ПОВЕРХНОСТНАЯ ОБШИВКА ДЛЯ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ
SURFACE FUSELAGE SKIN FOR SOUND ABSORPTION

Данное изобретение относится к элементу поверхностной обшивки, часто называемому “liner” на английском языке, который предназначен для наложения на базовую поверхность для обеспечения звукопоглощения. Изобретение также относится к способу изготовления такой поверхностной обшивки.
Как известно, обшивку укладывают на базовую поверхность, чтобы за счет звукопоглощения уменьшить звуковую волну, которая отражается от базовой поверхности, проходя через обшивку. Обшивка содержит поверхностную стенку, которая удерживается на расстоянии перед базовой поверхностью при помощи жесткой распорки, например, при помощи сотовой структуры. Звукопоглощение в основном обеспечивается поверхностной стенкой, которая содержит отверстия, позволяющие звуковым волнам проходить через эту поверхностную стенку между наружным пространством обшивки, с одной стороны, и с другой стороны, пространством, которое является промежуточным между поверхностной стенкой и базовой поверхностью. Такие обшивки используют, в частности, для выполнения части поверхности гондолы авиационного двигателя или части передней кромки крыла самолета. Как правило, промежуток между поверхностной стенкой и базовой поверхностью составляет порядка четверти длины звуковой волны, что соответствует максимальной эффективности поглощения, чтобы получить эффект резонанса, усиливающий звукопоглощение. Однако такие обшивки являются малоэффективными при звуковых частотах ниже 500 Гц (герц).
Авиационные двигатели типа UHBR от “ultra-high bypass ratio” (сверхвысокая степень двухконтурности) имеют более короткие и более тонкие гондолы, которые, следовательно, требуют обшивок с более высокой эффективностью звукопоглощения на частотах ниже 500 Гц.
В другой области применения в документе CN2527764 предложено улучшить звукопоглощение стенки канала внутри воздуходувного аппарата, выполнив в этой стенке отверстия, как в описанной выше поверхностной стенке обшивки, и дополнительно расположив трубку, начиная от каждого отверстия, противоположно проходу нагнетаемого воздуха. Трубки заполняют пространство, которое является промежуточным между стенкой канала нагнетаемого воздуха и наружной обшивкой аппарата. Звукопоглощение улучшается за счет длины пути распространения звуковых волн в каждой трубке. Однако эффект резонанса, производимый полостью, глубина которой составляет порядка четверти длины поглощаемой звуковой волны, в данном случае не применяется.
Наконец, было предложено комбинировать эффект резонирующей полости и эффект поглощения, который увеличивается за счет прохождения звуковых волн внутри трубок, в частности, в статье F.Simon “Low frequency sound absorption of resonators with flexible tubes”, Proceedings of ICA2013, June 2013 и во время презентации под названием “«Низкочастотные» акустические резонаторы для применения в гондоле авиационного двигателя”, CFA 2016, Ле Ман. В частности, было предложено, чтобы трубки имели индивидуальную длину, меньшую глубины резонирующей полости. Такой элемент поверхностной обшивки содержит:
- поверхностную стенку, имеющую множество отверстий, при этом каждое отверстие индивидуально образует свободный проход через эту поверхностную стенку;
- распорную структуру, соединенную с внутренней стороной поверхностной стенки и выполненную с возможностью зафиксировать промежуток между этой поверхностной стенкой и базовой поверхностью, на которой располагают обшивку, чтобы получить по меньшей мере одну акустическую полость между внутренней стороной поверхностной стенки и этой базовой поверхностью; и
- трубки, соединенные с поверхностной стенкой и проходящие в акустической полости от внутренней стороны поверхностной стенки в направлении базовой поверхности, при этом каждая трубка открыта на двух противоположных концах этой трубки и предназначена для одного из отверстий поверхностной стенки с сечением отверстия, которое заключено во внутреннем сечении трубки на уровне поверхностной стенки.
Кроме того, длина каждой трубки, измеренная в направлении, перпендикулярном к внутренней стороне поверхностной стенки, меньше промежутка между поверхностной стенкой и базовой поверхностью таким образом, что по меньшей мере 10% этого промежутка не имеет трубок напротив базовой поверхности.
