МНОГОСЛОЙНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩЕЙ ВНУТРЕННЕЙ ОБШИВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО САМОЛЕТА
MULTILAYER ELEMENT FOR NOISE-ABSORBING INNER LINING OF TRANSPORT FACILITY, PRIMARILY, OF AIRCRAFT

Область техники
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию многослойного элемента для изготовления звукопоглощающий внутренней обшивки транспортного средства, в особенности для звукопоглощающей внутренней обшивки самолета, причем указанный многослойный элемент содержит трехмерный сердечник, который расположен между двумя покровными слоями, которые идут главным образом параллельно с промежутком друг от друга.
Предпосылки к созданию изобретения
Многослойные панели из армированных волокном пластмасс обычно используют для внутренней обшивки секций фюзеляжа самолета, чтобы снизить вес, и в соответствии с требованиями высокой прочности. Обычно используют многослойные панели, которые имеют сотовый сердечник, снабженный покровными слоями на обеих сторонах, чтобы образовать многослойную панель. За счет использования сотовой структуры, имеющей покровные слои на обеих сторонах, многослойные панели содержат множество повторяющихся блоков, которые закрыты сами по себе, имеют малый объем и поэтому не могут осуществлять дренаж.
Кроме того, известны многослойные панели, сердечники которых имеют, например, волнистую, трапецеидальную или треугольную геометрию поперечного сечения. Сердечники этого типа имеют множество каналов, идущих ориентировочно параллельно друг другу, которые образованы за счет фальцовки (сгибания) материала сердечника. Многослойные панели, имеющие этот тип сердечников, широко используют, например, при строительстве морских судов и в автомобильной промышленности. Сердечники этого типа также используют в упаковках, например, в виде гофрированного картона. Общей характеристикой указанных сердечников является то, что если они имеют сотовую структуру, то тогда они обычно имеют непрерывные дренажные каналы, боковые стороны которых образуют плоские поверхности. Кроме того, известны сердечники с непрерывными дренажными каналами, в которых боковые стороны каналов образуют не непрерывные плоские поверхности. Боковые стороны каналов этих сердечников образованы за счет множества частичных поверхностей, которые примыкают друг к другу под углом меньше чем 180°, и следовательно, при взгляде сверху эти каналы имеют зигзагообразную форму или имеют зигзагообразные линии вершины и зигзагообразные базовые линии. В отличие от сердечников, которые согнуты или структурированы только в одном пространственном направлении, таких как, например, сердечники гофрированного картона, эти сердечники согнуты в двух пространственных направлениях. Кроме того, известны сердечники этого типа, которые при взгляде сверху имеют ориентировочно трапецеидальные каналы или трапецеидальные линии вершины и базовые линии.
Покровные слои многослойных панелей образованы при помощи так называемых "препрегов". Препреги представляют собой поверхностные структуры, полученные с использованием пропитанных смолой стекловолокон или пропитанных смолой углеродных волокон. Альтернативно, тканые маты, изготовленные из углеродных волокон или стекловолокон, могут быть пропитаны синтетической смолой, чтобы образовать препреги.
Сердечники изготавливают, например, с использованием бумаги типа Nomex, алюминиевых пленок или пленок, изготовленных из сплавов алюминия, за счет фальцовки, за счет образования волнистости (волн) и т.п. Покровные слои могут быть образованы при помощи препрегов из углеродных волокон или препрегов из стекловолокон. Альтернативно, как покровные слои, так и сердечники могут быть изготовлены с использованием материала с металлическими свойствами, например, с использованием алюминиевого листа, листов из алюминиевого сплава, стального листа или титанового листа. Как покровные слои, так и сердечники альтернативно могут содержать комбинацию материалов с металлическими свойствами и пластмасс.
Соединение покровных слоев с сердечником, для образования многослойных панелей, может быть осуществлено с использованием соответствующих методов соединения, например, за счет склеивания или за счет сварки. В частности, соединение может быть осуществлено, в зависимости от использованного материала, при помощи методов горячего или холодного склеивания в автоклавах, а также за счет ультразвуковой, лазерной или точечной сварки.
