声学蜂窝中隔膜的锚定 |
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| 申请号 | CN201280054999.7 | 申请日 | 2012-08-25 | 公开(公告)号 | CN103975386B | 公开(公告)日 | 2017-02-15 |
| 申请人 | 赫克赛尔公司; | 发明人 | 市桥史崇; | ||||
| 摘要 | 一种蜂窝结构，包括隔膜位于其中以提供声学阻尼的单元。所述单元由至少四个壁构成，其中，这些壁中的至少两个大致彼此平行。所述隔膜包括大致相互垂直的经向 纤维 和纬向纤维。所述隔膜定向在蜂窝单元中，以使得所述纬向纤维和/或经向纤维大致垂直于平行壁。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种声学结构，其适合位于噪声源附近，所述声学结构包括： |
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| 说明书全文 | 声学蜂窝中隔膜的锚定技术领域[0001] 本发明总体涉及用于减弱噪声的声学系统。本发明涉及使用蜂窝来制造用于减少由喷气发动机或其他噪声源所产生的噪声的发动机舱及其他结构。更具体地，本发明涉及其中隔膜材料被插入预先存在的蜂窝的单元以提供噪声阻尼或衰减的声学结构。 背景技术[0002] 人们普遍认识到的是，处理由特定源所产生的过量噪声的最好方法是处理在源头处的噪声。这通常是通过将声学阻尼结构(声学处理)添加至噪声源的结构来实现的。一种特别有问题的噪声源是用在大多数客机上的喷气发动机。声学处理通常并入发动机入口、发动机舱和排气结构。这些声学处理包括声学谐振器，其包含具有数以万计的孔的相对较薄的声学材料或栅格，这些孔产生相应于由发动机所产生的声能的声阻抗。工程师们所面对的基本问题是如何将这些又薄又软的声学材料加入喷气发动机的结构元件中并且包围发动机舱，以提供所需的噪声衰减。 [0003] 蜂窝一直是用于飞机及航空航天器的普遍材料，因为其相对坚固并且重量轻。对于声学应用来说，目的是设法将薄声学材料纳入蜂窝结构中，以使得蜂窝单元被封闭或遮盖。采用声学材料封闭这些单元会产生谐振器所基于的声阻抗。 [0004] 一种将薄声学材料纳入蜂窝的方法被称为夹层设计。在该方法中，薄声学片置于两片蜂窝之间并粘接就位，以形成单一结构。该方法的优势在于设计人员可以使用尖端的声学材料设计，这些设计得以织造、冲压或者蚀刻至精确的尺寸，且粘接过程相对简单。但是，这种设计的缺点在于该结构的强度受到两个蜂窝切片与声学材料之间的粘接的限制。此外，两个蜂窝切片之间的粘接表面被限制至沿着蜂窝边缘的表面区域。另外，还有这样的可能性，也就是声学材料中的一些孔在粘接过程中可能由于过量的粘合剂而被无意地关闭。 [0005] 第二种方法使用在蜂窝单元内独立地粘接就位的相对较厚的固体插入件。一旦就位，则插入件被钻孔或者以其他方式被处理，以形成对于插入件来说充当声学材料所必需的孔。这种方法不需要将两个蜂窝切片粘接在一起。结果是得到其中牢固地粘接插入件的坚固结构。然而，这种方法也具有一些缺点。例如，在固体插入件中钻出数以万计的孔所需要的成本和复杂性是主要的缺点。另外，相对较厚的固体插入件使蜂窝很硬且难以形成为非平面结构，比如用于喷气发动机的机舱。 [0006] 另一种方法涉及将相对重量轻的隔膜织物插入蜂窝单元，以形成具有锚定凸缘(其然后粘贴至蜂窝壁)的隔膜盖。隔膜盖的使用描述在美国专利第7434659、7510052和7854298中。这种类型的过程需要隔膜盖摩擦锁定在单元内，以使隔膜盖在永久地粘接至蜂窝壁之前保持就位。隔膜盖的摩擦锁定是这种类型的隔膜插入过程的重要方面。如果摩擦锁定不足够，则隔膜可以在处理过程中移位或以其他方式移动。隔膜的任何移位使得难以在粘接过程中均匀地将粘合剂施加至隔膜。隔膜的移位还导致声学性能的不受控制的改变。在最坏的情况下，如果摩擦锁定不足够，则隔膜可能会完全脱落蜂窝单元。 