CA3117015A1 - Acoustic metamaterial and its additive manufacturing method - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un méta-matériau acoustiques (100), ainsi qu'un procédé pour sa fabrication. Le méta-matériau acoustique comprend une pluralité de canaux (101) ayant chacun une même section transversale avec un rayon hydraulique entre 5 et 300 pm, disposés avec un espacement périodique (t) entre canaux adjacents entre 2 et 600 pm. On peut ainsi obtenir un réseau hautement dense de micro-canaux acoustiques pouvant offrir une absorption et/ou impédance acoustiques optimales sur une large bande de fréquences. Son procédé de fabrication est un procédé de fabrication additive comprenant plusieurs étapes consécutives de dépôt de matériau pour former, dans chaque étape, une couche (203) comportant une pluralité de cellules (204) périodiquement répétées, séparées par des parois (104). Les couches (203) déposées dans les étapes consécutives de dépôt de matériau sont empilées avec leurs cellules (204) respectives alignées de manière à former les canaux (101).The invention relates to an acoustic meta-material (100), as well as a method for its manufacture. The acoustic meta-material comprises a plurality of channels (101) each having the same cross-section with a hydraulic radius between 5 and 300 pm, arranged with a periodic spacing (t) between adjacent channels between 2 and 600 pm. It is thus possible to obtain a highly dense network of acoustic micro-channels capable of offering optimum acoustic absorption and/or impedance over a wide band of frequencies. Its manufacturing process is an additive manufacturing process comprising several consecutive steps of depositing material to form, in each step, a layer (203) comprising a plurality of periodically repeated cells (204), separated by walls (104). The layers (203) deposited in the subsequent material deposition steps are stacked with their respective cells (204) aligned to form the channels (101).
Description
META-MATERIAU ACOUSTIQUE ET PROCEDE POUR SA FABRICATION
ADDITIVE
Arrière-plan de l'invention La présente invention concerne le domaine des méta-matériaux acoustiques, ainsi que celui de leur fabrication.
Les absorbeurs acoustiques ont un large éventail d'applications. Parmi celles-ci, on compte notamment l'aéronautique, où des tels éléments sont utilisés pour absorber au moins partiellement le bruit généré par les moteurs d'aviation et ainsi réduire sa transmission à l'environnement extérieur. Parmi les moteurs d'aviation les plus courants on compte les turboréacteurs à
double flux (en anglais : turbofan ). Un turboréacteur à double flux comprend une soufflante et un générateur de gaz incorporant au moins un compresseur, une chambre de combustion, une turbine et une tuyère. Le bruit total produit par un tel turboréacteur à double flux peut donc comprendre le bruit de jet, de combustion, de soufflante, de compresseur et de turbine. Cependant, le bruit le plus dominant est généralement celui émis par la soufflante, qui peut s'étendre sur une large bande de fréquences, comme illustré sur la Fig. 10, avec des composantes tonales correspondant aux fréquences de passage des pales de la soufflante. Afin d'augmenter le rendement énergétique des turboréacteurs à double flux, la tendance générale est d'augmenter leur taux de dilution, c'est-à-dire, la proportion du débit d'air impulsé par la soufflante par rapport à celui utilisé
pour la combustion dans le générateur de gaz, et donc le diamètre de la soufflante. En conséquence, les soufflantes des dernières générations de turboréacteurs à double flux ont tendance à tourner plus lentement, et donc à émettre du bruit à de plus basses fréquences.
Afin de réduire le bruit émis par les moteurs d'aviation, il est donc courant de recouvrir certaines zones, telles que les nacelles contenant ces moteurs, d'absorbeurs acoustiques tels que des panneaux sandwich à nid d'abeille. Dans ce type d'absorbeurs acoustiques, chaque cellule du nid d'abeille peut fonctionner comme un résonateur de Helmholtz pour atténuer le bruit. Toutefois, la plage fréquentielle d'atténuation acoustique de tels Date Reçue/Date Received 2021-05-04 ACOUSTIC META-MATERIAL AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE
ADDITIVE
Background of the invention The present invention relates to the field of meta-materials acoustics, as well as that of their manufacture.
Acoustic absorbers have a wide range of applications. Among these include in particular aeronautics, where such elements are used to at least partially absorb noise generated by motors aviation and thus reduce its transmission to the external environment. Among the most common aviation engines include turbojet engines double flow (in English: turbofan). A turbofan engine comprises a blower and a gas generator incorporating at least one compressor, a combustion chamber, a turbine and a nozzle. the total noise produced by such a turbofan engine can therefore understand jet, combustion, blower, compressor noise and turbine. However, the most dominant noise is usually that emitted by the blower, which can extend over a wide band of frequencies, as shown in Fig. 10, with tonal components corresponding to the passing frequencies of the fan blades. In order to to increase the energy efficiency of turbofan engines, the general tendency is to increase their dilution rate, i.e., the proportion of the air flow impelled by the blower in relation to that used for combustion in the gas generator, and therefore the diameter of the blower. Consequently, the blowers of the latest generations of turbofan engines tend to spin slower, and therefore emit noise at lower frequencies.
In order to reduce the noise emitted by aircraft engines, it is therefore common to cover certain areas, such as the nacelles containing these motors, sound absorbers such as honeycomb sandwich panels of bee. In this type of acoustic absorbers, each cell of the nest bee can function as a Helmholtz resonator to attenuate the noise. However, the acoustic attenuation frequency range of such Date Received/Date Received 2021-05-04
2 absorbeurs est limitée et, pour être efficace aux basses fréquences, ils doivent être particulièrement volumineux, ce qui est d'autant plus pénalisant que la surface à recouvrir peut être très grande pour les turboréacteurs à double flux et très haut taux de dilution.
Comme alternative aux panneaux sandwich à nid d'abeille, il a donc été proposé d'utiliser des matériaux poreux, dont les pores individuels agissent comme des résonateurs de Helmholtz. Toutefois, la plupart des matériaux poreux disponibles ont une trop faible résistance mécanique, tandis que les plus résistants, comme par exemple le matériau métallique divulgué dans US 7,963,364 B2, sont excessivement lourds. En outre, ils ne fournissent une atténuation importante qu'aux fréquences de résonance et ne permettent pas d'absorber le bruit sur une large plage de fréquences.
