CN103038484B - 多层声处理板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多层声处理板(100)，包括夹在多孔蒙皮(104)和中间蒙皮(106)之间的第一蜂窝状结构芯子(102)，和夹在中间蒙皮和后续蒙皮(110)之间的第二蜂窝状结构芯子(108)。多孔蒙皮包括至少一对高孔隙率区，提供的穿孔率大于多孔蒙皮其余部分的穿孔率，并由进气区(114a)和排气区(114b)构成，二者彼此纵向间隔，所述的一对高孔隙率区通过第一蜂窝状结构芯子和中间蒙皮与布置在第二蜂窝状结构芯子内的声波流动通道(118)的两端相通。

Description

多层声处理板
技术领域
本发明涉及所谓的“被动”声处理的一般领域。
本发明的应用领域特别是——但并非仅仅是——航空涡轮发动机上的应用。
背景技术
被动声处理板的使用在航空领域非常普遍，为的是降低来自涡轮发动机的噪声排放。例如，在双转子旁路式涡轮喷气发动机上，这种板可以布置在围绕涡轮喷气发动机的短舱的内表面上，而且也可布置其主外壳的外表面上。
从声学的角度来讲，被动声处理板一般由蜂窝多孔状结构构成，覆盖着薄薄一层多孔层，其作用是气流通道的壁板，并在其另一侧上由一个反射层来封闭(又称之为后续蒙皮)。可提供带中间多孔层的更复杂的声处理板，插装在蜂窝状结构层之间，从而在更宽频率范围上延伸衰减。本发明特别应用到称之为“多层”板的声处理板上。
人们都知道，当声能传播的螺线声模式为高阶模式时，声衰减会更有效。这些声工作模式会在管道内停留较长时间，它们提供的能量更靠近所述壁，从而有利于通过布置在短舱或涡轮喷气发动机壁上的面板而便于其能量消耗。此外，声处理板的声衰减会以比较线性方式变化，直到某种处理长度，超过该长度时，声衰减的增加则会缓慢得多。这种特性可通过源声特性变化来说明，声源的声音会随着其穿过面板传播，在高阶声模式时，会变得越来越弱。因为声衰减取决于出现的是哪种声模式，为传输剩余声能量而使用的许多低阶声模式则意味着，面板的吸收效率较小。可惜的是，目前使用的声处理板并不能满足这两项要求。
发明内容
为此，本发明的一个主要目的是，通过作用于声源的特性，提出增加特定处理表面区域的声处理效率以解决这些缺陷。
该目的可以通过多层声处理板得以实现，所述板包括夹在多孔蒙皮和中间蒙皮之间的第一蜂窝状结构芯子；和夹在中间蒙皮和后续蒙皮之间的第二蜂窝状结构芯子，其中，在根据本发明的声处理板中，多孔蒙皮包括至少一对高孔隙率区，穿孔率大于多孔蒙皮的其余部分，并由进气区和排气区构成，进气区和排气区彼此纵向等距隔开，该特定的一对高孔隙率区通过第一蜂窝结构芯子和中间蒙皮与声波流动通路的两端相沟通，所述声波流动通路布置在第二蜂窝状结构芯子内。
高孔隙率区在面板多孔蒙皮上的使用可在较小区域内建立较大的阻抗不连续性，从而使得低阶声模式的一部分能量传输到高阶声模式，更容易实现声学衰减。除了转换声模式的这种作用外，特别是宽带噪声，因为本发明的声处理板带有声波流动通路，所以，其还可以对通过进气区而截获的一小部分声波路径进行修正，目的是经由再下游的排气区反相地再次注入。这可增强对应于涡轮喷气发动机工作范围的棘手频率的衰减。于是，对于特定表面区域来讲，可以显著地增加声处理板的效率。
该特定对的高孔隙率区可以经由穿过第一蜂窝状结构芯子和中间蒙皮的凹槽(well)来实现与声波流动通路的沟通。
在另一种实施方式中，该特定对的高孔隙率区可经由穿过第一蜂窝状结构芯子的凹槽和经由通过中间蒙皮构成的多个孔眼来实现与声波流动通路的沟通。
