ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ КОНИЧЕСКАЯ ПАНЕЛЬ
SOUND-ABSORBING CONICAL PANEL

Изобретение относится к звукопоглощающим панелям и может быть использовано для поглощения шума машин и аэродинамических устройств.
Известная звукопоглощающая панель авиационного двигателя (См. патент на полезную модель: NOISE REDUCTION PLATE STRUCTURE USED FOR AIRCRAFT ENGINE, CN203476833U, МПК F04D 29/66, опубликован 12.03.2014.), содержит тонкую глухую оболочку, объемную сотовую оболочку и тонкую перфорированную оболочку. Перфорированная оболочка сформирована из перфорированного листового материала. Сотовая оболочка установлена между глухой и перфорированной оболочками. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов, которые поглощают акустическую энергию, снижая уровень шума авиационного двигателя.
Известная многослойная звукопоглощающая панель авиационного двигателя (См. патент на изобретение: MULTI-LAYERED ACOUSTIC LINER, US3948346, МПК, G10K 11/172, опубликован 06.04.1976.), содержит тонкую глухую оболочку, по меньшей мере, две объемные сотовые и две тонкие перфорированные оболочки. Перфорированные оболочки сформированы из перфорированного листового материала. Сотовые оболочки разделены перфорированными оболочками и установлены между глухой оболочкой и внешней перфорированной оболочкой. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов, которые поглощают акустическую энергию, снижая уровень шума авиационного двигателя.
В известных звукопоглощающих панелях не предусмотрена геометрическую связь, обеспечивающая соосность осей отверстий перфорированной оболочки и осей ячеек сотовой оболочки. Акустические резонаторы имеют несимметричную форму и/или несколько входных отверстий. Несоосность отверстий перфорированной оболочки и ячеек объемной сотовой оболочки приводит к расширению спектра поглощения звуковых волн. Резонансные частоты акустических резонаторов отличаются между собой и не совпадают с частотой поглощаемой звуковой волны. Эффект звукопоглощения, свойственный акустическому резонатору Гельмгольца, реализован не в полной мере.
Кроме того, в производстве оболочки конической формы из перфорированного листовой материала отверстия выходят за края ее плоской развертки. Кромки перфорированной развертки и перфорированной оболочки имеют «рваную» поверхность, что снижает технологичность и прочность соединений перфорированной оболочки с сопрягаемыми деталями.
Выбранная в качестве прототипа, звукопоглощающая панель летательного аппарата (См. патент на изобретение: LINEAR ACOUSTIC LINER, US 8196704B2, МПК, B64D 33/02; E04B1/84, опубликован 12.06.2012.), содержит тонкую глухую оболочку, объемную сотовую оболочку и многослойную перфорированную оболочку. Последняя выполнена из композитных материалов на формовочной модели. Сотовая оболочка установлена между глухой и многослойной перфорированной оболочками. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов, которые поглощают акустическую энергию и снижают уровень шума.
Перфорация многослойной перфорированной оболочки выполнена в пакете совместно отформованных слоев, что снижает длительность перфорации кратно числу слоев. Однако сами отформованные оболочки не приспособлены к перфорации в пакете. Их перфорация требует длительной поштучной операции на громоздком программируемом оборудовании. При изготовлении многослойной перфорированной оболочки из перфорированного листового материала прототипу присущи указанные выше недостатки аналогов.
Задачи, решаемые изобретением,
- обеспечение соосности отверстий перфорированной оболочки и ячеек сотовой оболочки;
- конструктивное обеспечение перфорации оболочек в пакете их разверток;
- исключение выхода отверстий за края перфорированной оболочки.
Технический результат от использования изобретения:
- улучшение звукопоглощения на частоте поглощаемой звуковой волны;
- сокращение длительности перфорации оболочек;
- улучшение технологичности и повышение прочности соединений перфорированной оболочки с сопрягаемыми деталями.
Изобретение может быть реализовано в следующих исполнениях.
1-е исполнение.
Звукопоглощающая коническая панель содержит тонкую глухую оболочку, объемную сотовую оболочку и тонкую перфорированную оболочку. Сотовая оболочка установлена между глухой и перфорированной оболочками. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов.
Для решения поставленной задачи, оболочки выполнены с одинаковой конусностью, объемная сотовая оболочка выполнена в виде упругого призматического сотового блока с трапецеидальным контуром. Сотовый блок набран рядами упругой волнообразной ленты. Ряды упругой волнообразной ленты параллельны основаниям трапецеидального контура. Соседние ряды волнообразной ленты взаимно смещены на половину шага и соединены в местах прилегания вершин и впадин. Длина большего основания трапецеидального контура, по существу, равна длине наибольшей дуги на конической поверхности прилегания сотовой и перфорированной оболочек. Длина меньшего основания трапецеидального контура, по существу, равна длине наименьшей дуги на конической поверхности прилегания сотовой и перфорированной оболочек. Длины боковых стороны трапецеидального контура равны длине образующей конической поверхности прилегания сотовой и перфорированной оболочек.
