СЛОИСТАЯ КОНСТРУКЦИЯ, ИМЕЮЩАЯ ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВОЙНОЙ СТЕПЕНИ
LAYERED STRUCTURE HAVING DOUBLE ORDER FREQUENCY-SELECTIVE CHARACTERISTIC

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к слоистой конструкции, содержащей основание и внешние слои на обеих сторонах основания.
Уровень техники
Существенные требования к акустическому комфорту пассажиров в самолетах большой вместимости предполагают улучшенные акустические свойства конструкции стенки салона и, следовательно, элементов стенки салона, составляющих его облицовку. Стандартные материалы для этих элементов стенки имеют форму слоистых конструкций, таких как, например, слоистые панели с сотовой структурой основания.
1
2
В качестве примера конструкция слоистой панели представлена на фиг.5. Слоистая панель 100 имеет трехслойную конструкцию с внешними слоями 300 и 400 толщиной d и d и поддерживающее основание 200 высотой h. Для изготовления внешних слоев на верхней стороне 300 и нижней стороне 400 поддерживающего основания 200 использован, например, армированный волокнами композиционный материал. Поддерживающее основание 200 образовано сотами из бумаги, пропитанной фенолоальдегидным полимером, которые внешне похожи на пчелиные соты. Можно считать, что в будущем вспененные материалы, например, фенолоальдегидный полимер, будут все чаще использоваться в качестве материала основания.
Главным преимуществом слоистых панелей является их очень высокое сопротивление изгибу при низком весе. В слоистой панели растягивающее и сжимающее напряжения передаются в основном через внешние слои, в то время как основание передает напряжения сдвига в результате деформирования всей конструкции перпендикулярно поверхности панели.
Однако по сравнению с материалами с однородной структурой и одинаковым или сравнимым весом на единицу площади, акустические свойства слоистых панелей по отношению к звукопередаче и звукоизлучению низки. Например, потери звукопередачи выше предельной частоты совпадений, которая может быть достигнута в слоистых панелях, значительно ниже значения для однородных материалов, рассчитанного на основе закона масс. В отличие от конструкций однородных стенок, в случае слоистых панелей существует провал в потерях звукопередачи в области предельной частоты совпадений в форме широкополосной пологой площадки. Причиной такого поведения является сопротивление сдвигу основания, которое в этом частотном диапазоне преобладает над скоростями распространения поперечных волн в слоистой панели.
Следовательно, один возможный способ увеличения потерь звукопередачи слоистых панелей состоит в сохранении скорости распространения поперечных волн ниже скорости звука в воздухе путем снижения сопротивления сдвигу основания.
Так, из патентных документов DE 10034990 А1 и ЕР 1382439 A3 известно снижение сопротивления сдвигу основания слоистой панели путем разрезания. В результате улучшается изменение потерь звукопередачи, а звукоизлучение слоистой панели снижается.
Другой возможный способ снижения вредного влияния эффекта совпадений на потери звукопередачи заключается в повышении изоляции переносимого звука в слоистых панелях.
Слоистая панель с внешними слоями, расположенными на обеих сторонах основания, известна из ЕР 1061190 А1. В этом случае само основание содержит, по меньшей мере, два слоя, из которых два крайних, соответственно соединены с внешними слоями. Слои основания отстоят друг от друга посредством разделительных элементов. Эта слоистая панель обеспечивает улучшение звукоизоляции в области структурной акустики по сравнению с одиночными стенками и упрощенную конструкцию по сравнению с обычными двойными стенками, такими как, например, стенки структуры «штукатурная плита - минеральная вата - штукатурная плита». Конструкция слоев основания, расположенных на расстоянии друг от друга, в этом случае основана исключительно на статических аспектах. В ЕР 1061190 А1 не рассматриваются условия разработки конструкции и акустические свойства слоистой панели. Не предложено возможных путей избегания двустенной резонансной частоты двойных стенок.