在另一个不同实施方式中个，该特定对的高孔隙率区可通过第一蜂窝状结构芯子的腔室之间构成的通道和通过中间蒙皮构成的多个孔眼来实现与声波流动通路的沟通。
优选地，覆盖声波流动通道的中间蒙皮的区域是连续的。
声波流动通道可以通过由第二蜂窝状结构芯的壁侧向构成的狭长区域构成。或者，声波流动通道可以由第二蜂窝状结构芯子的一排毗邻的腔室构成，所述腔室通过多孔壁而彼此相通。
优选地，多孔蒙皮带有多对高孔隙率区，彼此横向隔开。在这种情况下，进气区和排气区就在相对于面板大体横向的方向上对准。
本发明还提供了一种涡轮喷气发动机短舱，在其内表面上，包括至少一个上述的声处理板。然后，优选地，声处理板的多孔蒙皮与冷气流通道相接触，所述冷气流流道由短舱内表面在外部确定。
本发明还提供了一种涡轮喷气发动机，在其外表面上，包括至少一个上述的声处理板。然后，优选地，声处理板的多孔蒙皮与冷气流通道相接触，所述冷气流流道由涡轮喷气发动机的外表面在内部确定。
通过参照附图给出的如下说明，本发明的其它特性和优点会显现出来，附图所示实施例并不是限定性的。
附图说明
图1为涡轮喷气发动机的纵向剖面图，所示其短舱上装有本发明的声处理板；
图2为本发明多层声处理板的较大比例的剖面图；
图3A到3C为沿声处理板厚度方向的剖面图，所示板构成了本发明几种不同的实施例；
图4A和4B为声处理板的示意图，构成本发明不同实施例，所示为从流体通道一侧看去；以及
图5为采用本发明声处理板所获得的声衰减增加的曲线图。
具体实施方式
本发明涉及到被动声处理板，特别是安装在飞机涡轮喷气发动机及其短舱上的声处理板，如图1所示。
图1所示涡轮喷气发动机10为双转子旁路型。其周围为环状短舱12，以涡轮喷气发动机的纵轴X-X为中心。按已知方式，从上游到下游，涡轮喷气发动机包括：风扇14；低压压气机16；高压压气机18；燃烧室20；高压涡轮22；以及低压涡轮24。
短舱12包围着涡轮喷气发动机的主外壳26，围绕其同轴，目的是形成可使冷气流流过的流动通路。同样，主外壳26则又同轴地包围着涡轮喷气发动机的中央本体30，从而形成了热气流的流动通道32。为此，通过短舱内表面在外部和通过主外壳外表面在内部径向地形成了通道28。
在如下说明中，术语“上游”和“下游”应该理解为是相对于流过涡轮喷气发动机的气流流动方向。
在涡轮喷气发动机风扇14的下游，短舱12内表面包括声处理板100。同样，在主外壳26上也应用了声处理板，围绕高压压气机18和燃烧室20的外表面。这些声处理板100用来衰减涡轮喷气发动机所排放的噪声危害。
图2为本发明声处理板100实施例更为详细的示意图，所述声处理板为“多层的”，即其由至少两级蜂窝状结构堆积而成。
更确切地说，声处理板100包括夹在多孔蒙皮104和部分多孔中间蒙皮106之间的第一蜂窝状结构芯102和夹在中间蒙皮106和后续蒙皮110之间的第二蜂窝状结构芯108。
第一蜂窝状结构102(例如，通过粘合剂或钎焊)固定到起支撑作用的中间蒙皮106上。同样，第二蜂窝状结构固定到起支撑作用的后续蒙皮110上。每个蜂窝状结构102和108都是由一排蜂窝形状的腔室构成。
不论其是否安装在短舱内部还是涡轮喷气发动机主外壳外表面上，本发明声处理板是这样布置的，即其多孔蒙皮104与供冷气流流动通道28相接触。
声处理板的多孔蒙皮104带有多个通孔112，在该通孔内，涡轮喷气发动机所排放的声波的声能量通过粘热效应而被消耗。多孔蒙皮的穿孔率(即，其孔隙总面积与其总面积之比)在7％至20％的范围之间(取决于所使用的吸收结构概念和计划的最佳声阻抗)。