L'utilisation de la fabrication additive a été proposée par Z. Liu, J.
Zhan, M. Fard, et J. L. Davy dans Acoustic properties of a porous polycarbonate material produced by additive manufacturing , Materials Letters, vol. 181, pp. 296-299, (oct. 2016) pour produire des absorbeurs acoustiques comportant des microcanaux. Ces absorbeurs acoustiques n'ont toutefois aussi qu'une plage de fréquences d'absorption assez étroite.
Il a également été proposé, par exemple par Qian, Y. 3., Kong, D. Y., Liu, S. M., Sun, S. M., 8( Zhao, Z., dans Investigation on micro-perforated panel absorber with ultra-micro perforations. , Applied Acoustics, 74(7), pp; 931-935 (2013), d'utiliser des panneaux micro-perforés en tant qu'absorbants acoustiques. Afin d'en élargir la plage de fréquences d'absorption acoustique, Liu, Z., Zhan, 3., Fard, M., 8( Davy, 3., dans Acoustic properties of multilayer sound absorbers with a 3D printed micro-perforated panel. Applied Acoustics, 121, pp. 25-32 (2017), et Yang, W., Bai, X., Zhu, W., Kiran, R., An, 3., Chua, C. K., 8( Zhou, K. dans 3D
Printing of Polymeric Multi-Layer Micro-Perforated Panels for Tunable Wideband Sound Absorption . Polymers, 12(2), p. 360 (2020) ont proposé aussi de superposer plusieurs de ces panneaux et de les produire par fabrication additive. Toutefois, ces absorbants acoustiques relativement fragiles semblent difficilement applicables dans des environnements dans lesquels Date Reçue/Date Received 2021-05-04 2 absorbers is limited and, to be effective at low frequencies, they must be particularly bulky, which is all the more penalizing that the surface to be covered can be very large for the turbofan engines with very high bypass ratio.
As an alternative to honeycomb sandwich panels, so it has been proposed to use porous materials, the individual pores of which act as Helmholtz resonators. However, most of available porous materials have too low a mechanical resistance, while the most resistant, such as the metallic material disclosed in US 7,963,364 B2, are excessively heavy. Also, they don't provide significant attenuation only at resonant frequencies and do not absorb noise over a wide frequency range.
The use of additive manufacturing was proposed by Z. Liu, J.
Zhan, M. Fard, and JL Davy in Acoustic properties of a porous polycarbonate material produced by additive manufacturing , Materials Letters, vol. 181, p. 296-299, (Oct. 2016) to produce absorbers acoustics with microchannels. These acoustic absorbers however, also only have a fairly narrow absorption frequency range.
It has also been proposed, for example, by Qian, Y. 3., Kong, DY, Liu, SM, Sun, SM, 8( Zhao, Z., in Investigation on micro-perforated panel absorber with ultra-micro perforations. , Applied Acoustics, 74(7), pp; 931-935 (2013), to use micro-perforated panels as as sound absorbers. In order to widen the frequency range sound absorption, Liu, Z., Zhan, 3., Fard, M., 8( Davy, 3., in Acoustic properties of multilayer sound absorbers with a 3D printed micro-perforated panel. Applied Acoustics, 121, pp. 25-32 (2017), and Yang, W., Bai, X., Zhu, W., Kiran, R., An, 3., Chua, CK, 8( Zhou, K. in 3D
Printing of Polymeric Multi-Layer Micro-Perforated Panels for Tunable Wideband Sound Absorption. Polymers, 12(2), p. 360 (2020) also proposed to stack several of these panels and produce them by manufacturing additive. However, these relatively fragile acoustic absorbers seem difficult to apply in environments in which Date Received/Date Received 2021-05-04
3 ils seraient soumis à abrasion ou autres contraintes mécaniques, comme notamment les nacelles de moteurs d'aviation.
Des méta-matériaux acoustiques avec plusieurs couches superposées dans le sens de l'épaisseur, produits par fabrication additive, ont été
proposés dans la publication de demande de brevet français FR 1 761 722, ainsi que par Guild, M. D., Rohde, C., Rothko, M. C., 8( Sieck, C. F. dans 3D printed acoustic metamaterial sound absorbers using functionally-graded sonic crystals , Proceedings of Euronoise (2018). On peut comprendre par méta-matériau acoustique un milieu structuré de manière périodique dont les unités constituantes périodiquement répétées affectent de manière collective le passage d'ondes acoustiques. Dans le cas des méta-matériaux susmentionnés, chaque couche superposée peut présenter un treillis avec une périodicité différente, de manière à élargir sa plage de fréquences fréquentielle d'atténuation.
Objet et résumé de l'invention La présente divulgation vise à proposer, dans un premier aspect, un méta-matériau acoustique combinant un haut niveau d'absorption acoustique avec une bonne tenue mécanique, y compris à l'abrasion. Ce méta-matériau acoustique peut comprendre une pluralité de canaux ayant chacun une même section transversale avec un rayon hydraulique entre 5 et 300 pm, ces canaux étant disposés avec un espacement périodique entre canaux adjacents entre 2 et 600 pm.. On peut ainsi obtenir un réseau hautement dense de micro-canaux acoustiques pouvant offrir une absorption et/ou impédance acoustiques optimales sur une large bande de fréquences, avec des absorptions maximales au moins à certaines basses fréquences comme celles dominantes dans le spectre d'émission des soufflantes de turboréacteur à double flux à haut et très haut taux de dilution.
Les canaux peuvent avoir une section transversale sensiblement polygonale, par exemple triangulaire, carrée, rectangulaire ou hexagonale.
Par sensiblement polygonale , on entend que les angles de la section transversale peuvent être arrondis en conséquence des contraintes de Date Reçue/Date Received 2021-05-04 3 they would be subject to abrasion or other mechanical stresses, such as including aircraft engine nacelles.