Для удовлетворения все более жестких требований к звуковой защите конструкции самолета, при сохранении высокой прочности, многослойные панели, которые используют для элементов внутренней обшивки самолета, также должны обладать хорошими характеристиками звукоизоляции (ослабления звука).
В известных ранее вариантах многослойных панелей для элементов внутренней обшивки самолетов возможен незначительный воздухообмен между внешней средой и внутренней областью многослойной панели. Однако возможность воздухообмена может быть основной предпосылкой для хорошей передачи звука для этого типа многослойной панели, что, в свою очередь, в сочетании с дополнительным слоем звукопоглощения может быть предпосылкой для хорошей звукоизоляции. Однако наличие возможности воздухообмена между внешней средой и внутренней областью многослойной панели связано с риском захвата посторонних объектов и проникновения влаги. Наличие посторонних объектов и влаги в известных многослойных панелях создает, например, повышенную тенденцию гниения и/или повышенную восприимчивость к коррозии во время полета, за счет воздействия циклических напряжений, связанных с конденсацией и повторным замерзанием влаги, возникающих в результате больших флуктуации внешнего давления и температуры. Кроме того, постоянное поступление посторонних объектов в сердечник может быть нежелательным, среди прочего, по причине увеличения веса.
Сущность изобретения
В связи с изложенным, задачей настоящего изобретения является создание многослойного элемента для звукопоглощающей внутренней обшивки самолета, который, в первую очередь, имеет достаточно хорошее звукопоглощение в результате возможности передачи звука через проходы, предусмотренные в сердечнике и/или по меньшей мере в одном покровном слое, а также в слое звукопоглощения, причем, одновременно, главным образом исключено постоянное поступление посторонних объектов снаружи и/или постоянное удержание влаги, которая проникла в область сердечника.
Эта задача решена созданием многослойного элемента, в соответствии с настоящим изобретением, у которого множество проходов для передачи звука предусмотрены в сердечнике и/или по меньшей мере в одном покровном слое, по меньшей мере в их секциях, причем слой звукопоглощения расположен, по меньшей мере частично, в области по меньшей мере одного покровного слоя. Благодаря этому может быть обеспечена возможность воздухообмена и, следовательно, передачи звука между внешней средой и многослойным элементом, так что может быть достигнут отличный эффект звукопоглощения многослойного элемента в сочетании со слоем звукопоглощения. Одновременно внутренняя область многослойного элемента может вентилироваться за счет проходов, так что влага, которая случайно проникла снаружи, может испаряться относительно быстро, ранее начала процессов гниения или процессов коррозии во внутренней области многослойного элемента.
Слой звукопоглощения также может позволить улучшить свойства теплоизоляции многослойного элемента.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения сердечник между покровными слоями содержит множество сквозных каналов, расположенных рядом друг с другом и предназначенных для дренажа жидкостей и удаления за счет промывки посторонних объектов.
Указанные каналы, с одной стороны, позволяют звуку, проникающему снаружи через проходы, эффективно проходить через внутреннюю область многослойного элемента и затем поглощаться в слое звукопоглощения. С другой стороны, каналы позволяют осуществлять активную очистку внутренней области многослойного элемента от посторонних объектов при помощи подходящего, подводимого снаружи моющего средства, например, в виде воды, или осуществлять пассивную самоочистку за счет вытекающей наружу воды конденсации.
Для формирования внутренней обшивки многослойные элементы преимущественно устанавливают с существенным градиентом, так чтобы моющее средство, которое поступает через проходы или за счет каналов, могло вымывать (удалять) накопившиеся в сердечнике посторонние объекты, за счет действия силы тяжести в ходе активной очистки. Независимо, параллельно с этим, также при необходимости может быть проведана пассивная очистка многослойного элемента через каналы, действующие как водосточные желоба. Во время процесса самоочистки любая вода конденсации, вытекающая через каналы, увлекает с собой по меньшей мере некоторые, особенно мелкие и легкие посторонние объекты, когда она вытекает во внешнюю область.
