ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ СОТОВАЯ ПАНЕЛЬ
SOUND ABSORBING HONEYCOMB PANEL

Изобретение относится к многослойным звукопоглощающим панелям с сотовым заполнителем 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.
Известна конструкция того же назначения в виде многослойной панели с сотовым заполнителем из многогранных усеченных пирамид с перфорированными боковыми гранями (патент RU №2290312 от 27.12.2006 г.).
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.
Известна звукопоглащающая сотовая панель, раскрытая в способе изготовления звукопоглощающей конструкции газового тракта (патент RU №2247878 от 10.03.2005 г.). 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.
Недостатком известной конструкции 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.
Наиболее близкой конструкцией того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является звукопоглощающая сотовая панель, содержащая внутренний перфорированный и наружный слои обшивки, размещенный между слоями сотовый заполнитель, состоящий из ячеек. 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 или основания всех полидисперсных пирамидальных и/или конических ячеек 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. 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. Сквозные отверстия перфорации внутреннего слоя выполнены в каждую полидисперсную ячейку, образуя ее горловину (патент RU №2630488 от 11.09.2017 г.). Данная конструкция принята за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения: звукопоглощающая панель, содержащая внутренний перфорированный и наружный несущий слои обшивки и сотовый заполнитель между ними с фрактальными N-полидисперсными резонансными ячейками в виде пирамидальных или конических полых геометрических тел с ориентацией вершин или малых оснований ячеек к внутреннему перфорированному слою обшивки, где N - натуральные числа.
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является недостаточный эффект шумоглушения, вследствие того, что все ячейки являются однотипными резонансными ячейками, что приводит к паразитным влияниям их друг на друга и снижению результирующего эффекта шумоглушения панели в целом. Кроме того, наличие сложно перфорированного слоя обшивки и требование высокой точности (для реализации стабильности характеристик и высоких значений шумоглушения) исполнения по форме и размерам сквозных перфораций (горловин) во внутренние рабочие области фрактальных N-полидисперсных ячеек сотового заполнителя снижает эффект шумоглушения.
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 перфорированный и наружный несущий слои обшивки и сотовый заполнитель между ними с фрактальными N-полидисперсными резонансными ячейками в виде пирамидальных или конических полых геометрических тел с ориентацией вершин или малых оснований ячеек к внутреннему перфорированному слою обшивки, где N - натуральные числа, согласно изобретению ячейки сотового заполнителя расположены с чередованием ориентации "вершина - основание" таким образом, что у каждой ячейки, ориентированной вершиной или малым основанием к внутреннему перфорированному слою обшивки, имеется хотя бы одна смежная ячейка такой же формы и размера, ориентированная основанием или большим основанием к внутреннему перфорированному слою обшивки.
Для усиления эффекта звукопоглощения перфорированный внутренний слой обшивки выполнен в виде проницаемой ткани или сетки, характеристики которых определяются особенностями спектра шума и конструкцией.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - ячейки сотового заполнителя расположены с чередованием ориентации "вершина-основание" таким образом, что у каждой ячейки, ориентированной вершиной или малым основанием к внутреннему перфорированному слою обшивки, имеется хотя бы одна смежная ячейка такой же формы и размера, ориентированная вершиной или малым основанием к внутреннему перфорированному слою обшивки; внутренний перфорированный слой обшивки выполнен в виде проницаемой ткани или сетки.
Расположение полидисперсных ячеек сотового заполнителя с фрактальной укладкой взаимоперевернутыми по ориентации «вершина-основание» повышает коэффициент звукопоглощения и расширяет частотный диапазон эффективного звукопоглощения сотовой панели по множеству различных резонансных частот полидисперсных ячеек.
Выполнение перфорированного внутреннего слоя панели в виде проницаемой ткани или сетки повышает реальный эффект звукопоглощения панели в широком диапазоне акустических частот благодаря исключению технологических погрешностей в операции сложного перфорирования несущего слоя обшивки при создании горловин ячеек для реализации стабильности характеристик и высоких значений шумоглушения панели.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков звукопоглощающей сотовой панели с получением указанного технического результата.