Acoustic meta-materials with several superimposed layers in the thickness direction, produced by additive manufacturing, have been proposed in French patent application publication FR 1 761 722, as well as by Guild, MD, Rohde, C., Rothko, MC, 8( Sieck, CF in 3D printed acoustic metamaterial sound absorbers using functionally-graded sonic crystals, Proceedings of Euronoise (2018). We can understand by acoustic meta-material a medium structured in a way period whose periodically repeated constituent units affect collectively the passage of acoustic waves. In the case of meta-aforementioned materials, each overlapping layer may have a lattice with different periodicity, so as to widen its range of attenuation frequency frequencies.
Subject matter and summary of the invention This disclosure aims to provide, in a first aspect, a acoustic meta-material combining a high level of absorption acoustic with good mechanical resistance, including abrasion. This acoustic meta-material may include a plurality of channels having each one the same cross-section with a hydraulic radius between 5 and 300 μm, these channels being arranged with a periodic spacing between adjacent channels between 2 and 600 pm. One can thus obtain a network dense array of acoustic micro-channels that can deliver optimum acoustic absorption and/or impedance over a wide band of frequencies, with maximum absorptions at least at some bass frequencies like those dominant in the emission spectrum of high and very high combustion rate turbofan fans dilution.
The channels may have a cross section substantially polygonal, for example triangular, square, rectangular or hexagonal.
By substantially polygonal is meant that the angles of the section transverse can be rounded accordingly to the constraints of Date Received/Date Received 2021-05-04
4 fabrication. La section transversale peut toutefois aussi être sensiblement ronde ou ovale. Par sensiblement ronde ou ovale on entend que le contour de la section transversale peut aussi présenter des méplats à cause aussi des contraintes de fabrication.
Afin d'élargir sa bande fréquentielle d'absorption acoustique, le méta-matériau acoustique peut comporter plusieurs pluralités de canaux, chaque pluralité de canaux ayant une section transversale et/ou un espacement périodique des canaux différents. En particulier, ces différentes pluralités de canaux peuvent être arrangées par couches directement adjacentes dans une direction de l'épaisseur du méta-matériau, de telle manière que le méta-matériau acoustique comporte plusieurs couches empilées dans la direction de l'épaisseur, chaque couche comprenant une pluralité de canaux ayant une section transversale et/ou un espacement périodique des canaux qui soient différents. Il est néanmoins aussi envisageable de varier la section transversale et/ou l'espacement de canaux dans un plan perpendiculaire à
la direction de l'épaisseur du méta-matériau.
Afin d'augmenter la longueur des canaux sans augmenter l'épaisseur du méta-matériau acoustique, un ou plusieurs des canaux peuvent être inclinés par rapport à une direction d'épaisseur du méta-matériau, et notamment être hélicoïdaux. Ils peuvent, alternativement ou en complément, être coudés afin aussi d'en augmenter la longueur.
Un deuxième aspect de la présente invention concerne un procédé de fabrication additive du méta-matériau acoustique du premier aspect. Ce procédé de fabrication additive peut comprendre plusieurs étapes consécutives de dépôt de matériau pour former, dans chaque étape, une strate comportant une pluralité de cellules périodiquement répétées, séparées par des parois. Les strates déposés dans les étapes consécutives de dépôt de matériau peuvent être empilés avec leurs cellules respectives alignées de manière à former les canaux.
Le matériau peut comprendre un polymère thermoplastique, et le dépôt alors être effectué par dépôt de fil fondu afin de permettre la fabrication de structures suffisamment fines. Alternativement toutefois, le Date Reçue/Date Received 2021-05-04 4 manufacturing. The cross section can however also be substantially round or oval. By substantially round or oval is meant that the outline of the cross section may also have flat spots due to also manufacturing constraints.
In order to widen its acoustic absorption frequency band, the meta-acoustic material may comprise several pluralities of channels, each plurality of channels having a cross section and/or spacing different channels periodically. In particular, these different pluralities of channels can be arranged by directly adjacent layers in a direction of the thickness of the meta-material, in such a way that the meta-acoustic material has several layers stacked in the direction in thickness, each layer comprising a plurality of channels having a cross-section and/or periodic channel spacing that be different. However, it is also possible to vary the section transverse and/or channel spacing in a plane perpendicular to the direction of the thickness of the meta-material.
In order to increase the length of the channels without increasing the thickness of the acoustic meta-material, one or more of the channels may be inclined with respect to a direction of thickness of the meta-material, and in particular be helical. They may, alternatively or in complement, be bent in order also to increase the length.
A second aspect of the present invention relates to a method of additive manufacturing of the acoustic meta-material of the first appearance. This additive manufacturing process can include several steps consecutive deposition of material to form, in each step, a stratum comprising a plurality of periodically repeated cells, separated by walls. Strata deposited in consecutive stages of material deposition can be stacked with their respective cells aligned to form the channels.
The material may comprise a thermoplastic polymer, and the deposition then be carried out by deposition of molten wire in order to allow the manufacture of sufficiently fine structures. Alternatively, however, the Date Received/Date Received 2021-05-04
5 matériau pourrait comprendre une résine thermodurcissable, et le dépôt de matériau être alors effectué, de manière analogue au dépôt de fil fondu, par extrusion de cette résine thermodurcissable. Afin de renforcer mécaniquement le méta-matériau acoustique, le matériau peut aussi comprendre, à part le polymère thermoplastique ou la résine thermodurcissable, des particules solides en suspension, telles que notamment des fibres, et plus particulièrement des fibres de carbone.
D'autres types de particules solides, telles que, notamment, des nanoparticules ou des microbilles, en particulier en silice, sont également envisageables. Grâce à ces particules solides, le méta-matériau acoustique pourra présenter une résistance mécanique et thermique importante, ainsi que des propriétés d'abradabilité.
Finalement, un troisième aspect de cette divulgation concerne une turbomachine, en particulier un moteur à turbine à gaz tel qu'un turboréacteur à double flux, comportant le méta-matériau acoustique susmentionné, en tant qu'absorbeur acoustique. En particulier, dans un turboréacteur à double flux, le méta-matériau acoustique pourrait être intégré dans une paroi délimitant une veine d'air de soufflante et/ou dans un carter de générateur de gaz.