发明内容[0007] 根据本发明，人们发现，蜂窝单元内隔膜织物的定向是确定隔膜如何很好地摩擦锁定至蜂窝壁的重要因素。本发明适用于包括至少两个平行壁的蜂窝单元，其中平行壁中的至少一个比其他不平行壁中的一个或多个形成单元周边的较大部分。人们发现，定向隔膜材料提供了将隔膜摩擦锁定至蜂窝的有效方式，从而使在这两个平行壁之间延伸的纤维大致垂直于壁。本发明改善了材料利用率和将隔膜摩擦锁定至蜂窝。由于在粘合剂施加之前及期间隔膜在处理过程中掉出蜂窝或以其他方式移位，本发明大大减少了返工成本和不便。 [0008] 本发明涉及被设计成位于噪声源比如喷气发动机或其它动力设备附近的声学结构。该结构包括蜂窝，其具有位于最接近噪声源的第一边缘以及位于远离该源的第二边缘。所述蜂窝包括在蜂窝的第一与第二边缘之间延伸的多个壁。所述壁形成多个单元，每个单元包括至少四个壁。限定每个单元的四个壁中的至少两个大致彼此平行。所述单元壁限定围绕单元的周边，其中所述平行壁中的至少一个比不与较大壁平行的其他单元壁中的至少一个形成单元周边的较大部分。 [0009] 插入单元的隔膜是声学材料，其由多个经向纤维和多个纬向纤维构成。所述经向纤维和纬向纤维大致相互垂直。所述经向纤维中的每个包括位于单元内的谐振器部分。每个经向纤维还包括位于每个端部的锚定部分。所述纬向纤维中的每个还包括位于单元内的谐振器部分和位于每个端部的锚定部分。所述经向和纬向纤维的锚定部分粘接至蜂窝壁。作为本发明的特征，所述隔膜定向在单元中，以使得或所述经向纤维或所述纬向纤维的谐振器部分大致垂直于较大的平行单元壁。 [0010] 本发明还涉及形成于隔膜摩擦锁定在蜂窝单元内时的前体结构。人们发现，在将隔膜永久地粘接至蜂窝之前及期间，由根据本发明的隔膜纤维的垂直定向所提供的摩擦锁定防止隔膜在常规处理前体结构的所有阶段过程中在蜂窝内移位。本发明还涉及用于制造声学结构的方法。 [0011] 除了将隔膜牢固地摩擦锁定至芯部之外，本发明提供了许多优点。例如，隔膜材料的量减少了，因为相同程度的摩擦锁定可以采用更小尺寸的锚定部分来实现。另外，当隔膜从隔膜织物切割时，浪费的材料更少。此外，当隔膜被插入单元时，隔膜材料的折叠更少，因为所述锚定部分的尺寸可以减小，并且织物的垂直定向往往减少在折叠物的多余网格形成。单元内的垂直纤维定向还往往减少隔膜材料在单元拐角中的聚拢。还减少了需要将隔膜粘接至蜂窝壁的粘合剂的量，因为更小的锚定部分和减少的织物聚拢。隔膜还可以置于更靠近蜂窝边缘，因为锚定部分不需要长至实现足够的摩擦锁定。这对于薄蜂窝来说特别有利，其中隔膜锚定部分的尺寸可以接近蜂窝的厚度。 附图说明[0013] 图1是根据本发明的示例性声学结构的透视图。 [0014] 图2是表示用于从声学织物带切割两个根据本发明的隔膜的图案的简化视图。 [0015] 图3是表示用于从相同的图2所示的声学织物带切割隔膜的现有技术图案的简化视图。 [0016] 图4是表示在从如图2所示的声学织物带切割的隔膜的蜂窝单元中定向的简化视图。 [0017] 图5是图4的简化剖视图，示出了纬向纤维在蜂窝单元内的定向，并且还示出了纤维与谐振器部分的锚定部分。 [0018] 图6是表示在根据本发明的另一实施例隔膜的蜂窝中定向的简化视图。 [0019] 图7是表示在根据本发明的另一实施例隔膜的蜂窝中定向的简化视图。 [0020] 图8是示出了结合在一起以形成图9所示类型的声学结构的固体壳体、声学结构及穿孔壳体的一部分的分解透视图。 [0021] 图9是位于噪声源(喷气发动机)附近的示例性声学结构(舱)的局部剖视图。该声学结构包括夹在固体壳体与穿孔壳体之间的声学蜂窝。 [0022] 图10是表示在本发明实施例的蜂窝中定向的简化视图，其中隔膜位于相同蜂窝单元内的不同高度。 [0023] 图11是表示在本发明实施例的蜂窝中定向的简化视图，其中两个隔膜位于单个蜂窝单元内的不同高度。 [0024] 图12是表示将隔膜插入蜂窝单元以形成前体结构的简化视图，其中隔膜摩擦锁定在单元内。 [0025] 图13是表示用于将粘合剂施加至隔膜纤维的锚定部分的示例性方法的简化视图。 