РАЗНОВЫСОТНАЯ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ КОНСТРУКЦИЯ
VARIABLE HEIGHT SOUND-ABSORBING STRUCTURE

Изобретение относится к звукопоглощающим панелям с ячейками резонансного типа, гасящим звуковые колебания, создаваемые газовыми потоками и их нагнетателями, и предназначено для использования в области авиакосмической техники, транспортной техники, радиотехники, строительства, например, в качестве звукопоглощающих панелей при изготовлении проточных трактов современных авиационных турбореактивных двигателей.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является звукопоглощающая конструкция (Патент RU №94019374) с различным углом наклона в каждой секции стенок заполнителя относительно плоскости обшивок. Подобная мера позволяет при сохранении различной высоты стенок заполнителя в разных секциях сделать высоту конструкции одинаковой во всех секциях. Данное устройство принято за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения - звукопоглощающая конструкция, содержащая наружные панели, одна из которых выполнена перфорированной, и расположенный между ними ячеистый заполнитель с разной высотой ячеек.
Недостатком известной конструкции, принятой за прототип, является сложная конструкция, вследствие чего появляется взаимовлияние ячеек. При достаточной ширине поглощаемого спектра конструкция имеет низкую эффективность.
Задачей изобретения является создание звукопоглощающей конструкции, позволяющей повысить эффективность снижения шума, создаваемого газовым или воздушным потоком, при упрощении конструкции.
Поставленная задача была решена за счет того, что известная разновысотная звукопоглощающая конструкция, содержащая наружные панели, одна из которых выполнена перфорированной, и расположенный между ними ячеистый заполнитель с разной высотой ячеек, согласно изобретению ячейки заполнителя разбиты на группы, имеющие периодическую структуру, каждая группа включает центральную ячейку и расположенные вокруг нее по спирали ячейки с различными высотами, при этом за центральную ячейку принята ячейка с наибольшим или наименьшим объемом, причем при центральной ячейке с наибольшим объемом вокруг ее расположены ячейки с уменьшенными объемами, а при центральной ячейке с наименьшим объемом расположены ячейки с увеличенными объемами, соседние ячейки имеют отличные друг от друга формы и/или объемы.
Соотношения объемов ячеек, окружающих центральную ячейку, подбираются исходя из условия резонансной работы ячейки при заданной частоте шума.
Ячейки заполнителя могут быть выполнены различной формы и/или объема.
Группа ячеек различных форм и/или объема могут быть установлены с чередованием по длине и ширине панели в различном порядке, определяющем модальным составом шума.
Для усиления эффекта звукопоглощения в поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно размещены проницаемые и/или упругие мембраны, причем в каждой ячейке расположена как минимум одна мембрана, при этом количество слоев мембран и их ориентация, в объеме ячейки определены особенностями спектра шума и конструкции.
Для усиления эффекта звукопоглощения в поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно размещены пористо-волокнистые материалы.
Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - ячейки заполнителя разбиты на группы, имеющие периодическую структуру; каждая группа включает центральную ячейку и расположенные вокруг нее по спирали ячейки с различными объемами; за центральную ячейку принята ячейка с наибольшим или наименьшим объемом, причем при центральной ячейке с наибольшим объемом вокруг ее расположены ячейки с уменьшенными объемами, а при центральной ячейке с наименьшим объемом расположены ячейки с увеличенными объемами; соседние ячейки имеют отличные друг от друга формы и/или объемы; соотношения объемов ячеек, окружающих центральную ячейку, подобраны исходя из условия резонансной работы ячейки при заданной частоте шума; ячейки заполнителя могут быть выполнены различной формы и/или объема; группы ячеек различных форм и/или объема могут быть установлены с чередованием по длине и ширине панели в различном порядке, определяющем модальным составом шума; в поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно размещены проницаемые и/или упругие мембраны, причем в каждой ячейке расположена как минимум одна мембрана, при этом количество слоев мембран и их ориентация в объеме ячейки определены особенностями спектра шума и конструкции; в поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно размещены пористо-волокнистые материалы.
Выполнение конструкции однослойной позволяет увеличить эффективность за счет снижения взаимовлияния ячеек в слоях и упростить конструкцию.
Возможность размещения соседних ячеек различной высоты и/или объема, например, ячейки имеют объем 15, 30, 45, 60, 75 и 90% от центральной ячейки (разновысотные ячейки) и заявляемое расположение ячеек позволяет исключить взаимовлияние, что с одной стороны повышает широкополосность системы, с другой стороны позволяет достичь максимального эффекта звукопоглощения.