Brève description des dessins L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux, à
la lecture de la description détaillée qui suit, de plusieurs modes de réalisation représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
¨ la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un turboréacteur à
double flux, ¨ la figure 2 est une vue écorchée en épaisseur d'un méta-matériau acoustique apte à être utilisé comme absorbeur acoustique dans le turboréacteur à double flux de la figure 1, ¨ les figures 3A à 3G sont des vues en coupe transversale, suivant le plan III-III, de différentes formes alternatives envisageables des canaux du méta-matériau de la figure 2, Date Reçue/Date Received 2021-05-04 5 material could include a thermosetting resin, and the deposition of material be then carried out, analogously to the deposition of molten wire, by extrusion of this thermosetting resin. In order to strengthen mechanically the acoustic meta-material, the material can also understand, apart from the thermoplastic polymer or resin thermosetting, solid particles in suspension, such as in particular fibers, and more particularly carbon fibers.
Other types of solid particles, such as, in particular, nanoparticles or microbeads, in particular silica, are also possible. Thanks to these solid particles, the acoustic meta-material may have significant mechanical and thermal resistance, as well as as abradability properties.
Finally, a third aspect of this disclosure concerns a turbomachine, in particular a gas turbine engine such as a turbofan engine comprising the acoustic meta-material aforementioned, as an acoustic absorber. In particular, in a turbofan engine, the acoustic meta-material could be integrated in a wall delimiting a fan air stream and/or in a gas generator housing.
Brief description of the drawings The invention will be well understood and its advantages will appear better, reading the following detailed description of several modes of embodiment shown by way of non-limiting examples. The description is refers to the attached drawings on which:
¨ Figure 1 is a longitudinal sectional view of a turbojet double flow, ¨ Figure 2 is a cutaway view in thickness of a meta-material acoustic suitable for use as an acoustic absorber in the turbofan engine of figure 1, ¨ Figures 3A to 3G are cross-sectional views, according to the plan III-III, of different possible alternative forms of the channels of the meta-material of figure 2, Date Received/Date Received 2021-05-04
6 ¨ la figure 4 est un graphique illustrant le coefficient d'absorption acoustique en fonction de la fréquence, pour plusieurs méta-matériaux acoustiques avec des canaux ayant des différentes formes et largeurs, ¨ la figure 5 est une vue en coupe en épaisseur d'un mode de réalisation alternatif du méta-matériau acoustique, avec des canaux de différentes largeurs sur des différentes couches du méta-matériau acoustique, ¨ la figure 6 est un graphique illustrant le coefficient d'absorption acoustique en fonction de la fréquence, pour plusieurs exemples de méta-matériau acoustique multicouches, ¨ les figures 7A, 78 et 7C sont des vues en coupe en épaisseur de plusieurs autres modes de réalisation alternatifs du méta-matériau acoustique, ¨ la figure 8 illustre un dispositif de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication additive du méta-matériau acoustique, ¨ les figures 9A et 98 illustrent deux tracés alternatifs de dépôt de matériau pour la fabrication d'un strate du méta-matériau acoustique, et ¨ la figure 10 est un graphique illustrant l'intensité du bruit émis par un turboréacteur à double flux en fonction de la fréquence.
Description détaillée de l'invention La figure 1 illustre de manière schématique une turbomachine 1, plus spécifiquement un turboréacteur à double flux. Dans le sens de l'écoulement du fluide, ce turboréacteur à double flux peut comprendre une soufflante 2, un compresseur basse pression 3, un compresseur haute pression 4, une chambre de combustion 5, une turbine haute pression 6, une turbine basse pression 7 et une tuyère 8. L'ensemble peut être entouré par une nacelle 9.
Les compresseurs 3,4, la chambre de combustion 5 et les turbines 6, 7 forment ensemble le générateur de gaz 10, qui peut être lui-même entouré
par un carénage 11 aboutissant dans la tuyère 8. Ainsi, une veine d'air 12 de la soufflante 2 peut être définie entre le carénage 11 du générateur de gaz 10 et une paroi interne 13 de la nacelle 9. La turbine haute pression 6 peut être reliée au compresseur haute pression 4 par un premier arbre Date Reçue/Date Received 2021-05-04 6 ¨ Figure 4 is a graph illustrating the absorption coefficient acoustics as a function of frequency, for several meta-acoustic materials with channels having different shapes and widths, ¨ Figure 5 is a sectional view in thickness of a mode of alternative realization of the acoustic meta-material, with channels of different widths on different layers of the meta-acoustic material, ¨ Figure 6 is a graph illustrating the absorption coefficient acoustics as a function of frequency, for several examples of multi-layered acoustic meta-material, ¨ Figures 7A, 78 and 7C are sectional views in thickness of several other alternative embodiments of the meta-material acoustic, ¨ Figure 8 illustrates a device for implementing a method of additive manufacturing of the acoustic meta-material, ¨ Figures 9A and 98 illustrate two alternative lines of deposition of material for the manufacture of a stratum of the meta-material acoustics, and ¨ Figure 10 is a graph illustrating the intensity of the noise emitted by a turbofan engine depending on the frequency.
Detailed description of the invention FIG. 1 schematically illustrates a turbomachine 1, plus specifically a turbofan engine. In the direction of flow of the fluid, this turbofan engine can comprise a fan 2, a low pressure compressor 3, a high pressure compressor 4, a combustion chamber 5, a high pressure turbine 6, a low turbine pressure 7 and a nozzle 8. The assembly can be surrounded by a nacelle 9.
Compressors 3.4, combustion chamber 5 and turbines 6, 7 together form the gas generator 10, which may itself be surrounded by a fairing 11 terminating in the nozzle 8. Thus, an air stream 12 of the fan 2 can be defined between the fairing 11 of the generator of gas 10 and an internal wall 13 of the nacelle 9. The high pressure turbine 6 can be connected to the high pressure compressor 4 by a first shaft Date Received/Date Received 2021-05-04
7 rotatif 14 pour l'entraînement de cette dernière, tandis que la turbine basse pression 7 peut être reliée à la soufflante 2 et au compresseur basse pression 3 par un deuxième arbre rotatif 15 coaxial au premier arbre rotatif 14, de manière analogue. Dans le contexte des moteurs à haut et très haut taux de dilution, un réducteur 16 peut être interposé mécaniquement entre le deuxième arbre rotatif 15 et la soufflante 2, afin de réduire la vitesse de rotation de la soufflante 2 et empêcher que les bouts de pales de la soufflante 2 atteignent des vitesses excessives.