具体实施方式[0026] 根据本发明的示例性声学结构在图1和8中通常示出为10。声学结构10包括具有第一边缘14(其位于最靠近噪声源)和第二边缘16的蜂窝12。蜂窝10包括在两个边缘14与16之间延伸以限定多个单元20的壁18。每个单元20具有的深度(也称为芯部厚度)等于两个边缘14与16之间的距离。每个单元20还具有垂直于单元壁18进行测量的横截面面积。蜂窝可由用于制作蜂窝板的任何常规材料制成，包括金属、陶瓷和复合材料。 [0027] 隔膜24位于单元20内。优选但不是必须的，隔膜24位于大部分(如果不是全部的话)单元20中。在某些情况下，可能期望的是将隔膜24仅插入一些单元中，以产生所期望的声学效果。可替代地，可能期望的是将两个或更多个隔膜盖插入单个单元中。还可能期望的是将隔膜24以不同深度定位在位于蜂窝内不同位置处的不同单元20内。 [0028] 在图4中，根据本发明的示例性隔膜24示出为位于示例性蜂窝单元26内。隔膜24从由织造纤维构成的声学材料片切割或以其它方式由其形成。织造材料包括大致相互垂直的经向纤维28和纬向纤维29。 [0029] 单元26的周边由单元壁30、32、34、36、38和40限定或形成。单元壁30和36相互平行，并且形成第一对平行单元壁。单元壁34和40也相互平行，并且形成第二对平行单元壁。单元壁32和38也相互平行，并且形成第三对平行壁。由于单元26不处于正六边形的形状，所以所述第一和第二对平行壁比第三对平行壁更宽。第一和第二对平行壁中的每个壁比第三对平行壁中的每个壁构成单元周边的较大部分。 [0030] 根据本发明，隔膜24被定向成使得经向纤维28垂直于成对较宽的平行壁30和36。这种定向还将纬向纤维29放置成垂直于另一对较宽的平行壁34和40。人们发现，定向垂直于较宽平行壁的隔膜纤维提供了将隔膜24摩擦锁定在单元26内的特别有效的方式。 [0031] 每个纬向和经向纤维包括中央谐振器部分和位于纤维的每个端部用于将纤维连接至单元壁的锚定部分。在图5中，隔膜24的简化的剖视图表示成示出了纬向纤维29的谐振器部分42和锚定部44。锚定部分44用于在施加粘合剂以将锚定部分44永久地粘接至蜂窝壁之前将隔膜24摩擦锁定就位。为了本详细说明的目的，当纤维的谐振器部分大致垂直于单元壁时，纤维定向成大致垂直于单元壁。大致垂直是指纤维的谐振器部分与单元壁之间的角度在隔膜平面内在80与100度之间，更优选地在85与95度之间。 [0032] 可以使用任何标准的织造纤维声学材料来形成隔膜。这些声学材料通常设置为特别设计成提供噪声衰减的开口网状织物的相对薄片。优选的是，声学材料是由单丝纤维织造的开口网状织物。这些纤维可由玻璃、碳、陶瓷或聚合物构成。由聚酰胺、聚酯、聚三氟氯乙烯(ECTFE)、乙烯-四氟乙烯(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚氟乙烯丙烯(FEP)、聚醚酮(PEEK)、聚酰胺6(尼龙，6PA6)和聚酰胺12(尼龙12，PA12)制成的单丝聚合物纤维只是一些示例。由PEEK制成的开口网状织物优选地用于高温应用。可用于形成根据本发明的隔膜盖的开口网状声学织物和其他声学材料可从各种各样的商业来源得到。例如，开口网状声学织物片可从SEFAR America Inc .(Buffalo Division Headquarters111Calumet Street Depew,NY14043)获得，商标名称为SEFAR PETEX、SEFAR NITEX和SEFAR PEEKTEX。 [0033] 虽然声学织物可以由不同织造纤维的组合制成，但优选的是，声学织物中的纤维由相同的材料制成。在许多声学织物中，经向方向的纤维(经向纤维)通常由比纬向方向的纤维(纬向纤维)更小直径的纤维制成。因此，纬向纤维往往比经向方向的纤维更坚固且柔性更差。人们发现，柔性更差的纤维对于将隔膜摩擦锁定至单元壁来说更加有效。如果可能，优选的是，隔膜被定向成使得柔性更差的纬向纤维的谐振器部分垂直于形成单元周边最大部分的蜂窝壁。