АКУСТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА С УВЕЛИЧЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ ПОДАВЛЕНИЯ
ACOUSTIC STRUCTURE WITH WIDER SUPPRESSING RANGE

1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится по существу к акустическим структурам, которые применяются для ослабления шума, который исходит от конкретного источника. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на создание относительно тонких акустических структур, способных ослаблять шум в широком диапазоне частот, включая относительно низкочастотный шум, такой как низкочастотный шум, генерируемый двигателями летательного аппарата.
2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Общепризнано, что лучшим способом устранения чрезмерного шума, генерируемого конкретным источником, является воздействие на шум около этого источника. Это обычно заключается в добавлении акустических демпфирующих устройств (акустической облицовки) на структуру, являющуюся источником шума. Одним особенно проблематичным источником шума является реактивный двигатель, применяемый на большинстве пассажирских летательных аппаратов. Акустическая облицовка обычно устанавливается на впускные и выпускные структуры двигателя и на гондолу. Такая акустическая облицовка содержит акустические резонаторы, которые содержат относительно тонкие акустические материл или решетку, имеющую миллионы отверстий, которые создают акустический импеданс для звуковой энергии, генерируемой двигателем.
В летательных и аэрокосмических аппаратах получили распространение сотовые структуры, поскольку такой материал является относительно прочным и легким. Для решения акустических задач, например, в гондолах двигателей к сотовой структуре добавляют акустический материал, чтобы ячейки сотовой структуры были акустически закрыты на том конце, который обращен от двигателя, и покрыты пористым покрытием на том конце, который обращен к двигателю. Такое закрывание ячеек сотовой структуры акустическим материалом создает акустический резонатор, который обеспечивает ослабление, демпфирование или подавление шума. Внутри ячеек сотовой структуры обычно расположены акустические мембраны для создания резонатора с дополнительными свойствами шумоподавления.
Основная проблема, стоящая перед инженерами-акустиками, заключается в том, чтобы создать гондолу как можно более легкой и в то же время обеспечивающей адекватное подавление или демпфирование звуковых частот во всем диапазоне шума, генерируемого реактивным двигателем. Эта базовая конструкторская задача осложняется тем, что в новых моделях больших реактивных двигателей появилась тенденция к возникновению дополнительного шума на низких частотах. В новых конструкциях двигателей проявилась тенденция использовать меньшее количество лопаток вентилятора, которые пропускают большее количество воздуха при меньших частотах вращения. Это приводит к созданию двигателем шума с пониженной частотой.
Конкретные частоты шума, которые демпфируются данной ячейкой сотовой структуры или резонатором, непосредственно связаны с глубиной ячейки. По существу, с уменьшением частоты шума глубину ячейки нужно увеличивать, чтобы обеспечить адекватное демпфирование или подавление. Относительно тонкие гондолы с глубиной ячейки 1 дюйм (25,4 мм) или меньше адекватно поглощают более высокие частотные диапазоны, генерируемые реактивным двигателем. Однако для поглощения более низких частот, которые генерируются новыми реактивными двигателями, нужна глубина акустической ячейки или резонатора порядка 2,5 дюйма (63,5 мм) или более.
Одним из подходов к решению проблемы поглощения шума реактивного двигателя более низкой частоты является просто создание гондолы с более глубокими ячейками. Однако это приводит к увеличению размера и веса гондолы, что противоречит стоящей перед конструктором цели создания как можно более тонкой и легкой гондолы. Кроме того, увеличение веса и размера гондолы для поглощения низкочастотного шума может быть неприемлемым, особенно для больших авиационных двигателей, где размер и вес являются основным конструктивным параметром.