Таким образом, проходы в сердечнике и/или в покровных слоях, в сочетании со сквозными каналами сердечника, позволяют обеспечивать хороший эффект звукопоглощения многослойного элемента в соответствии с настоящим изобретением, а также позволяют удалять при помощи соответствующего моющего средства нежелательные накопившиеся частицы грязи. Более того, за счет наличия проходов проникшая нежелательная влага может испаряться и/или вытекать за счет градиента встроенного многослойного элемента при помощи каналов, образованных внутри сердечника.
В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения каналы имеют боковые стороны, причем каждая из боковых сторон образует непрерывную, главным образом плоскую и/или изогнутую, поверхность. Это позволяет изготавливать сердечник простым и эффективным способом. Кроме того, промывка поступивших посторонних объектов становится легче за счет прямолинейного профиля каналов.
В соответствии с еще одним примерным вариантом многослойного элемента в соответствии с настоящим изобретением каналы имеют боковые стороны, которые образованы с множеством главным образом плоских и/или изогнутых частичных поверхностей, причем частичные поверхности примыкают друг к другу под углом меньше чем 180°.
За счет использования этого типа сердечников становится возможным создание многослойных элементов, имеющих более высокие значения механической прочности в сравнении с многослойными элементами, которые имеют сердечники просто с прямолинейными каналами. Однако этот тип сердечников сложнее изготавливать, они являются более дорогими и их сложнее очищать от посторонних примесей (объектов).
В соответствии с еще одним примерным вариантом многослойного элемента в соответствии с настоящим изобретением сердечник имеет повторяющуюся (периодическую) треугольную, трапецеидальную, прямоугольную или волнистую геометрию поперечного сечения. Эта конфигурация позволяет упростить изготовление многослойного элемента с благоприятными механическими характеристиками. При этом частично могут быть использованы известные ранее полуобработанные заготовки.
В соответствии с еще одним примерным вариантом настоящего изобретения проходы по меньшей мере в одном покровном слое и/или в сердечнике выполнены главным образом в виде перфораций и расположены ориентировочно с одинаковыми промежутками друг от друга. За счет этого, с одной стороны, проходы легко могут быть образованы в покровных слоях и/или в сердечнике, например, за счет сверления, прошивки и т.п. С другой стороны, конфигурация проходов в виде перфораций, предусмотренных преимущественно по всей площади покровных слоев и сердечника, позволяет обеспечивать очень эффективное звукопоглощение.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вид в перспективе многослойного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показан вид в перспективе с пространственным разделением деталей многослойного элемента.
На фиг.3 показан вид сверху первого примерного варианта сердечника.
На фиг.4 показан вид сверху второго примерного варианта сердечника.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан вид в перспективе многослойного элемента в соответствии с настоящим изобретением. Многослойный элемент 1 содержит, среди прочего, два покровных слоя 2, 3, которые нанесены соответственно на обе стороны сердечника 4. На сторону покровного слоя 3, обращенную в направлении удаления от сердечника 4, нанесен слой 5 звукопоглощения, позволяющий обеспечивать желательный эффект звукопоглощения многослойного элемента 1. Кроме того, слой 5 звукопоглощения также повышает теплоизоляционные характеристики многослойного элемента 1 в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показан вид в перспективе с пространственным разделением деталей многослойного элемента в соответствии с настоящим изобретением.
Многослойный элемент 1 содержит, среди прочего, сердечник 4 с покровными слоями 2, 3, нанесенными на его обе стороны. Слой 5 звукопоглощения нанесен на нижнюю сторону покровного слоя 3. Множество проходов 6 предусмотрены как в обоих покровных слоях 2, 3, так и в сердечнике 4.
