CN110537219B - 用于吸声的表面衬里 - Google Patents

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Abstract

表面衬里构件(10)包括设有多个孔(2)的外壁(1)、间隔物结构和分别与外壁中的孔相关联的管子(3)。表面衬里构件旨在施加于基础表面，以便通过吸声减少在该基础表面上反射的声波。通过改变外壁中孔的形状，使得孔周长与孔面积的比率变化，提高了吸声效率，特别是对于低于500Hz的频率。这种表面衬里构件可适于形成飞机发动机机舱的表面部分或者飞机机翼的前缘的表面部分。

Description

用于吸声的表面衬里
技术领域
本发明涉及一种表面衬里构件，通常称为“衬里”，其旨在施加于基础表面以产生吸声效果。本发明还涉及一种制造这种表面衬里的方法。
背景技术
众所周知，将衬里施加于基础表面，以便通过吸声减少穿过衬里在基础表面上反射的声波。衬里具有外壁，该外壁通过刚性间隔物，例如通过蜂窝结构，保持在基础表面前方一定距离处。吸声基本上是由外壁产生的，该外壁具有孔，以允许声波在衬里的外侧和外壁与基础表面之间的中间空间之间穿过该外壁。这种衬里具体用于形成飞机发动机机舱的表面部分或飞机机翼前缘的部分。典型地，外壁与基础表面之间的间隙大约是对应于最大吸收效率的声波波长的四分之一，以便产生加剧声波吸收的共振效应。然而，这种衬里对于低于500Hz(赫兹)的声音频率不是非常有效。
然而，UHBR(超高旁通比)型飞机发动机的舱更短更薄，因此需要在500Hz以下具有改进的吸声效率的衬里。
在另一应用领域中，文献CN2527764提出：在鼓风气装置内部的导管壁上设置类似于上述衬里外壁的孔，并从与鼓风气通道相对的每个孔中另外设置管子，从而增加导管壁的吸声率。这些管子填充用于鼓风气的导管壁与装置外壳之间的中间空间。由于声波在每个管子中传播路径的长度，吸声率增加。然而，没有实现由深度约为待吸收声波波长四分之一的空腔获得的共振效果。
最后，还有人提出将共振腔效应和吸收效应结合起来，吸收效应通过管子内的声波的传导得到增加，具体是F.Simon在题为“Low frequency sound absorption ofresonators with flexible tubes”(Proceedings of ICA，2013年6月)的文章中，以及在题为“'Low Frequency'Acoustic Resonators for Aircraft Engine NacelleApplication”(CFA 2016，Le Mans)的演讲中提出的。具体地，有人建议，管子的单个长度小于共振腔的深度。这种表面衬里构件包括：
-设有多个孔的外壁，每个孔均单独形成穿过该外壁的开放通道；
-间隔物结构，其连接至外壁的内表面，并且适于在外壁的内表面与上面施加了衬里的基础表面之间建立间隙，以便在外壁的内表面与该基础表面之间形成至少一个声腔；以及
-管子，其连接至外壁，并从外壁的内表面在基础表面方向上延伸到声腔中，每个管子均在该管子的两个相对端开放，并专用于外壁中的孔中的一个，孔的截面包含在外壁处的管子的内截面中。
另外，在垂直于外壁内表面的方向上测量的、每个管子的长度小于外壁和基础表面之间的间隙，使得该间隙的至少10％没有抵靠基础表面的管子。
发明内容
基于这种情况，本发明的目的是进一步增加表面衬里构件的吸声率，尤其是对于小于500Hz的声波频率。
本发明的另一目的是提出一种用于这种增加了吸声率的表面衬里构件的制造方法。
为此，本发明的第一方面提出了如上所述的表面衬里构件，但是其中，外壁中的孔中的几个具有不同的横截面形状，使得孔横截面周长除以孔横截面面积的商在孔的至少一些之间变化。
事实上，在相等的孔横截面积处，穿过外壁的孔引起低频吸声，当其横截面周长较长时，低频吸声率更大。具体地，随着孔横截面周长除以孔横截面积的商增加，低频主吸收峰移动到较低的声频值。使用具有不同该商值的孔使得有可能加宽表面衬里构件的表观总吸声峰，这在低频下有效。
