CN104364840B - 具有主动声开口的结构 - Google Patents
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Abstract
一种声结构体,包括具有声开口的隔板,所述声开口限定出响应于通过所述声开口的含噪声媒质的速度变化而变化的开口面积。所述隔板包括固定部分和一个或者更多可动挡板部分,其中,所述固定部分和/或所述挡板部分包括限定出贯通隔板的声开口的表面。所述声开口具有开口面积,所述开口面积由于所述可动挡板部分响应于通过所述声开口的所述含噪声媒质的速度的变化而运动因而变化。所得隔板具有相当低的非线性因素(NLF)。
Description
技术领域
本发明大体涉及用于衰减噪声的声结构。更具体的,本发明旨在提供在声结构中使用的声隔板材料,以提供用于衰减噪声的相对低的非线性因素(NLF)。
背景技术
广为认可的是,处理由特定声源所产生的过量噪声的最好方式是处理声源处的噪声。这通常通过向噪声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。
蜂窝体已经成为用于在飞机和宇航飞行器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体结构,使得蜂窝体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体单元格,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体单元格的内部,以便为谐振腔提供附加噪声衰减性质。
用于形成声隔板和其他的声结构的材料通常包括作为材料的声性质的主要部分的许多孔。所述孔通常通过用机械或者激光方式被钻出来。一旦形成,孔的截面面积保持恒定。不能响应噪声压力和气体速度的变化而主动改变隔板孔的大小和/或形状,会出现关于噪声声源(例如喷气发动机)的一定问题,在这些声源中从发动机喷出的空气或者气体的速度随着发动机的速度和位置变化。
非线性因素(NLF)是对隔板在一定流速范围之上的噪声衰减能力的标准度量。NLF通常通过测量低流速(例如20cm/s)和高流速(例如200cm/s) 时的隔板流动阻力来确定。低流速阻力与高流速阻力的比率即为NLF。理想的,NLF尽可能接近1。NLF为1意味着随着通过隔板的空气或者气体的流动速度增加,隔板材料的流动阻力和声音阻尼能力保持恒定。
常见的隔板材料为由某些聚合物(例如聚醚醚酮(PEEK))的单丝织物制成的。这些类型的织物隔板趋向于具有较低的NLF,其通常低于2。然而,这样的单丝织物PEEK隔板相当昂贵。
便宜些的钻孔隔板材料趋向于具有量级在大约4以上的NLF。理想的是,提供较为便宜的隔板,其由与钻孔隔板相同的隔板材料制成,但是其中开口形成并定向成使得隔板的NLF可与单丝织物隔板材料相比。
发明内容
根据本发明,发现了如果在隔板中形成的孔具有能够响应于通过隔板的空气或者其他的含噪声媒质的压力和/或速度变化的截面面积,具有相对低的NLF的隔板层或者膜是可能的。这样的主动截面面积变化通过提供可动的凸片或挡板作为隔板开口的部件来实现。发现了,凸片或者挡板响应于流动通过开口的媒质的速度变化而自动地弯曲。挡板的运动改变孔的截面面积,使得截面面积随着媒质速度的增加而增加。发现了,这样的根据媒质流动速度而变化的截面面积,提供了这样一种的隔板材料,其NLF显著低于那些包括固定开口的标准隔板材料所能获得的NLF。
根据本发明,所提供的声结构体包括具有声开口的隔板,所述开口限定出响应于通过声开口的含噪声媒质的速度变化而变化的开口面积。隔板包括固定部分和一个或更多的可动挡板部分,其中,所述固定部分和/或挡板部分包括限定出通过隔板的声开口的表面。声开口具有由于可动挡板响应于通过声开口的含噪声媒质的速度变化而运动因而发生变化的开口面积。
