CN110312853B - 声学衬里和形成声学衬里的方法 - Google Patents

声学衬里和形成声学衬里的方法 Download PDF

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Abstract

一种声学衬里，可以包括：支撑层，该支撑层包括限定具有开口面的一组单元的一组分隔腔；以及可操作地联接到支撑层的第一面对板和第二面对板，第一面对板和第二面对板覆盖并且闭合开口面。可以在该组单元中的至少一些内提供一组气凝胶填充物。

Description

声学衬里和形成声学衬里的方法
背景技术
现代飞行器发动机可以包括在飞行器发动机机舱中的消声面板，以减少来自飞行器发动机的噪声排放。这些消声面板通常具有夹层结构，该夹层结构包括环绕蜂窝型内部结构的板。
发明内容
在一个方面，声学衬里包括：支撑层，该支撑层具有第一侧和间隔开的第二侧，并且其中支撑层包括一组分隔腔，该组分隔腔在第一侧和第二侧之间延伸，限定一组单元，并且该组分隔腔具有开口面；第一面对板，该第一面对板可操作地联接到支撑层，使得第一面对板覆盖并且闭合第一侧的开口面，其中一组穿孔包含在第一面对板中，并且与包含在该组分隔腔中的腔流体连通，以形成一组声学谐振器；和一组气凝胶填充物，该组气凝胶填充物在该组单元中的至少一些单元内。
在另一方面，飞行器发动机组件包括飞行器发动机，机舱和声学面板，机舱被构造成围绕飞行器发动机并且具有限定对环境空气开放的入口的入口部分，并且机舱至少部分地限定通过飞行器发动机组件的环形气流路径，声学面板可操作地联接到飞行器发动机或机舱中的至少一个。一个声学面板包括：具有第一侧和间隔开的第二侧的支撑层，并且支撑层包括一组分隔腔，该组分隔腔在第一侧和第二侧之间延伸，限定一组单元，并且该组分隔腔具有开口面；第一面对板，该第一面对板可操作地联接到支撑层，使得第一面对板覆盖并且闭合第一侧的开口面，其中一组穿孔包括在第一面对板中，并与包含在一组分隔腔中的腔流体连通，以形成一组声学谐振器；一组气凝胶填充物，该组气凝胶填充物在一组单元内的至少一些单元内；和第二面对板，第二面对板可操作地联接到支撑层，使得第二面对板覆盖并且闭合第二侧的开口面，其中第一面对板与环形气流路径相邻。
在又一个方面，一种形成声学衬里的一部分的方法包括：提供具有第一侧和间隔开的第二侧的支撑层，并且支撑层包括一组分隔腔，该组分隔腔在第一侧和第二侧之间延伸，限定一组单元，并且该组分隔腔具有开口面；用液体气凝胶至少部分地填充该组单元中的至少一些单元，以形成一组被填充单元；固化一组被填充单元中的液体气凝胶。
附图说明
在附图中：
图1是现有技术的声学面板的剖视图。
图2是图1的声学面板的立体图。
图3是飞行器发动机组件的示意图，其中为清楚起见，外机舱的一部分被切除。
图4是图3的飞行器发动机组件的一部分的侧视图，其具有根据本公开的各个方面的声学面板。
图5是图4的声学面板的立体图，其中为清楚起见，部分被移除。
图6是示出形成图4的声学面板的一部分的方法的流程图，其具有根据本发明所描述的各个方面的气凝胶填充物。
图7是用于形成图4的声学面板的设备的立体图。
图8是用于图4的声学面板的示例性填充物模式的示意图。
具体实施方式
现代飞行器发动机和机舱结构通常包括具有穿孔的声学面对表皮的消声面板。图1示出了根据现有技术的典型声学面板的侧视图。声学面板2包括设置在无孔背板6和穿孔板或面对板8之间的开口框架4。开口框架4形成支撑层，该支撑层具有一组带有开口面的分隔腔或单元9。开口框架4在开口框架4的相对的前侧和后侧具有开口面。以这种方式，开口框架4在开口框架4，背板6和面对板8之间的开口空间中形成一组单元9。
如图2中更清楚地示出，由设置在背板6和面对板8之间的开口框架4形成的单元9，每个单元具有由开口框架4的几何形状和背板6与面对板8之间的间隔限定的预定体积。开口框架4可包括蜂窝结构，其中这些单元具有由开口框架4形成的六个壁，由背板6形成的底壁和由面对板8形成的顶壁。背板6对于空气可以是不可渗透的。更具体地，背板6可以是由支撑层或开口框架4支撑在开口框架4的与面对板8相对的一侧的无孔板。以这种方式，无孔板在开口框架4背侧并且闭合背侧的开口面。