在本发明的优选实施方式中，以下附加特征中的至少一个可有利地单独或组合应用：
-在外壁的内表面，每个孔的横截面可与跟其相关联的管子的内部横截面相同；
-管子中的至少一些可具有不同的各自长度，该长度在垂直于外壁内表面的方向上测量；
-每个管子均可垂直于外壁的内表面延伸；
-在垂直于外壁内表面的方向上，每个管子的长度均可以比外壁与基础表面之间的间隙小2mm到40mm之间的距离；
-对于至少一个管子，该管子的内部横截面可以作为在垂直于该内表面的方向上从外壁的内表面测量的距离的函数而变化。具体地，它可与管的中心轴线位似地变化，位似比作为距外壁的距离的函数而变化。具体地，管子的中心轴线与同一管子的内表面之间在管子的子午面上的间隙可作为距外壁内表面的距离的函数而指数地变化；
-孔中的至少一个的外围边缘可以是具有多于四条边的多边形。具体地，孔的该外围边缘可以具有二阶或更高阶的分形图案；
-这组孔可以占据外壁的内表面的2％至20％、优选4％至8％之间的表面积部分；
-间隔物结构可包括垂直于外壁的内表面延伸的刚性分隔部。在这种情况下，间隔物结构的彼此相对的两个分隔部之间的距离优选小于表面衬里构件推荐的最小声波波长的一半；以及
-对于每个孔，孔的平行且相对的两个边缘部分之间的最小距离优选大于声学边界层厚度的两倍，这等于(ρ·π·f/μ)-1/2，其中ρ是25℃(摄氏度)和105Pa(帕斯卡)下的空气密度，μ是相同条件下的空气粘度，以及f是表面衬里构件的推荐声学频率，包括于100Hz和500Hz之间，例如等于200Hz。
通常，根据本发明的表面衬里构件可具有适于形成飞机发动机机舱的表面部分、飞机机翼前缘的部分、空调系统的吸声设备的部分或鼓风机内壁的部分的形状。
另外，通常，间隔物结构的与外壁相对的一端可适于结合到基础表面。
另外，本发明的第二方面提供了一种用于制造根据第一方面的表面衬里构件的方法，其中，管子以及可选地还有间隔物结构通过三维打印或注射成型的方法从外壁的内表面形成。
附图说明
参考附图，从以下对一些非限制性示例性实施方式的描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，在附图中：
-图1是根据本发明的表面衬里构件的剖视图；
-图2a至图2g示出了根据本发明的表面衬里构件中可使用的孔的横截面形状；
-图3a、图3b、图3c和图3d是作为声波频率的函数的吸声率图；
-图4a和图4b是根据本发明的表面衬里构件在两个相反方向上的立体图；以及
-图5a和图5b是可用于本发明各种实施方式的管子的横截面视图，其具有不同的管子长度，或者沿着每个管子变化的横截面尺寸。
为了清楚起见，这些图中表示的构件的尺寸不对应于实际尺寸或实际尺寸比。另外，不同附图中相同的附图标记表示相同或具有相同功能的构件。
在附图中，所示的标记具有以下含义：
100用于接收表面衬里构件的结构构件
SB结构构件100的表面，表面衬里构件施加在该表面上；称为基础表面
10表面衬里构件
1表面衬里构件10的外壁
FI外壁1的内表面
FE外壁1的外表面
2穿过外壁1的开孔
3与每个孔2相关联的管子，从外壁1的内表面FI延伸
4分隔部，从外壁1的内表面FI延伸
4a每个分隔部4的远端，与外壁1相对
V外壁1的内表面F1与结构构件100的基础表面SB之间的中间容积
OA外壁1的外表面FE上的入射声波
A-A管子3中的每个的中心轴线
E外壁1的内表面FI与结构构件100的基础表面SB之间的间隙
l从外壁1的内表面FI沿着管子的轴线A-A测量的每个管子3的长度
dr与外壁1相对的每个管子3的远端与结构构件100的基础表面SB之间的剩余距离
具体实施方式
例如，结构构件100可以是飞机发动机机舱的部分。然而，为了附图的清晰，而是以非限制性方式，将结构构件100的基础表面SB示出为平坦的。