Сотовый блок деформирован по контуру и поверхностям глухой и перфорированной оболочек.
Шаг и координаты осей отверстий в перфорированной оболочке связаны с геометрическими параметрами звукопоглощающей конической панели и сотового блока следующими соотношениями:
s
-
n
s
t
h
D
K
r
n
m
n
m
n
n
n
nm
где шаг отверстий перфорированной оболочки в поперечном окружном ряду, мм; - номер окружного ряда при отсчете от наибольшей дуги поверхности прилегания сотовой и перфорированной оболочек;  - шаг ячеек сотового блока вдоль упругой волнообразной ленты, мм;  - шаг ячеек сотового блока поперек упругой волнообразной ленты, мм;  - ширина упругой волнообразной ленты и высота ячеек, мм;  - наибольший диаметр поверхности прилегания объемной сотовой и глухой оболочек, мм;  - конусность оболочек звукопоглощающей панели; координаты осей отверстий в перфорированной оболочке определены в полярной системе координат, полюс которой установлен в вершине центрального угла плоской развертки перфорированной оболочки, а полюсная линия направлена вдоль оси симметрии развертки; - полярный радиус осей отверстий в  - ом окружном ряду, мм;  - номер отверстия перфорированной оболочки при отсчете от полюсной линии в  - ом окружном ряду, ϕ - полярный угол оси  - ого отверстия в - ом окружном ряду.
Связь координат осей отверстий перфорированной оболочки с параметрами звукопоглощающей конической панели и объемной сотовой оболочки обеспечивает:
- соосность отверстий перфорированной оболочки и ячеек сотовой оболочки;
- перфорацию конических оболочек в пакете их плоских разверток.
2-е исполнение.
Звукопоглощающая коническая панель в исполнении 1, отличающаяся тем, что полярные углы осей крайних отверстий в каждом ряду перфорированной оболочки удовлетворяют соотношениям:
nm
p
e
D
L
где: |ϕ| - модуль полярных углов для осей отверстий симметричных относительно полюсной линии, рад.; α- центральный угол сектора звукопоглощающей конической оболочки, рад.;  - наибольший диаметр поверхности прилегания сотовой и перфорированной оболочек, мм;  - длина образующей конуса поверхности прилегания сотовой и перфорированной оболочек, мм.
Соотношения (5), (6) обеспечивают удаление осей отверстий от края плоской развертки на расстояние не менее половины шага окружного ряда отверстий, что исключает их выход за край развертки, улучшает технологичность и повышает прочность соединений перфорированной оболочки с сопрягаемыми деталями.
Соотношения (1) - (6) не содержат параметров формы ячеек и могут быть использованы для сотовых блоков, набранный рядами упругой волнообразной ленты с различными формами волн и, как следствие, с различными формами ячеек.
Обоснование соотношений (1) - (6) представлено в описании осуществления изобретения.
На фиг. 1 показана цельная звукопоглощающая коническая панель, на фиг. 2 - разъемная звукопоглощающая коническая панель, состоящая из шести секторов; на фиг. 3 - выносной элемент А на фиг. 2; на фиг. 4 - призматический сотовый блок с трапецеидальным контуром; на фиг 5 - выносной элемент Б на фиг. 4; на фиг. 6 - геометрические параметры звукопоглощающей конической панели; на фиг. 7 - местный вид В на фиг. 6; на фиг. 8 - пакет плоских разверток перфорированных оболочек звукопоглощающей конической панели в полярной системе координат.
Звукопоглощающая коническая панель содержит тонкую глухую оболочку 1, объемную сотовую оболочку 2 и тонкую перфорированную оболочку 3. Объемная сотовая оболочка установлена между глухой и перфорированной оболочками. Оболочки 1, 2 и 3 выполнены с одинаковой конусностью. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов. Звукопоглощающая коническая панель может быть выполнена разъемной из нескольких секторов 4.
Объемная сотовая оболочка 2 сформирована из призматического сотового блока 5 с трапецеидальным контуром. Сотовый блок набран рядами упругой волнообразной ленты 6. Ряды упругой волнообразной ленты параллельны основаниям трапецеидального контура. Соседние ряды волнообразной ленты взаимно смещены на половину шага и соединены в местах прилегания вершин и впадин.
Длина большего основания трапецеидального контура, по существу, равна длине наибольшей дуги на конической поверхности прилегания сотовой 2 и перфорированной 3 оболочек.
a
k
k
где:  - длина большего основания трапецеидального контура, мм;  - число секторов кольцевой конической оболочки ( = 1 соответствует цельной кольцевой оболочке).