Для лучшего понимания на фиг.2 только три представительных прохода 6 в области покровного слоя 2, покровного слоя 3 и сердечника 4 имеют позиционные обозначения. Остальные проходы выполнены аналогично и детально не показаны.
В качестве примера, проходы 6 выполнены в виде сквозных отверстий в покровных слоях 2, 3 и в сердечнике 4, которые преимущественно распределены равномерно, с одинаковыми промежутками друг от друга. В показанном примерном варианте проходы в покровных слоях 2, 3 и сердечнике 4 образуют матрицу в виде перфораций по всей площади. Для обеспечения хорошего эффекта звукопоглощения многослойного элемента 1 проходы 6 идут через всю толщину покровных слоев 2, 3 и толщину сердечника 4. Следует иметь в виду, что в отличие от показанного на фиг.2 варианта проходы 6 могут иметь конфигурацию, которая отличается от цилиндрической геометрии. Проходы 6 позволяют эффективно передавать звук 7, воздействующий на многослойный элемент 1 через покровные слои 2, 3 и сердечник 4, причем энергия звука 7 затем преимущественно рассеивается в виде теплоты в слое 5 звукопоглощения.
Кроме того, сердечник 4 имеет множество смежных каналов 8. Для упрощения в показанном на фиг.2 варианте только три канала, которые являются представителями остальных каналов, имеют позиционные обозначения. Каналы 8 имеют две боковые стороны 9, только две из которых имеют на фиг.2 позиционные обозначения, причем остальные стороны являются аналогичными.
В сердечнике 4 боковые стороны 9 не образуют непрерывную поверхность. Вместо этого боковые стороны 9 образованы за счет множества частичных поверхностей 10, которые примыкают друг к другу под углом меньше чем 180° и, следовательно, образуют главным образом зигзагообразные каналы 8. Каждая из частичных поверхностей 10 образует главным образом плоскую и/или изогнутую поверхность, если ее рассматривать отдельно. В этом случае, каждый из каналов 8 или каждая из боковых сторон 9 имеют соответственно главным образом зигзагообразную линию вершины или базовую линию 11, 12. Для упрощения только три линии 11 вершины или базовые линии 12, которые являются представителями всех указанных линий, имеют позиционные обозначения.
В показанном примерном варианте каналы 8 имеют главным образом треугольную геометрию поперечного сечения, которая непрерывно повторяется по всей длине многослойного элемента 1. Зигзагообразные каналы 8 позволяют создать сердечник 4, имеющий высокие значения механической прочности. В отличие от этого сердечники, которые просто имеют структурирование или фальцовку в одном пространственном направлении, такие как, например, сердечники из гофрированного картона, трапецеидальные сердечники, сердечники с одним фальцем и т.п., имеют более низкие значения механической прочности.
Многослойный элемент 1 в соответствии с настоящим изобретением может быть использован для создания элементов внутренней обшивки самолета, причем в окончательном положении установки этого элемента каналы 8 идут главным образом параллельно стрелке 13, которая показывает направление действия силы тяжести. Это положение установки преимущественно выбирают так, чтобы нежелательные посторонние объекты, проникшие в сердечник 4 через проходы 6, могли быть удалены из сердечника, например, за счет активной промывки с использованием моющего средства или за счет пассивной промывки при помощи остаточной воды конденсации. Следует принимать меры для того, чтобы каналы 8 имели достаточный градиент относительно горизонтали или достаточный наклон, чтобы обеспечивать соответствующую очистку (самоочистку) сердечника 4 от проникших в него посторонних объектов. В качестве моющего средства может быть использована вода с возможной подходящей чистящей добавкой.
