CN112278294A - 一种飞机短舱消声结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种飞机短舱消声结构，属于飞机零部件技术领域。所述飞机短舱消声结构通过增材制造成型，其包括蜂窝夹层、微孔板和背板，其中，微孔板呈筒状，微孔板上开设有多个微通孔；蜂窝夹层套设连接在微孔板上，蜂窝夹层包括多个单胞单元，每个单胞单元与一个微通孔相连通，至少部分单胞单元的高度不相同；背板套设连接在蜂窝夹层上并封堵蜂窝夹层，且背板适应各个单胞单元的高度变化。本发明的飞机短舱消声结构，在消声结构布置的不同区域，设置各个单胞单元的高度，以实现不同波长噪声的吸收；应用增材制造技术，提升了设计自由度，降低了成型难度；同时各个单胞单元根据需求进行高度设置，使整体重量达到了最优化的效果。

Description

一种飞机短舱消声结构
技术领域
本发明涉及飞机零部件技术领域，尤其涉及一种飞机短舱消声结构。
背景技术
航空发动机作为飞机的主要噪声源之一，短舱的降噪水平直接影响飞机的整体性能和适航取证结果。短舱是飞机推进系统的关键部件之一，其由进气道、风扇罩、反推系统和尾喷装置组成，为发动机提供系统保护，包括气动整流、降噪、通风排液以及维护等多重功能。目前飞机短舱主要应用消声结构以降低发动机的噪声，核心在于短舱进气道、反推结构及尾喷系统中设计消声结构，以削弱噪声在传播过程的能量，从而降低噪声。
典型的飞机短舱消声结构为微穿孔板加蜂窝夹层形式，由微孔板，蜂窝夹层和背板三部分组成。蜂窝夹层在提供共振腔体的同时，能够有效增强整个消声结构的强度和刚度。消声结构的设计遵循亥姆霍兹共振原理，通过优化微孔板、蜂窝夹层及背板的尺寸和形状以实现对发动机特征波长噪声的有效吸收。然而现有设计中，为实现消声效果，消声结构复杂，成型难度大，且消声特性不稳定。
发明内容
本发明的目的在于提供一种飞机短舱消声结构，消声效果好，且重量轻。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种飞机短舱消声结构，消声结构通过增材制造成型，消声结构包括：
微孔板，其呈筒状，微孔板上开设有多个微通孔；
蜂窝夹层，其套设连接在微孔板上，蜂窝夹层包括多个单胞单元，每个单胞单元与一个微通孔相连通，至少部分单胞单元的高度不相同；
背板，套设连接在蜂窝夹层上并封堵蜂窝夹层，且背板适应各个单胞单元的高度变化。
可选地，各个单胞单元的内部结构各异。
可选地，各个单胞单元中设置有带孔的横向隔板和纵向隔板中的一种或组合，且纵向隔板与微通孔错开设置。
可选地，各个单胞单元中设置有带孔的横向隔板时，各个单胞单元内包括不同数量、连接在单胞单元的不同位置、不同形状和不同尺寸的横向隔板中的一种或多种。
可选地，各个单胞单元中设置有纵向隔板时，各个单胞单元内包括不同数量、连接在单胞单元的不同位置、不同形状和不同尺寸的纵向隔板中的一种或多种。
可选地，各个单胞单元均为六方孔，各个六方孔的内径均相同，各个六方孔的孔壁结构不同。
可选地，微孔板上开设有不同形状、不同位置、不同数量和不同尺寸的微通孔中的一种或多种。
可选地，蜂窝夹层与微孔板一体成型。
可选地，背板、蜂窝夹层和微孔板为一体结构，或背板与蜂窝夹层为分体结构。
可选地，微孔板包括远离蜂窝夹层一侧的气动面，气动面为光滑面。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种飞机短舱消声结构，在消声结构布置的不同区域，根据不同的声学环境设置各个单胞单元的高度，以实现不同波长噪声的吸收，提高了消声效果；具体地，消声结构安装在进气道内，微孔板的形状与进气道的形状相适应，且微孔板为平滑结构，各个单胞单元安装在微孔板上，通过不同形状的背板以适应各个单胞单元的高度，消声结构稳定，声学效率高；由于各个单胞单元的高度有所变化，结构较为复杂，应用增材制造技术，提升了设计自由度，降低了成型难度，解放了以往的制造工艺只能做等高蜂窝的限制；同时各个单胞单元根据需求进行高度设置，使整体重量也达到了最优化的效果，从而满足了用最少的材料，最轻的重量，实现飞机结构强度和性能的最大化。