С учетом этой ситуации задачей изобретения является увеличение звукопоглощения элемента поверхностной обшивки, в частности, для частот звуковой волны ниже 500 Гц.
Дополнительной задачей изобретения является разработка способа изготовления такого элемента поверхностной обшивки с увеличенным звукопоглощением.
Для решения этих задач в качестве первого объекта изобретения предложен вышеупомянутый элемент поверхностной обшивки, в котором несколько отверстий поверхностной стенки имеют разные формы сечения отверстия, при этом отношение периметра сечения отверстия к площади сечения отверстия меняется по меньшей мере между некоторыми из отверстий.
Действительно, при равной площади сечения отверстие через поверхностную стенку обеспечивает звукопоглощение на низкой частоте, которое становится больше, когда его периметр сечения является более длинным. В частности, главный пик низкочастотного поглощения смещается к более низким значениям акустической частоты, когда отношение периметра сечения отверстия к площади сечения отверстия увеличивается. Использование отверстий, имеющих разные значения этого отношения, позволяет расширить общий ощущаемый пик звукопоглощения элемента поверхностной обшивки, который является эффективным на низкой частоте.
В предпочтительных вариантах осуществления изобретения можно применять по меньшей мере один из следующих дополнительных признаков отдельно или в комбинации с другими признаками:
- сечение каждого отверстия может быть идентичным с внутренним сечением связанной с ним трубки на уровне внутренней стороны поверхностной стенки;
- по меньшей мере некоторые из трубок могут иметь разные соответствующие длины, измеренные, каждая, в направлении, перпендикулярном к внутренней стороне поверхностной стенки;
- каждая трубка может быть расположена перпендикулярно к внутренней стороне поверхностной стенки;
- длина каждой трубки может быть меньше промежутка между поверхностной стенкой и базовой поверхностью на расстояние, составляющее от 2 мм до 40 мм, в направлении, перпендикулярном к внутренней стороне поверхностной стенки;
- по меньшей мере для одной из трубок внутреннее сечение этой трубки может меняться в зависимости от расстояния, измеренного от внутренней стороны поверхностной стенки вдоль направления, перпендикулярного к этой внутренней стороне. В частности, оно может меняться гомотетично, начиная от центральной оси трубки, с отношением гомотетии, которое меняется в зависимости от расстояния до поверхностной стенки. В частности, промежуток между центральной осью трубки и внутренней поверхностью этой трубки в меридиональной плоскости трубки может меняться экспоненциально в зависимости от расстояния до внутренней стороны поверхностной стенки;
- периферический край по меньшей мере одного из отверстий может представлять собой многоугольник с более чем четырьмя сторонами. В частности, этот периферический край отверстия может иметь фрактальную структуру порядка, превышающего или равного 2;
- все отверстия могут занимать долю площади, составляющую от 2% до 20%, предпочтительно от 4% до 8% внутренней стороны поверхностной стенки;
- распорная структура может содержать жесткие перегородки, расположенные перпендикулярно к внутренней стороне поверхностной стенки. В этом случае расстояние между двумя находящимися друг против друга перегородками распорной структуры предпочтительно меньше половины наименьшей длины звуковой волны, которая предписана для элемента поверхностной обшивки; и
-1/2
5
- для каждого отверстия наименьшее расстояние между двумя частями края отверстия, которые расположены параллельно и друг против друга, предпочтительно в два раза превышает толщину граничного акустического слоя, которая равна (ρ⋅π⋅f/μ), где ρ является плотностью воздуха при 25°С (градус Цельсия) и при 10 Па (паскаль), μ является вязкостью воздуха в этих же условиях, и f является акустической частотой, предписанной для элемента поверхностной обшивки и составляющей от 100 Гц до 500 Гц, например, равной 200 Гц.
В целом, элементы поверхностной обшивки в соответствии с изобретением могут иметь соответствующую форму, чтобы образовать часть поверхности гондолы авиационного двигателя, часть передней кромки крыла самолета, часть устройства звукопоглощения для системы кондиционирования воздуха или часть внутренней стенки вентилятора.
В целом также, конец распорной структуры, противоположный к поверхностной стенке, может быть выполнен с возможностью его приклеивания на базовой поверхности.