Из информационного источника Feng, L. "A modified honeycomb panel to increase sound transmission loss"; Tenth International Congress on Sound and Vibration, Stockholm 2003, p. 4549-4554 («Модифицированная сотовая панель, обеспечивающая увеличение потерь звукопередачи», Десятый международный конгресс по звуку и вибрации, Стокгольм 2003, стр. 4549-4554) известно увеличение потерь звукопередачи в слоистых панелях алюминиевых конструкций путем локального разделения клеевого соединения между внешним слоем алюминия и основания. В результате на основе закона масс слоистая панель в области предельной частоты совпадений и в области двустенного резонанса акустически ведет себя примерно так же, как и стенка из гомогенного материала. Недостатком этого является только то, что частичное клеевое соединение внешних слоев к основанию слоистой панели не подходит для использования в самолетостроении. В процессе производства, в области, которая не должна быть приклеена, должен быть введен дополнительный разделительный лист, и этот лист не может быть извлечен после изготовления и, следовательно, ведет к увеличению веса слоистой панели. В областях, которые не приклеиваются, основание, разделительный лист и внешний слой дребезжат, что ведет к повреждению отдельных компонентов и, следовательно, снижению срока службы слоистой панели.
Документы DE-B 1422020 и DE-B 1191597 раскрывают слоистую конструкцию, содержащую основание и внешние слои на обеих сторонах основания, причем основание имеет регулярно расположенные полости.
Раскрытие изобретения
Таким образом, изобретение решает задачу усовершенствования слоистой конструкции с увеличенными потерями звукопередачи.
Задача изобретения решается с помощью слоистой конструкции по пункту 1 формулы изобретения, причем основание имеет полости, расположенные непосредственно под одним или обоими внешними слоями, размеры полостей выбраны из условия обеспечения соответствия акустических характеристик слоистой конструкции в области полостей основания акустическим характеристикам двойной стенки, с одновременным сохранением акустических характеристик слоистой конструкции в целом. Путем соответствующего выбора размеров и расположения полостей основания акустические характеристики слоистой конструкции согласно изобретению в низкочастотном диапазоне соответствуют акустическим характеристикам обычной слоистой панели, а в высокочастотном диапазоне - соответствуют акустическим характеристикам двойной стенки. Для достижения такого акустического поведения полости, расположенные в основании между внешними слоями, с одной стороны, достаточно велики для того, чтобы акустическое поведение слоистой конструкции в области полостей основания локально соответствовало акустическому поведению двойной стенки, и, с другой стороны, достаточно малы для того, чтобы в целом сохранялось акустическое поведение слоистой панели. В этом случае основание может иметь сотовую структуру, в которой вырезаны полости. Подобным образом, основание может состоять из отвержденного вспененного материала, например, пористой синтетической смолы, в которой полости вырезаны или остались при вспенивании материала во время его производства. Полости основания образуют области, в которых внешние слои поддерживаются сотовой структурой или вспененным материалом основания, и области, в которых внешние слои не поддерживаются или поддерживаются только незначительно. Слоистая конструкция может быть, например, слоистой панелью.
Слоистая конструкция согласно изобретению имеет преимущество перед уровнем техники в том, что в области предельной частоты совпадений она ведет себя таким же образом, как и слоистая панель тех же размеров, сконструированная обычным образом, а выше предельной частоты совпадений она акустически ведет себя как двойная стенка, а не как обычная слоистая панель. Ниже предельной частоты совпадений слоистая конструкция согласно изобретению ведет себя как обычная слоистая панель. Дополнительным преимуществом слоистой конструкции согласно изобретению является снижение веса по сравнению с обычной слоистой панелью в результате частичного удаления основания. Дополнительным положительным эффектом является снижение сопротивления сдвигу основания, вызванное полостями основания, сочетающееся с положительными эффектами, описанными выше, которые относятся к потере звукопередачи.
