РЕЗОНАНСНАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ГАШЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН
RESONANT CELL FOR SUPPRESSION OF ACOUSTIC WAVES

Изобретение относится к области авиастроения, а именно к ячейкам (резонаторам) звукопоглощающей конструкции резонансного типа, гасящим звуковые колебания (шум), и предназначено для использования в звукопоглощающих панелях турбореактивного двигателя и в транспортной технике, в том числе при изготовлении проточных трактов современных авиационных двигателей.
Известна резонансная ячейка для гашения акустических волн, состоящая из камеры и входа, выполненных в форме усеченных круговых конусов. Меньшие основания камеры и входа соединены цилиндрической горловиной, образующей проход акустических волн в камеру, при этом рабочий объем ячейки равен суммарному объему входа, горловины и камеры ячейки (патент RU №2590216 от 10.07.2016 г.).
Недостатком известной резонансной ячейки является значительное снижение эффекта гашения акустических волн при значениях частот, отличных от постоянного значения резонансной частоты ячейки, так как значительный эффект гашения акустических волн происходит лишь при совпадении частот акустических волн и резонансной частоты ячейки.
Известна резонансная ячейка для гашения акустических волн (патент RU №2511939 от 10.04.2014 г.) с приспосабливаемой резонансной частотой ячейки. Резонансная ячейка с приспосабливаемой частотой содержит горловинную секцию, камеру и деформируемый элемент, выполненный с возможностью деформации под действием изменения температуры газового потока турбины. Горловинная секция и камера образуют рабочий объем резонатора, при этом горловинная секция образует проход, который соединяет камеру резонатора с газовым потоком и по которому акустические волны проникают из внешней среды (газового потока) в камеру. Деформируемый элемент образует спираль (сконструированную с учетом особенностей температурно-акустической зависимости процесса работы турбины), содержит биметаллический элемент и установлен в горловинной секции так, что эффективный диаметр горловинной секции зависит от температуры газового потока. Недостатком известной резонансной ячейки является низкий эффект гашения акустических волн при варьировании частотой акустических волн и при изменении температурного режима работы устройства, так как деформируемый элемент настроен лишь на один постоянный «усредненный» температурно-акустический режим работы устройства и при этом возникает невозможность точного и трудность адекватного учета особенностей температурно-акустической зависимости процесса работы (турбины) из за инерционности протекающих в устройстве тепловых процессов.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является резонансная ячейка для гашения акустических волн (патент US 6782109 В2), которая включает в себя камеру, горловинную секцию, которая образует проход для акустических волн из газового потока внешней среды в камеру, деформируемый пьезоэлектрический элемент, который соединен управляющими электродами с источником управляющего электрического напряжения и электрической линией обратной связи с датчиком частоты акустических волн во внешней среде для автоматизированной настройки резонансной частоты ячейки на значение частоты акустических волн во внешней среде. Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - камера, горловинная секция, которая образует проход для акустических волн из газового потока внешней среды в камеру, деформируемый пьезоэлектрический элемент, который соединен управляющими электродами с источником управляющего электрического напряжения и электрической линией обратной связи с датчиком частоты акустических волн во внешней среде для автоматизированной настройки резонансной частоты ячейки на значение частоты акустических волн во внешней среде.
Недостатком известной резонансной ячейки, принятой за прототип, является низкий эффект гашения акустических волн в широком частотном диапазоне.
Задачей изобретения является реализация значительного эффекта гашения резонансной ячейкой акустических волн в широком частотном диапазоне.
Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента гашения резонансной ячейкой акустических волн в широком частотном диапазоне.
Поставленная задача была решена за счет того, что известная резонансная ячейка для гашения акустических волн, содержащая камеру, горловинную секцию, которая образует проход для акустических волн из газового потока внешней среды в камеру, деформируемый пьезоэлектрический элемент, который соединен управляющими электродами с источником управляющего электрического напряжения и электрической линией обратной связи с датчиком частоты акустических волн во внешней среде для автоматизированной настройки резонансной частоты ячейки на значение частоты акустических волн во внешней среде, согласно изобретению деформируемый пьезоэлектрический элемент выполнен в виде одного или нескольких элементов: концентрической цилиндрической оболочки, закрепленной на боковой поверхности прохода в горловинной секции, и/или в виде мембраны или сетки, размещенной в поперечном сечении прохода и/или на выходе из прохода горловинной секции.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - деформируемый пьезоэлектрический элемент, выполненный в виде одного или нескольких элементов: концентрической цилиндрической оболочки, закрепленной на боковой поверхности прохода в горловинной секции, и/или в виде мембраны или сетки, размещенной в поперечном сечении прохода и/или на выходе из прохода горловинной секции.
Выполнение деформируемого пьезоэлектрического элемента в виде одного или нескольких элементов: концентрической цилиндрической оболочки, закрепленной на боковой поверхности прохода в горловинной секции, и/или в виде мембраны или сетки, размещенной в поперечном сечении прохода и/или на выходе из прохода горловинной секции позволяет более точно управлять значением резонансной частоты резонансной ячейки, настраивая ее как можно ближе к значению фактической частоты акустической волны, что позволит достигнуть повышения эффекта гашения акустических волн при различных значениях частот акустических волн. Благодаря этому достигается заявленный технический результат: повышение коэффициента гашения резонансной ячейкой акустических волн в широком частотном диапазоне.
