CN103915090A - 一种宽带降噪多孔材料声衬和设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种宽带降噪多孔材料声衬。该声衬包括声衬面板、蜂窝结构、多孔材料衬芯、声衬底板。蜂窝结构位于声衬面板及声衬底板之间，蜂窝内布置一定厚度的多孔材料衬芯。本发明实施例将多孔材料衬芯填充于蜂窝结构中，既可满足结构力学性能，又可使声衬具有优良的宽频带和在较大高声压级范围内稳定的消声降噪性能；利用经过疏油处理的透声层，可避免内部多孔材料被油污及堵塞的问题；同时，采用多孔材料的孔隙率较高，可具备轻质特性。本发明的声衬可用于包括航空发动机在内的各类有强度要求和处于恶劣环境条件下的设备的消声降噪。

Description

一种宽带降噪多孔材料声衬和设备

技术领域

本发明涉及降噪领域，特别涉及航空发动机消声声衬结构。

背景技术

航空发动机是飞机的主要噪声源之一。为了降低航空发动机对外的辐射噪声，常在发动机的进气管道和排气管道敷设消声声衬，如图1。传统的消声声衬为穿孔板蜂窝式结构，即蜂窝状小室紧固在穿孔面板及刚性背板之间，构成多个并联的亥姆霍兹共振器形式。这类结构的特点是中低频消声性能较好，但高频相对较差。由于航空发动机内的噪声谱既包括窄带谱（叶片通过频率及其倍频）也包括宽带谱（湍流引起的流动噪声），中高频噪声分量也相当显著。传统的穿孔板蜂窝式声衬的消声频段主要集中在较低频范围，且其消声频带较窄，对频率具有很强的选择性，即使外界主要噪声频率偏离共振频率不是很大，消声效果也会显著下降。

多孔材料经过一定的优化设计，可实现良好的吸声特性，即宽频带、高吸声；同时高孔隙率多孔材料可以满足航空上的轻质需求，一些类型的多孔材料可具有高的比强度和比刚度，可以承受一定载荷，此外金属或陶瓷基多孔材料可以耐高温，可应用于航空发动机一些特殊区域的降噪。由于多孔材料的力学性质相对较差，且容易吸附油污或灰尘颗粒等而影响吸声性能，一些发明仅采用薄层多孔材料作为声衬面板和蜂窝板间的夹层材料（EP2026325A22008.8.18）或作为蜂窝内腔的隔片，以改变共振结构（US8066098B22011.11.29），可以拓宽一定的消声频带，但由于材料层较薄，对高频声的吸收受到较大限制。一些声衬结构虽然也采用块状多孔材料作为衬芯材料（US2011/0133025A12011.6.9，US43135241982.2.2，US42353031980.11.25），但其只是简单地置于声衬面板与底板之间，支撑结构的力学性能不足。其他一些相关的专利如下：CN1011492962008.3.26；WO94/269941994.11.24；US8245815B22012.8.21；US6248423B12001.6.19；US39483461976.4.6；US6840349B22005.1.11；US41110811978.9.5；US6609592B22003.8.26；US47595131988.7.26；US34814271969.12.2。

发明内容

本发明的目的在于提供新型的宽带降噪声衬。

为此，在第一方面，本发明提供一种宽带降噪多孔材料声衬，包括声衬面板、蜂窝结构、多孔材料衬芯和声衬底板，其中蜂窝结构位于声衬面板及声衬底板之间，并且与声衬面板及声衬底板连接，蜂窝内布置一定厚度的多孔材料衬芯。

在第二方面，提供一种设备，其上安装有如第一方面所述的宽带降噪多孔材料声衬。所述设备可以是航空发动机，所述宽带降噪多孔材料声衬安装在发动机的进气和/或排气管道上。

本发明实施例将多孔材料衬芯填充于蜂窝结构中，既可满足结构力学性能，又可使声衬具有优良的宽频带和较大声压级范围内稳定的消声性能；同时，采用多孔材料的孔隙率较高，可具备轻质特性；另外，在一个例子中，利用经过疏油处理的透声层，可避免内部多孔材料被油污堵塞，使得整个结构可以实现稳定的宽带消声降噪性能。