Длина меньшего основания трапецеидального контура, по существу, равна длине наименьшей дуги на конической поверхности прилегания сотовой 2 и перфорированной 3 оболочек.
,
b
d
p
где:  - длина меньшего основания трапецеидального контура, мм;  - наименьший диаметр поверхности прилегания сотовой 2 и перфорированной 3 оболочек, мм.
Длины боковых сторон трапецеидального контура сотового блока равны длине образующей конической поверхности прилегания сотовой 2 и перфорированной 3 оболочек, что следует из геометрической схемы на фиг. 6:
,
c -
L
p
где: длина боковой стороны трапецеидального контура сотового блока, мм; - длина образующей конической поверхности прилегания сотовой и перфорированной оболочек, мм.
Наибольший и наименьший диаметры поверхности прилегания объемной сотовой и перфорированной оболочек определяются соотношениями:
d
где  - наименьший диаметр поверхности прилегания объемной сотовой и глухой оболочек.
Для обеспечения соосности отверстий перфорированной оболочки и ячеек сотовой оболочки шаг отверстий в развертке перфорированной оболочки в окружном ряду определяется шагом ячеек на конической поверхности прилегания объемной сотовой и перфорированной оболочек.
D
s
t
n
Для достаточно больших диаметров объемной сотовой оболочки, например, при > 30, cотовый блок изгибается упруго. При упругом изгибе окружной шаг ячеек вдоль упругой волнообразной ленты, увеличивается на выпуклой стороне и уменьшается на вогнутой стороне сотового блока. В среднем коническом сечении деформированного сотового блока шаг ячеек, по существу, не изменяется, см. фиг. 7. Шаг ячеек сотового блока поперек упругой волнообразной ленты при изгибе, по существу, не изменяется, см. фиг. 5, 6. Указанные свойства сотового блока позволяют получить следующие соотношения для -ого окружного ряда отверстий в плоской развертке перфорированной оболочки:
шаг отверстий:
полярный радиус ряда:
где β - угол при вершине конической поверхности прилегания объемной сотовой и перфорированной оболочек.
Из соотношений (13), (14) с учетом:
следуют соотношения (1) и (2).
Из фиг. 8 следуют соотношения (3) и (4) для полярные углов осей отверстий в плоской развертке перфорированной оболочки.
Длина образующей конуса поверхности прилегания сотовой и перфорированной оболочек определяется из фиг. 6:
L
e
где:  - длина образующей конуса поверхности прилегания сотовой и перфорированной оболочек.
Центральный угол развертки сектора перфорированной оболочки определяется из равенства длин дуг сектора и развертки конуса:
где: ϕ- угол развертки сектора перфорированной оболочки, рад.
n
Отверстия каждого окружного ряда не должны выходить за край развертки, фиг. 8. Это условие задано соотношением (5), в котором первое отношение есть половина центрального угла развертки сектора перфорированной оболочки, а второе - половина углового шага отверстий в -м окружном ряду.
K
Изобретение может быть использовано для звукопоглощающих цилиндрических панелей. В этом случае приведенные выше соотношения следует применять при =0. Например, формула (1) в этом случае принимает вид:
K
Пакет разверток перфорированных оболочек звукопоглощающей конической панели с конусностью =0.2 показан на фиг. 8.
Связь координат осей отверстий перфорированной оболочки с параметрами звукопоглощающей конической панели и объемной сотовой оболочки позволяет:
- улучшить звукопоглощение на частоте поглощаемой звуковой волны;
- сократить длительность перфорации оболочек кратно числу их плоских разверток в пакете;
- улучшить технологичность и повысить прочности соединений перфорированной оболочки с сопрягаемыми деталями.
Сборка звукопоглощающей конической панели производится в сборочном кондукторе. Поверхности прилегания оболочек покрывают порошковым припоем на органической связке. Сотовый блок с трапецеидальным контуром устанавливается между конической глухой и конической перфорированной оболочками и деформируется по контуру и поверхностям глухой и перфорированной оболочек. Собранную конструкцию подвергают термической обработке для образования паяных соединений.
В предпочтительной конструкции звукопоглощающей конической панели упругий сотовый блок набран волнообразной лентой с трапецеидальной формой волны, образующей шестигранные ячейки. В связи с тем, что соотношения (1) - (6) не содержат параметров формы ячеек упругий сотовый блок может быть набран волнообразной лентой с другой формой волны и, как следствие, с другой формой ячеек.
Производство звукопоглощающей конической панели реализовано в производстве металлообрабатывающего завода.
Промышленная применимость изобретения подтверждена изготовлением и испытаниями опытной партии изделий.