带宽抑制增加的声学结构 |
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| 申请号 | CN201380021215.5 | 申请日 | 2013-05-03 | 公开(公告)号 | CN104246869B | 公开(公告)日 | 2017-05-24 |
| 申请人 | 赫克赛尔公司; | 发明人 | E·艾尔; | ||||
| 摘要 | 短舱或其它类型的声学结构的带宽或声学范围通过在声学上将蜂窝单元格耦合在一起形成声学单元格对而增加，该声学单元格对的有效声学或 谐振腔 长度长达单独采用的任一声学单元格的有效声学或谐振腔长度的两倍。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于降低产生自源的噪声的声学结构，所述声学结构包括： |
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| 说明书全文 | 带宽抑制增加的声学结构技术领域[0001] 本发明总体涉及用来使源自具体源的噪声衰减的声学结构。更具体地，本发明涉及提供较薄的声学结构，这些声学结构能够衰减宽范围的噪声频率，所述宽范围的噪声频率包括较低频率的噪声，诸如由飞机的发动机产生低频噪声。 背景技术[0002] 处理由特定源产生的过量噪声的最佳方式为在源处处理噪声，这得到了广泛认可。这通常通过向噪声源的结构添加声阻尼结构(声处理结构)来完成。一个特别有问题的噪声源为用在大多数客机上的喷气发动机。该声处理结构通常合并在发动机进口、短舱和排气结构中。这些声处理结构包括声谐振腔，这些声谐振腔包含具有数百万个孔的较薄的声学材料或栅格，对由发动机产生的声能产生声阻抗。 [0003] 蜂窝已经成为用于在飞机和航空车辆中使用的受欢迎的材料，因为它较坚固且重量轻。对于诸如发动机短舱的声应用场合，声学材料被添加到蜂窝结构，使得蜂窝单元格在远离发动机定位的端部处在声学上封闭并且在离发动机最近的端部处由多孔覆盖件覆盖。以这种方式用声学材料封闭蜂窝单元格，产生一种提供对噪声进行衰减、阻尼或抑制的声谐振腔。声学隔板也通常位于蜂窝单元格的内部以便为谐振腔提供附加噪声衰减性质。 [0004] 声学工程师面对的基本问题是，将短舱制得尽可能薄且重量轻，同时在由喷气发动机产生的噪声的整个范围内，仍然提供对声波频率的充足的抑制或阻尼。该基本设计问题因如下事实而复杂化：更新型的大型喷气发动机的趋势是产生更低频率的附加噪声。新发动机设计趋向于使用以更慢的速率产生更多旁通空气的更少的风扇叶片。这导致产生频率更低的发动机噪声。 [0005] 给定的蜂窝单元格或谐振腔阻尼的噪声的具体频率直接涉及单元格的深度。一般而言，随着噪声频率降低，单元格的深度必须增加以便提供充足的阻尼或抑制。具有量级在1英寸以下的单元格深度的较薄的短舱对于吸收由喷气发动机产生的高频率范围而言是充足的。然而，为了吸收由更新喷气发动机产生的更低的频率，需要在量级在二又二分之一(2 1/2)英寸以上的声学单元格或谐振腔深度。 [0006] 解决吸收低频率喷气噪声的一个方法是简单地构建具有更深单元格的短舱。然而，这导致短舱的大小和重量的增加，这与提供尽可能薄且重量尽可能轻的短舱设计目的相反。此外，特别是对于短舱的大小和重量为主要工程设计考虑的更大的飞机发动机，吸收低频噪声所需的短舱重量和大小上的增加，可能是不能接受的。 [0007] 目前，需要设计发动机短舱和其它声学结构，其中，在不增加短舱声学结构的厚度或重量的情况下，该声学结构能够抑制更宽范围的噪声频率。 发明内容[0008] 根据本发明发现，短舱或其它类型的声学结构的带宽或声学范围通过将蜂窝单元格声学耦合在一起以形成声学单元格对而增加，该声学单元格对所具有的有效声学或谐振腔长度长达单独采用的任一声学单元格的有效声学或谐振腔长度的两倍。有效谐振腔长度上的这种增加产生了能够在不增加短舱的厚度或重量的情况下吸收较低噪声频率的短舱或声学结构。 [0009] 本发明总体上涉及声学结构，并且具体地涉及用于飞机发动机的短舱。根据本发明的声学结构包括蜂窝，该蜂窝具有定位成离噪声源最近的第一边缘和定位成远离噪声源的第二边缘。