Полезное усовершенствование изобретения предусматривает, что полости основания выполнены таким образом, что, по меньшей мере, один внешний слой имеет области, которые не поддерживаются основанием. В этом случае полости основания могут быть образованы таким образом, что основание удалено полностью или на части своей высоты, чтобы создать области, в которых оба внешних слоя не поддерживались основанием, или области, в которых только один внешний слой не поддерживается основанием. Первая собственная частота областей внешнего слоя, которые не поддерживаются основанием в области полостей основания, предпочтительно находится ниже предельной частоты совпадений слоистой конструкции одинаковых размеров без полостей основания, и выше резонанса внешних слоев двойной стенки. Кроме того, собственные частоты соседних областей внешнего слоя, которые не поддерживаются основанием, отличны друг от друга. Для избегания взаимного влияния между соседними областями полостей основания отношение собственных частот соседних областей полостей основания предпочтительно соответствует простому числу или иррациональному числу.
Другое полезное усовершенствование изобретения предусматривает, что, по меньшей мере, один внешний слой имеет разные толщины в областях соседних полостей основания. Разные толщины в областях соседних полостей основания имеют эффект достижения разных собственных частот областей внешнего слоя, которые не поддерживаются основанием в области полостей основания.
Кроме того, полезное усовершенствование изобретения предусматривает, что внешние слои, расположенные на противоположных сторонах основания, имеют разную толщину. Придавая внешним слоям, расположенным на противоположных сторонах основания, разную толщину, можно влиять на резонанс двойной стенки. Соответствующий выбор толщины внешних слоев позволяет установить резонанс на требуемой частоте. Это может быть просто достигнуто путем выполнения внешних слоев, расположенных на противоположных сторонах основания, из разных материалов.
Согласно дополнительному полезному усовершенствованию изобретения предусматривается, что соседние полости основания имеют разную геометрию. В качестве альтернативы или дополнительно, соседние полости основания могут иметь разные размеры. Полости основания предпочтительно имеют в плане геометрию, которая проста для производства, например, с прямоугольным, квадратным, круглым или треугольным сечением. В этом случае полости основания могут проходить по всей высоте основания или занимать только часть высоты основания. В принципе, также возможно, что полости выполнены таким образом, что оба внешних слоя имеют области, на которых они не поддерживаются основанием, причем основание остается сплошным, например, посередине высоты. Основание предпочтительно выполнено за счет формирования полостей в виде решетки, по меньшей мере, под одним внешним слоем. Если полости проходят по всей длине основания, решетка содержит перемычки, соединяющие внешние слои друг с другом. Во всех вариантах осуществления основание может иметь сотовую структуру, в которой вырезаны полости. Подобно этому возможно изготовление основания из вспененного материала.
Дополнительные полезные усовершенствования изобретения охарактеризованы комбинацией зависимых пунктов формулы и в последующем описании примерного варианта осуществления.
Краткое описание чертежей
На чертежах:
на фиг.1 показано схематичное представление слоистой конструкции согласно изобретению в поперечном сечении;
на фиг.2 показано схематичное представление различных геометрий полостей основания в плане;
на фиг.3 показано схематичное представление слоистой конструкции согласно изобретению в поперечном сечении с полостями основания, расположенными только под одним внешним слоем;
на фиг.4 показано представление изменения потерь звукопередачи слоистой конструкции согласно изобретению, двойной стенки и обычной слоистой панели с одинаковыми размерами и одинаковым весом на единицу площади;
на фиг.5 показано схематичное представление конструкции обычной слоистой панели, известной из уровня техники, в поперечном сечении.
