружный несущие слои обшивки и размещенный между слоями заполнитель, выполненные в виде отдельных ячеек различной формы и/или объема, согласно изобретению несущие слои обшивки и заполнитель между ними выполнены как единое целое в виде однослойной конструкции, при этом рядом стоящие ячейки имеют разные формы и/или объемы.
Ячейки различных форм или объема могут быть установлены с чередованием по длине и ширине панели в различном порядке, определяющем модальным составом шума.
Для усиления эффекта звукопоглощения в поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно могут быть размещены проницаемые и/или упругие мембраны, причем в каждой ячейке расположена как минимум одна мембрана.
Для усиления эффекта звукопоглощения в поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно могут быть размещены пористо-волокнистые материалы.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - несущие слои обшивки и заполнитель между ними выполнены как единое целое в виде однослойной конструкции; рядом стоящие ячейки имеют разные формы и/или объемы; ячейки различной формы и/или объема установлены с чередованием по длине и/или ширине панели в различном порядке, определяющем модальным составом шума; в поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно размещены проницаемые упругие мембраны; в каждой ячейке расположена как минимум одна мембрана; в поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно размещены пористо-волокнистые материалы.
Выполнение шумозащитной части совместно с несущей в виде отдельных ячеек позволит исключить дефекты, нарушающие сплошность между шумозащитной и силовой частью конструкции и ориентации перфорации относительно оси ячейки, обеспечив надежное соединение шумозащитной и несущей частей. В результате повышается жесткость и надежность конструкции.
Выполнение каждой секции в виде ячеек различной формы и/или объема и возможность размещения рядом стоящие ячейки разной формы и/или объемы позволяет исключить взаимовлияние, что, с одной стороны, повышает широкополосность системы, с другой стороны, позволяет достичь максимального эффекта звукопоглощения. Данная конструктивная особенность 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 секций с возможностью отсоединения друг от друга позволяет составить звукопоглощающую панель с различным набором ячеек. За счет использования комбинированных форм и схем размещения резонаторов значительным образом снижается взаимовлияние ячеек и повышается эффективность совместной работы на широкой полосе частот.
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.
Выполнение конструкции однослойной широкополосной (вместо двух-, трехслойной) позволяет снизить вес конструкции и ее стоимость.
Заявляемая конструкция звукопоглощающей панели обладает большим числом степеней свободы, которые обеспечат дискретный и достаточно плотный ряд резонансных частот, что позволит достичь повышения эффективности снижения шума, создаваемого газовым или воздушным потоком, а так же надежное соединение шумозащитной и несущей частей.
Предлагаемая составная звукопоглощающая панель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-4.
На фиг. 1 изображен общий вид составной ЗПК
На фиг. 2 - вариант замкового соединения, секция с трапециевидными пазами.
На фиг. 3 - вариант замкового соединения, секция с квадратными пазами.
На фиг. 4 - вариант замкового соединения, секция с треугольными пазами.
Составная звукопоглощающая панель состоит из нескольких идентичных секций 1, соединенных между собой. Каждая секция 1 содержит внутренний перфорированный и наружный несущие слои обшивки, и размещенный между ними заполнитель. В каждой секции 1 несущие слои обшивки и заполнитель между ними выполнены как единое целое в виде отдельных ячеек различной формы и/или объема. Рядом стоящие ячейки имеют разные формы и/или объемы. Составная звукопоглощающая панель выполнена однослойной.
Секции могут быть соединены между собой различным способом, например, посредством замкового соединения (фиг. 1). Секции выполнены с пазами для соединения с соседними секциями в виде замкового соединения с трапециевидными пазами (фиг. 2), квадратными пазами (фиг. 3) и треугольными пазами (фиг. 4). Секции выполнены с возможностью отсоединения друг от друга.
Ячейки различных форм и/или объема могут быть установлены с чередованием по длине и/или ширине панели в различном порядке. Возможны различные схемы компоновки, определяющиеся модальным составом шума. В поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно могут быть размещены проницаемые упругие мембраны. В каждой ячейке может быть расположена одна, две или более мембран. Количество слоев мембран и их ориентация (угол наклона к оси ячейки) в объеме ячейки определены особенностями спектра шума и конструкции. Мембраны могут быть выполнены из тканей, сеток, а так же из пористо-волокнистых материалов. В поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно могут быть размещены пористо-волокнистые материалы.
Диаметры перфорации и ее ориентация относительно оси резонатора, объем и форма резонаторов, 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 формы, толщины перфорированной стенки, количества, свойств, расположения (по высоте ячейки) и ориентации мембран и жесткостных свойств материала ячеек и несущего слоя (вблизи перфораций).
Ячейки могут быть размещены по различным схемам расположения на плоскости или криволинейной поверхности. Заявляемая конструкция может быть установлена в любой плоскости.
Ячейки составной звукопоглощающей панели можно производить всеми известными способами изготовления подобного рода изделий, в том числе методами 3Д печати. Размеры панели могут быть разнообразными.
Составная звукопоглощающая панель работает следующим образом: уменьшение шума в каналах облицованных резонансными ЗПК происходит за счет того, что волна, проходя через перфорацию, изменяет направление распространения, формируя акустический экран, который препятствует дальнейшему распространению продольной волны. За счет использования комбинированных форм и схем размещения резонаторов значительным образом снижается взаимовлияние ячеек и повышается эффективность совместной работы на широкой полосе частот.
Предложенная конструкция панели позволяет повысить коэффициент звукопоглощения шума, создаваемого газовым или воздушным потоком, в среднем на 15% в широком частотном диапазоне акустических шумов, по сравнению с прототипом. Этот технический результат установлен при испытании опытного образца панели.
Преимущество заявленной составной звукопоглощающей панели состоит в том, что она обладает более высокими звукопоглощающими свойствами в сравнении с прототипом, имеет меньший вес, надежное
соединение шумозащитной и несущей частей, низкую стоимость и несложную конструкцию.