作为本发明的一特征,可动挡板部分通过隔板中的限定出隔板的固定部分和挡板部分之间的过渡部分的折叠线被铰接到隔板的固定部分。根据声抑制需要和其他设计考虑,开口可包括多个挡板部分或者开口可包括单个挡板部分。
本发明特别适于提供相对低成本的声阻尼隔板材料,其中需要低的NLF。这样的低NLF材料用于阻尼来自于喷气发动机或其他噪声声源的噪声,其中,在工作期间,从声源内部的特定部位发出的含噪声媒质的速度变 化,并且/或者其中在声源的不同部位处,媒质的速度变化。
本发明的上述和许多其他特征以及附随的优点将通过参考下面结合附图的详细说明而更好地理解。
附图说明
图1显示出根据本发明的示例性的蜂窝状声结构体,其包括具有可变的声开口的隔板材料。
图2为显示出根据本发明的包括两个挡板部分的单隔板开口的详细视图。所述开口示出为处于静态的或者低流量位置中,其中,开口的表面面积最小。
图3为与图2中所示相同的隔板开口的详细视图,除了挡板部分示出为处于开口或者高流量位置中,其中,与图2中处于静态位置的开口相比,图3中的开口的表面面积更大。
图4为图2的侧视图,其显示了当挡板处于静态的或者低流量位置中时,挡板部分相对于隔板主体的平面的位置。
图5为图3的侧视图,其显示了当挡板处于开口或者高流量位置中时,挡板部分相对于隔板主体的平面的位置。
图6为包括五个挡板部分和形成正五边形的折叠线的示例性隔板开口的顶视图。
图7为与图6中所示相同的示例性隔板的顶视图,其中挡板部分示出为处于更大开口位置,其中开口的表面面积响应于含噪声媒质的流动速度的增加而增加。
图8为包括一个挡板部分的示例性隔板开口的顶视图。
图9为包括八个挡板部分和形成正八边形的折叠线的示例性隔板开口的顶视图。所述八个挡板部分示出为处于静态的或者封闭的位置中,其中隔板开口的表面面积最小。
图10为包括七个挡板部分和形成正七边形的折叠线的示例性隔板开口的顶视图。所述七个挡板部分示出为处于静态的或者封闭的位置与完全开口的位置之间的位置中。
图11为包括三个挡板部分和形成正三角形的折叠线的示例性隔板开口的顶视图。所述三个挡板部分示出为处于静态的或者封闭的位置与完全开口 的位置之间的位置中。
图12为显示示例性蜂窝状声结构体的分解视图,该蜂窝状声结构体包括根据本发明的隔板材料,其中,声蜂窝体夹在实心底片和多孔表皮之间。
图13为显示围绕噪声声源(例如喷气发动机)的发动机短舱的一部分的位置的简化视图。
图14为提供具有固定开口的隔板和根据本发明的具有主动可变的开口的隔板之间的非线性因素(NLF)比较的曲线图。
具体实施方式
在图1、12和13中,根据本发明的示例性声结构体总体用标号10表示。声结构体10包括蜂窝体12,具有第一边缘14和第二边缘16,第一边缘14最靠近噪声声源定位。蜂窝体10包括在两个边缘14和16之间延伸以限定出多个单元格20的壁18。单元格20中的每一个具有与两个边缘14和16之间的距离相等的深度(也被称为芯厚度)。每一个单元格也具有垂直于单元格壁18测量得到的截面面积。蜂窝体可由任何在蜂窝体板制造中使用的常规材料制成,包括金属、陶瓷和复合材料。
根据本发明,具有可变开口的隔板22定位于单元格20内部。优选的,但是不是必须的,隔板22定位在大多数(如果不是全部)的单元格20中。在某些情况下,理想的是,仅在一些单元格中插入隔板,以产生所需的声学效果。作为替换方式,理想的是,在单个单元格中插入两个或者更多隔板。