本发明的声处理板的多孔蒙皮104还包括多对高孔隙率区，即穿孔率大于蒙皮其余部分的蒙皮区域。这些高孔隙率区的多孔比优选在20％到30％的范围内(而多孔板的剩余部分的多孔比在7％到20％的范围内)。例如，这一较大多孔性的获得是通过局部增加穿过多孔蒙皮孔眼112的密度和/或直径。
从声学角度来看，高孔隙率区的穿孔率可使其显得透明。与大直径的简单开口相比，这种布置可最大限度地降低气动力损失。
这些高孔隙率区114a，114b的形状可是圆形(如图4A和4B所示)，或者可以是方形的。例如，当其为圆形时，这些高孔隙率的圆形区的直径d1在5cm至15cm的范围内。通过比较，孔眼112的直径d2的范围在0.75mm至2mm的范围内，二者d1/d2之比在25到200的范围内。
每对高孔隙率区由进气区114a和排气区114b构成，排气区与进气区在下游纵向隔开。此外，对于每对高孔隙率区来讲，进气区和排气区114a和114b经由第一蜂窝状结构芯子102和中间蒙皮106与声波流动通道118的两端相沟通，后者布置在第二蜂窝状结构芯子108内。
预期可以使用其它的不同实施方式。在图3A所示第一实施例中，某一对高孔隙区114a和114b通过穿越第一蜂窝状结构芯子102和中间蒙皮106的凹槽116a和116b而与声波流动通道118相通。
在图3B所示第二实施例中，某一对高孔隙区114a和114b通过穿越第一蜂窝状结构芯子102和多个孔眼120经由凹槽116a和116b而与声波流动通道118相通，所述多个孔眼是通过与凹槽相对准的中间蒙皮106构成。
在图3C所示第三实施例中，某一对高孔隙区114a和114b通过第一蜂窝状结构芯子102腔室形成的通道122a和122b和多个孔眼120与声波流动通道118相通，所述多个孔眼120通过与通道122a和122b相对准的中间蒙皮106构成。
在应该注意的是，本发明的声处理板中间蒙皮116上面带有多个孔眼124，除覆盖声波流动通道118的区域外，后者布置在第二蜂窝状结构108内(换句话说，中间蒙皮区域覆盖了声波流动通道上方，是连续的)。在这些非穿孔区域，声处理板的作用就是简单的谐振器，多孔层位于流动通道旁边(即，多孔壁104)和非穿孔层位于腔室端部(即中间壁106)。多孔区，中间蒙皮可以进行声处理，作为双谐振器工作，其所提供的穿孔率范围为1％至4％，孔眼124的直径大约0.15mm至0.4mm。
声波流动通道118可以采用几种不同形式来制作。在图3A所示实施例中，声波流动通道是通过第二蜂窝状结构108腔室的壁侧向构成的狭长区域(corridor)而形成。为此，例如，所述狭长区域可通过多个蜂窝形状腔室的板(或“平板”)来获得，这些板沿侧向彼此等距离隔开，从而在其之间形成这种狭长区域。
在图3B和3C所示另一种实施例中，每个声波流动通道118是由第二蜂窝状结构118一排毗邻的腔室所形成，这些腔室通过提供高孔隙率的壁122而实现彼此相通(孔隙比必须足够高，以避免有关腔室之间出现声耦合)。
如上所述，中间蒙皮116在覆盖声波流动通道118的区域内不再穿孔，所以，所述通道通过第二蜂窝状结构118的腔室壁侧向地和由非穿孔隔板在高度方向上形成。
此外，正如图3A和4A实施例所示，声波流动通道118所构成的路径可以是直线的，这样，就大体平行于涡轮喷气发动机纵轴X-X延伸。在这种情况下，进气区和排气区114a和114b沿轴线X-X对准。
同样，还是如图4A所示，进气区114a可以彼此沿周向有规律地隔开，并在共同大体横向(即垂直于轴线X-X)上彼此对准。同样情况也适合于排气区114b。