相对于经向纤维，通过改变纬向纤维的化学性质(而不是直径)，还可以增加纬向纤维的柔性来提供较硬的纤维。 [0034] 在其中一方向上的纤维比交叉方向上的纤维柔性更差或更坚固的织造织物中，更坚固的纤维通常被称为主导纤维。本发明可以与由包括其中那些没有主导纤维的所有类型的织造声学织物制成的隔膜结合使用。然而，优选的是，织造的隔膜材料包括主导纤维且主导纤维是纬向纤维。 [0035] 声学织物通常被提供作为切割成多个带的材料片。然后，隔膜被从该带切割。图2提供了声学材料72的典型带的一部分的简化视图。带72包括纬向纤维74和经向纤维76。纬向纤维74是主导纤维。用于插入图4所示类型的单元中的隔膜被从该带切割，轮廓标示为78和79。切割该带以便提供可定向为在图4中那样的隔膜致使仅一小部分的带状材料被浪费。这是本发明的有价值的特征，其意外地产生于必须从声学织物带切割隔膜，以便在将隔膜插入蜂窝单元时满足上面所述的定向要求。 [0036] 图3示出了用于从声学材料带切割隔膜的典型的现有技术的方法。参考标号对应于图2中的参考标号，不同之处在于已添加了“PA”来将该带识别为根据现有技术的方法被切割。如可以看出，与本发明相比，通过使用形成隔膜的现有技术的方法，使得大量的声学材料被浪费。 [0037] 在图6中，根据本发明的附加示例性隔膜50示出为位于示例性蜂窝单元52内。隔膜50从由织造纤维构成的声学材料片切割或以其它方式由其形成，其中纬向纤维54比经向纤维56柔性更差(更坚固)。蜂窝单元58包括成对的平行壁60和62，它们每个都比其他两个壁 64和68宽得多。作为本发明的优选特征，主导的纬向纤维54定向成垂直于较宽的平行壁60和62。 [0038] 在图7中，根据本发明的另一附加示例性隔膜51示出为位于示例性蜂窝单元53内。隔膜51从由织造纤维构成的声学材料片切割或以其它方式由其形成，其中纬向纤维55比经向纤维57柔性更差(更坚固)。蜂窝单元53包括第一对平行壁61和63。单元壁65和67也相互平行，并且形成第二对平行单元壁。单元壁69和71也相互平行，并且形成第三对平行壁。所述第一和第二对平行壁比第三对平行壁更宽。第一和第二对平行壁中的每个壁比第三对平行壁中的每个壁构成单元周边的较大部分。 [0039] 如上文所讨论，隔膜51被定向成使得纬向纤维55垂直于该对较宽的平行壁65和67。插入隔膜使得更硬的纬向纤维55垂直于较宽的平行壁提供了将隔膜51摩擦锁定在单元 53内的特别有效的方式。 [0040] 本发明适用于各种各样的单元形状。优选的单元横截面形状是多边形，其具有形成多边形周边的四个壁以上，并且其中相对于周边，壁的宽度不都是相等的。具有类似于图4、6和7中所示的横截面形状的六边形和矩形单元是优选的。 [0041] 隔膜24可插入蜂窝单元以提供多种各样的声学设计。例如，隔膜可以以不同高度位于蜂窝12A内，如图10中的24A和24B所示。这种类型的设计允许微调声学结构的噪声衰减性能。图10所示的两级设计旨在仅作为根据本发明所可能的各种可能的多级隔膜布置的示例。如本领域技术人员将所理解，不同可能的隔膜设置高度的数量是极大的，并且可被调整以满足特定的噪声衰减要求。 [0042] 图11示出了用于隔膜24的插入结构的另一示例。在该结构中，两组隔膜盖24C和24D被插入蜂窝12B，以向每个单元提供两个隔膜。很明显，许多可能的其他结构是可能的，其中三个或更多个隔膜被插入给定的单元。另外，图10所示的多级插入设计可与图11所示的每个单元设计的多个插入相结合，以提供无限数量的可能的隔膜插入结构，其可用于微调声学结构以向给定的噪声源提供最优的噪声衰减。 [0043] 图12示出了用于将隔膜插入蜂窝以形成前体结构的优选方法，其中隔膜摩擦锁定在蜂窝单元内。用于标示图12中蜂窝结构的附图标记与图1相同，除了它们包括“P”来表示该结构是前体结构，其中隔膜尚未永久地粘接至单元壁。 [0044] 如图12所示，隔膜织物87从织物材料85的带切割，以提供图2中所示类型的标示为78和79的预切割隔膜。