附图说明

图1为航空发动机外涵道中使用消声声衬降噪示意图；

图2为无背腔多孔材料声衬结构示意图；

图3为有背腔多孔材料声衬结构示意图。

图面说明：

1声衬；2声衬面板；3疏油透声层；4蜂窝结构；5多孔材料衬芯；6声衬底板；7背腔蜂窝；8夹层穿孔板

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步地描述。

本发明提供一种可用于航空发动机消声的多孔材料声衬，采用多孔材料作为航空发动机声衬的内部衬芯材料，目的是利用多孔材料优良的宽频带吸声性能及耐高温、超轻等多功能优点，同时结合穿孔声衬面板，构成优良的宽带消声结构。为了实现上述声衬结构，本发明提出了可应用于航空发动机消声声衬内部的多孔材料类型，并给出了多孔材料声衬的几种典型结构安装形式。

图2为根据本发明实施例的无背腔多孔材料声衬结构示意图。如图2所示，多孔材料声衬结构包括声衬面板2、蜂窝结构4、多孔材料衬芯5和声衬底板6。声衬面板2为穿孔率一定的穿孔板，面板后为蜂窝结构4，蜂窝结构4与声衬面板2及声衬底板6连接，起加强结构功用，蜂窝内布置一定厚度的多孔材料衬芯5，多孔材料衬芯贴近声衬面板，其后与声衬底板间可留一定深度空腔，以增强低频消声性能。

声衬面板可以是一定厚度和穿孔率的穿孔板。孔型可为圆孔、方孔、菱形孔，但不局限于这几种孔型。也可采用编织丝网或非织造丝网或多孔透声膜。

多孔材料衬芯5可以采用开孔型多孔金属或多孔陶瓷或多孔复合材料；其中，多孔金属可以是采用烧结法或非烧结形成的金属纤维或金属粉末或开孔泡沫金属组成的多孔材料；金属或复合基材料为耐高温且性能稳定的材料；多孔陶瓷可以是泡沫陶瓷。在满足声学性能和力学性能的要求下，选取的多孔材料孔隙率尽可能高，以减轻重量。多孔材料衬芯5可以完全或部分填充于整个蜂窝结构4，或填充在某一片区域的蜂窝单元中。

蜂窝结构不限于通常的蜂窝结构，比如蜂窝壁结构根据强度和消声的要求可为通常的六边形，也可为其它形式的多边形。蜂窝壁的隔板可以不限于直板，可以采用任何可以加强或者优化结构强度或减振性能的形状或结构。蜂窝结构还可以采用其它的栅格结构，比如加强结构力学性能的其它类型支撑框条或桁架或隔板替代。

在一个例子中，多孔材料衬芯填充于蜂窝结构中时，可紧贴声衬底板壁面，也可与声衬底板壁面间留一定空腔。在另一个例子中，多孔材料衬芯可紧贴声衬面板，也可与面板间留有一定缝隙。多孔材料衬芯也可以同时与声衬面板和底板之间留有一定空腔。

由于多孔材料声衬结构采用在蜂窝结构内填充多孔材料衬芯的形式，因此既利用了蜂窝结构的优良结构力学性能，又利用了多孔材料优良的宽频带吸声性能，克服了一般多孔材料机械性能不好的缺陷。选取的多孔材料可以具有轻质、稳定等特性，以满足航空发动机设计和制造方面的要求。

在一个例子中，在声衬面板与蜂窝结构间采用一经过疏油处理的透声层3。疏油透声层3是经过疏油处理的材料，根据情况可再经过物理化学处理具有疏水功能或者防尘/自清洁功能。疏油透声层3可以采用编织或非机织丝网结构或者多孔膜结构。疏油透声层3可粘结于声衬面板的上表面或下表面，也可粘结于双层或多层声衬面板之间。疏油透声层3防止油污或杂质颗粒进入蜂窝内部，影响多孔材料吸声性能，克服了传统多孔材料易吸收油污被堵塞等缺陷。

图3为根据本发明另一实施例的有背腔多孔材料声衬结构示意图。与图2不同的是，图3中的多孔材料声衬在蜂窝结构4之外还采用了背腔蜂窝7，该背腔蜂窝7和蜂窝结构4之间可采用夹层穿孔板8。当然，本领域的技术人员意识到，这样的蜂窝结构可以扩展为多层结构。

多孔材料衬芯可以设置在多层蜂窝结构中的某些层，或某些层的某一片区域的蜂窝单元中。每层之间可按面板材料或透声隔栅固定。

在实际应用时，多孔材料声衬的消声性能一方面取决于声衬自身的结构参数，包括多孔材料声衬内部材料类型、多孔材料声学特征参数、多孔材料厚度、背腔深度，以及声衬面板的孔径、穿孔率、板厚等参数；另一方面也与声衬所敷设的位置、航空发动机内部噪声源的特性、流动条件等相关，因此，在设计和制备多孔材料声衬时，需根据理论和实验确定噪声源的特性，针对需要降噪的频带，考虑实际流动条件等，对多孔材料声衬进行优化设计，确定各设计参数。