В настоящее время существует необходимость в конструировании гондолы двигателя и других акустических структур, способных подавлять шум в более широком диапазоне без увеличения толщины акустической структуры гондолы.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно настоящему изобретению было обнаружено, что диапазон частот или акустический диапазон гондолы или акустической структуры другого типа можно увеличить путем акустического соединения ячеек сотовой структуры друг с другом для образования пар акустических ячеек, которые имеют эффективную акустическую или резонаторную длину, вдвое превышающую акустическую длину любой одной отдельно взятой ячейки. Такое увеличение эффективной длины резонатора позволяет получить гондолу или акустическую структуру, способную поглощать шум относительно низкой частоты без увеличения толщины или веса гондолы.
Настоящее изобретение направлено на создание акустических структур в целом и гондол для двигателей летательных аппаратов в частности. Эти акустические структуры по настоящему изобретению содержат сотовую структуру, которая имеет первый край, ближайший к источнику шума, и второй край, удаленный от источника шума. Сотовая структура содержит множество первых акустических ячеек, где каждая из первых акустических ячеек имеет общую стенку со второй акустической ячейкой. Каждая из первых акустических ячеек заканчивается первым акустическим барьером, который расположен на втором краю ячейки сотовой структуры или рядом с ней. Вторые акустические ячейки акустические ячейки заканчиваются вторым акустическим барьером, который также расположен на втором краю ячейки сотовой структуры или рядом с ней.
Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что в общей стенке между первой и второй акустическими ячейками расположен акустический канал для акустического соединения ячеек друг с другом. Акустический канал расположен между первым краем сотовой структуры и первым и вторым акустическими барьерами. Третий акустический барьер расположен во второй акустической ячейке для акустического окончания второй акустической ячейки у первого края сотовой структуры или между первым краем сотовой структуры и акустическим каналом. Соединение акустических ячеек и акустические барьеры создают первую зону шумоподавления, которая включает первую акустическую ячейку, а также часть второй акустической ячейки, расположенную между вторым акустическим барьером и третьим акустическим барьером. В результате первая зона шумоподавления или резонатор имеет эффективную акустическую длину, которая может вдвое превышать глубину сотовой структуры.
Еще одним отличительным признаком настоящего изобретения является то, что расположение третьего акустического барьера между первым краем сотовой структуры и акустическим каналом образует вторую зону шумоподавления, которая имеет длину, равную расстоянию между третьим акустическим барьером и первым краем сотовой структуры. В результате вторая зона шумоподавления или резонатор имеет эффективную акустическую длину, которая меньше глубины сотовой структуры.
Можно получить большое разнообразие эффективных акустических длин для первой и второй зон шумоподавления, просто меняя расстояние между третьим акустическим барьером и первым краем сотовой структуры для данной пары акустических ячеек. Настоящее изобретение дает существенное преимущество по сравнению с известными акустическими сотовыми структурами, в которых все акустические ячейки имеют одинаковую эффективную длину и единственным способом удлинения ячеек является увеличение толщины сотовой структуры.
Акустическое соединение ячеек друг с другом по настоящему изобретению создает зоны шумоподавления, которые могут иметь эффективные акустические длины от части толщины сотовой структуры до удвоенной толщины сотовой структуры или более. Возможность формировать акустические ячейки с длиной, которая меньше или больше толщины сотовой структуры обеспечивает существенное расширение полосы или диапазона частот, которые могут поглощаться акустической сотовой структурой. Дополнительно, возможность акустически удлинять ячейки сотовой структуры без увеличения толщины этой сотовой структуры особенно полезна для гондол реактивных двигателей, где необходимо изготовить сотовую структуру как можно более тонкой, в то же время создавая резонаторы, способные демпфировать низкочастотный шум двигателя.
Вышеописанные и многие другие признаки и сопутствующие им преимущества настоящего изобретения станут более понятными из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 - иллюстративная акустическая структура по настоящему изобретению до того, как листы со сплошной и пористой стороной будут склеены в акустическую сотовую структуру.
Фиг. 2 - часть гондолы рядом с источником шума в двигателе.
