ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ СОТОВАЯ ПАНЕЛЬ

Полезная модель относится к многослойным звукопоглощающим панелям с сотовым заполнителем резонансного типа, гасящим звуковые колебания (шум), создаваемые газовыми потоками и их нагнетателями, предназначена для использования в авиакосмической технике, транспортной (автомобильной, судостроительной, железнодорожной, нефтегазоперекачивающей и др.), радиотехнике, строительстве и других отраслях промышленности, и может быть использована, например, в качестве звукопоглощающих панелей при изготовлении проточных трактов современных авиационных турбореактивных двигателей.
Известна многослойная ячеистая панель, содержащая наружную и внутреннюю перфорированную обшивки и сотовый заполнитель в виде усеченных пирамид и (или) конусов (патент RU № 2247878 от 10.03.2005).
Недостатком известной конструкции является недостаточный эффект шумоглушения, вследствие того, что:
- усеченная пирамидальная или коническая форма ячеек с диаметром верхнего основания, превышающим диаметр горловины ячейки, не позволяет эффективно преобразовать потенциальную энергию сжатия воздуха внутри ячеек в кинетическую энергию движения воздуха в горловине ячейки;
- наличие между несущими слоями обшивки системы акустически сообщающихся между собой областей сложной формы вокруг системы изолированных однонаправленных пирамидальных или конических ячеек затрудняет возникновение в этих областях и в соответствующих им перфорациях в несущем слое обшивки активных резонансных явлений.
Наиболее близкой к заявляемой конструкции панели является многослойная панель, содержащая обшивки и сотовый заполнитель в виде перфорированных многогранных чередующихся между собой "вершина - основание" усеченных пирамид с углом конусности 5÷50° (патент RU №2290312 от 27.12.2006).
Известная конструкция имеет недостаточный эффект шумоглушения, вследствие того, что гашение акустических волн происходит внутри ячеек, а не в канале (газовом тракте двигателя), в котором происходит наиболее активное взаимодействие резонансных излучений ячеек с основным шумовым потоком. В этой конструкции боковые поверхности ячеек сотового заполнителя имеют сквозные перфорации, что позволяет проходить сжатому воздуху из одной ячейки в другую, что мешает активным резонансным процессам и уменьшает значения амплитуд акустического давления воздуха в горловинах ячеек и уменьшает мощность акустического экрана в поперечном сечении канала, снижая коэффициент звукопоглощения.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели, звукопоглощающая панель, содержащая внутренний перфорированный и наружный слои обшивки и сотовый заполнитель между ними с ячейками в виде многогранных чередующихся между собой "вершина - основание" объемных геометрических фигур.
Задачей полезной модели является повышение эффективности снижения шума, создаваемого газовым или воздушным потоком при прохождении им газовых трактов двигателя транспортного средства.
Технический результат полезной модели заключается в повышении коэффициента звукопоглощения.
Поставленная задача была решена за счет того, что в известной звукопоглощающей сотовой панели, содержащей внутренний перфорированный и наружный слои обшивки и сотовый заполнитель между ними с ячейками в виде чередующихся между собой "вершина-основание" объемных полых геометрических тел, боковые поверхности ячеек сотового заполнителя выполнены сплошными.
Ячейки сотового заполнителя могут быть выполнены в виде усеченных пирамид и конусов. Для усиления эффекта звукопоглощения ячейки сотового заполнителя могут быть выполнены в виде неусеченных пирамид и конусов, причем отверстия перфорации шумопоглощающего слоя обшивки должны быть выполнены непосредственно или вблизи мест примыкания вершин пирамид или конусов и в областях примыкания их оснований к шумопоглощающему слою.
Для усиления эффекта звукопоглощения отверстия перфорации в шумопоглощающем слое обшивки могут быть выполнены коническо-цилиндрической формы, когда контур большего основания усеченного конуса расположен на внешней поверхности шумопоглощающего слоя обшивки, а меньшее основание сопряжено по контуру с боковой поверхностью цилиндрической части перфорации.
Для усиления эффекта звукопоглощения в поперечных или наклонных сечениях ячеек сотового заполнителя дополнительно могут быть размещены проницаемые упругие мембраны. В каждой ячейке может располагаться 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.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - боковые поверхности ячеек сотового заполнителя выполнены сплошными (отсутствует сквозная перфорация). Ячейки сотового заполнителя могут быть выполнены в виде в виде пирамид, конусов или в виде усеченных пирамид и конусов. Отверстия сквозной перфорации (горловины ячеек) в шумопоглощающем слое обшивки могут быть выполнены коническо-цилиндрической формы: контур большего основания усеченного конуса расположен на внешней поверхности шумопоглощающего слоя обшивки, меньшее основание сопряжено по контуру с боковой поверхностью цилиндрической части перфорации. В поперечных или наклонных сечениях ячеек сотового заполнителя могут быть размещены проницаемые упругие мембраны.
Выполнение ячеек с непроницаемыми (без перфорации) боковыми поверхностями приводит к увеличению значений амплитуд акустического давления воздуха внутри и в горловинах ячеек, что приводит к более активному взаимодействию резонансных излучений ячеек с основным шумовым потоком в проточном тракте (канале) перед шумопоглощающим слоем обшивки и к увеличению мощности акустического экрана в поперечном сечении канала, повышая коэффициент звукопоглощения.
Выполнение ячеек сотового заполнителя в форме усеченных пирамид или конусов с непроницаемыми (без перфорации) боковыми поверхностями приводит к увеличению значений амплитуд акустического давления воздуха внутри и в горловинах ячеек, что приводит к более активному взаимодействию резонансных излучений ячеек с основным шумовым потоком в проточном тракте (канале) перед шумопоглощающим слоем обшивки и к увеличению мощности акустического экрана в поперечном сечении канала, повышая коэффициент звукопоглощения.