Вторым объектом изобретения является способ изготовления элемента поверхностной обшивки, являющегося первым объектом изобретения, в котором трубки и факультативно также распорную структуру выполняют при помощи метода трехмерной печати или литья под давлением, начиная от внутренней стороны поверхностной стенки.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания неограничивающих примеров осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 показан элемент поверхностной обшивки в соответствии с изобретением, вид в разрезе;
на фиг. 2а-2g показаны формы сечения отверстия, которые можно применять в элементе поверхностной обшивки в соответствии с изобретением;
на фиг. 3а, 3b, 3c и 3d показаны диаграммы звукопоглощения в зависимости от частоты звуковой волны;
на фиг. 4а и 4b показан элемент поверхностной обшивки в соответствии с изобретением, виды сверху в перспективе в двух противоположных направлениях;
на фиг. 5а и 5b показаны трубки, которые можно применять в различных вариантах осуществления изобретения с переменными длинами трубок или с размерами сечения трубок, меняющимися вдоль каждой трубки, виды в сечении.
Для большей ясности размеры элементов, представленных на фигурах, не соответствуют ни реальным размерам, ни реальным размерным соотношениям. Кроме того, элементы, идентичные или выполняющие идентичные функции, имеют на разных фигурах одинаковые обозначения.
Указанные на фигурах обозначения имеют следующие значения:
100 - конструктивный элемент, предназначенный для наложения на него элемента поверхностной обшивки
SB - поверхность конструктивного элемента 100, на которую накладывают элемент поверхностной обшивки и которая называется базовой поверхностью
10 - элемент поверхностной обшивки
1 - поверхностная стенка элемента 10 поверхностной обшивки
FI - внутренняя сторона поверхностной стенки 1
FE - наружная сторона поверхностной стенки 1
2 - сквозные отверстия в поверхностной стенке 1
3 - трубка, связанная с каждым отверстием 2, проходящая от внутренней стороны FI поверхностной стенки 1
4 - перегородка, выполненная от внутренней стороны FI поверхностной стенки 1
4а - дистальный конец каждой перегородки 4, противоположный к поверхностной стенке 1
V - промежуточный объем между внутренней стороной FI поверхностной стенки 1 и базовой поверхностью SB конструктивного элемента 100
ОА - звуковая волна, падающая на наружную сторону FE поверхностной стенки 1
А-А - центральная ось каждой из трубок 3
Е - промежуток между внутренней стороной FI поверхностной стенки 1 и базовой поверхностью SB конструктивного элемента 100
L - длина каждой трубки 3, измеренная вдоль оси А-А трубки от внутренней стороны FI поверхностной стенки 1
r
d - остаточное расстояние между дистальным концом каждой трубки, противоположным к поверхностной стенке 1, и базовой поверхностью SB конструктивного элемента 100
Конструктивный элемент 100 может быть, например, частью гондолы авиационного двигателя. Однако из соображения ясности фигур, но не ограничительно, базовая поверхность SB конструктивного элемента 100 показана плоской.
Элемент 10 поверхностной обшивки является частью обшивки конструктивного элемента 100. Для этого элемент 10 поверхностной обшивки крепят на поверхности SB конструктивного элемента 100, например, посредством приклеивания дистальных концов 4а перегородок 4 на базовой поверхности SB.
Конструктивный элемент 10 содержит поверхностную стенку 1, трубки 3 и перегородки 4. Трубки 3 и перегородки 4, которые являются жесткими, могут быть присоединены к внутренней стороне FI поверхностной стенки 1 или могут быть выполнены за одно целое с поверхностной стенкой 1, например, на внутренней стороне FI. Они могут быть расположены перпендикулярно к внутренней стороне FI поверхностной стенки 1, хотя это и не обязательно. Согласно предпочтительному варианту изготовления конструктивного элемента 10, по меньшей мере трубки 3 и, возможно, также перегородки 4 могут быть выполнены посредством трехмерной печати или с применением способа литья под давлением.