表面衬里构件10构成结构构件100的覆盖物。为此，表面衬里构件10例如通过将分隔部4的远端4a结合到基础表面SB而固定在结构构件100的表面SB上。
结构构件100包括外壁1、管子3和分隔部4。刚性的管子3和分隔部4可附接到外壁1的内表面FI，或者可以具有与外壁1连续的材料，例如通过从内表面FI开始形成。它们可以垂直于外壁1的内表面FI延伸，但这不是必须的。根据用于制造结构构件10的优选方法，至少管子3，而且可能还有分隔部4，可以通过三维打印或者通过使用注射成型工艺来制造。
当表面衬里构件10固定在结构构件100的表面SB上时，分隔部4的长度决定间隙E(图1)。优选地，分隔部4具有相同的长度，使得内表面FI和基础表面SB平行。如果没有管子3，间距E将基本上等于需要最大吸声率的声波OA的波长值的四分之一。然而，在存在管子3的情况下，间隙E可以是例如需要最大吸声率的声波波长的1/20至1/30。因此，对于给定的间隙E，与没有管子3的共振器相比，管子3的存在可将声波OA的最大吸收频率降低5至7倍。另外，彼此面对的两个分隔部4之间的距离优选小于表面衬里构件10推荐的最小声波波长的一半。在这些条件下，波主要通过孔2传播通过外壁1，沿着管子3传播，然后在容积V中朝向结构构件100传播，由基础表面SB反射，再次在容积V中传播，但是在外壁1的方向上传播，然后再次通过管子3和外壁1传播到外部。以已知的方式，在每次通过管子3和外壁1时基本上都会发生对声波OA的吸收。
每个分隔部4均可以是任何几何形状。具体地，每个分隔部4均可以具有一个或多个开口，同时实现其在外壁1与结构构件100之间的刚性分隔部的功能。
每个孔2均从外壁1的外表面FE延伸到其内表面FI，从而在外部与中间容积V之间形成开放通道。因而，允许声波OA的部分穿过外壁1。当孔2的周长除以其横截面积的商较高时，在这种通过过程中影响波OA的吸声频谱移动到较低的频率值。下表1和表2示出了不同形状的孔周长除以其横截面积的商值以及孔横截面积的两个值：
Figure BDA0002240752150000061
表1：每个孔2的横截面积大约为1.27mm2
Figure BDA0002240752150000071
表2：每个孔2的横截面积大约为3.14mm2
通常，孔边缘的平行和相对的两部分之间的最小距离优选大于声学边界层厚度δac的两倍，根据如下的公式计算：δac＝(ρ·π·f/μ)-1/2，其中ρ是25℃(摄氏度)和105Pa(帕斯卡)下的空气密度，μ是相同条件下的空气粘度，以及f是声波OA的频率，优选包括于100Hz与500Hz之间，例如等于200Hz。这种条件确保声波OA的很大一部分通过孔2进入中间容积V。
每个孔2均设有管子3，该管子3从外壁1的内表面FI在结构构件100的方向上延伸。在所描述的实施方式中，但是这对于本发明不是必需的是，每个管子3均具有中心纵向轴线A-A，该轴线是直的，并且在孔的位置处垂直于内表面FI。另外，每个管子3在内表面FI处的内部横截面都是相同的，并且与相应孔2的横截面一致。另外，每个管子3的长度l均小于外壁1的内表面FI和结构构件100的基础表面SB之间的间隙E的90％。
在这些条件下，图3a、图3b、图3c和图3d的图各自示出了孔2的形状对声波OA的吸收频谱的影响。每个图的横轴均表示声波OA的频率f，以赫兹(Hz)表示，以及纵轴表示频谱吸收，以Abs(f)表示，相对于其最大值1归一化。
图3a的图对应于外壁1的内表面FI与结构构件100的基础表面SB之间的间隙E的值为10mm(毫米)。图3b的图对应于该间隙E的值为20mm。对于图3a和图3b的两个图，所有管子3均具有等于5mm(毫米)的长度l和大约1.27mm2的内部横截面积。对于这些图中的每条曲线，所有的孔2都是相同的，其形状如相应图的插图图例所示，以及孔的一个或多个尺寸如上面表1所示。这两个图的比较表明，当间隙E增大时，低频下的主吸收峰向频率f的较低值移动，以及在间隙E的恒定值下，当孔周长除以孔横截面积的商增大时，该峰也向频率f的较低值移动。另外，图3b示出了随着周长除以孔横截面积的商增加，较低主吸收频带的变宽约7％。