附图说明
图1是本发明的具体实施方式提供的部分消声结构的结构示意图；
图2是本发明的具体实施方式提供的部分微孔板的结构示意图；
图3是图2的主视图；
图4是本发明的具体实施方式提供的部分蜂窝夹层的结构示意图。
图中：
1-蜂窝夹层；11-六方孔；111-孔壁；12-横向隔板；13-纵向隔板；
2-微孔板；21-微通孔；22-气动面；
3-背板。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本实施例提供了一种基于增材制造的飞机短舱消声结构，消声结构包括蜂窝夹层1、微孔板2和背板3。如图1所示，其为部分消声结构的结构示意图，具体地，微孔板2呈筒状，微孔板2上开设有多个微通孔21；蜂窝夹层1套设连接在微孔板2上，蜂窝夹层1包括多个单胞单元，每个单胞单元与一个微通孔21相连通，至少部分单胞单元的高度不相同；背板3套设连接在蜂窝夹层1上并封堵蜂窝夹层1，且背板3适应各个单胞单元的高度变化。
当消声结构安装在发动机短舱的进气道时，微孔板2就暴露在发动机产生的噪音声波中，声波通过微孔板2的微通孔21进入蜂窝夹层1的单胞单元，并在背板3和单胞单元内产生反射，在消声结构布置的不同区域，根据不同的声学环境设置各个单胞单元的高度，通过不同单胞单元的高度来改变单胞单元内部环境，使产生相应的入射波和反射波进行相互抵消，以实现不同波长噪声的吸收，提高了消声效果；另外，声波与微孔板2、单胞单元及背板3产生摩擦将声能转化成热能，进一步降低了噪音，从而使进入周围环境的噪音降低到了正常水平。
具体地，各个单胞单元的高度可以均不相同，也可以部分单胞单元的高度不太相同，具体可根据声学仿真计算得出，声学仿真计算方法可参照现有技术，不再赘述。
具体地，消声结构安装在进气道内，微孔板2的形状与进气道的形状相适应，且微孔板2为平滑结构，各个单胞单元安装在微孔板2上，通过不同形状的背板3以适应各个单胞单元的高度，消声结构稳定，声学效率高；由于各个单胞单元的高度有所变化，结构较为复杂，应用增材制造技术，提升了设计自由度，降低了成型难度，解放了以往的制造工艺只能做等高蜂窝的限制；同时各个单胞单元根据需求进行高度设置，使整体重量也达到了最优化的效果，从而满足了用最少的材料，最轻的重量，实现飞机结构强度和性能的最大化。
参照图1，取出消声结构的微小部分以示例性说明消声结构。根据声学环境设置，蜂窝夹层1的靠左的一部分单胞单元为等高结构，另一部分的单胞单元高度逐渐降低；筒状的微孔板2取出的微小部分可近似看作为平面板，所有单胞单元连接在微孔板2，且由于微孔板2的平面结构，使各个单胞单元靠近微孔板2的一侧为等高设置；相应地，背板3为适应各个单胞单元的高度变化，背板3包括平面板和斜面板，背板3的平面板与等高部分的单胞单元连接，背板3的斜面板与高度逐渐降低的另一部分单胞单元连接，且斜面板的倾斜度与单胞单元的高度相适应。
可选地，增材制造工艺可选用激光选区熔化工艺、熔融沉积成形工艺或者其他工艺方法均可。
可选地，微孔板2、蜂窝夹层1和背板3的材料可根据消声结构的使用环境和工况，选用铝合金、钛合金或其他耐高温金属材料，也可选用纤维增强复合材料，以提高降噪效果。
具体地，背板3与蜂窝夹层1为一体结构，以提高背板3与蜂窝夹层1的结构强度，提高了声学效率。根据蜂窝夹层1中各个单胞单元的高度不同，选择背板3的连接方式；当蜂窝夹层1的高度变化较大时，消声结构复杂度高，可选地，蜂窝夹层1、背板3和微孔板2一体成型，即通过增材制造，降低了成型难度；当蜂窝夹层1的高度变化较小时，消声结构复杂度低，可选地，背板3与蜂窝夹层1为分体结构，先将微孔板2和蜂窝夹层1增材制造完成后，背板3与蜂窝夹层1可通过焊接或胶接等工艺进行连接，便于制造和组装，且可以节省成本。进一步具体地，根据设计要求，通过仿真计算得到微孔板2、蜂窝夹层1及背板3的材料、结构形状等，选用适合的增材制造工艺和设备，权衡确定背板3是否与蜂窝夹层1及微孔板2进行一体成型，以获得最优的声学性能、结构强度及制造方便性等。