适当大小的柱塞83用于迫使隔膜织物87通过模具89来形成隔膜盖 24，其然后通过使用柱塞83而被插入到单元中。应该指出的是，使用盖折叠模具89以由单独的预切割声学织物片形成隔膜盖是优选的，但不是必需的。可以使用蜂窝作为模具，并且通过使用柱塞83来简单地迫使预切割织物87进入单元而形成隔膜盖。但是，许多蜂窝板的边缘往往相对地参差不齐，因为这些板通常在制造过程期间从较大的蜂窝块切成。因此，蜂窝边缘在织物的平片被强制直接插入单元时往往会刮蹭、磨损和污染声学织物。因此，如果需要的话，可以不使用盖折叠模具，但是只有如果蜂窝的边缘被处理以移除任何粗糙或参差不齐的边缘。 [0045] 重要的是，隔膜的尺寸/形状以及柱塞和模具的尺寸/形状被选择成使得隔膜盖可被插入单元而不破坏声学材料，而同时提供在隔膜纤维的锚定表面与单元壁之间的足够的摩擦接触，以在随后的前体结构处理期间将隔膜保持就位。常规实验可用来建立用于由特定声学织物所制成的隔膜的必要的摩擦锁定，前提是只要上面所述的相对于用于各种单元形状的纬向和经向纤维定向的准则被遵循。摩擦锁定或保持的量应该足以保持隔膜盖不移位或以其他方式移动，即使前体结构在处理期间无意中掉落。 [0046] 前体结构在图12中示出为10p，其中隔膜盖24P仅通过摩擦锁定而保持就位。如前文所述，摩擦锁定必须足以将隔膜盖牢固地保持就位，直到它们可能通过使用适当的粘合剂而被永久地粘接。所用的粘合剂可以是在蜂窝板制造中使用的任何常规粘合剂。优选的粘合剂包括在高温(300－400°F)下稳定的那些。示例性的粘合剂包括环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛塑料、氰基丙烯酸酯、BMF、聚酰胺－酰亚胺以及聚酰亚胺。 [0047] 通过使用各种公知的粘合剂施加步骤，可以将粘合剂施加至纤维锚定部分/单元壁接合面。重要的考虑因素是，粘合剂应该以受控的方式被施加。作为最低限度，粘合剂应在与单元壁的接合面被施加至纤维的锚定部分。在某些情况下，所期望的是通过采用粘合剂覆盖部分的纤维谐振器部分来微调声学结构。将粘合剂施加至纤维的谐振器部分导致封闭或者至少减小网格或其他声学材料中开口的尺寸。不受控制地将粘合剂施加至隔膜的谐振器部分通常是不期望的并且应当避免。因此，可以使用这样的粘合剂施加步骤，也就是其可以提供选择性地且受控地施加粘合剂，以在与单元壁的接合面冲模纤维的锚定部分。 [0048] 图13示出了示例性粘合剂施加步骤。在该示例性步骤中，蜂窝12p仅浸入粘合剂的池91中，以使得仅隔膜纤维的锚定部分浸入粘合剂。通过使用该浸入步骤，可以将粘合剂精确地施加至纤维锚定部分/单元壁接合面，前提是只要隔膜在浸入前被精确地摩擦锁定在相同的高度。对于位于不同高度的隔膜来说，需要多个浸入步骤。可替代地，可以通过使用刷子或其他现场特定的施加技术来施加粘合剂。其中的一些技术可以在插入隔膜之前用于采用粘合剂涂盖芯部壁。可替代地，粘合剂可以在插入芯部之前被丝网印刷到隔膜材料上并且被分级。 [0049] 图13所示的用于施加粘合剂的浸入步骤是优选的，因为纤维的锚定部分往往通过毛细作用向上芯吸粘合剂。此向上芯吸用于在纤维的锚定部分交汇单元壁的地方形成带(fillet)。在纤维的锚定部分与单元壁之间的接合面形成粘合剂带不仅用于很好地粘接至单元壁，而且还提供粘合剂与谐振器部分之间的良好限定的边界，以确保隔膜的声学性能不会无意中受到粘合剂的影响。粘合剂带还往往覆盖和消除由于材料中的褶皱而可能形成于隔膜材料与单元壁之间的空气间隙。 [0050] 根据本发明的声学结构可用于需要噪声衰减的各种各样的情况。这些结构非常适于与其中噪声衰减通常是个问题的动力设备系统结合使用。蜂窝是相对轻型的材料。因此，本发明的声学结构特别适于用在飞机系统中。示例性的用途包括喷气发动机的机舱、大型涡轮或者往复式发动机的整流罩以及相关的声学结构。 |
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