为了将吸收峰移动到大约或低于500Hz，对于外壁1的内表面FI与结构构件100的基础表面SB之间的20mm(图3c)或30mm(图3d)的间隙E，管子3的长度l可以设置为15mm。与图3c或图3d的曲线中的每条相关的所有孔2仍然具有相同的形状，这在相应图的插图图例中示出，孔的横截面积约为3.14mm2(关于对应于图3c和图3d的曲线的孔的尺寸，见上面的表2)。然后，观察到与当管子3的长度l等于5mm且孔横截面积约为1.27mm2时相同的表现(图3a和图3b)，换言之，最大吸收率由孔周长除以孔横截面积的商决定。
根据本发明的表面衬里构件10在图4a和图4b中示出。为了清楚起见，在图4a和图4b中，分隔部4没有在这两个图中示出，而是存在于实际的表面衬里构件中。在该衬里构件10中，几个孔2之间有形状变化，使得孔的横截面周长除以其横截面积的商的值在同一衬里构件内变化。因而，同一表面衬里构件10同时包括具有圆形、十字形、狭缝形、六角形或六角星形图案或者各种图案的分形等中的至少两种不同图案的孔2，并且孔在外表面FE中的朝向也可以变化。因此，这种表面衬里构件10的吸收频谱是对应于孔横截面形状中的每个的频谱的组合。结果，所得的吸收频谱显示出在低声频下变宽的主吸收峰，间隙E的值是恒定的。当声频f小于500Hz时，该变宽的峰产生更大的吸声值。以这种方式在500Hz实现的吸收效率增益可以是7％或更大。
与每个孔2相关联的管子3可具有与相应孔2的横截面相同的内部横截面形状。在图4a和图4b所示的本发明的实施方式中，每个管子3的内部横截面沿着每个管不变，以及所有管子3均具有相同的长度。
图5a示出了本发明的第一变型，其中，图4a和图4b中的衬里构件10的一些管子3的长度可以随着管的不同而变化。在与外壁1相对的、管子3中的一个的远端与结构构件100之间存在的剩余开放距离dr等于E-l。对于根据本发明的表面衬里构件，该剩余开放距离dr大于间隙E的10％。当所有管子3均具有相同长度时，保持这种状态。通常，它保证由间隙E产生的共振效应和孔2的各种形状产生的增加的吸声率之间的最佳组合。优选地，对于表面衬里构件10的所有管子3，剩余自由距离dr可以大于2mm。
图5b示出了本发明的第二变型，其中，衬里构件10的一些管子3可以具有内部横截面，该内部横截面作为距外壁1的内表面FI的距离x的函数而变化。例如，管子3的内部横截面可以在两个平面之间变化，这两个平面垂直于该管子的轴线A-A，并且位似地对应于距离x的不同值，其位似比率取决于距离x。对于x＝0，管的内部横截面可与相应孔2的内部横截面相同。然后，管子3的内表面与该管的中心轴线A-A之间的距离r可根据距离x以在包含轴线A-A的所有子午线平面中相同的方式变化。因而，r(x)是上面介绍的位似比率。在本发明的不同实施方式中，r(x)可以是仿射、递增或递减函数段，或者可以递增或递减的指数函数段，或者抛物线段、双曲线段等。r(x)可以是这些函数中几个的线性组合，并且通常，r(x)可以是任何函数，只要管子3的远端是开放的。因而，沿着其中心轴线A-A具有可变横截面的每个管子3均可以构成圆锥形、指数形、抛物线形、双曲线形等喇叭部，其将中间空间V连接至由穿过外壁1的相应孔2形成的开放通道。以已知的方式，这种随着距外壁1的内表面FI的距离而变宽的喇叭部促进声能通过孔2传递。另外，这种喇叭部具有截止频率Fc，低于该截止频率，声波OA就不再通过喇叭部传输(对应于f<Fc)。该截止频率为Fc＝C/(4π·α)，其中α是函数r(x)的变化的特征长度。
在改进的实施方式中，图5a和图5b所示的本发明的第一变型和第二变型的特征也可以结合。
外壁1的每单位表面积的孔2的数量可以在1个孔/cm2(孔每平方厘米)和8个孔/cm2之间。给定每个孔的横截面积，例如可以在1mm2和4mm2之间，所有的孔均可以占据外壁1的例如4％至8％的表面积部分。