面对板8可以被穿孔，使得在面对板8中形成预定模式的穿孔10，穿孔10形成入口，以允许空气进入所选择的单元9。面对板8可以由开口框架4支撑，使得穿孔10与开口框架4的开口面处于叠置关系，以形成配对的穿孔10和限定声学谐振器单元9的腔。穿孔板可以直接支撑在开口框架4上。替代地，可以利用插入层。面对板8可由任何合适的材料形成，包括但不限于复合材料。穿孔10的面积可以相同，或者可以在穿孔板的不同区域中改变面积。形成背板6和面对板8以及开口框架4以使得背板6和面对板8以及开口框架4中不存在缝隙。
单元9可形成声学谐振器的一部分。例如，穿孔10的面积和面对板8的厚度可以限定亥姆霍兹谐振器(Helmholtz resonators)的颈部，并且单元9的体积可以限定腔体积。可以调谐谐振器以衰减与进入声学谐振器的发动机声音相关的预定频率；调谐可以通过声学设计领域中实践者熟知的多个过程来完成。蜂窝单元9可以是六边形几何形状的单层或由多孔层隔开的相同或不同几何形状的多层，通常被识别为隔膜。另外，可以设想除六边形之外的替代几何形状，包括由开口单元泡沫或类似材料形成的随机尺寸的单元。
通常如上所述的典型声学衬里仅可容纳由飞行器发动机产生的宽频带噪声的一部分。随着具有更大、更慢的转向风扇的更高旁通涡轮风扇发动机的出现，飞行器发动机组件的声学特征趋向于较低的声音频率。这种飞行器发动机组件产生宽频带噪声，包括多个频率峰值。这是在一个不断寻求改善飞行器和发动机性能(需要较低的重量，并且在发动机机舱的情况下，减小厚度以优化发动机安装并减小整体尺寸和导致的空气动力学阻力)的环境下进行的。本文描述的方面包括在声学表皮中使用穿孔以及附着于表皮的气凝胶层。如本文所用，“气凝胶”或“聚酰亚胺气凝胶”可包括任何合适的气凝胶材料，其被配置，被选择或使其能够承受应用的操作环境，例如在燃气涡轮发动机中。
应当理解，声学衬里或声学面板可以用于各种环境，包括建筑物构造(例如墙壁)或海上应用中，并且这种环境包含在本公开中。作为非限制性示例，图3示出了具有涡轮发动机12，风扇组件13和机舱14的飞行器发动机组件11的示例性环境。为了清楚起见，机舱14的一些部分已被切除。机舱14围绕涡轮发动机12，并且具有限定了向环境空气开放的入口19的入口区段17和通过飞行器发动机组件11的环形气流路径或环形旁路管道16，其限定箭头18示意性示出的大致从前到后的旁路气流路径。涡轮发动机12可具有包括环形风扇壳体23的风扇区段21和推力反向器(未示出)的后管道25。风扇区段21可以设置在机舱14内，其中风扇区段21与入口19流体连通。环形声学面板(也称为声学衬里)100可以设置在机舱14的至少一部分内。作为非限制性示例，已经在入口19，风扇区段21和后管道25处示出了声学衬里。声学衬里100被构造成衰减飞行器发动机组件11中的噪声并且限定贯通空气流。
图4示出了飞行器组件11的一部分，并且更清楚地示出了一组单元或分隔腔120可以包含在声学衬里100中。腔120的至少一部分可以填充有将在下面进一步详细描述的气凝胶填充物160。可以设想，飞行器组件11中的第二声学面板200可以没有如图所示的气凝胶填充物160。
图5示出了为了更清楚而切掉了各种部分的声学面板的立体图。如图所示，具有第一侧111和第二侧112的支撑层110，以及第一面对板130，第二面对板150和膜134可以包含在声学衬里100内。分隔腔120可以通过设置在第二面对板150和第一面对板130之间的开口框架121在支撑层110内形成，其中每个腔120可具有由开口框架121的几何形状和第一面对板130与第二面对板150之间的间隔限定的预定体积。开口框架121可包括蜂窝结构，其中单元具有六个侧壁，由第二面对板150形成的底壁，由第一面对板130形成的顶壁。第一面对板130可包括第一组穿孔132，该穿孔132可在第一面对板130中形成入口，允许空气进入所选择的腔120。此外，第一组穿孔132可以与开口框架121的开口面重叠，以形成配对的穿孔132和腔120。第二面对板150可以是由支撑层或开口框架121支撑在开口框架121的与第一面对板130相对的一侧的无孔板，并且闭合背侧的腔120的开口面。