本发明实施例主要是在穿孔板蜂窝结构中填充多孔材料，利用多孔材料优良的中高频吸声性能，结合对声衬面板和背腔深度等参数的设计，实现对发动机内宽频带噪声的降噪。具体设计和制造方法可按如下流程。

首先，依据声衬在发动机中应用的具体安装位置处的温度和流速等条件决定选用多孔材料的类型。例如，在风扇前部进气道位置，此处温度相对较低，可采用多孔复合材料或多孔金属，如金属纤维；如在发动机内涵道尾管出口附近，此处温度相对较高，可采用耐高温的多孔金属纤维或多孔陶瓷。声衬的面板和底板可采用满足结构强度和刚度要求的一定厚度的轻质金属板材。

依据声衬所在位置的声源特性（包括频率范围和声压级大小），通过理论计算优化选择多孔材料参数，包括静流阻率、孔隙率、材料厚度等，同时为了充分利用多孔材料优良的中高频吸声性能，需通过理论计算或实验结果以选择相匹配的声衬面板和蜂窝的尺寸和背腔参数等，使声衬结构在相应流速和声压级条件下具有稳定和优良的消声性能。

制备声衬时，当需要在多孔材料后留有一定厚度背腔时，首先将一层背腔蜂窝7与底板6相粘结，再将一层经过设计的夹层穿孔板8覆盖在蜂窝上，在此穿孔板上粘结第二层蜂窝4。之后，再将设计制备好的多孔材料衬芯5填入第二层蜂窝4内，填入后，蜂窝表面处需对材料进行平整处理，之后，贴覆疏油透声层3，最后覆盖设计好的孔径、穿孔率和厚度一定的声衬面板2。

在一个例子中，当所设计的多孔材料紧贴背板时，则仅需采用一层蜂窝结构4，内部填充设计制备好的多孔材料5，在对材料进行平整处理后，贴覆疏油透声层3，最后覆盖声衬面板2。

本发明的声衬不仅可用于航空发动机的消声，还可以用于对各类有强度要求和处于恶劣环境条件下的设备（比如轮船）的消声。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种宽带降噪多孔材料声衬，包括声衬面板、蜂窝结构、多孔材料衬芯、声衬底板，蜂窝结构位于声衬面板及声衬底板之间，并且与声衬面板及声衬底板连接，蜂窝内布置一定厚度的多孔材料衬芯。

2.如权利要求1所述的宽带降噪多孔材料声衬，其特征在于，声衬面板为一定厚度和穿孔率的穿孔板。

3.如权利要求1所述的宽带降噪多孔材料声衬，其特征在于，还包括疏油透声层，疏油透声层为经过疏油处理的透声层，其结构包括编织或非织造丝网结构或多孔膜结构。

4.如权利要求1所述的宽带降噪多孔材料声衬，其特征在于，疏油透声层可粘结于声衬面板的上表面或下表面，也可粘结于双层或多层声衬面板之间。

5.如权利要求1所述的宽带降噪多孔材料声衬，其特征在于，疏油透声层也可经过物理化学处理具有疏水或者自清洁功能。

6.如权利要求1所述的宽带降噪多孔材料声衬，其特征在于，蜂窝结构是可采用加强结构力学性能的支撑隔板或框条或桁架或其它形式的隔栅结构。

7.如权利要求1所述的宽带降噪多孔材料声衬，其特征在于，蜂窝结构为单层或多层结构，多孔材料衬芯填充其中某些层，或某些层的某一片区域的蜂窝单元中；每层之间可用面板材料或透声隔栅固定。

8.如权利要求1所述的宽带降噪多孔材料声衬，其特征在于，多孔材料衬芯具有通孔结构的多孔金属、多孔陶瓷或其它复合多孔材料。

9.如权利要求8所述的宽带降噪多孔材料声衬，其特征在于，多孔金属为采用烧结法或非烧结形成的金属纤维或金属粉末或开孔泡沫金属组成的多孔材料。

10.如权利要求1所述的宽带降噪多孔材料声衬，其特征在于多孔材料衬芯可填充于全部蜂窝结构中，也可填充于部分蜂窝结构中；多孔材料衬芯填充于蜂窝结构中时，材料可部分填充或完全填充蜂窝结构单元。

11.一种设备，包括安装其上的如权利要求1-10之一的宽带降噪多孔材料声衬。

12.一种如权利要求11所述的设备，所述设备是航空发动机，所述宽带降噪多孔材料声衬安装在发动机的进气和/或排气管道上。