Chacun de ces éléments de la turbomachine 1 peut générer du bruit, mais le bruit généré par la soufflante 2 est généralement dominant. En outre, dans les moteurs à haut et très haut taux de dilution, et en particulier dans ceux équipés d'un réducteur 16, une grande partie du bruit de la soufflante 2 peut être concentré dans des basses fréquences, comme illustré sur la figure 10, montrant le niveau de pression acoustique (SPL) en fonction de la fréquence f. Afin d'absorber au moins une partie du bruit de la soufflante 2, des absorbeurs de bruit 17 peuvent être intégrés dans la paroi interne 13 de la nacelle 9, notamment en amont et en aval des pales de la soufflante 2. Comme illustré, il est cependant aussi envisageable d'intégrer des absorbeurs de bruit 17 dans le carénage 11 du générateur de gaz 10, voire même dans le carter de ce dernier.
Typiquement, les absorbeurs de bruit 17 sont formés par des panneaux sandwich à nid d'abeille. Toutefois, dans les moteurs à haut, voire très haut taux de dilution, ces panneaux peuvent représenter une pénalité
importante en termes de masse et d'encombrement. En outre, il peut être difficile de les disposer directement en regard des bouts de pales de la soufflante, là où l'émission de bruit peut pourtant être la plus intense, puisque la paroi interne 13 de la nacelle 9 comprend typiquement un matériau abradable 18 à cet endroit, afin d'absorber le frottement occasionnel des bouts des pales de la soufflante 2 dû à leurs déformations transitoires.
Les figures 2 à 3G illustrent plusieurs modes de réalisation d'un absorbeur de bruit 17 formé par un méta-matériau acoustique 100 pouvant remplacer de manière effective les absorbeurs de bruit à panneaux Date Reçue/Date Received 2021-05-04 7 rotary 14 for driving the latter, while the low turbine pressure 7 can be connected to blower 2 and low compressor pressure 3 by a second rotary shaft 15 coaxial with the first rotary shaft 14, analogously. In the context of high and very high engines dilution rate, a reducer 16 can be mechanically interposed between the second rotary shaft 15 and the fan 2, in order to reduce the speed of rotation of fan 2 and prevent the tips of the fan blades from blower 2 reach excessive speeds.
Each of these elements of the turbomachine 1 can generate noise, but the noise generated by fan 2 is generally dominant. In In addition, in engines with high and very high bypass ratios, and in particular in those equipped with a 16 reducer, much of the noise of the blower 2 can be concentrated in low frequencies, such as illustrated in figure 10, showing the sound pressure level (SPL) in function of frequency f. In order to absorb at least some of the noise from fan 2, noise absorbers 17 can be integrated into the internal wall 13 of the nacelle 9, in particular upstream and downstream of the blades of the blower 2. As illustrated, it is however also possible to integrate noise absorbers 17 in the fairing 11 of the generator of gas 10, or even in the casing of the latter.
Typically, the noise absorbers 17 are formed by honeycomb sandwich panels. However, in engines with high or even very high dilution rate, these panels can represent a penalty important in terms of mass and size. Also, it can be difficult to arrange them directly opposite the tips of the blades of the blower, where the noise emission can however be the most intense, since the internal wall 13 of the nacelle 9 typically comprises a abradable material 18 at this location to absorb friction the tips of the blades of fan 2 occasionally due to their deformations transients.
Figures 2 to 3G illustrate several embodiments of a noise absorber 17 formed by an acoustic meta-material 100 which can effective replacement of panel sound absorbers Date Received/Date Received 2021-05-04
8 sandwich à nid d'abeille, avec un moindre poids et encombrement, et même être disposé directement en regard des pales de la soufflante 2 en tant que matériau abradable 18.
Comme illustré sur la figure 2, ce méta-matériau acoustique 100 peut comporter une pluralité de canaux 101, de forte densité et arrangés périodiquement et s'étendant depuis une surface exposée 102 du méta-matériau 100 jusqu'à sa base 103. Les canaux 101 peuvent être séparés entre eux par des parois 104.
Comme illustré sur les figures 2 et 3A, en coupe transversale, chaque canal 101 peut présenter un contour sensiblement carré. Toutefois, d'autres formes sensiblement polygonales, comme par exemple des formes sensiblement rectangulaires, en losange, triangulaires ou hexagonales sont également envisageables, comme illustré respectivement sur les figures 3B, 3C, 3D et 3E. Des formes non-polygonales, comme par exemple des formes sensiblement rondes ou ovales, sont également envisageables, comme illustré respectivement sur les figures 3F et 3G.
Un rayon hydraulique ri, de la section transversale de chaque canal 101 peut être défini suivant la formule rh=2A/P, où A et P représentent, respectivement, l'aire et le périmètre de la section transversale du canal 101. Indépendamment de la forme de leur section transversale, chaque canal 101 peut avoir un rayon hydraulique rh de, par exemple, entre 5 pm et 300 pm, ce qui, pour des canaux 101 à section carrée ou ronde, correspond à une largeur W entre 10 pm et 600 pm, quoiqu'un coefficient de forme peut être appliqué pour prendre en compte les effets de bord des canaux de sections transversales de différente forme. L'espacement périodique t entre canaux 101 adjacents peut être par exemple entre 2 pm et 600 pm.
L'absorption acoustique des différentes fréquences peut varier sensiblement en fonction du rayon hydraulique ni, et donc de la largeur W, ainsi que de l'espacement périodique t des canaux 101. Ainsi, la figure 4 illustre le coefficient d'absorption a [ALPHA] en fonction de la fréquence acoustique f pour des exemples de méta-matériaux acoustiques 100 avec Date Reçue/Date Received 2021-05-04 8 honeycomb sandwich, with less weight and bulk, and even be placed directly opposite the blades of the fan 2 as a abradable material 18.
As illustrated in Figure 2, this acoustic meta-material 100 can comprise a plurality of channels 101, of high density and arranged periodically and extending from an exposed surface 102 of the meta-material 100 down to its base 103. The channels 101 can be separated between them by walls 104.