蜂窝包括多个第一声学单元格，其中，第一声学单元格中的每一个与第二声学单元格共享公共壁。第一声学单元格中的每一个终止于第一隔音器，该第一隔音器定位在蜂窝的第二边缘处或靠近蜂窝的第二边缘。第二声学单元格终止于第二隔音器，该第二隔音器也定位在蜂窝的第二边缘处或靠近蜂窝的第二边缘。 [0010] 作为本发明的一个特征，声学路径位于第一声学单元格与第二声学单元格之间的公共壁中以将这些单元格声学耦合在一起。声学路径定位在蜂窝的第一边缘与第一和第二隔音器之间。第三隔音器设置在第二声学单元格中以在蜂窝的第一边缘处或在蜂窝的第一边缘与声学路径之间提供第二声学单元格的声学末端。声学单元格和隔音器的联结提供第一噪声衰减区，该第一噪声衰减区包括第一声学单元格以及第二声学单元格的位于第二隔音器与第三隔音器之间的部分。因此，第一噪声衰减区或谐振腔具有能够长达蜂窝深度两倍的有效声长度。 [0011] 作为本发明的进一步的特征，将第三隔音器放置在蜂窝的第一边缘和声学路径之间的位置处，提供了具有等于第三隔音器与蜂窝的第一边缘之间的距离的长度的第二噪声衰减区。因此，第二噪声衰减区或谐振腔具有比蜂窝深度短的有效声长度。 [0012] 对于给定的耦合声学单元格对，第一、第二噪声衰减区的宽范围有效声长度能够通过简单地改变第三隔音器与蜂窝第一边缘之间的距离来实现。本发明提供了优于传统声学蜂窝的显著优点，在传统声学蜂窝中，单元格都具有相同的有效声长度，并且加长单元格的唯一方式是增加蜂窝的厚度。 [0013] 根据本发明将单元格声学耦合在一起提供的噪声衰减区，能够具有范围从蜂窝厚度的一小部分直至蜂窝的厚度的两倍或以上的有效声长度。形成长度小于或大于蜂窝厚度的声学单元格的能力，显著增加了能够由声蜂窝结构吸收的带宽或频率范围。此外，对于期望将蜂窝制得尽可能薄但仍然提供能够阻尼低频喷气发动机噪声的声谐振腔的喷气发动机短舱而言，在声学上加长蜂窝单元格但不增加蜂窝厚度的能力是特别有用的。 附图说明[0015] 图1示出根据本发明的在实心表皮和多孔表皮结合到声蜂窝之前的示例性声学结构。 [0016] 图2示出短舱的在与发动机噪声源相邻的位置中的一部分。 [0017] 图3为示出单元格之间的声学路径的局部声蜂窝的透视图。 [0018] 图4为示出通过将两个相邻的声学单元格声学耦合在一起而形成的第一和第二噪声衰减区的声性质的示意图。 [0019] 图5为示出第一和第二噪声衰减区的声性质的进一步的示意图。 [0020] 图6为示出为了提供低频率噪声阻尼而用于将蜂窝单元格声学耦合在一起的示例性布置的声蜂窝的简要视图。 [0021] 图7为示出用于将蜂窝单元格耦合在一起的替代示例性构造的声蜂窝的简要视图，该声蜂窝也提供低频噪声阻尼。 [0022] 图8为示出为了在不增加结构厚度的情况下增加声学结构低频率阻尼能力而用于将声学单元格耦合在一起的进一步示例性构造的声蜂窝的另一个简要视图。 具体实施方式[0023] 图1示出根据本发明的示例性声学结构10的一部分的局部分解图。声学结构10包括声蜂窝12，该声蜂窝12夹在多孔表皮14与实心隔音器表皮16之间。图2示出装配后的声学结构10，其中，该声学结构10定位成与正如箭头20表示的那样产生噪声的噪声源18相邻。虽然本发明的声学结构可以被用于阻尼来自宽范围的噪声源的噪声，但是该声学结构特别适合于阻尼由飞机发动机而且特别是用于商业飞机的大发动机产生的噪声。因此，在图2中以10示出的声学结构通常为围绕涡轮风扇喷气发动机18中央核心的短舱的部分。 [0024] 如图1～图3所示，蜂窝12包括第一边缘22和第二边缘24，该第一边缘22定位成离噪声源18最近，该第二边缘24定位成远离噪声源18。作为本发明的一个特征，蜂窝12包括借助于声学路径26耦合在一起以形成声学耦合单元格对的单元格28和30。单独的单元格对28和30共享公共壁，在该公共壁中，形成声学路径26。各单元格28可以被视为第一声学单元格，其由在第一边缘22与第二边缘24之间延伸的蜂窝壁限定。各单元格30可以被视为第二声学单元格，其也由在第一边缘22与第二边缘24之间延伸的蜂窝壁限定。实心表皮16充当用于第一声学单元格的第一隔音器32和用于第二声学单元格的第二隔音器34。 [0025] 虽然优选的是隔音器32和34由沿着蜂窝12的第二边缘24定位的单个实心表皮提供，但是也可以利用远离蜂窝单元格边缘在蜂窝单元格内移位的单独的实心插件形成第一和第二隔音器32和34。这样的单独的固体插件的定位必须使得声学路径26定位在蜂窝22的第一边缘与第一和第二隔音器32和34之间。 [0026] 声学路径能够位于公共单元格壁中在远离蜂窝第二边缘的位置处。然而，优选的是，声学路径由拱形槽26形成，如图3所示，该拱形槽26靠着实心表皮16放置以提供封闭的拱形声学路径。声学路径能够具有各种各样的形状，只要公共单元格壁中的开口充分大以允许声波经过该路径从第一声学单元格28传播到第二声学单元格30。“26”所示类型的拱形或其他轮廓的开口是优选的，因它们减少单元格壁的疲劳开裂的可能性。 [0027] 作为本发明的进一步的特征，第三隔音器36设置在第二声学单元格30中。可以将第三隔音器36沿着蜂窝的第一边缘22定位。然而，优选的是，由从蜂窝第一边缘22向内移位的单独的实心插件形成第三隔音器36。隔音器36到第二声学单元格30中的移位提供附加声音阻尼，如将在下文讨论的。 [0028] 图4和图5为根据本发明当第一和第二声学单元格28和30借助于声学路径26一起成对时所实现的声阻尼性质的示意表征。如图4所示，噪声20通过多孔表皮14进入蜂窝。由箭头21所表示的声波向下传播通过第一声学单元格28，直到它们到达第一隔音器32，在此处，声波通过声学路径26被沿横向定向。第二隔音器34阻止声波逃逸，使得声波被定向为沿第二声学单元格30向后，直至它们被第三隔音器36阻挡为止。声学耦合的单元格提供能够阻尼或阻碍波长不同的噪声的两个噪声衰减区或谐振腔。第一噪声衰减区由第一声学单元格28和第二声学单元格30的位于第三隔音器36下方的部分形成。第一噪声衰减区的有效声学或谐振腔长度为(h+h1)。第二噪声衰减区由第二声学单元格30的定位在第三隔音器36与蜂窝的第一边缘之间的那部分形成。第二衰减区的有效谐振腔长度为(h-h1)。 [0029] 参照图5，两个噪声衰减区或谐振腔以并排方式示意性地示出，其中第一噪声衰减区以38示出，并且第二噪声衰减区以40示出。两个单元格声学耦合在一起形成一个谐振腔38，该谐振腔38比另一个谐振腔40深得多。因此，不是具有其中所有单元格都相同的声学结构，本发明提供的显著优点是具有能够阻尼较低噪声频率的一个较长或深的声谐振腔，而同时提供能够阻尼具有相对更高频率的噪声频率的第二谐振腔。 [0030] 附加频率阻尼和衰减能够通过在耦合的声学单元格中的一个或两个内包括一个或多个声学隔板来提供。例如，声学隔板42被包括在第一声学单元格28中以提供具有两个自由度的衰减器。第二声学隔板44可以可选择地被包括在第二声学单元格30中以提供具有三个自由度的衰减器。 [0031] 声学隔板能够由被用来提供噪声衰减的任意标准声学材料制成，包括编织纤维和带孔片。使用编织纤维声学隔板为优选的。这些声学材料通常被提供作为专门设计成提供噪声衰减的开放性网格织物的较薄片。优选的是，声学材料是用单丝纤维编织的开放网格织物。纤维可以由玻璃、碳、陶瓷或聚合物构成。由聚酰胺、聚酯、聚乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)、乙烯四氯乙烯(ETFE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)、聚氟乙烯丙烯(FEP)、聚醚酮醚(PEEK)，聚酰胺6(尼龙6，PA6)和聚酰胺12(尼龙12，PA12)制成的单丝聚合物纤维，仅仅只是几个例子。由PEEK制成的开放网格织物优选用于高温应用场合，诸如用于喷气发动机的短舱。在美国专利No.7,434,659、7,510,052和7,854,298中描述了示例性隔板。还可以使用由激光钻孔塑料片或薄膜制成的隔板。 [0032] 存在各种方式能够将相邻的声学单元格耦合在一起以形成第一噪声衰减区和第二噪声衰减区。可能的单元格耦合构造的一些例子在图6、图7和图8中示出。在这些图形中，编号为1的单元格对应于第一声学单元格28，而编号为2的单元格对应于第二声学单元格30。将两个单元格连接在一起的声学路径以实心条3示出。 [0033] 若需要，给定声学结构的所有单元格可以声学耦合以形成能够分散在非声学耦合单元格之间的声学对或声学耦合单元格对。