Фиг. 3 - вид в перспективе участка акустической сотовой структуры, иллюстрирующий акустический канал между ячейками.
Фиг. 4 - схематический вид, иллюстрирующий акустические свойства первой и второй зон шумоподавления, которые образованы путем акустического соединения двух соседних акустических ячеек друг с другом.
Фиг. 5 - другая схема, иллюстрирующая акустические свойства первой и второй зон шумоподавления.
Фиг. 6 - упрощенный вид акустической сотовой структуры, на котором показана иллюстративная конструкция акустического соединения ячеек сотовой структуры друг с другом для демпфирования шума пониженной частоты.
Фиг. 7 - упрощенный вид акустической сотовой структуры, на котором показана альтернативная иллюстративная конструкция акустического соединения ячеек сотовой структуры друг с другом для демпфирования низкочастотного шума.
Фиг. 8 - другой упрощенный вид акустической сотовой структуры, на котором показана еще одна конфигурация соединения акустических ячеек друг с другом для повышения способности к демпфированию низкочастотного шума акустической структурой без увеличения толщины этой структуры.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 представлен частичный разнесенный вид части иллюстративной акустической структуры 10 по настоящему изобретению. Акустическая структура 10 содержит акустическую сотовую структуру 12, которая расположена между пористым лицевым листом 14 и сплошным лицевым листом 16, являющимся акустическим барьером. Собранная акустическая структура 10 показана на фиг. 2, где она расположена рядом с источником 18 шума, который генерирует шум, показанный стрелками 20. Хотя акустическая структура по настоящему изобретению может использоваться для демпфирования шума от самых разных источников, эта акустическая структура особенно хорошо подходит для демпфирования шума, генерируемого двигателями летательных аппаратов и, особенно, большими двигателями, применяемыми в коммерческой авиации. Соответственно, акустическая структура 10, показанная на фиг. 2, типично является частью гондолы, которая окружает газогенератор турбовентиляторного реактивного двигателя 18.
Как показано на фиг. 1-3, сотовая структура 12 содержит первый край 22, ближайший к источнику 18 шума, и второй край 24, который расположен дальше от источника 18 шума. Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что сотовая структура 12 содержит ячейки 28 и 30, которые соединены друг с другом акустическим каналом 26 для формирования пары акустически соединенных ячеек. Отдельные пары ячеек 28 и 30 имеют общую стенку, в которой сформирован акустический канал 26. Каждую ячейку 28 можно рассматривать как первую акустическую ячейку, которая образована стенками сотовой структуры, которые проходят между первым и вторым краями 22 и 24. Каждую ячейку 30 можно рассматривать как вторую акустическую ячейку, которая также образована стенками сотовой структуры, которые проходят между первым и вторым краями 22 и 24. Сплошной лицевой лист 16 служит первым акустическим барьером 32 для первых акустических ячеек и вторым акустическим барьером 34 для вторых акустических ячеек.
Несмотря на то что акустические барьеры 32 и 34 предпочтительно образованы одним сплошным лицевым листом, расположенным вдоль края 24 сотовой структуры 12, можно также сформировать первые и вторые акустические барьеры 32 и 34 индивидуальными сплошными вставками, которые смещены внутри ячеек сотовой структуры от края ячейки сотовой структуры. Положение таких индивидуальных вставок должно быть таким, чтобы акустический канал 26 находился между первым краем 22 сотовой структуры и первым и вторым акустическими барьерами 32 и 34.
Акустический канал может быть расположен в общей стенке ячеек в положении, отнесенном от второго края сотовой структуры. Однако предпочтительно, чтобы акустический канал был образован имеющими форму арки прорезями 26, как показано на фиг. 3, которые посажены на сплошной лицевой лист 16 для создания замкнутого акустического канала в форме арки. Такой акустический канал может иметь самые разные формы при условии, что отверстие в общей стенке будет достаточно большим, чтобы звуковые волны могли проходить по каналу от первой акустической ячейки 28 во вторую акустическую ячейку 30. Отверстия в форме арки или имеющие другой контур, относящиеся к типу, показанному позицией 26, являются предпочтительными, поскольку они уменьшают вероятность появления усталостных трещин в стенках ячеек.