Предлагаемая звукопоглощающая сотовая панель поясняется чертежом, на котором изображен фрагмент звукопоглощающей панели с наружным несущим и внутренним тканным слоями с фрактальным сотовым заполнителем из N-полидисперсных, в частности, конических резонансных ячеек отражательного типа (ячеек, ориентированных вершинами или малыми основаниями к перфорированному слою) и антирезонансных ячеек поглотительного типа («резонансных глушителей» - ячеек, ориентированных основанием или большим основанием к перфорированному слою) с взаимообратной ориентацией «вершина-основание».
Звукопоглощающая сотовая панель состоит из внутреннего перфорированного слоя 1, в частности, из ткани или сетки, наружного несущего слоя 2 обшивки и сотового заполнителя между ними с фрактальными N-полидисперсными (в частности, для N=4, см. чертеж) резонансными 3 и антирезонансными 4 ячейками в виде пирамидальных или конических полых геометрических тел. Позицией 5 обозначены горловины резонансных ячеек 5. Резонансные ячейки 3 ориентированы вершинами или малыми основаниями ячеек к внутреннему перфорированному слою 1 обшивки, а антирезонансные ячейки 4 ориентированы основаниями или большими основаниями ячеек к внутреннему перфорированному слою 1 обшивки. Ячейки сотового заполнителя расположены с чередованием ориентации "вершина-основание" таким образом, что у каждой резонансной ячейки 3 имеется хотя бы одна смежная ячейка 4 (антирезонансная) такой же формы и размера, ориентированная основанием или большим основанием к внутреннему перфорированному слою 1 обшивки, т.е. «перевернутая». Фрактальный N-полидисперсный сотовый заполнитель представляет собой условные взаимопересекающиеся монодисперсные слои из соответствующих взаимоперевернутых 3, 4 монодисперсных ячеек. Толщины слоев равны высотам соответствующих взаимоперевернутых 3, 4 монодисперсных ячеек, вершины и основания этих ячеек лежат на границах слоев (см. чертеж). Монодисперсные слои имеют общую верхнюю границу, совпадающую с внутренним перфорированным слоем 1 обшивки, а нижние границы расположены на соответствующих (кратных) расстояниях, равных высотам соответствующих ячеек, от внутреннего перфорированного слоя 1 обшивки.
Коэффициенты подобия ячеек образуют убывающую геометрическую прогрессию, в частности, с коэффициентом 0.5 и заданным первым членом 1 для самых больших ячеек. Основания или большие основания резонансных ячеек 3, вершины или малые основания антирезонансных ячеек 4 с одинаковым значением коэффициента подобия (т.е. для подгруппы монодисперсных ячеек 3, 4 из всего множества полидисперсных ячеек 3, 4) лежат в одной плоскости, в частности для коэффициента подобия 0.5 в плоскости срединных поперечных сечений более крупных ячеек с удвоенным значением этого коэффициента подобия.
Большие основания или основания самых больших ячеек 3 с коэффициентом подобия 1 присоединены к наружному слою 2. Большие основания или основания «перевернутых» ячеек 4 присоединены к внутреннему перфорированному слою 1.
Малые основания или вершины всех полидисперсных ячеек 3 присоединены к внутреннему перфорированному слою 1. Малые основания или вершины самых больших с коэффициентом подобия 1 «перевернутых» ячеек 4 присоединены к несущему слою 2 панели.
Отверстия перфорации 5 шумопоглощающего слоя 1 обшивки должны быть выполнены непосредственно или вблизи мест примыкания вершин и в областях оснований пирамид или конусов к шумопоглощающему слою 1. Отверстия сквозной перфорации 5 во внутреннем слое 1 обшивки могут быть выполнены коническо-цилиндрической формы, когда контур большего основания усеченного конуса расположен на внешней поверхности шумопоглощающего слоя 1 обшивки, а меньшее основание сопряжено по контуру с боковой поверхностью цилиндрической части перфорации.
В поперечных или наклонных сечениях ячеек 3, 4 сотового заполнителя 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 определяются особенностями спектра шума и конструкции. Мембраны могут быть выполнены из тканей, сеток.