自然，预期可以有其它布置方式。为此，在图4B实施例中，排气区114b相对于进气区114a而沿周向偏置，声波流动通道118不再仅仅是直线形的。
还可以设想出其它的形状，这些形状对于声波流动通道来讲更为复杂。特别是，在第二蜂窝状结构内形成的这排通道可以为真正迷宫形式，随后是声波(进气区在上游，排气区在下游)。在第二蜂窝状结构中，声波所行使的路径是根据预期应用于声波的相位延迟情况而预先确定的。
应该注意的是，本发明声处理板所构成的各种声波流动通道可以经由孔眼而彼此相通。
图5通过曲线200示出了本发明声处理板所获得的声衰减的受益情况。这个曲线给出了声衰减情况(单位：分贝)，所示声衰减为相对于处理板的长度除以涡轮喷气发动机冷气流流动通道的高度。断续线曲线202示出了采用传统声处理板所获得的衰减情况。在处理板的一定相对长度LA之外，可以看出，传统声处理在声衰减方面会趋于停滞。相反，在声处理板的该相对长度LA之外，本发明的声处理板可以获得相当大的声衰减CA改进。

Claims (13)

1.一种多层声处理板(100)，包括：
夹在多孔蒙皮(104)和中间蒙皮(106)之间的第一蜂窝状结构芯子(102)，以及夹在中间蒙皮和后续蒙皮(110)之间的第二蜂窝状结构芯子(108)；
所述处理板的特征在于，多孔蒙皮包括至少一对高孔隙率区，每对所述高孔隙率区提供的穿孔率大于多孔蒙皮其余部分的穿孔率，并由进气区(114a)和排气区(114b)构成，二者彼此纵向间隔，所述的一对高孔隙率区通过第一蜂窝状结构芯子和中间蒙皮与布置在第二蜂窝状结构芯子上的声波流动通道(118)的两端相通。
2.根据权利要求1所述的板，其特征在于，所述的一对高孔隙率区经由穿过第一蜂窝状结构芯子和中间蒙皮的凹槽而与声波流动通道相通。
3.根据权利要求1所述的板，其特征在于，所述的一对高孔隙率区经由穿过第一蜂窝状结构芯子的凹槽和经由通过中间蒙皮形成的多个孔眼而与声波流动通道相通。
4.根据权利要求1所述的板，其特征在于，所述的一对高孔隙率区经由在第一蜂窝状结构芯子之间形成的通道和通过中间蒙皮形成的多个孔眼而与声波流动通道相通。
5.根据权利要求1到4任一项所述的板，其特征在于，覆盖声波流动通道的中间蒙皮的区域为连续的。
6.根据权利要求1到4任一项所述的板，其特征在于，声波流动通道是由第二蜂窝状结构芯子的壁侧向形成的狭长区域构成。
7.根据权利要求1到4任一项所述的板，其特征在于，声波流动通道是由第二蜂窝状结构芯子的一排毗邻腔室构成，所述腔室通过多孔壁而彼此相通。
8.根据权利要求1到4任一项所述的板，其特征在于，多孔蒙皮带有多对彼此横向隔开的高孔隙率区。
9.根据权利要求8所述的板，其特征在于，进气区和排气区沿相对于板大体横向方向对准。
10.一种涡轮喷气发动机短舱(12)，在其内表面上包括至少一个根据权利要求1到9任一项所述的声处理板(100)。
11.根据权利要求10所述的短舱，其特征在于，声处理板的多孔蒙皮(104)与由短舱内表面在外部形成的冷气流通道(28)相接触。
12.一种涡轮喷气发动机(10)，在其外表面上包括至少一个根据权利要求1到9任一项所述的声处理板(100)。
13.根据权利要求12所述的涡轮喷气发动机，其特征在于，声处理板的多孔蒙皮(104)与由涡轮喷气发动机外表面在内部形成的冷气流通道(28)相接触。
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