Осуществление изобретения
1
2
1
2
Слоистая конструкция 1, представленная на фиг.1, содержит основание 2, два внешних слоя 3, 4 с обеих сторон основания 2, и полости 5 основания, которые выполнены в основании 2 и занимают всю высоту h основания 2. В области полостей 5 основания внешние слои 3, 4 не поддерживаются основанием 2. В зависимости от вида, на котором они представлены, эти области также относятся к областям полостей основания или областям внешних слоев, в которых внешние слои 3, 4 не поддерживаются основанием 2. Размеры a, а полостей 5 основания, с одной стороны, выбраны так, чтобы быть достаточно большими для акустического поведения слоистой конструкции 1 в области полостей 5 основания, локально соответствующего акустическому поведению двойной стенки, и, с другой стороны, выбраны так, чтобы быть достаточно малыми для того, чтобы акустическое поведение слоистой конструкции 1 сохранялось в целом. Основание 2 в этом случае имеет сотовую структуру, в которой вырезаны полости 5. В принципе, также возможно изготовление основания 2 из отвержденного вспененного материала, например из вспененной синтетической смолы. На фиг.1 показано поперечное сечение по линии А-А основания 2 слоистой конструкции 1, которая показана в плане на фиг.2а, причем в данном случае полости 5' основания имеют прямоугольную форму. Размеры a, а соседних полостей 5 основания такой же геометрии отличаются для избегания взаимного влияния между собственными частотами областей внешних слоев 3, 4, которые не поддерживаются основанием 2.
В случае слоистых конструкций 1', 1", 1"', 1"", которые представлены на фиг.2, полости 5', 5", 5"', 5"" основания снова занимают всю высоту h основания 2', 2", 2"', 2"" так, что остается только решетка 6 основания, которая показана для различных геометрий полостей 5', 5", 5'", 5"" основания и содержит перемычки 7, соединяющие внешние слои друг с другом. Таким образом, полости 5' основания на фиг.2а имеют прямоугольную геометрию в плане. На фиг.2b полости 5" основания имеют круглую геометрию. Особенно легко круглые полости 5" основания могут быть вырезаны из основания 2", например, посредством кольцевой пилы. На фиг.2b соседние по диагонали полости 5" основания имеют разные размеры. На фиг.2с представлено основание 2"' с треугольными полостями 5'" основания. Соседние треугольные полости 5'" основания расположены в разных направлениях, имеют разные размеры или и то, и другое. На фиг.2d полости 5"" в основании 2"" имеют такие размеры, что все, что остается от основания 2"", является столбиками 8, образующими решетку 6 основания и соединяющими внешние слои друг с другом. Столбики 8 располагаются предпочтительно нерегулярно для избегания взаимного влияния между собственными частотами областей внешних слоев, которые не поддерживаются основанием 2"".
В случае слоистой конструкции 10, представленной на фиг.3, полости 50 основания занимают только часть высоты h основания 20, так что основание 20 частично удалено только под одним внешним слоем 30. В результате, один внешний слой 30 имеет области, которые не поддерживаются основанием 20, тогда как другой внешний слой 40 полностью поддерживается основанием 20. В принципе, для полостей 50 возможны те же геометрии, что и представленные на фиг.2.
Диаграмма, представленная на фиг.4, показывает изменение потерь звукопередачи TL по частоте для слоистой конструкции согласно изобретению, двойной стенки и обычной слоистой панели. В этом случае слоистая конструкция согласно изобретению, двойная стенка и обычная слоистая панель имеют одинаковые размеры в отношении расстояния внешних слоев друг от друга и одинаковый вес на единицу площади.
Полости основания соответствующих размеров создают частотно-зависимое поведение потерь звукопередачи TL слоистой конструкции согласно изобретению, которое соответствует как таковому у слоистой панели или одиночной стенки, так и таковому у двойной стенки. В высокочастотном диапазоне поведение соответствует по большей части таковому у двойной стенки. Акустическое поведение слоистой конструкции зависит от полостей основания таким образом, что устраняется характер изменения скорости распространения поперечных волн по частоте, известный из уровня техники. В результате, в случае слоистой конструкции согласно изобретению полностью избегается согласованность поперечных волн с окружающим воздухом, также как и формирование провала, подобного пологой площадке, в потерях звукопередачи TL.
sw0
Для того, чтобы получить частотно-избирательное поведение двойной стенки у слоистой конструкции согласно изобретению, которая описана и изображена на фиг.4, и тем самым достичь устранения согласованности обычной слоистой панели (то есть такой, которая не имеет каких-либо полостей), при проектировании полостей основания необходимо знание предельной частоты совпадений f сопоставимой обычной слоистой панели с одинаковыми размерами и материалами внешних слоев и поддерживающего основания.