Предлагаемая звукопоглощающая конструкция иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-5.
На фиг. 1 изображена спиральная звукопоглощающая конструкция без перфорированной панели с формой в виде сот (периодическая структура).
На фиг. 2 - общий вид конструкции.
На фиг. 3 - примеры схем размещения резонаторов в ЗПК, где:  - центральная ячейка,  - закрытая ячейка (отсутствует ячейка),  - ячейки объемом 15, 30, 45, 60, 75, 90% от центральной (объемы могут быть использованы другие).
На фиг. 4 - график зависимости коэффициента звукопоглощения от частоты заявляемой конструкции.
На фиг. 5 - график зависимости коэффициента звукопоглощения от частоты конструкции, принятой за прототип.
Звукопоглощающая конструкция (фиг. 1) содержит наружные панели 1, одна из которых имеет перфорации 2 (фиг. 2). Между панелями 1 размещен заполнитель с ячейками. Ячейки разбиты на группы, имеющие периодическую структуру. Каждая группа включает центральную ячейку 3 и расположенные вокруг нее по спирали ячейки с различными объемами 4. При этом соседние ячейки имеют отличные друг от друга формы и/или объемы. В зависимости от тонального состава шума группа ячеек 3 и 4 (периодическая структура) может располагаться в конструкции по различным схемам на плоскости или криволинейной поверхности. Заявляемая конструкция может быть установлена в любой плоскости.
За центральную ячейку 3 принимают ячейку с наибольшим или наименьшим объемом. Центральную ячейку 3 окружают разновысотные ячейки. При центральной ячейке 3 с наибольшим объемом вокруг ее расположены ячейки с уменьшенными объемами, а при центральной ячейке с наименьшим объемом расположены ячейки с увеличенными объемами. Соотношения объемов ячеек 4, окружающих центральную ячейку 3, подбираются исходя из условия резонансной работы ячейки при заданной частоте шума, и соседние ячейки имеют различные объемы, благодаря этому исключается взаимовлияние ячеек и акустическая эффективность усиливается по сравнению с единичной центральной ячейкой.
Для усиления эффекта звукопоглощения в поперечных или наклонных сечениях ячеек дополнительно могут быть размещены проницаемые и/или упругие мембраны и/или пористо-волокнистые материалы. 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, а так же из пористо-волокнистых материалов.
Диаметры перфорации и ее ориентация относительно оси ячейки, объем и форма ячеек, свойства (жесткость, толщина, проницаемость) мембран и их ориентация (угол наклона к оси ячейки) в объеме каждой ячейки выбираются из условия резонансной работы ячейки при заданной частоте шума; резонансная частота ячейки зависит от объема и формы, толщины перфорированного стенки, свойств, расположения (по высоте ячейки) и ориентации мембран и жесткостных свойств материала ячеек и несущего слоя (вблизи перфораций).
Заявляемая конструкция может быть установлена в любой плоскости.
Ячейки звукопоглощающей панели можно производить всеми известными способами изготовления подобного рода изделий, в том числе методами 3D печати.
Принцип действия разработанной конструкции фиг. 1 и 2 состоит в реализации резонансного режима ее функционирования для различных частот акустических волн из внешней среды (канала с газовым потоком), за счет расположения рядом ячеек различных объемов 3 и 4, а именно: сжатии объема газовой смеси, заключенного в рабочем объеме резонансной ячейки 3 и 4, давлением акустических волн газовой смеси из внешней среды (канала с газовым потоком) через перфорации 2, и преобразовании потенциальной энергии сжатия газовой смеси в ячейках 3 и 4 в кинетическую энергию газовой смеси на выходе (в канал с газовым потоком) из прохода через перфорацию 2 резонансной ячейки. В результате происходит интенсивное когерентное акустическое излучение волн на выходе из прохода через перфорации 4 во внешнюю среду (канал с газовым потоком), что приводит к эффективному гашению основной акустической волны во внешней среде.
Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования и результатами эксперимента (фиг. 4). Результаты эксперимента показали, что по сравнению с известной конструкцией предложенная звукопоглощающая конструкция позволяет повысить эффективность звукопоглощения на 35% (фиг. 5).
Представленная на фиг. 4 экспериментальная зависимость свидетельствует о повышении акустической эффективности ЗПК на резонансной частоте центральной ячейки, а также о повышении широкополосности конструкции.
Кроме того, предложенная конструкция имеет меньший вес, низкую стоимость и несложную конструкцию.