如图2所示，可选地，微孔板2包括远离蜂窝夹层1一侧的气动面22，气动面22为光滑面，以降低飞行阻力，减少产生噪声来源，进而提高了降噪效果。由于消声结构通常尺寸和曲率较大，其制造装配公差控制难度较大，提高了消声结构设计制造难度，可选地，在增材制造中增加模具，或后期进行抛光等机械加工，以在保证结构强度的前提下使气动面22达到公差和表面粗糙度的要求。
为满足声学优化效果，根据噪声声谱和亥姆霍兹共振原理设计微通孔21，可选地，微孔板2上开设有不同形状、不同位置、不同数量和不同尺寸的微通孔21中的一种或多种，通过不同的微通孔21的结构，增加声波在不同结构的微通孔21上的传播效果，以及在背板3和单胞单元内产生的反射效果，提高了入射波与反射波相互抵消效果，增加消声结构的吸收声波的波长范围，进而提高降噪性能。具体地，微通孔21的不同形状可以包括圆形、多边形以及椭圆形等；微通孔21的不同位置是指每个微通孔21与相应的单胞单元的相对位置不同；不同数量的微通孔21是指，与单胞单元相对设置的微通孔21的数量可以是一个也可以是多个；不同尺寸的微通孔21指微通孔21的孔径各不相同。一个微孔板2上可以设置不同形状的微通孔21、也可以设置不同尺寸的微通孔21，或者将微通孔21设置在不同位置上；或者一个微孔板2上的各个微通孔21的形状和位置均不同，或者其他不同组合；也或者是一个微孔板2上的各个微通孔21的形状、位置及尺寸均不相同。如图2和图3所示，本实施例中，不同行的微通孔21的形状各不相同，包括圆孔和椭圆形孔，且孔径各不相同。
如图4所示，可选地，各个单胞单元的内部结构各异，提高声波在背板3和单胞单元内产生的反射效果，提高了入射波与反射波相互抵消效果，以及增加消声结构的吸收声波的波长范围，进而提高降噪性能，可以通过以下方式实现单胞单元的结构各异。
可选地，各个单胞单元均为六方孔11，各个六方孔11的内径均相同，各个六方孔11的孔壁111结构不同，以使各个单胞单元结构各异；具体地，孔壁111上的不同位置可以设置不同数量、不同大小及不同形状的凸起或凹陷等特征结构，使得声波在六方孔的腔体内通过凸起或凹陷以增加反射、传播及吸收等。
可选地，各个单胞单元设置有带孔的横向隔板12和纵向隔板13中的一种或组合，以使各个单胞单元的结构各异；具体地，横向隔板12沿单胞单元的径向设置，纵向隔板13沿单胞单元的轴向设置，各个单胞单元可以只设置横向隔板12；或者各个单胞单元只设置纵向隔板13；或者各个单胞单元均同时设置有横向隔板12和纵向隔板13；或者以上三种情况的组合，例如一个蜂窝夹层1中的部分单胞单元只设置有横向隔板12、部分单胞单元只设置纵向隔板13、还有一部分同时设置横向隔板12和纵向隔板13。横向隔板12上设置有孔且纵向隔板13与微通孔21错开设置，以避免封堵单胞单元而影响噪声的吸收。
可选地，当各个单胞单元中设置有带孔的横向隔板12时，各个单胞单元内通过设置不同数量、连接在单胞单元的不同位置、不同形状和不同尺寸的横向隔板12中的一种或多种，以使各个单胞单元结构各异。
具体地，每个单胞单元中可以设置一个或至少两个横向隔板12，通过横向隔板12的数量来使各个单胞单元结构各异；具体地，横向隔板12在每个单胞单元中的连接位置不同，横向隔板12可以安装不在不同高度上，也可以呈不同角度进行倾斜连接；具体地，当横向隔板12倾斜连接时，横向隔板12的尺寸各不相同，以与单胞单元的孔壁111连接；具体地，横向隔板12的不同形状包括：表面为平面或曲面；横向隔板12上孔的位置、大小及形状使横向隔板12呈不同形状；也可以在横向隔板12上设置不同的槽或凸台等。
可选地，当各个单胞单元中设置有纵向隔板13时，各个单胞单元内通过设置不同数量、连接在单胞单元的不同位置、不同形状、不同尺寸的纵向隔板13中的一种或多种，以使各个单胞单元结构各异。