As shown in Figures 2 and 3A, in cross-section, each channel 101 may have a substantially square outline. However, other substantially polygonal shapes, such as for example shapes substantially rectangular, diamond-shaped, triangular or hexagonal are also conceivable, as illustrated respectively in FIGS. 3B, 3C, 3D and 3E. Non-polygonal shapes, such as shapes substantially round or oval, are also possible, such as illustrated in Figures 3F and 3G respectively.
A hydraulic radius ri, of the cross section of each channel 101 can be defined according to the formula rh=2A/P, where A and P represent, respectively, the area and perimeter of the cross-section of the channel 101. Regardless of their cross-sectional shape, each channel 101 can have a hydraulic radius rh of, for example, between 5 pm and 300 μm, which, for channels 101 with a square or round section, corresponds to a width W between 10 pm and 600 pm, although a coefficient shape can be applied to take into account the edge effects of channels of cross sections of different shape. Spacing periodic t between adjacent channels 101 can be for example between 2 pm and 600 pm.
Sound absorption of different frequencies may vary substantially as a function of the hydraulic radius ni, and therefore of the width W, as well as the periodic spacing t of the channels 101. Thus, FIG. 4 illustrates the absorption coefficient a [ALPHA] as a function of frequency acoustic f for examples of acoustic meta-materials 100 with Date Received/Date Received 2021-05-04
9 différentes valeurs de largeur W et d'espacement périodique t des canaux 101. Ainsi, les courbes 401, 402, 403 et 404 correspondent à des méta-matériaux acoustiques 100 avec des canaux 101 sensiblement carrés avec des largeurs W et espacements périodiques t de, respectivement, 133 et 2 pm, 175 et 50 pm, 215 et 100 pm, et 265 et 155 pm. On peut y apprécier comment, quoique le coefficient d'absorption maximum soit proche d'un, et corresponde à sensiblement la même fréquence f entre 2000 et 3000 Hz pour les différentes valeurs de W et t, la bande fréquentielle d'absorption s'élargit avec une diminution de W et t.
Afin d'élargir la plage d'absorption acoustique du méta-matériau 100, il est possible de combiner des pluralités de canaux 101 avec des espacements périodiques différents et/ou des sections transversales de formes et dimensions différentes dans un même méta-matériau 100. Ainsi, on peut envisager que le méta-matériau 100 comporte plusieurs couches superposées dans une direction de l'épaisseur, les canaux 101 présentant une section transversale différente et/ou un espacement différent par couche. Il est même envisageable d'y inclure des couches aux fonctionnalités différentes que l'absorption acoustique, et ne comprenant donc pas des canaux régulièrement espacés ou présentant les dimensions revendiquées. Afin d'éviter l'obstruction des canaux 101 d'une couche par les couches adjacentes, les canaux des différentes couches peuvent être alignés et le pas de maille, c'est-à-dire la somme de la largeur W et l'espacement t, correspondant à chaque couche être un multiple entier du pas de maille minimal parmi les différentes couches. En particulier, le pas de maille de chaque couche peut être 2n fois le pas de maille minimal parmi les différentes couches, où n est un nombre entier. Avec un espacement t constant et une largeur minimale Wmin, la largeur W suivrait donc l'équation W=(Wmin+t)n-t.
La figure 5, illustre un premier exemple de méta-matériau acoustique 100 avec cinq couches 1001,1002, 1003, 1004 et 1005 superposées, ayant des épaisseurs respectives h1, h2, h3, h4 et h5 de 6 mm chacune et des canaux 101 de section carrée, et où la largeur Wi des canaux de la première couche 1001 est de 496 pm, la largeur W2 des canaux de la deuxième couche 1002 est de 148 pm, la largeur W3 des canaux du troisième niveau Date Reçue/Date Received 2021-05-04 9 different values of channel width W and periodic spacing t 101. Thus, curves 401, 402, 403 and 404 correspond to meta-acoustic materials 100 with substantially square channels 101 with widths W and periodic spacings t of, respectively, 133 and 2 pm, 175 and 50 pm, 215 and 100 pm, and 265 and 155 pm. You can enjoy it how, although the maximum absorption coefficient is close to one, and corresponds to substantially the same frequency f between 2000 and 3000 Hz for the different values of W and t, the absorption frequency band widens with a decrease in W and t.
In order to expand the sound absorption range of meta material 100, it is possible to combine pluralities of channels 101 with different periodic spacings and/or cross-sections of different shapes and dimensions in the same 100 meta-material. Thus, it is possible to envisage that the meta-material 100 comprises several layers superimposed in a direction of the thickness, the channels 101 presenting different cross-section and/or different spacing per layer. It is even possible to include layers with features other than sound absorption, and not including therefore not regularly spaced channels or having the dimensions claimed. In order to avoid obstruction of the channels 101 of a layer by adjacent layers, the channels of the different layers can be aligned and the mesh pitch, i.e. the sum of the width W and the spacing t, corresponding to each layer be an integer multiple of the minimal mesh size among the different layers. In particular, the step mesh of each layer can be 2n times the minimum mesh pitch among the different layers, where n is an integer. With a spacing t constant and a minimum width Wmin, the width W would therefore follow the equation W=(Wmin+t)nt.
Figure 5 illustrates a first example of acoustic meta-material 100 with five layers 1001,1002, 1003, 1004 and 1005 superimposed, having respective thicknesses h1, h2, h3, h4 and h5 of 6 mm each and channels 101 of square section, and where the width Wi of the channels of the first layer 1001 is 496 pm, the width W2 of the channels of the second layer 1002 is 148 pm, the width W3 of the third level channels Date Received/Date Received 2021-05-04
10 1003 est de 496 pm, la largeur W4 des canaux du quatrième niveau 1004 est de 1192 pm, et la largeur W5 des canaux du cinquième niveau 1005 est de 496 pm, avec un espacement t constant entre canaux 101 de 200 pm dans chacune des couches, de manière à obtenir un coefficient d'absorption a proche de 1 sur une large plage de fréquences f allant de 2500 à 6500 Hz, tel qu'illustré par la courbe 601 de la figure 6.
D'autres configurations multicouches sont également envisageables.