最后，分隔部4可形成一组在外壁1的内表面FI上彼此相邻的独立单元。单个孔2及其相关联的管子3可以包含在每个单元中，但是也可以在单个单元内具有多个孔2，管子3与其相关联。
应当理解的是，本发明可以被再现，同时相对于上面详细描述的例子修改其次要方面。具体地，分隔部4可由具有不同几何形状以及相对于孔2的任何分布的间隔物结构代替。另外，已经提到的数值仅作为例子提供。

Claims (11)

1.一种表面衬里构件(10)，旨在施加至基础表面(SB)，以便通过吸声减少通过所述表面衬里构件在所述基础表面上反射的声波(OA)，所述表面衬里构件包括：
-外壁(1)，其设有多个孔(2)，每个孔单独形成穿过所述外壁的开放通道；
-间隔物结构，其连接至所述外壁(1)的内表面(FI)，并且适于在所述外壁与所述基础表面(SB)之间设置间隙(E)，以便在所述外壁的所述内表面与所述基础表面之间形成至少一个声腔；以及
-管子(3)，其连接至所述外壁(1)，并且从所述外壁的所述内表面(FI)朝向所述基础表面(SB)延伸至所述声腔中，每个管子在所述管子的两个相对端开放，并且专用于所述外壁中的孔(2)中的一个，所述孔的孔截面包含在所述外壁处的所述管子的内部截面中，
其中，每个管子(3)的长度均小于所述外壁(1)与所述基础表面(SB)之间的间隙(E)，使得所述外壁与所述基础表面之间抵靠所述基础表面的间隙的至少10％没有管子，其中，所述管子长度是在垂直于所述外壁的所述内表面(FI)的方向上测量的，以及
其特征在于，所述外壁(1)中的所述孔(2)中的几个具有不同的横截面形状，使得孔横截面周长除以孔横截面面积的商在所述孔中的至少一些之间变化，使得对于小于500Hz的声波频率，所述表面衬里构件的吸声的总表现峰值扩大。
2.根据权利要求1所述的表面衬里构件(10)，其中，所述管子(3)中的至少一些具有不同的各自长度，每个长度均在垂直于所述外壁(1)的所述内表面(FI)的方向上测量。
3.根据权利要求1所述的表面衬里构件(10)，其中，每个管子(3)均垂直于所述外壁(1)的所述内表面(FI)延伸。
4.根据权利要求1所述的表面衬里构件(10)，其中，在垂直于所述外壁的所述内表面(FI)的方向上，每个管子(3)的长度均比所述外壁(1)与所述基础表面(SB)之间的间隙(E)小2mm和40mm之间的距离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的表面衬里构件(10)，其中，对于所述管子(3)中的至少一个，所述管子的内部横截面作为从所述外壁(1)的所述内表面(FI)沿着垂直于所述外壁的所述内表面的方向测量的距离的函数而变化。
6.根据权利要求1所述的表面衬里构件(10)，其中，所述孔(2)中的至少一个的外围边缘是具有多于四条边的多边形。
7.根据权利要求6所述的表面衬里构件(10)，其中，所述孔(2)中的至少一个的外围边缘具有二阶或高于二阶的分形图案。
8.根据权利要求1所述的表面衬里构件(10)，其具有适于形成飞机发动机机舱的表面部分、飞机机翼前缘的部分、空调系统的吸声设备的部分或鼓风机内壁的部分的形状。
9.根据权利要求1所述的表面衬里构件(10)，其中，所述间隔物结构的与所述外壁(1)相对的一端适于结合至所述基础表面(SB)。
10.用于制造根据权利要求1所述的表面衬里构件(10)的方法，其中，所述管子(3)通过从所述外壁(1)的所述内表面(FI)进行三维打印或注射成型的方法形成。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，除了所述管子(3)之外，所述间隔物结构通过从所述外壁(1)的所述内表面(FI)进行三维打印或注射成型的方法形成。
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