具体地，每个单胞单元中可以设置一个或至少两个纵向隔板13，通过纵向隔板13的数量来使各个单胞单元结构各异；具体地，纵向隔板13在每个单胞单元中的连接位置不同，可以呈不同角度进行倾斜连接；当单胞单元为六方孔11时，纵向隔板13可以连接在六方孔11的任意两个孔壁111上。具体地，当纵向隔板13连接不同孔壁111时，纵向隔板13的尺寸各不相同，以与单胞单元的孔壁111连接。具体地，纵向隔板13的不同形状包括：表面为平面或曲面；纵向隔板13上孔的位置、大小及形状使纵向隔板13呈不同形状；也可以在纵向隔板13上设置不同的槽或凸台等。
参照图4，本实施例中，根据工况和亥姆霍兹共振原理设计了消声结构，蜂窝夹层1的部分单胞单元高度相同，部分单胞单元的高度逐渐降低；蜂窝夹层1的第一行单胞单元内部不设纵向隔板13也不设置横向隔板12；第二行单胞单元内设置有横向隔板12；第三行单胞单元均设置有两个纵向隔板13，但不同单胞单元内的纵向隔板13设置角度不同；第四行单胞单元间隔设置有纵向隔板13；第五行单胞单元均设置有一个纵向隔板13；第六行单胞单元的纵向隔板13设置位置不同等等，不再一一列举。其通过横向隔板12和纵向隔板13的组合形式，以及纵向隔板13的不同位置和数量变化，使各个单胞单元结构各异；结合上述微孔板的结构，增加了消声结构的声波的波长范围，进而提高降噪性能；以上结构较为复杂，但通过增材制造技术进行成型加工，降低了成型难度，且结构稳定，消声效果好；上述结构通过声学设计得到，在满足降噪需求的同时，结构重量已达到了最优。
可选地，蜂窝夹层1靠近背板3的一侧设有排液通道，当有雨水通过微通孔21进入到消声结构时，可通过排液通道排出，避免消声结构内积水而影响使用；排液通道的具体结构可参照现有技术进行设置即可，不再赘述。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种飞机短舱消声结构，其特征在于，消声结构通过增材制造成型，所述消声结构包括：
微孔板(2)，其呈筒状，所述微孔板(2)上开设有多个微通孔(21)；
蜂窝夹层(1)，其套设连接在所述微孔板(2)上，所述蜂窝夹层(1)包括多个单胞单元，每个所述单胞单元与一个所述微通孔(21)相连通，至少部分所述单胞单元的高度不相同；
背板(3)，套设连接在所述蜂窝夹层(1)上并封堵所述蜂窝夹层(1)，且所述背板(3)适应各个所述单胞单元的高度变化。
2.根据权利要求1所述的飞机短舱消声结构，其特征在于，各个所述单胞单元的内部结构各异。
3.根据权利要求2所述的飞机短舱消声结构，其特征在于，各个所述单胞单元设置有带孔的横向隔板(12)和纵向隔板(13)中的一种或组合，且所述纵向隔板(13)与所述微通孔(21)错开设置。
4.根据权利要求3所述的飞机短舱消声结构，其特征在于，各个所述单胞单元中设置有带孔的所述横向隔板(12)时，各个所述单胞单元内包括不同数量、连接在所述单胞单元的不同位置、不同形状和不同尺寸的所述横向隔板(12)中的一种或多种。
5.根据权利要求3所述的飞机短舱消声结构，其特征在于，各个所述单胞单元中设置有所述纵向隔板(13)时，各个所述单胞单元内包括不同数量、连接在所述单胞单元的不同位置、不同形状和不同尺寸的所述纵向隔板(13)中的一种或多种。
6.根据权利要求2所述的飞机短舱消声结构，其特征在于，各个所述单胞单元均为六方孔(11)，各个所述六方孔(11)的内径均相同，各个所述六方孔(11)的孔壁(111)结构不同。
7.根据权利要求1-6任一项所述的飞机短舱消声结构，其特征在于，所述微孔板(2)上开设有不同形状、不同位置、不同数量和不同尺寸的所述微通孔(21)中的一种或多种。
8.根据权利要求1-6任一项所述的飞机短舱消声结构，其特征在于，所述蜂窝夹层(1)与所述微孔板(2)一体成型。
9.根据权利要求8所述的飞机短舱消声结构，其特征在于，所述背板(3)、所述蜂窝夹层(1)和所述微孔板(2)为一体结构，或所述背板(3)与所述蜂窝夹层(1)为分体结构。
10.根据权利要求1-6任一项所述的飞机短舱消声结构，其特征在于，所述微孔板(2)包括远离所述蜂窝夹层(1)一侧的气动面(22)，所述气动面(22)为光滑面。
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