膜134可以由疏油和疏水性的材料制成，包括但不限于塑料(例如PTFE)，并已被示出为定位在第一面对板130和支撑层110之间。疏油/疏水膜134可以防止诸如来自局部气流的油或水之类的液体吸收到声学衬里100中，这样的吸收可能改变频率衰减特性或加速衬里100的材料损坏。
一组气凝胶填充物160可以被包含在该组腔120中的至少一些内。将理解的是，任何数量的腔120可以包括包括单个腔120或所有的腔120的气凝胶填充物160。虽然使用术语“填充物”，但应理解，气凝胶填充物160可能不会完全填充相应的腔120。无论腔120是否完全填充或部分填充气凝胶填充物160，都可以认为是“填充物”，与没有气凝胶填充物相对。
此外，在包括气凝胶填充物160的情况下，可以填充腔120的至少一部分。作为非限制性说明，第一气凝胶填充物160被示出为具有对应于第一高度的第一厚度161，并且第二气凝胶填充物160被示出为具有对应于第二高度的第二厚度162。以这种方式，气凝胶填充物160的厚度可以在一组腔120之间变化。可以设想，填充模式可以用于气凝胶填充物160；在非限制性示例中，开口框架121可包含被填充单元和未被填充单元的交替行，或者一个空行，以第一厚度161填充的一行以及以第二厚度162填充的一行的重复模式，或者可以在声学衬里100中使用任何其他期望的填充模式。图5所示的示例性填充模式示出了在相邻腔120中具有交替的第一厚度161和第二厚度162的气凝胶填充物160。
图6的流程图中示出了形成部分的方法，该部分例如是声学衬里100的部分50。在步骤1000中，支撑层110可以被设置，其中支撑层110，第一侧111，第二侧112和腔120限定单元。在步骤2000中，腔120的至少一部分可以填充液体气凝胶以形成填充物160。在步骤3000中，液体气凝胶填充物可以在腔120内部被固化，并且在步骤4000中，第一面对板130和第二面对板150可以联接到支撑层110以闭合腔120的面。
在图7中，显示了用于产生气凝胶填充物160的设备。除了可以包括如图所示的表面188的支撑结构186之外，声学衬里100可以设置有支撑层110，第一侧111，第二侧112和分隔腔120。包括本体182和一组喷嘴184的注射器180可用于将液体气凝胶注射到腔120的至少一部分中；应该理解的是，支撑结构186和注射器180可以是适合于该目的的任何类型，并且在本公开中可以预期能够进行这种生产的任何结构和/或机械。另外，尽管示意性地示出为扁平的板，但是支撑层110可以包括其他几何形状或材料，例如在非限制性示例中的成形芯材(coremat)。可以设想，注射器180可具有预定的填充模式，使得喷嘴184可自动将测量的液体气凝胶的量注入期望的腔120中，从而在腔120内产生预定的气凝胶厚度161，并且进一步地，一个单元中的一个预定厚度可以与不同单元中的另一个预定厚度不同。一旦被注入，液体气凝胶填充物160可根据已知的气凝胶制造工艺在腔120内被固化。第一面对板130或第二面对板150可以联接到支撑层110以形成声学衬里100。
图8示出了用于声学衬里100的非限制性替代填充模式。注入了液体气凝胶的腔120可以形成一组被填充的单元400，其包含具有第一厚度161的气凝胶填充物160，而未注入液体气凝胶的腔120可以在如图所示的交替行中形成一组未被填充的单元300。预期用于衬里100的任何期望的填充模式，包括使用锥形填充模式，其中气凝胶填充物160的直径可小于被填充单元400的直径，或在非限制性示例中使用气凝胶涂覆支撑层110中的单元的至少一个侧壁。另外，可以设想，被填充单元400可具有任何期望模式的不同气凝胶厚度，包括完全被填充，未被完全填充，被部分填充，边缘被填充，其中气凝胶厚度可高达相应单元的高度的一半，或其任何组合。