Выполнение ячеек сотового заполнителя в форме неусеченных пирамид или конусов с непроницаемыми (без перфорации) боковыми поверхностями обеспечивает беспрепятственный выход сжатого воздуха из ячеек через горловины в канал, что приводит к увеличению значений амплитуд акустического давления воздуха в горловинах ячеек и увеличению мощности акустического экрана в поперечном сечении канала, повышая коэффициент звукопоглощения.
Выполнение сквозных отверстий перфорации (горловин ячеек) в шумопоглощающем слое обшивки коническо-цилиндрической формы непосредственно в местах или вблизи мест примыкания вершин пирамид или конусов и в областях примыкания их оснований к шумопоглощающему слою обшивки обеспечивает лучшее прохождение акустических волн шума из проточного тракта в камеры ячеек.
Наличие в ячейках проницаемых упругих мембран, расположенных в поперечных или наклонных сечениях ячеек, приводит к усилению резонансных явлений в камерах ячеек благодаря преобразованию энергии упругой деформации мембран в кинетическую энергию движения воздуха в цилиндрических горловинах ячеек, увеличению значений амплитуд акустического давления воздуха в горловинах ячеек и увеличению мощности акустического экрана в поперечном сечении канала для более широкого спектра шума, повышая коэффициент звукопоглощения шума в широком диапазоне частот.
Расположение в ячейках проницаемых упругих мембран позволяет интенсифицировать во всех ячейках и в перфорациях (горловинах ячеек) несущего слоя обшивки активные резонансные явления, минимизировать акустические потери и сделать максимально более полным процесс преобразования потенциальной энергии сжатого воздуха и упругой деформации мембран внутри ячеек в кинетическую энергию движения воздуха в горловинах ячеек и в создание акустического экрана в поперечном сечении канала, повышая коэффициент звукопоглощения шума в широком диапазоне частот.
Диаметры, высоты и угол конусности коническо-цилиндрической горловины, количество, свойства (жесткость, толщина, проницаемость) мембран и их ориентация (угол наклона к оси ячейки) в объеме ячейки выбираются из условия резонансной работы ячейки при заданной частоте шума; резонансная частота ячейки зависит от объема и угла конусности камеры ячейки, диаметров, высот и угла конусности коническо-цилиндрической горловины (толщины перфорированного слоя), количества, свойств, расположения (по высоте ячейки) и ориентации мембран и жесткостных свойств материала ячеек и несущего слоя (вблизи перфораций).
Ячейки сотового заполнителя могут быть расположены с тетрагональной или гексагональной укладками на плоскости или криволинейной поверхности.
При тетрагональной укладке оси ячеек проходят через узлы тетрагональной решетки на плоскости или криволинейной поверхности:
- в каждом нечетном ряду все ячейки имеют одну направленность, в четном ряду - ячейки с обратной направленностью;
- в каждом ряду соседние ячейки имеют разную направленность и в каждом четном ряду ячейки сдвинуты по отношению к ячейкам нечетных рядов на одну;
- во всех узлах решетки проходят оси ячеек одной направленности, в центрах междуузлий решетки - оси ячеек противоположной направленности.
При гексагональной укладке во всех узлах треугольной решетки на плоскости или криволинейной поверхности проходят оси ячеек одной направленности, в центрах междуузлий с периодичностью решетки - оси ячеек противоположной направленности.
Для обеспечения жесткости конструкции панели пустоты между ячейками могут быть заполнены связующим.
На фиг. 1 изображены элементы звукопоглощающей сотовой панели с коническими резонансными ячейками; на фиг. 2 - схемы частных случаев укладки конических ячеек в сотовом заполнителе: тетрагональная схема укладки (фиг. 2 а-в) и гексагональная (фиг. 2г) (вид с рабочей перфорированной внутренней обшивки) с отверстиями в вершинах и основаниях. На фиг. 3 изображены звукопоглощающие панели с коническо-цилиндрической перфорацией верхнего несущего слоя: без мембраны (фиг. 3а), с наличием в ячейке одной (фиг. 3б, г) или двух (фиг. 3в, д), поперечных (фиг. 3б, в) или наклонных (фиг. 3г, д) мембран.
Звукопоглощающая сотовая панель состоит из двух несущих слоев (обшивок): внутреннего шумопоглощающего перфорированного слоя 1 и наружного 2; ячеек 3 и 4 с взаимообратной ориентацией «вершина-основание»; внутренний слой 1 выполнен со сквозной перфорацией 5. В поперечных или наклонных сечениях ячеек 3 и 4 сотового заполнителя размещены проницаемые упругие мембраны 6. Пустоты между ячеек заполнены связующим 7.
Выполнение перфорации несущего слоя обшивки обеспечивает прохождение акустических волн шума из проточного тракта в конические камеры ячеек через их вершины и основания. Для беспрепятственного выхода сжатого воздуха из ячеек через перфорации (горловины) в канал необходимо стремиться к соосности и сопряженности цилиндрических поверхностей перфорации в слое и соответствующих внутренних поверхностей пирамидальных или конических ячеек. Коническая (неусеченная) форма камер резонансных отражающих 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 ячеек в кинетическую энергию движения воздуха в (цилиндрических или коническо-цилиндрических) горловинах перфорации шумопоглощающего несущего слоя панели.
Элементы звукопоглощающей панели с биконическим 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).
Предложенная звукопоглощающая сотовая панель обладает более высокими звукопоглощающими свойствами в сравнении с прототипом.