Еще одним отличительным признаком настоящего изобретения является наличие третьего акустического барьера 36, который расположен во вторых акустических ячейках 30. Третьи акустические барьеры 36 могут быть расположены вдоль первого края 22 сотовой структуры. Однако предпочтительно, чтобы третьи акустические барьеры 36 были образованы отдельными сплошными вставками, которые смещены внутрь от первого края 22 сотовой структуры. Смещение акустического барьера 36 во второй акустической ячейке 30 обеспечивает дополнительное демпфирование звука, как будет описано ниже.
1
1
На фиг. 4 и 5 схематически показаны свойства акустического демпфирования, полученные благодаря спариванию друг с другом акустических ячеек 28 и 30 за счет акустического канала 26 согласно настоящему изобретению. Как показано на фиг. 4, шум 20 входит в сотовую структуру через пористый лицевой лист 14. Звуковые волны, представленные стрелкой 21, движутся вниз через первую акустическую ячейку 28, пока не достигнут первого акустического барьера 32, откуда они направляются вбок в акустический канал 26. Второй акустический барьер 34 препятствует выходу звуковых волн, поэтому они направляются вновь вверх по второй акустической ячейке 30, пока не будут остановлены третьим акустическим барьером 36. Акустически соединенные ячейки образуют две зоны шумоподавления или резонатора, которые могут демпфировать или ослаблять шум с разными длинами волн. Первая зона шумоподавления образована первой акустической ячейкой 28 и той частью второй акустической ячейки 30, которая расположена под третьим акустическим барьером 36. Эффективная длина первой зоны шумоподавления или резонатора равна (h+h). Вторая зона шумоподавления образована той частью второй акустической ячейки 30, которая расположена между третьим акустическим барьером 36 и первым краем сотовой структуры. Эффективная длина второй зоны шумоподавления равна (h-h).
На фиг. 5 схематически показаны две зоны шумоподавления или два резонатора, расположенные рядом друг с другом, где первая зона шумоподавления показана позицией 38, а вторая зона шумоподавления показана позицией 40. Акустическое соединение двух ячеек друг с другом образует один резонатор 38, который имеет существенно большую глубину, чем другой резонатор 40. Соответственно, вместо акустической структуры, в которой все ячейки одинаковы, согласно настоящему изобретению предлагается существенное преимущество, заключающееся в наличии одного относительно длинного или глубокого акустического резонатора, способного демпфировать шум с относительно низкими частотами, и, одновременно, второго резонатора, способного демпфировать шум с относительно более высокими частотами.
Дополнительное демпфирование и ослабление частоты можно обеспечить, установив одну или более акустическую мембрану в одной или обеих соединенных акустических ячейках. Например, акустическая мембрана 42 установлена в первой акустической ячейке 28 для создания аттенюатора с двумя степенями свободы. Вторую акустическую мембрану 44 факультативно можно установить во второй акустической ячейке 30 для создания аттенюатора с тремя степенями свободы.
Акустическая мембрана может быть изготовлена из любых стандартных акустических материалов, применяемых для ослабления шума, включая тканые волокна и перфорированные листы. Предпочтительно применять акустические мембраны из тканых волокон. Акустические материалы, как правило, поставляются в форме относительно тонких листов сетчатой ткани, специально предназначенной для шумоподавления. Предпочтительно, чтобы акустические материалы были сетчатой тканью, сотканной из моноволоконных нитей. Волокна могут быть изготовлены из стекла, углерода, керамики и полимеров. Моноволоконные полимерные нити могут быть изготовлены из полиамида, сложного полиэфира, полиэтиленового хлоротрифторэтилена, этиленового хлортрифторэтилена, политетрафторэтилена, полипропиленсульфида, полифторэтиленпропилена, полиэфирэфиркетона, полиамида 6 (нейлон 6) и полиамида 12 (нейлон 12), которые являются лишь несколькими примерами. Сетчатая ткань из полиэфирэфиркетона является предпочтительной для применения в условиях высоких температур, например, в гондолах реактивных двигателей. Примеры мембран описаны в патентах США №№ 7,434,659; 7,510,052 и 7,854,298. Можно также использовать мембраны, изготовленные из пластиковых листов или пленки с лазерной перфорацией.