在操作期间，腔120可以形成声学谐振器的一部分，例如亥姆霍兹谐振器，其中第一组穿孔132(图5)和第一面对板130形成较小的颈部，腔120的体积限定腔体积，以及第二组穿孔152和第二面对板150限定较大的颈部。在非限制性示例中，可以调谐谐振器以衰减与进入声学谐振器的发动机声音相关联的预定频率。这可能包括宽频带噪声，包括低于3000Hz的频率。气凝胶填充物160由于其大量的自由体积，刚性结构，大的表面积和低密度而可以进一步衰减噪声；作为非限制性实例，气凝胶的自由体积(也称为开口单元含量，孔隙率，或空隙比)可以为80％或者更高。由于气凝胶填充物160提供的改善的声音衰减，与其他已知的声学衬里相比，声学衬里100可以具有减小的总厚度170；可以设想，声学衬里100在发动机组件11中可以具有高达2.0英寸的总厚度170。然而，本公开并不局限于此，并且在静止或海上应用中，总厚度170根据需要可以是几英寸厚。
在风扇组件13附近的环境的频率可以与远离风扇组件13的那些不同，并且声学衬里100的声音衰减特性可以被定制，以衰减不同频率。气凝胶填充物的厚度161可以是改变声学衬里100的声音衰减特性的一种方式。在非限制性示例中，与位于风扇组件13附近的第二部分60相比，远离风扇组件13的声学衬里100的第一部分50(图4)可以具有减小的气凝胶厚度，导致在发动机组件11的不同区域中根据需要产生不同的声音衰减曲线。
上述公开内容的各方面提供了多种益处，包括使用气凝胶可以在比使用传统制造材料(例如二氧化硅)目前可实现的更宽的频率范围内导致更低频率的衰减，以及在发动机组件内的期望位置提供可定制的声音衰减曲线。与声学面板构造的其他方法(例如在单元内使用隔膜层以增加声音衰减)相比，本文所述的注入过程可以以减少的成本，努力和设计来实现。另外，与不包括气凝胶的典型声学面板相比，来自气凝胶填充物的改善的声音衰减可以允许单元高度的降低，因此可以在保持期望的声音衰减效果的同时减小总厚度170。可以理解的是，总厚度170的减小可以允许在声学衬里100的构造中使用更少的材料以及减少其重量，这可以降低衬里100的生产成本。另外，声学衬里100的总厚度170的减小可以增加通过发动机11的可用气流直径并提供更好的管道，这可以提高发动机11的效率。
在尚未描述的范围内，各种实施例的不同特征和结构可以根据需要彼此组合来使用。该一个特征可能未在所有实施例中示出，并且不意味着被解释为它可能不是，而是为了描述的简洁而完成。因此，无论是否明确地描述了新的实施例，可以根据需要混合和匹配不同实施例的各种特征以形成新的实施例。本公开内容涵盖本文描述的特征的所有组合或置换。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种声学衬里，其特征在于，包括：
支撑层，所述支撑层具有第一侧和间隔开的第二侧，并且所述支撑层包括一组分隔腔，所述一组分隔腔在所述第一侧和所述第二侧之间延伸，限定一组单元，并且所述一组分隔腔具有开口面；
第一面对板，所述第一面对板可操作地联接到所述支撑层，使得所述第一面对板覆盖并且闭合所述第一侧的所述开口面，其中一组穿孔包含在所述第一面对板中，并且与包含在所述一组分隔腔中的腔流体连通，以形成一组声学谐振器；以及
一组气凝胶填充物，所述一组气凝胶填充物在所述一组单元中的一些单元内，所述一组气凝胶填充物在所述一组单元中的至少一些单元之间具有不同的厚度，其中所述一组单元中的所述至少一些单元中的每个单元包括单个气凝胶填充物，并且其中所述一组气凝胶填充物的所述不同的厚度被定制为衰减不同的频率。
2.根据权利要求1所述的声学衬里，其特征在于，进一步包括第二面对板，所述第二面对板可操作地联接到所述支撑层，使得所述第二面对板覆盖并且闭合所述第二侧的所述开口面。