В случае, когда перфорированный внутренний слой 1 обшивки выполнен в виде проницаемой ткани или сетки, основания или большие основания перевернутых ячеек 4 примыкают (без присоединения) или присоединены к слою 1 обшивки (из проницаемой ткани или сетки) и имеют по одному или нескольким сквозным перфорациям (горлам) или имеют полностью открытые основания или большие основания.
Выполнение перфораций несущего слоя обшивки обеспечивает прохождение акустических волн шума из проточного тракта во внутренние объемы (камеры) ячеек через их вершины (для резонансных ячеек) и основания (для антирезонансных ячеек). Для беспрепятственного выхода сжатого воздуха из резонансных ячеек через перфорации (горловины) в канал необходимо стремиться к соосности и сопряженности цилиндрических поверхностей перфораций в несущем слое и соответствующих внутренних поверхностей объемов (камер) пирамидальных или конических ячеек. Коническая (неусеченная) форма камер резонансных 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 резонансных ячеек в кинетическую энергию движения воздуха в (цилиндрических или коническо-цилиндрических) горловинах перфорации шумопоглощающего несущего слоя панели и усилить отражательный эффект резонансных ячеек.
Ячейки сотового заполнителя могут быть расположены с тетрагональной или гексагональной укладками на плоскости или криволинейной поверхности.
Для повышения (обеспечения) прочности и жесткости сотового заполнителя звукопоглощающей панели пустоты между ячейками могут быть заполнены связующим.
Элементы звукопоглощающей панели с фрактальным N-полидисперсным 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).
Звукопоглощающая сотовая панель работает следующим образом:
Гармоники падающего на перфорированный слой 1 панели спектра звуковых волн (шума) вызывают в соответствующих (по размеру) резонансных 3 ячейках отражательного типа (ячейках, ориентированных вершинами или малыми основаниями к перфорированному слою) сильные резонансные колебания акустического давления воздуха внутри объема (камер) и кинематических скоростей воздушных масс в горловинах 5 (перфорациях) этих ячеек. Призматическая или коническая форма внутренних объемов (камер) ячеек 3 благоприятствует беспрепятственному выходу (отражению) сжатого воздуха через горловины 5 (перфорации) во внешнюю область (канал) шумогашения.
У каждой резонансной 3 ячейки отражательного типа есть (одна или более) смежная «перевернутая» ячейка 4 такой же формы и размера, являющаяся антирезонатором поглотительного типа («резонансный глушитель») с оптимальным звукопоглощением.
В результате, эффективность звукопоглащения для каждой гармоники из спектра шумогашения предложенной звукопоглощающей панели с сотовым заполнителем из взаимоперевернутых ячеек обусловлена эффективным взаимодействием близкорасположенных резонаторов (или системы резонаторов) отражательного и поглотительного типов, а именно: рядом с резонатором отражательного типа (пирамидальной или конической ячейкой, ориентированной вершиной или малым основанием к перфорированному слою) со стороны падающей волны образуется пучность колебательной скорости. Для поглощения звука в эту пучность установлен антирезонатор поглотительного типа («резонансный глушитель») с оптимальным звукопоглощением («перевернутая» ячейка, т.е. пирамидальная или коническая ячейка, ориентированная основанием или большим основанием к перфорированному слою). Для усиления эффекта звукопоглощения в объеме (камере) «перевернутых» ячеек поглотительного типа могут быть расположены проницаемые мембраны (сетки) или объем (камера) может быть заполнен звукопоглощающим материалом, в частности, войлоком.
Предложенная конструкция панели позволяет повысить коэффициент звукопоглощения шума, создаваемого газовым или воздушным потоком, в среднем на 20% в широком частотном диапазоне акустических шумов, по сравнению с прототипом. Этот технический результат установлен при испытаниях на интерферометре опытных образцов предложенной сотовой звукопоглощающей панели, изготовленных методом 3D-печати с фрактальными полидисперсными (для случаев N=2, 3) структурами сотового заполнителя с взаимоперевернутыми коническими ячейками.