Существуют разные способы соединения соседних акустических ячеек друг с другом для формирования первой и второй зон шумоподавления. Некоторые примеры возможных конфигураций соединения ячеек показаны на фиг. 6, 7 и 8. На этих чертежах ячейки, обозначенные позицией 1, соответствуют первым акустическим ячейкам 28, а ячейки, обозначенные позицией 2, соответствуют вторым акустическим ячейкам 30. Акустические каналы, соединяющие две ячейки, показаны штрихами 3.
При необходимости все ячейки данной акустической структуры могут быть акустически соединены для формирования акустических пар или акустически соединенные пары ячеек могут быть разбросаны среди акустически не соединенных ячеек. В некоторых ситуациях желательно, чтобы акустически соединенные пары ячеек содержались только в образованных частях акустической структуры. Например, во многих акустических структурах, включая гондолы, общей практикой является создание отверстий в ячейках сотовой структуры, которые расположены в нижней части структуры, чтобы любая скопившаяся вода могла стекать из структуры. Дренажные отверстия соединяют большое количество ячеек сотовой структуры друг с другом, чтобы создать адекватные дренажные каналы для воды, позволяющие всей воде вытекать из структуры. Применение таких дренажных отверстий не соответствует настоящему изобретению, согласно которому эффективная длина акустических ячеек увеличена путем соединения двух акустических ячеек друг с другом.
Настоящее изобретение было описано в отношении акустического соединения только двух соседних ячеек. При необходимости можно акустически соединить друг с другом три или более акустические ячейки, используя акустические каналы и акустические барьеры так же, как было описано в отношении акустического соединения двух ячеек. Соединение более чем двух акустических ячеек друг с другом оправдано в тех ситуациях, когда сотовая структура является относительно тонкой и/или необходимо получить относительно длинный резонатор для демпфирования шума очень низкой частоты. Количество соединяемых друг с другом ячеек определяется требуемой толщиной сотовой структуры и частотным диапазоном, в котором требуется осуществлять ослабление или демпфирование.
Настоящее изобретение сфокусировано на соединении двух ячеек друг с другом, поскольку требования к размеру и частоте шума при демпфировании шума реактивного двигателя можно выполнить, используя гондолы, в которых сотовая структура выполнена с соединением двух ячеек. Например, низкочастотный диапазон шума, создаваемого большими коммерческими реактивными двигателями, составляет 500-2000 Гц. Было обнаружено, что сотовая структура толщиной 1-2 дюйма (25,4-50,8 мм) не обладает способностью демпфировать такой низкочастотный шум. Однако благодаря акустическому соединению ячеек друг с другом можно получить эффективную длину резонаторов, которая способна подавлять такой низкочастотный шум двигателя.
Материалы, используемые для изготовления сотовой структуры, могут быть любыми, обычно используемыми в акустических структурах, включая металлы, керамику и композитные материалы. К примерам металлов относятся алюминий и алюминиевые сплавы. К иллюстративным композитным материалам относятся стекловолокно, Номекс и различные комбинации графитовых или керамических волокон и подходящей смолой матрицы. Смолы матрицы, которые могут выдерживать относительно высокие температуры 300-400°F (приблизительно 150-205°С), являются предпочтительными. Материалы, из которых изготавливают сплошной лицевой лист 16, также могут быть любыми материалами сплошного лицевого листа, обычно используемыми для акустических структур, которые обычно относятся к тому же типу материала, который используется для изготовления сотовой структуры. Материалы, используемые для изготовления пористого листового листа 14, также могут быть любыми, обычно используемыми для получения таких пористых структур, при условии, что поры или перфорации в структуре достаточны для прохождения звуковых волн от реактивного двигателя или другого источника входить в акустические ячейки или резонаторы.