在一些情况下，期望的是，声学结构的仅某些部分包括声学耦合单元格对。例如，在包括短舱的许多声学结构中，通常做法是，在位于结构的下部中的蜂窝单元格中包括开口，以便允许任何蓄积的水从结构排出。排水开口将大量蜂窝单元格互连在一起，以确保提供充足的排水路径以将所有的水从结构排出。使用这样广泛互连的排水开口与本发明不一致，在本发明中，声学单元格的有效长度借助于将两个声学单元格耦合在一起而增加。 [0034] 已经相对于将仅两个相邻的单元格声学耦合在一起而言描述了本发明。若需要，则能够以与上文针对声耦合两个单元格而言所描述的同样的方式使用声学路径和隔音器将三个或更多个声学单元格在声学上链接起来。在蜂窝较薄和/或需要较长谐振腔以为了阻尼较低频率噪声的那些情况下，需要将多于两个声学单元格链接在一起。链接在一起的单元格的数量将通过期望的蜂窝厚度和期望衰减或阻尼的频率范围的综合考虑来确定。 [0035] 本发明集中在将两个单元格耦合在一起，因为使用包括耦合两个单元格的蜂窝状构造的短舱能够满足用于阻尼喷气发动机噪声的大小和噪声频率要求。例如，由大型商业喷气发动机产生的低端频率范围在500Hz至2000Hz范围内。也已发现，厚度约1英寸至2英寸的蜂窝不具有阻尼这种低频噪声的能力。然而，通过将这些单元格声学耦合在一起，能够获得能够抑制这种低频发动机噪声的有效谐振腔长度。 [0036] 用来制造蜂窝的材料可以是通常使用在声学结构中的那些材料中的任一种，包括金属、陶瓷和复合材料。示例性金属包括铝和铝合金。示例性复合材料包括玻璃纤维、诺梅克斯(Nomex)和石墨或陶瓷纤维与适当的基体树脂的各种组合。能够抵抗较高温(300℉至400℉)的基体树脂是优选的。用来制造实心表皮16的材料也可以是通用于声学结构的实心表皮材料中的任一种，这些材料通常包括与用来制造蜂窝状结构相同类型的材料。用来制造多孔表皮14的材料也可以说通用于这种多孔结构的任意一种材料，只要结构中的孔隙或穿孔足以允许来自喷气发动机或其它源的声波进入声学单元格或谐振腔即可。 [0037] 一般而言，蜂窝单元格将通常具有范围从0.05平方英寸至1平方英寸或以上的横截面积。单元格的深度(蜂窝厚度或芯厚度)的范围一般将从0.25英寸至3英寸或以上。对于喷气发动机短舱，蜂窝单元格将通常具有在约0.1平方英寸至0.5平方英寸之间的横截面积和在约1.0英寸与2.0英寸之间的深度。作为本发明的示例性优点，具有在该厚度范围下限(1.0英寸)处的蜂窝单元格深度的短舱，能够提供由具有在该厚度范围上限(2.0英寸)处的厚度的短舱提供的相同的低频噪声衰减或抑制。例如，如果第一和第二隔音器32和34位于蜂窝的第二边缘24处，第三隔音器36放置到声学单元格对28和30的第二声学单元格30以内0.25英寸，则声学单元格对的最终有效长度为1.75英寸和0.25英寸。 [0038] 使短舱为某一厚度并且增加有效谐振腔长度直至两倍或更多的能力是显著的优点，因为允许将短舱制得尽可能薄且重量轻，但是仍然能够阻尼由你的喷气发动机设计产生的相对更低频率的噪声。此外，单元格对中第二声学单元格的不用来延长第一声学单元格有效声长度的部分40，提供了在不同(更高)频率下的附加噪声衰减。这增加了能够通过该声学结构有效地抑制的频率范围(带宽)。 [0039] 如前所述，优选的是，实心表皮16用来封堵蜂窝的第二边缘。在该情形下，第一和第二隔音器32和34都沿着蜂窝的第二边缘放置。根据本发明，能够通过简单地改变第三隔音器36在各声学对28和30的第二声学单元格30内的位置抑制的带宽或频率范围，是可以增加的。通过将三个或更多个单元格在声学上链接在一起，并且将这些在声学上链接起来的单元格与声学耦合单元格在整个声学结构的选定位置处进行组合，可以甚至进一步增加带宽抑制。当然，也可以提供包括单个声学单元格、声学耦合单元格对和声学链接单元格的三联体的声学结构。 [0040] 而且，噪声衰减中的变化能够通过改变耦合声学单元格对28和30之间的声学路径26的尺寸来实现。基于从耦合单元格之间的声学路径得出的谐振腔(第一噪声衰减区)的有效长度与受到抑制的噪声频率，选择选声学路径的尺寸。 |
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