Слой 5 звукопоглощения может быть расположен поверх всей области или нанесен на нее под покровным слоем 3. Слой 5 звукопоглощения используют, в первую очередь, для достижения желательного эффекта звукопоглощения многослойного элемента 1 и, одновременно, в качестве теплоизоляционного слоя. В зависимости от области применения достаточный эффект звукопоглощения также может быть достигнут только при помощи многослойного элемента 1 в соответствии с настоящим изобретением, без наличия дополнительного слоя 5 звукопоглощения. Альтернативно, можно нанести слой 5 звукопоглощения только в отдельных секциях на покровный слой 3. Слой 5 звукопоглощения также может быть расположен на расстоянии от покровного слоя 3 многослойного элемента 1. В этом случае возникает промежуточное воздушное пространство между покровным слоем 3 и слоем 5 звукопоглощения.
Слой 5 звукопоглощения может быть образован, например, с использованием стекловаты или минеральной ваты. Альтернативно, слой 5 звукопоглощения также может быть образован с использованием пряжи из мелких металлических волокон, углеродных волокон, пластмассовых волокон и с использованием пенопластов с открытыми порами.
Сердечник 4 может быть образован с использованием пластмассы, например с использованием пропитанной эпоксидной смолой бумаги типа Nomex. Альтернативно, сердечник 4 также может быть образован с использованием металла, такого как алюминий, сталь или титан, или металлического сплава, например алюминиевого сплава. Сердечник 4 может быть изготовлен, например, за счет множественной фальцовки (сгибания) или за счет другого типа структурирования поверхности пластмассы или поверхности металла.
Сердечник 4 может иметь геометрическую конфигурацию, которая отличается от показанной на фиг.2 треугольной геометрии поперечного сечения. Например, возможны прямоугольная, трапецеидальная или волнистая геометрии поперечного сечения сердечника 4. В треугольной, прямоугольной или трапецеидальной геометрии поперечного сечения сердечника 4 возможно, например, множество углов наклона или радиусов кривизны боковых сторон 9 относительно горизонтали.
Аналогично, покровные слои 2, 3 могут быть образованы с использованием композиционного материала, например с использованием армированных углеродным волокном препрегов, изготовленных с использованием эпоксидной смолы или с использованием металлов (материалов с металлическими свойствами). В частности, в качестве металлов могут быть использованы алюминий, алюминиевый сплав, сталь или титан. Более того, покровные слои 2, 3 могут быть образованы с использованием вспененных пластмасс или с использованием пористых металлов, которые преимущественно имеют открытые поры. Кроме того, оба покровных слоя 2, 3 и также сердечник 4 могут быть образованы с использованием любой комбинации композиционных материалов и/или материалов с металлическими свойствами, особенно описанного здесь выше типа.
Для снижения веса толщина материала покровных слоев 2, 3 и сердечника 4 является относительно небольшой. Толщина материала покровных слоев 2, 3 может составлять меньше чем 10 мм, а высота сердечника 4 может составлять меньше чем 50 мм. Слой 5 звукопоглощения может иметь толщину меньше чем 100 мм. Проходы 6 в покровных слоях 2, 3 и в сердечнике 4 могут быть образованы при помощи известных методов, например при помощи сверления, штамповки, лазерной прошивки и т.п. Проходы 6 в покровных слоях 2, 3 и в сердечнике 4 могут быть иметь цилиндрическую геометрию, которая легко может быть получена, с диаметром меньше чем 20 мм. Более того, в альтернативных вариантах возможны геометрии поперечного сечения проходов 6, которые отличаются от цилиндрической геометрии.
Механическое соединение покровных слоев 2, 3 с сердечником 4 и слоем 5 звукопоглощения, если он есть, осуществляют в каждом случае с учетом типа соединяемых материалов, с использованием известных методов соединения, таких как, например, методы с использованием клея горячего или холодного отверждения или обычные методы сварки. Альтернативно, соединение может быть осуществлено при помощи заклепок, клеящей ленты и т.п.
На фиг.3 показан вид сверху первого примерного варианта сердечника.
Сердечник 4 имеет множество смежных каналов 8, имеющих зигзагообразную конфигурацию, если смотреть сверху. Для большей ясности только три представительных канала 8 имеют позиционные обозначения. Остальные каналы являются аналогичными. Для упрощения понимания чертежа проходы в сердечнике 4 не показаны.