在一优选实施例中,可变的开口定位在蜂窝状结构体12内部的隔板22中。然而,可在各种其他类型的需要衰减噪声的声结构中定位可变开口。例如,本发明可用于在2012年5月8日提交的美国专利申请No.13/466232所描述的那种低频率衬的单元格之间形成可变的通道或者开口。本发明也可使用在声结构的“排水”部分中,其中在正常的操作期间,挡板保持封闭或者一部分封闭,以维持所需的声阻尼;而当存在水污染物时打开,以提供从声结构体移除水污染物的迅速、高效的方式。可变的开口隔板也可与具有穿孔的片联合使用。
任何标准声材料都可用于形成根据本发明的隔板。这些声学材料通常被提供为被钻孔或穿孔的较薄的片材料,以形成所述隔板材料。声材料片可为金属、陶瓷或塑料的。优选的,隔板材料足够柔韧,以便挡板部分(如下所 述)会响应于含噪声媒质的流动速度的变化而弯曲并且能够沿着折叠或者弯曲线重复弯曲,而不会疲劳。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)制成隔板材料,仅仅只是几个例子。纤维加强材料可添加到隔板材料中,以改善所述材料抵抗挡板部分的重复弯曲或者运动的能力。
在用于制成隔板的典型程序中,隔板材料片通过机械或者激光方式钻出孔来,以提供通过材料的多个孔。这些孔具有固定直径或者形状,一旦孔形成,就不能再变化。然而,根据本发明,孔或者开口形成在隔板材料中,其中,开口的大小(表面面积)能够响应于通过隔板的含噪声媒质的速度变化而自动地变化。术语“含噪声媒质”意指包括含噪声的空气和其他的气体或者液体。本发明的隔板开口尤其适合用于衰减从喷气发动机发出的可变速空气和气体中的噪声。因此,使用了如下所述开口的隔板尤其适用于喷气发动机的短舱。
图2-5中示出了示例性隔板22的一小部分,包括用于说明目的的单个开口。隔板22包括固定部分24、可动挡板部分26和28。挡板部分26包括边缘30、32和34。挡板部分28包括边缘36、38和40。挡板部分26和28的边缘限定出贯通隔板22的声开口42。在图2和4中,挡板部分26和28示出为处于静态的或者封闭的位置中,其中开口42的截面面积最小。在这样的位置中,挡板部分26和28基本上隔板22的固定部分24共面,如图4所示。当相对低速度的含噪声媒质如箭头44所示通过隔板时,挡板部分26和28保持处于封闭或者静态的位置。然而,当含噪声媒质的速度增加时,如图5中箭头46所示,挡板部分26和28响应于媒质的速度的增加而自动地移动,由此开口42的大小或者表面面积增加。
可在隔板22的挡板部分26和28与固定部分24之间布置任何数目的铰接或者连接布置,以便提供图2-5中所示的挡板部分的运动。优选的,隔板22的挡板部分26和28分别地通过折叠线48和50铰接到固定部分24。折叠线48和50提供隔板22的固定部分24与挡板部分26和28之间的过渡。折叠线48和50也确定了当挡板部分26和28向下移动到几乎垂直于隔板22的固定部分24的平面的位置时、开口42的最大可能表面面积。
仅为说明目的,图2-5中示出为包括两个挡板部分的隔板中的声开口。 根据本发明的表面面积可变的开口可包括并由任何数目的挡板部分限定。例如,在图6和7中,五个挡板部分56沿着折叠线58弯曲,以在隔板54中形成表面面积可变的声开口52。如图6中所示,挡板部分56处于含噪声媒质的速度较低、开口52的表面面积或者大小相应地较低的低速度位置。在图7中,挡板部分56示出为处于高速度位置,其中含噪声媒质的速度已经增加到较高的流动速度并且开口52的尺寸已经响应于含噪声媒质的流动速度的增加而主动且自动地增加。
图8中示出包括主动可变的声开口60的另一示例性隔板59。开口60包括围绕铰接件或折叠线64可动的一个挡板部分62。开口60由隔板的固定部分67中的表面66以及挡板部分62的边缘68和70形成。最小可能开口尺寸在挡板部分62与隔板固定部分67共面时获得。最小可能开口尺寸在挡板部分62大致垂直于隔板固定部分67时获得。最大开口尺寸由表面66和折叠或铰接线64限定。挡板部分62响应于通过开口60的含噪声媒质的速度变化而在最大开口尺寸位置和最小开口尺寸位置之间移动。