3.根据权利要求1所述的声学衬里，其特征在于，其中所述一组气凝胶填充物包括一组固化的气凝胶填充物。
4.根据权利要求1所述的声学衬里，其特征在于，其中所述支撑层包括蜂窝芯。
5.根据权利要求4所述的声学衬里，其特征在于，其中所述蜂窝芯的交替行包括所述一组气凝胶填充物。
6.根据权利要求1所述的声学衬里，其特征在于，其中所述一组气凝胶填充物中的至少一些等于或小于相应单元的高度的一半。
7.根据权利要求1所述的声学衬里，其特征在于，进一步包括位于所述第一面对板和所述支撑层之间的疏油和疏水膜。
8.根据权利要求1所述的声学衬里，其特征在于，其中所述声学衬里的总厚度等于或小于2.0英寸。
9.一种飞行器发动机组件，其特征在于，包括：
飞行器发动机；
机舱，所述机舱被构造成围绕所述飞行器发动机并且具有限定了向环境空气开放的入口的入口区段，并且所述机舱至少部分地限定通过所述飞行器发动机组件的环形气流路径；以及
声学面板，所述声学面板可操作地联接到所述飞行器发动机或所述机舱中的至少一个，所述声学面板包括：
支撑层，所述支撑层具有第一侧和间隔开的第二侧，并且所述支撑层包括一组分隔腔，所述一组分隔腔在所述第一侧和所述第二侧之间延伸，限定一组单元，并且所述一组分隔腔具有开口面；
第一面对板，所述第一面对板可操作地联接到所述支撑层，使得所述第一面对板覆盖并且闭合所述第一侧的所述开口面，其中一组穿孔包含在所述第一面对板中，并且与包含在所述一组分隔腔中的腔流体连通，以形成一组声学谐振器；以及
一组气凝胶填充物，所述一组气凝胶填充物在所述一组单元中的一些单元内，所述一组气凝胶填充物在所述一组单元中的至少一些单元之间具有不同的厚度，其中所述一组单元中的所述至少一些单元中的每个单元包括单个气凝胶填充物，并且其中所述一组气凝胶填充物的所述不同的厚度被定制为衰减不同的频率；以及
第二面对板，所述第二面对板可操作地联接到所述支撑层，使得所述第二面对板覆盖并且闭合所述第二侧的所述开口面；
其中所述第一面对板与所述环形气流路径续接。
10.根据权利要求9所述的飞行器发动机组件，其特征在于，其中所述一组气凝胶填充物包括一组固化的气凝胶填充物。
11.根据权利要求9所述的飞行器发动机组件，其特征在于，其中所述支撑层包括蜂窝芯，并且所述蜂窝芯的交替行包括所述一组气凝胶填充物。
12.根据权利要求9所述的飞行器发动机组件，其特征在于，其中所述一组气凝胶填充物中的至少一些等于或小于相应单元的高度的一半。
13.根据权利要求9所述的飞行器发动机组件，其特征在于，进一步包括位于所述第一面对板和所述支撑层之间的疏油和疏水膜。
14.根据权利要求9所述的飞行器发动机组件，其特征在于，其中所述声学面板的总厚度等于或小于2.0英寸。
15.根据权利要求9所述的飞行器发动机组件，其特征在于，进一步包括没有气凝胶填充物的第二声学面板。
16.一种形成声学衬里的一部分的方法，其特征在于，包括：
提供具有第一侧和间隔开的第二侧的支撑层，并且其中所述支撑层包括一组分隔腔，所述一组分隔腔在所述第一侧和所述第二侧之间延伸，限定一组单元，并且所述一组分隔腔具有开口面；
用液体气凝胶至少部分地填充所述一组单元中的一些单元，以形成一组被填充单元，所述一组被填充单元包含一组气凝胶填充物，所述一组气凝胶填充物在所述一组单元中的至少一些单元之间具有不同的厚度，其中所述一组单元中的所述至少一些单元中的每个单元包括单个气凝胶填充物，并且其中所述一组气凝胶填充物的所述不同的厚度被定制为衰减不同的频率；
固化所述一组被填充单元中的所述液体气凝胶；
进一步包括将至少一个面对板可操作地联接到所述支撑层，使得所述面对板覆盖并且闭合相应侧的所述开口面。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，其中填充所述一组单元中的至少一些单元包括自动注射测量的液体气凝胶的量以产生预定的单元深度。
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