Длина перегородок 4 определяет промежуток Е (фиг. 1), когда элемент 10 поверхностной обшивки закреплен на поверхности SB конструктивного элемента 100. Предпочтительно перегородки 4 имеют одинаковую длину, поэтому внутренняя сторона FI и базовая поверхность SB являются параллельными. В отсутствие трубок 3 промежуток Е будет по существу равным четверти значения длины звуковой волны ОА, при которой требуется максимальное звукопоглощение. Однако в присутствии трубок 3 промежуток Е может составлять, например, от 1/20 до 1/30 длины звуковой волны, при которой необходимо максимальное звукопоглощение. Максимальную частоту поглощения для звуковой волны ОА можно, таким образом, уменьшить, благодаря присутствию трубок 3, в 5-7 раз по сравнению с резонатором без трубок 3 при данном промежутке Е. Кроме того, расстояние между двумя перегородками 4, которые находятся друг против друга, предпочтительно меньше половины наименьшей длины звуковой волны, предписанной для элемента 10 поверхностной обшивки. В этих условиях волна проходит через поверхностную стенку 1 в основном через отверстия 2, распространяется вдоль трубок 3, затем в объеме V в направлении конструктивного элемента 100, отражается от базовой поверхности SB, опять распространяется в объеме V, но в направлении поверхностной стенки 1, затем опять проходит через трубки 3 и через поверхностную стенку 1 наружу. Как известно, поглощение звуковой волны ОА происходит в основном при каждом прохождении через трубки 3 и поверхностную стенку 1.
Геометрия каждой перегородки 4 может быть любой. В частности, каждая перегородка 4 может иметь одно или несколько отверстий, обеспечивая при этом функцию жесткой распорки между поверхностной стенкой 1 и конструктивным элементом 100.
Каждое отверстие 2 проходит от наружной стороны FЕ поверхностной стенки 1 до ее внутренней стороны FI, образуя свободный проход между наружным пространством и промежуточным объемом V. Таким образом, она позволяет части звуковой волны ОА проходить через поверхностную стенку 1. Спектр звукопоглощения, который влияет на волну ОА во время такого прохождения, смещен в сторону более низких значений частоты, когда отношение периметра отверстия 2 к площади его сечения является более значительным. Ниже в таблицах 1 и 2 указаны значения отношения периметра отверстия к площади его сечения для разных форм и для двух значений площади сечения отверстия:
2
Таблица 1: для площади сечения каждого отверстия 2 порядка 1,27 мм
Форма сечения
круглое
щель
Правильная шестиконечная звезда с углом 60° при вершинах
Фрактальная структура Вичека порядка 1 (крест)
Фигура
2а
2b
2c
2d
Размер(ы) (мм)
диаметр d = 1,27
ширина: d = 0,80длина:L = 1,60
сторона лучаd = 0,86
толщина лучаd = 0,5
Отношение периметр/площадь (мм<sup>-1</sup>)
~3,14
~4,3
~4,7
~4,8
ас
ас
-1/2
5
В целом, наименьшее расстояние между двумя параллельными и находящимися друг против друга краями отверстия предпочтительно превышает двукратную толщину δ граничного акустического слоя, вычисленную по формуле δ=(ρ⋅π⋅f/μ), где ρ является плотностью воздуха при 25°С (градус Цельсия) и при 10 Па (паскаль), μ является вязкостью воздуха в этих же условиях, и f является частотой звуковой волны ОА, предпочтительно составляющей от 100 Гц до 500Гц, например, равной 200 Гц. Это условие гарантирует, что значительная часть звуковой волны ОА проникает в промежуточный объем V через отверстие 2.
Каждое отверстие 2 оснащено трубкой 3, которая проходит от внутренней стороны FI поверхностной стенки 1 в направлении конструктивного элемента 100. В описанных вариантах осуществления, хотя это и не является обязательным для изобретения, каждая трубка 3 имеет центральную продольную ось А-А, которая является прямолинейной и перпендикулярной к внутренней стороне FI в месте отверстия. Кроме того, внутреннее сечение каждой трубки 3 на уровне внутренней стороны FI является идентичным и совпадает с сечением соответствующего ей отверстия 2. Кроме того, каждая трубка 3 имеет длину l, меньшую 90% промежутка Е между внутренней стороной FI поверхностной стенки 1 и базовой поверхностью SB конструктивного элемента 100.