图9示出包括主动可变的声开口74的另一示例性隔板72。开口74包括围绕铰接件或折叠线78可动的八个挡板部分76。挡板部分76示出为处于封闭或静止位置,其中最小可能开口尺寸由于挡板部分76与隔板72的固定部分共面而获得。最大可能开口尺寸在挡板部分76弯曲使其大致垂直于隔板72的固定部分时获得。最大开口尺寸由形成正八角形开口的折叠或铰接线78限定。挡板部分76响应于通过开口74的含噪声媒质的速度变化而在最大开口尺寸位置和最小开口尺寸位置之间移动。
应注意的是,挡板部分彼此独立地弯曲。在大多数情况下,挡板部分76会响应于通过开口74的含噪声媒质的速度变化而均匀弯曲。在这些情况下,挡板部分76会对应于含噪声媒质的特定速度而相对于隔板的固定部分弯曲大致相同的角度。然而,挡板部分76也可由于挡板部分的抗弯曲性而有意或无意的变化,因而以非均匀方式弯曲。在这些情况下,挡板部分76可对应于含噪声媒质的任何给定速度而相对于隔板72的固定部分弯曲不同的角度。例如,在任何给定的声开口中的挡板部分可形成为不同的尺寸和/或形状,使得它们在含噪声媒质的速度相同的情况下弯曲不同角度。
图10中示出包括主动可变的声开口82的另一示例性隔板80。开口82包括围绕铰接件或折叠线86可动的七个挡板部分84。挡板部分84示出为处 于从封闭或静止位置部分弯曲的一位置中,在封闭或静止位置中,最小可能开口尺寸由于挡板部分84与隔板80的固定部分共面而获得。最大可能开口尺寸在挡板部分84弯曲使得它们大致垂直于隔板80的固定部分时获得。最大开口尺寸由形成正七边形开口的折叠或铰接线86限定。挡板部分84响应于通过开口82的含噪声媒质的速度变化而在最大开口尺寸位置和最小开口尺寸位置之间移动。
图11中示出包括主动可变的声开口92的另一示例性隔板90。开口92包括围绕铰接件或折叠线96可动的三个挡板部分94。挡板部分94示出为处于从封闭或静止位置部分弯曲的一位置中,在封闭或静止位置中,最小可能开口尺寸由于挡板部分94与隔板90的固定部分共面而获得。最大可能开口尺寸在挡板部分94弯曲以使它们大致垂直于隔板90的固定部分时获得。最大开口尺寸由形成正三角形开口的折叠或铰接线96限定。挡板部分94响应于通过开口82的含噪声媒质的速度变化而在最大开口尺寸位置和最小开口尺寸位置之间移动。
多种不同的隔板材料可用于形成根据本发明的具有主动可变的开口的隔板。聚醚醚酮(PEEK)为优选的隔板材料,其已经广泛应用于制造喷气发动机短舱和其他设计为在高温以及多种多样的环境条件下工作的声结构。PEEK为可经过处理以形成处于非晶或结晶相的片的晶体热塑性塑料。膜通常具有从0.001-0.012英寸的厚度。与晶体PEEK膜相比,非晶PEEK膜更透明,更易于热定型。晶体PEEK膜通过加热非晶PEEK膜至高于非晶PEEK的玻璃转化温度(Tg)的温度足够的时间,以获得30%-35%量级的结晶度而形成。晶体PEEK膜具有比非晶膜更好的化学阻抗性和耐磨性。晶体PEEK膜也具有比非晶膜更小的柔韧性和更好的回弹。回弹是指折叠膜向回到其初始预折叠(平)形状所施加的力或偏向一侧的力。
晶体和非晶PEEK膜两者均可用作隔板材料,只要在设计挡板部分时考虑两种材料之间的柔韧性和回弹的差异即可。通常,需要更厚的非晶PEEK膜,用于提供弯曲阻抗等同于更薄的晶体膜所提供的弯曲阻抗的挡板部分。例如,如果0.002英寸厚的晶体PEEK膜被确定具有所需的柔韧性,以提供对于具体的声开口构造所需的挡板部分运动,那么,技术人员需要考虑使用0.003英寸或更大的厚度的非晶膜,以便获得相同的柔韧程度或弯曲阻抗。