1
2
sw0
e1
dw0
e1
dw0
Далее, размеры полостей основания, такие как, например, размеры а и а, показанные на фиг. 1, должны быть выбраны так, что ниже предельной частоты совпадений f области внешнего слоя, которые не поддерживаются основанием, имеют первую собственную частоту f. В этом случае слоистая конструкция согласно изобретению будет действовать в целом не как вся конструкция, а локально как двойная стенка. С одной стороны, полости выбираются настолько малыми, чтобы в области резонанса двойной стенки f в целом по-прежнему получалось поведение обычной слоистой панели и не происходило ухудшение потерь звукопередачи. Это означает, что первая собственная частота f свободных областей внешнего слоя должна лежать выше резонанса двойной стенки f. Вместе, таким образом, должно быть применено следующее:
dwo
e1
sw0
f<f<f.
В результате, для слоистой конструкции согласно изобретению могут быть сохранены положительные акустические свойства слоистой панели в низкочастотной области. На высоких частотах слоистая конструкция согласно изобретению акустически ведет себя как двойная стенка (фиг.4).
Подводя итог, увеличение потерь звукопередачи достигается вместе с одновременным снижением веса.
Особенно подчеркивается то, что предельные частоты совпадений внешних слоев по отдельности сами по себе считаются как лежащие значительно выше частотного диапазона, который подходит для акустического комфорта для материалов, которые обычно используются в самолетостроении. Возникновение нежелательных объемных резонансов в областях полостей основания, в которых внешний слой не поддерживается основанием, ожидается только выше частотного диапазона, который соответствует акустическому комфорту. Кроме того, решетка основания, или основание, остающееся между внешними слоями, действует как изоляция полости двойной стенки. Это также имеет положительное влияние на потери звукопередачи. Тем, чего следует избегать, является приведение областей внешних слоев, которые не поддерживаются основанием, к одинаковой собственной частоте. В этом случае конструкция в целом будет действовать на соответствующей частоте как панель, изготовленная из отдельных излучателей. Поэтому полости должны иметь разную геометрию и/или размеры. В качестве альтернативы или в добавление к этому, могут быть выбраны разные толщины и материалы внешних слоев. Частичное удаление основания только под одним внешним слоем, показанное на фиг.3, также ведет к желательным разным свойствам внешних слоев.
Изобретение вполне может быть использовано в массовом производстве, поскольку соответствующие области основания должны быть просто удалены перед тем, как основание и внешние слои будут соединены вместе. Дальнейший производственный процесс не изменяется. Поскольку не требуется новых или дополнительных материалов, то в этом отношении нет необходимости какого-либо одобрения со стороны соответствующих органов.
Изобретение может быть применено в промышленности, в частности, но не исключительно, в области производства слоистых конструкций для применения в самолетостроении.
Перечень обозначений
1
2
1 - слоистая конструкция; 2, 2', 2", 2"', 2"" - основание; 3 - внешний слой; 4 - внешний слой; 5, 5', 5", 5"', 5'" - полость основания; 6 - решетка основания; 7 - перемычка; 8 - столбик; 10 - слоистая конструкция; 20 - основание; 30 - внешний слой; 40 - внешний слой; 50 - полость основания; 100 - слоистая конструкция; 200 - поддерживающее основание; 300 - внешний слой; 400 - внешний слой; d - толщина внешнего слоя; h - высота основания; а - размер полости основания; а - размер полости основания.