Ainsi, suivant un deuxième exemple, le méta-matériau acoustique peut ne comprendre que deux couches superposées avec des épaisseurs respectives de 1 et 29 mm, et où la largeur des canaux de la première couche est de 100 pm et celle des canaux de la deuxième couche est de 9 mm, avec un espacement t constant de 200 pm entre canaux 101 dans chacune des couches, de manière à obtenir un coefficient d'absorption a élevé sur une plage de fréquences f allant de 1000 à 3000 Hz, tel qu'illustré par la courbe 602 de la figure 6. Suivant un troisième exemple, le méta-matériau acoustique peut comprendre trente couches superposées, avec chacune 1 millimètre d'épaisseur et un espacement t constant entre canaux de 200 pm, et une largeur des canaux de 4,11 mm pour les couches n 1, 6, 12, 15 à 17, 20, et 22 à 24; 8,42 mm pour les couches n 2, 8, 11, 18, 27 et 29; 69,4 pm pour les couches n 3, 19, 21, 25 et 26; 1,95 mm pour les couches n 4, 5, 7, 13, 14 et 30 ; et 338,8 pm pour les couches n 9, 10 et 28; de manière à obtenir un coefficient d'absorption a élevé sur une plus large plage de fréquences f allant de 1000 à 4500 Hz, tel qu'illustré par la courbe 603 de la figure 6.
Il est également envisageable d'incliner les canaux 101 par rapport à
la direction de l'épaisseur T du méta-matériau 100 comme illustré sur la figure 7A, voire même de les replier comme illustré sur la figure 7B, et cela afin de maximiser la longueur des canaux 101 pour une épaisseur T limitée du méta-matériau 100 entre sa base 103 et sa surface exposée 102. Par ailleurs, dans le même objet, au moins certains des canaux 101 peuvent être enroulés hélicoïdalement autour d'un axe central, comme illustré sur la figure 7C.
Date Reçue/Date Received 2021-05-04 10 1003 is 496 pm, the width W4 of the channels of the fourth level 1004 is 1192 pm, and the width W5 of the channels of the fifth level 1005 is of 496 pm, with a constant spacing t between channels 101 of 200 pm in each of the layers, so as to obtain an absorption coefficient a close to 1 over a wide frequency range f from 2500 to 6500 Hz, as shown by curve 601 in Figure 6.
Other multilayer configurations are also possible.
Thus, following a second example, the acoustic meta-material may not understand that two superposed layers with respective thicknesses of 1 and 29 mm, and where the width of the channels of the first layer is 100 μm and that of the channels of the second layer is 9 mm, with a constant spacing t of 200 pm between channels 101 in each of the layers, so as to obtain a high absorption coefficient a over a frequency range f from 1000 to 3000 Hz, as shown by the curve 602 of figure 6. According to a third example, the meta-material acoustics can include thirty superimposed layers, each with 1 millimeter thick and a constant spacing t between channels of 200 pm, and a channel width of 4.11 mm for layers n 1, 6, 12, 15-17, 20, and 22-24; 8.42 mm for layers n 2, 8, 11, 18, 27 and 29; 69.4 µm for layers #3, 19, 21, 25 and 26; 1.95mm for layers 4, 5, 7, 13, 14 and 30; and 338.8 μm for layers n 9, 10 and 28; so as to obtain a high absorption coefficient a over a longer wide frequency range f ranging from 1000 to 4500 Hz, as illustrated by the curve 603 of figure 6.
It is also possible to incline the channels 101 with respect to the direction of the thickness T of the meta-material 100 as illustrated in the figure 7A, or even to fold them up as illustrated in figure 7B, and this in order to maximize the length of the channels 101 for a limited thickness T
meta-material 100 between its base 103 and its exposed surface 102. By elsewhere, in the same object, at least some of the channels 101 can be wound helically around a central axis, as shown in the Fig. 7C.
Date Received/Date Received 2021-05-04
11 La base 103 et les parois 104 du méta-matériau acoustique 100 peuvent être en polymère thermoplastique, par exemple en polyétherimide (PET) ou polyetherethercétone (PEEK), ou en résine thermodurcissable, par exemple une résine époxyde comme celle formant le matériau abradable vendu par 3M sous la dénomination Scotch-Weld EC-3524 B/A. Afin de renforcer ce matériau, notamment quand le méta-matériau acoustique 100 est destiné à être disposé en regard de pièces tournantes, et notamment des pales tournantes d'une soufflante 2, il peut être renforcé par des particules solides, noyées dans la masse, par exemple des fibres, et notamment des fibres de carboneõ des microsphères, par exemple microbilles de verre, ou des nanoparticules telles que la poudre de silice. En fonction de la matière et des renforts utilisés pour la fabrication du méta-matériau acoustique, ceux-ci peuvent présenter une résistance mécanique et thermique importante ainsi que des propriétés d'abradabilité.
Les propriétés acoustiques (p.ex. impédance et absorption) du méta-matériau acoustique 100 peuvent être simulées avec la méthode de matrice de transfert ou TMM (acronyme de l'anglais Transfer Matrix Method ). Dans cette méthode, le nombre d'onde de fluide équivalent et l'impédance caractéristique équivalente peuvent être calculés en utilisant le modèle semi-phénoménologique de Johnson-Champoux-Allard-Lafarge (JCAL) décrivant les effets dissipatifs visco-inertiels à l'intérieur d'un milieu poreux, à partir de six paramètres : porosité, tortuosité, longueur visqueuse et thermique et perméabilité visqueuse et thermique, qui peuvent être simulés avec la méthode asymptotique multi-échelles ou MAM
(acronyme de l'anglais Multi-scale Asymptotic Method). Quand le méta-matériau acoustique 100 comporte plusieurs couches distinctes, le nombre d'onde de fluide équivalent, et l'impédance caractéristique équivalente peuvent être calculés séparément pour chaque couche.