2
2
По существу ячейки сотовой структуры типично имеют площадь сечения от  0,05 кв. дюйма до 1 кв. дюйма (32,258-645,16 мм) или более. Глубина ячеек (толщина сотовой структуры или толщина сердцевины) обычно составляет 0,25-3 дюйма (6,35-76,2 мм) или более. Для гондол реактивных двигателей ячейки сотовой структуры обычно имеют площадь сечения приблизительно 0,1-0,5 кв. дюйма (64,516-322,58 мм) и глубину приблизительно 1,0-2,0 дюйма (25,4-50,8 мм). Примером преимущества настоящего изобретения является то, что ячейки сотовой структуры с глубиной в нижнем конце диапазона (1 дюйм, 25, 4 мм) могут обеспечивать такое же ослабление или подавление низкочастотного шума, что и гондолы толщиной в верхнем конце диапазона (2 дюйма, 50,8 мм). Например, если первый и второй акустические барьеры 32 и 34 расположены на втором краю 24 сотовой структуры, а третий акустический барьер 36 установлен на расстоянии 0,25 дюйма (6,35 мм) внутри второй акустической ячейки 30 в паре акустических ячеек 28, 30, то результирующая длина пары акустических ячеек будет равна 1,75 дюйма и 0,25 дюйма (44,45 мм и 6,35 мм).
Возможность взять гондолу образованной толщины и увеличить до двух раз эффективную длину резонатора является существенным преимуществом, поскольку это позволяет создать максимально тонкую и легкую гондолу, в то же время способную демпфировать шум относительно низкой частоты, создаваемый реактивным двигателем. Кроме того, участок 40 второй акустической ячейки в паре ячеек, которая не используется для увеличения эффективной акустической длины первой акустической ячейки, обеспечивает ослабление шума на других (более высоких) частотах. Это расширяет диапазон (полосу) частот, которые можно эффективно подавлять такой акустической структурой.
Как указано выше, предпочтительно, чтобы сплошной лицевой лист 16 использовался для закрывания второго края сотовой структуры. В такой ситуации первый и второй звуковые барьеры 32, 34 расположены вдоль второго края сотовой структуры. Согласно настоящему изобретению можно увеличить полосу или диапазон частот, которые можно подавлять, простым изменением положения третьего акустического барьера 36 внутри второй акустической ячейки 30 в каждой акустической паре 28 и 30. Дополнительное расширение диапазона подавления можно получить, акустически соединяя три или более ячейки друг с другом и комбинируя эти акустически соединенные ячейки с акустически спаренными ячейками в выбранных положениях на всей акустической структуре. Разумеется, можно создать акустические структуры, которые содержат единичные акустические ячейки, акустически спаренные ячейки и акустически соединенные тройки ячеек.
Другие варианты шумоподавления могут быть получены за счет изменения размера акустического канала 26 между спаренными акустическими ячейками 28 и 30. Размер акустического канала выбран на основе эффективной длины резонатора (первая зона шумоподавления) которая является результатом акустического канала между спаренными ячейками и на основе частоты подавляемого шума.
Следует отметить, что специалистам в данной области техники следует понимать, что выше были описаны лишь примеры, иллюстрирующие настоящее изобретение, и в рамках объема настоящего изобретения в него могут быть внесены различные изменения, альтернативы и адаптации. Соответственно, настоящее изобретение не ограничено вышеописанными вариантами и его объем определяется только приложенной формулой изобретения.