В этих условиях на каждой из диаграмм на фиг. 3а, 3b, 3c и 3d показано влияние формы отверстий 2 на спектр поглощения звуковой волны ОА. Горизонтальная ось каждой диаграммы показывает частоту f звуковой волны ОА, выраженную к герцах (Гц), а вертикальная ось показывает спектральное поглощение, обозначенное Abs(f), нормализованное по отношению к его максимальной значению 1.
2
Диаграмма на фиг. 3а соответствует значению в 10 мм (миллиметров) для промежутка Е между внутренней стороной FI поверхностной стенки 1 и базовой поверхностью SB конструктивного элемента 100. Диаграмма на фиг. 3b соответствует значению в 20 мм для этого промежутка Е. Все трубки 3 имеют длину l, равную 5 мм (миллиметров), и площадь внутреннего сечения порядка 1,27 мм для обеих диаграмм на фиг. 3а и 3b. Для каждой кривой этих диаграмм все отверстия 2 являются идентичными и имеют форму, указанную во вкладке экспликации соответствующей диаграммы, и размер(ы) отверстий, являющийся(еся) идентичным(и) в таблице 1 для этой формы отверстия. Сравнение между этими двумя диаграммами показывает, что главный пик низкочастотного поглощения смещен в сторону более низких значений частоты f, когда промежуток Е увеличивается, и что при постоянном значении промежутка Е этот пик тоже смещается в сторону более низких значений частоты f, когда отношение периметра отверстия к площади сечения отверстия увеличивается. Кроме того, на фиг. 3b показано расширение примерно на 7% главной нижней частотной полосы поглощения, когда отношение периметра отверстия к площади сечения отверстия увеличивается.
2
2
Чтобы сместить пик поглощения вокруг или ниже 500 Гц, длину l трубок 3 можно зафиксировать в значении 15 мм при промежутке Е между внутренней стороной FI поверхностной стенки 1 и базовой поверхностью SB конструктивного элемента 100, равном 20 мм (фиг. 3с) или 30 мм (фиг. 3d). Все отверстия 2, связанные с каждой из кривых на фиг.3с или 3d, тоже имеют одинаковую форму, которая указана во вкладке экспликации соответствующей диаграммы, с площадью сечения отверстия порядка 3,14 мм (см. таблицу 2 выше для размеров отверстий, которые соответствуют кривым на фиг. 3с и 3d). При этом наблюдается такое же поведение, как в случае, когда длина l трубок 3 равна 5 мм и когда площадь сечения отверстия составляет порядка 1,27 мм (фиг. 3а и 3b), то есть максимальное поглощение, которым управляет отношение периметра отверстия к площади сечения отверстия.
Заявленный элемент 10 поверхностной обшивки показан на фиг. 4а и 4b. Для большей ясности фиг. 4а и 4b перегородки 4 на этих двух фигурах не показаны, но присутствуют в реальном элементе поверхностной обшивки. В этом элементе 10 обшивки форма отверстий 2 меняется между несколькими из них, что приводит к изменению отношения периметра отверстия к площади сечения отверстия внутри этого элемента обшивки. Так, один и тот же элемент 10 поверхностной обшивки имеет одновременно отверстия 2, которые имеют по меньшей мере две разных структуры среди круглой структуры, структуры в виде креста, щели, шестиугольника, шестиконечной звезды, разных фракталов структур и т.д. и ориентация которых в наружной стороне FЕ может тоже меняться. Таким образом, спектр поглощения такого элемента 10 поверхностной обшивки представляет собой комбинацию спектров, которые соответствуют каждой из форм сечения отверстия. Следовательно, получаемый в результате спектр поглощения имеет главный пик низкочастотного звукопоглощения, который расширен при постоянном значении промежутка Е. Этот расширенный пик производит, в частности, значения звукопоглощения, которые являются более значительными при акустической частоте f ниже 500 Гц. Полученный таким образом выигрыш в эффективности поглощения при 500Гц может составлять 7% или более.