Заявителю неизвестно использование в науке и технике отличительных признаков резонансной ячейки с получением указанного технического результата.
На чертеже изображена резонансная ячейка, в частности, конической формы с одним деформируемым пьезоэлектрическим элементом.
Резонансная ячейка для гашения акустических волн содержит камеру 1, горловинную секцию 2, и деформируемый пьезоэлектрический элемент 3. При этом горловинная секция 2 образует проход, который соединяет камеру 1 с газовым потоком и по которому акустические волны проникают из внешней среды (газового потока) в камеру 1.
Деформируемый пьезоэлектрический элемент 3 выполнен в виде концентрической цилиндрической оболочки, закрепленной на боковой поверхности прохода в горловинной секции 2 и/или в виде мембраны или сетки, размещенной в поперечном сечении прохода и/или на выходе из прохода горловинной секции 2.
Пьезоэлектрический элемент 3 соединен управляющими электродами с источником управляющего электрического напряжения (на чертеже не показаны). Рабочий объем резонансной ячейки равен суммарному объему камеры 1 и прохода горловинной секции 2 и управляется посредством изменения управляющего электрического напряжения на электродах деформируемого пьезоэлектрического элемента 3.
Управление значениями резонансной частоты резонансной ячейки происходит посредством управляемого деформирования пьезоэлектрического элемента 3 (или элементов), в результате чего происходит управление значениями геометрических параметров рабочего объема резонансной ячейки, в частности, управление диаметром прохода в горловинной секции 2 пьезоэлектрическим элементом 3 в виде концентрической цилиндрической оболочки, закрепленной на боковой поверхности прохода в горловинной секции 2. Управление значениями резонансной частоты резонансной ячейки необходимо для настройки ее как можно ближе к значению фактической частоты акустической волны, что позволит достигнуть повышения эффекта гашения акустических волн при различных значениях частот акустических волн.
Принцип действия разработанной резонансной ячейки состоит в реализации резонансного режима ее функционирования для различных частот акустических волн из внешней среды (канала с газовым потоком), а именно: сжатии объема газовой смеси, заключенного в рабочем объеме резонансной ячейки, давлением акустических волн газовой смеси из внешней среды (канала с газовым потоком) через проход в горловинной секции 2, и преобразовании потенциальной энергии сжатия газовой смеси в камере 1 в кинетическую энергию газовой смеси на выходе (в канал с газовым потоком) из прохода горловинной секции 2 резонансной ячейки. В результате происходит интенсивное когерентное акустическое излучение волн на выходе из прохода горловинной секции 2 во внешнюю среду (канал с газовым потоком), что приводит к эффективному гашению основной акустической волны во внешней среде.
Наличие в резонансной ячейке деформируемого пьезоэлектрического элемента, например, в виде концентрической цилиндрической оболочки 3, закрепленной на боковой поверхности прохода в горловинной секции 2, и/или в виде мембраны или сетки, размещенной в поперечном сечении прохода и/или на выходе из прохода горловинной секции 2, позволяет повысить коэффициент гашения резонансной ячейкой акустических волн в широком частотном диапазоне благодаря реализации управляемого резонансного режима работы системы «внешняя акустическая среда/ячейка» для различных частот акустических волн (предназначенных для гашения) во внешней среде и минимизации акустических потерь и максимально более полному преобразованию потенциальной энергии сжатия воздуха внутри камеры 1 в кинетическую энергию движения воздуха в проходе горловинной секции 2 и, в частности, в создании (посредством акустического излучения волн на выходе из прохода горловинной секции 2) акустического экрана в поперечном сечении канала, что препятствует распространению основной акустической волны по каналу.
Горловинная секция 2 резонансной ячейки может быть образована в результате сквозной перфорации звукопоглощающего несущего слоев звукопоглощающей конструкции в виде «сэндвич-панели», между двумя несущими слоями которой размещены камеры «сот» резонансных ячеек; при этом несущие слои могут включать в себя управляемые деформируемые пьезоэлектрические элементы, в частности, в виде пьезоэлектрических керамических ЦТС, PZT или полимерных PVDF включений в объеме композитных слоев.
Несущий звукопоглощающий слой может быть выполнен в виде сетки и/или ткани, при этом отверстия в ячейках сетки и/или ткани образуют горловинные секции 2 резонансных ячеек; при этом нити сетки и/или ткани могут включать в себя управляемые деформируемые пьезоэлектрические элементы, в частности, в виде пьезоэлектрических полимерных волокон PVDF в составе нитей.
Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования газодинамических процессов в системе «канал с потоком/ячейка». Результаты численного моделирования показали, что предложенная резонансная ячейка позволяет эффективно настраивать свою резонансную частоту на частоту внешних (предназначенных для гашения) акустических волн в канале, посредством воздействия управляющего электрического напряжения на пьезоэлектрический деформируемый элемент. Благодаря этому достигается заявленный технический результат: повышение коэффициента гашения резонансной ячейкой акустических волн в широком частотном диапазоне.