为了提供有限的折叠线,隔板材料可通过模压或其他方式形成,以提供 沿图4和5中所示的48和50指示的折叠线的凹口。模压线或凹口有助于保证挡板部分沿有限的折叠线弯曲,以便最大开口尺寸被准确控制。用于主动可变声开口的最小表面面积或孔尺寸将会根据所需的声性质变化。通过弯曲挡板部分提供的表面面积或孔尺寸的增加也将会根据所需的声性质变化。由折叠线限定的用于主动可变声开口的最大表面面积或孔尺寸也将会根据所需的声性质变化。在隔板材料中形成的开口的数目将会根据最小和最大孔尺寸以及所需的声性质而变化。优选的,孔数目和孔尺寸被选择,以提供单独的声应用所需的瑞利值和非线性因素(NLF)。
开口和挡板部分可通过微加工和任何其他的针对给定开口提供所需挡板部分的工艺形成在隔板材料中。优选的,开口表面和挡板部分使用激光形成,激光能够准确切割通过隔板材料,以形成具有多种挡板构造的多个开口。
包括根据本发明的主动可变声开口的隔板材料优选地用于制造插入蜂窝体12的单元格内部的隔板22,以提供如图12所示通常夹在实心片81和多孔片83之间的声结构体10,以提供最终的声结构体,例如用于喷气发动机的短舱。图13中示出短舱的一部分的简化视图,其中,喷气发动机由91指示,而可变速度的含噪声媒质由箭头93指示。
根据本发明的隔板材料可通过切割或其他方式形成在单独的隔板或隔板盖中,所述隔板或隔板盖可通过用于在蜂窝体单元格内部插入和接合隔板材料的任何传统技术插入和接合于适当的蜂窝状结构体内部。例如,参见公开的美国专利申请US2012-0037449A1和这里所引用的专利,提供用于使用声隔板材料形成插入和接合到蜂窝体内部的隔板盖以提供声结构体的示例性技术。本发明的隔板材料不限制于插入到蜂窝体的单元格或其他声结构体中的单独的隔板或隔板盖的形成。例如,隔板材料片可夹在对齐的两个蜂窝状结构之间,使得由于两个蜂窝状结构的对齐而在蜂窝体单元格中形成隔板。
作为本发明的特征,发现了,使用挡板部分提供响应于含噪声媒质流动速度或速率增加而自动增加的声开口尺寸,与具有相同开口面积(POA)的固定开口的隔板材料相比,会极大地减小NLF。POA为隔板中的开口或孔的表面面积与隔板的总面积之间的比值。隔板的以厘米、克和秒为单位测量得到的声流动阻抗或瑞利值(cgs Rayl)取决于隔板片的POA和厚度。例如,具有较高的开口数目和较高的POA的隔板,与具有相同厚度和开口尺寸但 是具有相比之下更少的孔、产生相比之下更低的POA的隔板相比,通常将会具有相当低的声流动阻抗。
图14是比较在含噪声媒质的流动速率或速度不同的情况下示例性的固定开口隔板和示例性的可变开口隔板的期望声流动阻抗的曲线图。固定和可变隔板由相同的材料制成,然而,可变开口隔板的初始POA小于固定开口隔板的POA。根据本发明的可变开口隔板POA响应于流动速率或速度的增加而自动增加。在低的含噪声媒质流动速率(20cm/s)下,具有较高的POA的固定开口隔板具有相对低的流动阻抗,大约20cgs/Rayl。随着流动速率增加到高水平(200cm/s),固定开口隔板的流动阻抗增加到高于120cgs/Rayl。由此得到的NLF(200/20)相当高,大约6。相比之下,具有较低的POA的可变隔板开口具有开始较高的低流动阻抗,大约60cgs/Rayl。然而,当含噪声媒质的流动速率高时,流动阻抗仅增加到大约90cgs/瑞利。因此,NLF(200/20)仅为1.5,这相当接近NLF等于1.0的最优目标。本发明的主动可变隔板开口提供了一种固定隔板开口的简单有效的替代物,产生具有显著减小的NLF的声隔板。