Трубка 3, связанная с каждым отверстием 2, может иметь форму внутреннего сечения, идентичную с сечением соответствующего отверстия 2. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 4а и 4b, внутреннее сечение каждой трубки 3 является инвариантным вдоль каждой трубки, и все трубки 3 имеют одинаковую длину.
r
r
r
На фиг. 5а представлены первые версии изобретения, в которых некоторые из трубок 3 элемента 10 обшивки, показанного на фиг. 4а и 4b, могут иметь длину l, которая меняется от одной трубки к другой. Свободное остаточное расстояние, обозначенное d, которое существует между дистальным концом одной из трубок 3, противоположным к поверхностной стенке 1, и конструктивным элементом 100, равно Е - l. Для заявленных элементов поверхностной обшивки это свободное остаточное расстояние d превышает 10% промежутка Е. Это условие сохраняется, когда все трубки 3 имеют одинаковую длину. В целом, оно обеспечивает оптимальную комбинацию между эффектом резонанса, производимым промежутком Е, и возросшим звукопоглощением, производимым разнообразными формами отверстий 2. Предпочтительно свободное остаточное расстояние d может превышать 2 мм для всех трубок 3 элемента 10 поверхностной обшивки.
c
c
c
На фиг. 5b представлены вторые версии изобретения, в которых некоторые из трубок 3 элемента 10 обшивки могут иметь внутренние сечения, которые меняются в зависимости от расстояния х от внутренней стороны FI поверхностной стенки 1. Например, внутреннее сечение трубки 3 может меняться между двумя плоскостями, которые являются перпендикулярными к оси А-А этой трубки и которые соответствуют разным значениям для расстояния х, гомотетично с отношением гомотетии, которое зависит от расстояния х. При х=0 внутреннее сечение трубки может быть идентичным с внутренним сечением соответствующего ей отверстия 2. При этом расстояние r между внутренней поверхностью трубки 3 и центральной осью А-А этой трубки может меняться в зависимости от расстояния х одинаково во всех меридиональных плоскостях, которые содержат ось А-А, при этом r(x) является вышеупомянутым отношением гомотетии. В различных вариантах осуществления изобретения r(x) может быть сегментом аффинной возрастающей или убывающей функции или сегментом экспоненциальной функции, которая может быть возрастающей или убывающей, сегментом параболы, сегментом гиперболы и т.д. В возможном варианте r(x) может представлять собой линейную комбинацию нескольких из этих функций и, в целом, r(x) может быть любой функцией, поскольку дистальный конец трубки 3 является открытым. Таким образом, каждая трубка 3, сечение которой может меняться вдоль ее центральной оси А-А, может представлять собой конический, экспоненциальный, параболический, гиперболический и т.д. раструб, связывающий промежуточное пространство V со свободным проходом, который соответствующее отверстие 2 образует в поверхностной стенке 1. Как известно, такой раструб, который расширяется по мере удаления от внутренней стороны FI поверхностной стенки 1, способствует передаче акустической энергии через это отверстие 2. Кроме того, такой раструб имеет частоту отсечки F, ниже которой звуковая волна ОА больше не передается через раструб (соответствует f < F). Эта частота отсечки равна F = C/(4π ⋅ α), где α является характеристической длиной изменения функции r(x).
Признаки первых и вторых версий изобретения, показанных на фиг. 5а и 5b, можно комбинировать в усовершенствованных вариантах осуществления.
2
2
2
2
Число отверстий 2 на единицу площади поверхностной стенки 1 может составлять от 1 отверстия/см (отверстия на сантиметр квадратный) до 8 отверстий/см. Учитывая площадь сечения каждого отверстия, которая может составлять, например, от 1 мм до 4 мм, совокупность отверстий может занимать долю площади поверхностной стенки 1, например, от 4% до 8%.
Наконец, перегородки 4 могут образовать совокупность раздельных ячеек, которые расположены рядом друг с другом на внутренней стороне FI поверхностной стенки 1. В каждой ячейке может содержаться только одно отверстие 2 со своей соответствующей трубкой 3, но также возможно расположить несколько отверстий 2 со связанными с ними трубками 3 внутри одной и той же ячейки.
Разумеется, изобретение можно воспроизводить, меняя его вторичные аспекты по сравнению с детально описанными выше примерами. В частности, перегородки 4 можно заменить распорной структурой, которая имеет другую геометрию и любое распределение по отношению к отверстиям 2. Кроме того, вышеупомянутые цифровые значения были представлены только в качестве примеров.