A partir du modèle permettant de calculer les propriétés acoustiques du méta-matériau 100, la forme, dimensions et arrangement des canaux 101 du méta-matériau acoustique 100 peuvent être définis en fonction des plages de fréquence pour lesquelles on souhaite une impédance et/ou absorption acoustiques optimales, en appliquant un algorithme d'optimisation, tel que par exemple la méthode d'optimisation itérative de Date Reçue/Date Received 2021-05-04 11 The base 103 and the walls 104 of the acoustic meta-material 100 can be made of thermoplastic polymer, for example polyetherimide (PET) or polyetheretherketone (PEEK), or in thermosetting resin, by example an epoxy resin like that forming the abradable material sold by 3M as Scotch-Weld EC-3524 B/A. In order to reinforce this material, especially when the acoustic meta-material 100 is intended to be arranged opposite rotating parts, and in particular rotating blades of a fan 2, it can be reinforced by solid particles, embedded in the mass, for example fibers, and in particular carbon fibersõ microspheres, for example glass microbeads, or nanoparticles such as silica powder. In depending on the material and the reinforcements used for the manufacture of the meta-acoustic material, these can have mechanical strength and thermal properties as well as abradability properties.
The acoustic properties (e.g. impedance and absorption) of the meta-acoustic material 100 can be simulated with the matrix method of transfer or TMM (acronym of the English Transfer Matrix method). In this method, the equivalent fluid wavenumber and the equivalent characteristic impedance can be calculated using the Johnson-Champoux-Allard-Lafarge semi-phenomenological model (JCAL) describing the visco-inertial dissipative effects inside a environment porous, based on six parameters: porosity, tortuosity, viscous length and thermal and viscous and thermal permeability, which can be simulated with the multi-scale asymptotic method or MAM
(acronym for Multi-scale Asymptotic Method). When the meta-acoustic material 100 has several distinct layers, the number equivalent fluid waveform, and the equivalent characteristic impedance can be calculated separately for each layer.
From the model to calculate the acoustic properties of the meta-material 100, the shape, dimensions and arrangement of the channels 101 of the acoustic meta-material 100 can be defined according to the frequency ranges for which an impedance and/or optimal acoustic absorption, by applying an algorithm optimization, such as for example the iterative optimization method of Date Received/Date Received 2021-05-04
12 Nelder-Mead. A chaque itération de l'algorithme d'optimisation, ces paramètres dimensionnels du méta-matériau acoustique 100 peuvent être ajustés pour répondre à d'autres contraintes, comme par exemple celle d'éviter l'obstruction des canaux 101 de chaque couche par les couches adjacentes.
Le méta-matériau acoustique 100 peut être produit par un procédé de fabrication additive basé sur l'extrusion de matière, comme par exemple le procédé de dépôt de fil fondu utilisé pour des matières thermoplastiques.
Ces procédés, particulièrement adaptés à la fabrication de formes complexes avec des parois fines, comprennent plusieurs étapes consécutives de dépôt de matériau. Dans chacune de ces étapes, une tête extrudeuse 200 peut se déplacer suivant un tracé 201 dans un plan transversal X-Y en déposant le matériau 202, qui se solidifie ensuite de manière à former une strate 203. En déplaçant ce plan transversal X-Y
suivant une direction orthogonale Z après le dépôt de chaque strate 203, il est possible d'empiler ces strates 203 pour former le méta-matériau acoustique 100, comme illustré sur la figure 8. Afin de former les canaux 101, chaque strate 203 peut comporter une pluralité de cellules 204 périodiquement répétées, séparées par les parois 104 formées par le dépôt du matériau 202, et les strates 203 déposés dans les étapes consécutives de dépôt de matériau peuvent être empilées avec leurs cellules 204 respectives alignées.
Afin d'éviter au moins partiellement l'entrecroisement du matériau 202 extrudé lors du dépôt d'un strate 203, qui pourrait provoquer la formation de pores entre les canaux 101, le tracé 201 peut être en zig-zag, comme illustré sur la figure 9A. Pour éviter une accumulation de matière et la formation de pores aux intersections entre les parois 104, un écart 0 peut être maintenu entre les angles 205 du tracé 201 à ces intersections.
Toutefois, il est également envisageable, pour une même forme des cellules 204, d'avoir un tracé 201 avec des longs segments entrecroisés, comme illustré sur la figure 98.
Date Reçue/Date Received 2021-05-04 12 Nelder Mead. At each iteration of the optimization algorithm, these dimensional parameters of acoustic meta-material 100 can be adjusted to meet other constraints, such as that to avoid obstruction of the channels 101 of each layer by the layers adjacent.
The acoustic meta-material 100 can be produced by a process of additive manufacturing based on material extrusion, such as molten wire deposition process used for thermoplastic materials.
These processes, which are particularly suitable for the manufacture of shapes complex with thin walls, include several stages sequences of material deposition. In each of these stages, a head extruder 200 can move along a path 201 in a plane transverse XY by depositing the material 202, which then solidifies so as to form a stratum 203. By moving this transverse plane XY
along an orthogonal direction Z after the deposition of each stratum 203, it is possible to stack these strata 203 to form the meta-material acoustic 100, as shown in Figure 8. In order to form the channels 101, each stratum 203 can include a plurality of cells 204 periodically repeated, separated by the walls 104 formed by the deposit of the material 202, and the strata 203 deposited in the consecutive steps material deposit can be stacked with their cells 204 respectively aligned.
In order to avoid at least partially the interlacing of the material 202 extruded during the deposition of a stratum 203, which could cause the formation of pores between the channels 101, the layout 201 can be in zig-zag, as illustrated in Figure 9A. To avoid an accumulation of material and the formation of pores at the intersections between the walls 104, a deviation of 0 can be maintained between angles 205 of path 201 at these intersections.
However, it is also possible, for the same shape of the cells 204, to have a plot 201 with long intersecting segments, as shown in figure 98.
Date Received/Date Received 2021-05-04
13 Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.
Date Reçue/Date Received 2021-05-04 13 Although the present invention has been described with reference to specific embodiments, it is obvious that different modifications and changes may be made to these examples without depart from the general scope of the invention as defined by the claims. In addition, individual characteristics of the different mentioned embodiments can be combined in modes of additional achievement. Therefore, the description and the drawings must be considered in an illustrative rather than restrictive sense.
Date Received/Date Received 2021-05-04
Claims (14)
Date Reçue/Date Received 2021-05-04 14. Turbomachine (1) comprising, as acoustic absorber, the acoustic meta-material (100) according to any one of claims 1 to 7.
Date Received/Date Received 2021-05-04
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