如上所述描述了本发明的示例性实施例之后,本领域技术人员应注意,上述公开仅是示例,在本发明的范围内可做出其他替换、改变和变型。因此,本发明不受上文描述的实施例的限制,而是仅受到所附权利要求的限制。
Claims (19)
1.一种声结构体,包括具有声开口的隔板,所述声开口响应于通过所述声开口的含噪声媒质的速度变化而大小变化,所述声结构体包括:
隔板,包括固定部分和围绕所述声开口的一个或者更多可动挡板部分,其中,所述一个或者更多可动挡板部分铰接到所述固定部分,使得所述一个或者更多可动挡板部分响应于通过所述声开口的所述含噪声媒质的速度变化而运动从而使所述声开口的大小变化。
2.根据权利要求1的声结构体,其中通过所述隔板中的形成所述隔板的固定部分和所述挡板部分之间的过渡部分的折叠线,所述可动挡板部分被铰接到所述固定部分。
3.根据权利要求1的声结构体,其中,所述隔板包括多个所述声开口。
4.根据权利要求1的声结构体,其中,多个可动挡板部分围绕所述声开口。
5.根据权利要求2的声结构体,其中,多个可动挡板部分围绕所述声开口。
6.根据权利要求5的声结构体,其中,所述声开口由至少三个挡板部分围绕并且其中所述折叠线形成有正多边形。
7.根据权利要求1的声结构体,其中,所述结构体包括具有其中定位有所述隔板的单元格的蜂窝体。
8.一种喷射发动机短舱,包括根据权利要求7的声结构体。
9.一种用于制造声结构体的方法,所述声结构体包括具有声开口的隔板,所述声开口响应于通过所述声开口的含噪声媒质的速度变化而大小变化,所述方法包括如下步骤:
提供隔板;
形成贯通所述隔板的声开口,所述隔板包含固定部分和围绕所述声开口的一个或者更多可动挡板部分,并且其中,所述一个或者更多可动挡板部分铰接到所述固定部分,使得所述一个或者更多可动挡板部分响应于通过所述声开口的所述含噪声媒质的速度变化而运动从而使所述声开口的大小变化。
10.根据权利要求9的用于制造声结构体的方法,其中,通过所述隔板中的形成所述隔板的固定部分和所述挡板部分之间的过渡部分的折叠线,所述可动挡板部分被铰接到所述固定部分。
11.根据权利要求9的用于制造声学结构的方法,其中,多个所述声学开口形成在所述隔板中。
12.根据权利要求9的用于制造声结构体的方法,其中,多个所述可动挡板部分围绕所述声开口。
13.根据权利要求10的用于制造声结构体的方法,其中,多个所述可动挡板部分围绕所述声开口。
14.根据权利要求13的用于制造声结构体的方法,其中,所述声开口由至少三个挡板部分围绕并且其中所述折叠线形成正多边形。
15.根据权利要求9所述的用于制造声结构体的方法,其中,包括附加的步骤:将所述隔板固定在蜂窝体的单元格中,以形成声蜂窝状结构体。
16.用于制造喷射发动机短舱的方法,包括步骤:使用权利要求15的声蜂窝状结构体形成所述喷射发动机短舱的至少一部分。
17.一种衰减来自声源的噪声的方法,其中,从所述声源发出的含噪声媒质的速度为可变的,所述方法包括靠近所述噪声声源定位声结构体的步骤,所述声结构体包括具有声开口的隔板,所述声开口响应于通过所述声开口的含所述噪声媒质的速度变化而大小变化,所述声结构体包括:
隔板,包括固定部分和围绕所述声开口的一个或者更多可动挡板部分,其中,所述一个或者更多可动挡板部分铰接到所述固定部分,使得所述一个或者更多可动挡板响应于通过所述声开口的所述含噪声媒质的速度变化而运动从而使所述声开口的大小变化。
18.根据权利要求17的衰减来自声源的噪声的方法,其中,所述声结构体包括具有单元格的蜂窝体,单元格中定位有所述隔板以提供声蜂窝体。
19.根据权利要求18的衰减来自声源的噪声的方法,其中,所述声蜂窝体形成用于喷射发动机的短舱的至少一部分。
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