Любая вода конденсации или моющее средство, которое было введено дополнительно, могут вытекать из каналов 8 в направлении стрелки 13, которая показывает направление действия силы тяжести, причем в то же самое время любые посторонние объекты, которые проникли в сердечник 4, могут быть удалены из каналов 8 за счет промывки. Каналы 8 также имеют множество боковых сторон 9, две из которых имеют позиционные обозначения. Каждый из каналов 8 имеет соответственно линию 11 вершины и базовую линию 12, каждая из которых имеет ориентировочно зигзагообразный профиль, причем указанные линии идут ориентировочно с одинаковыми промежутками друг от друга. Боковые стороны 9 образованы за счет множества частичных поверхностей 10, которые примыкают друг к другу под углом 14, составляющим меньше чем 180°, чтобы образовать боковые стороны 9. На фиг.3 угол 14, например, имеет величину около 90°. Различные значения угла 14 возможны в различных альтернативных вариантах сердечников. В принципе, меньшие значения угла 12 облегчают вытекание конденсата и/или моющих средств, которые были дополнительно введены, из каналов 8 в направлении стрелки 11, однако при этом достижимая механическая прочность снижается.
В соответствии с другим, не показанным, примерным вариантом каждая из линий 11 вершины и базовых линий 12 сердечника 4 имеет главным образом трапецеидальный, повторяющийся профиль. Однако возможны также и другие геометрические профили линий 11 вершины и базовых линий 12 сердечника 4.
Кроме того, линии вершины 11 и базовые линии 12 каналов 8 также могут иметь практически любую выполнимую, например, волнистую, изогнутую геометрическую форму или геометрическую форму в виде стиральной доски, отличающуюся от зигзагообразного профиля, показанного на фиг.3, за счет чего в сочетании с указанными возможностями образования геометрии поперечного сечения сердечника 4 получают практически неограниченный диапазон вариаций конструкции трехмерных сердечников 4 со сквозными каналами 8. В этой связи следует иметь в виду, что можно иметь, например, профиль линий 11 вершины или базовых линий 12, соответствующий множеству полукругов, расположенных рядами.
В сердечнике 4, имеющем волнистую геометрию поперечного сечения и также имеющем волнистые линии вершины 11 и базовые линии 12, каналы 8 могут быть образованы, например, за счет секционного сжатия или растяжения материала, использованного для изготовления сердечника 4. Эту процедуру преимущественно используют в случае использования материалов с металлическими свойствами, особенно в случае использования алюминия или сплавов алюминия.
На фиг.4 показан вид сверху второго примерного варианта сердечника с прямолинейными каналами.
Сердечник 15 содержит множество главным образом прямолинейных каналов 16, расположенных рядом друг с другом, каждый из которых имеет ориентировочно прямоугольную геометрию поперечного сечения. Для лучшего понимания чертежа проходы в сердечнике 15 детально не показаны. В этом варианте сердечника 15 каждая из боковых сторон 17 образует главным образом плоские поверхности. Каждый из каналов имеет линии 18 вершины и базовые линии 19.
За счет главным образом прямолинейной конфигурации каналов 16 в этом варианте сердечника 15 любая вода конденсации может быть легко удалена из каналов 16 в направлении стрелки 13, при этом одновременно могут быть удалены за счет промывки любые попавшие в каналы посторонние объекты. Это же относится к любому моющему средству, которое дополнительно поступило в сердечник 15, такому как вода с соответствующими чистящими добавками, и т.п. По сравнению с сердечником 4, показанным на фиг.3, может быть обеспечена только пониженная механическая прочность, однако расходы на изготовление уменьшаются.
За счет отличных характеристик звукопоглощения многослойный элемент в соответствии с настоящим изобретением подходит для образования элементов внутренней обшивки в самолете. В этом случае могут быть использованы практически любые сердечники с различными геометрическими конфигурациями, которые содержат трехмерные, дренируемые и поэтому сквозные каналы, что является обычным для сердечников.