CN113895098B - 声衬件、制造方法、动力推进系统以及蜂窝芯 - Google Patents

声衬件、制造方法、动力推进系统以及蜂窝芯 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种声衬件、制造方法、动力推进系统以及蜂窝芯。其中，所述声衬件包括穿孔板；蜂窝芯，包括多个相互分隔的蜂窝单元；以及背板；其中，所述穿孔板位于顶部，所述背板位于底部，两者之间为蜂窝芯，形成顶部开口底部封闭的多个相互分隔的共振腔；其中，每个所述蜂窝单元包括沿从中心至外围方向分布的多个蜂窝体，每个蜂窝体包括多个壁面，所述多个壁面的底部连接所述背板，在周向包围所述蜂窝单元的中心；在相邻的两个所述蜂窝体中，更接近外围的所述蜂窝体包围更接近中心的所述蜂窝体；所述多个蜂窝体之中，至少有两个所述蜂窝体的高度不同。

Description

声衬件、制造方法、动力推进系统以及蜂窝芯
技术领域
本发明涉及声学领域，尤其涉及一种声衬件及其制造方法，动力推进系统以及用于所述声衬件的蜂窝芯。
背景技术
民用航空发动机噪声问题对持续增长的航空运输业提出一个重要的问题。其噪声级的大小直接关系到发动机适航签证的获取。这对于我国正在研制的民用航空发动机来说，无疑是巨大的挑战。大型民用飞机噪声水平是适航取证的重要内容之一，噪声取证标准是随着时间不断变化的，国际民用航空组织(ICAO)附件16对飞机噪声取证做出了详细的技术规范，这一技术规范采用“有效感觉噪声级”(EPNL)，考虑三个取证基准条件：横侧(Sideline)，飞越(Cutback)，进场(Approach)，EPNL用于量化飞机噪声，并考虑基于噪度测得的感知烦恼度。2006年以来，ICAO噪声认证已采用第四章标准。欧盟和非政府组织，如欧洲航空研究咨询委员会(Advisory Council for Aeronautics Research in Europe,ACARE)定义了从2000到2020年可感知飞机噪声减半的长期目标，即提出到2020年，未来亚声速飞机的噪声水平比2000年减少10dB的噪声。美国提出更加严格的低噪声要求。如美国国家航空航天局(NASA)开始一个新的降噪项目，20年内降低20dB的远大目标。
风扇噪声是现代民用航空发动机在起飞和降落状态下的主要声源。自喷气式航空发动机出现以来，声衬一直就是最主要的叶轮机噪声的控制手段。目前大型民机无一例外地依靠消声短舱技术满足噪声控制要求。在当前发展水平上，进气消声短舱大约能产生5EPNdB(有效感觉噪声级)以上的降噪量；排气方面的环形管道更有利于消声，所以降噪量可达到10EPNdB以上。我们可以设想，如果没有消声短舱技术，那么像A380这样的最新一代民机就不可能超过第4阶段噪声适航标准且留有余量，甚至达不到第3阶段的要求。在现代民用涡扇发动机相比于早期型号所取得的降噪量中，消声短舱技术的贡献几乎占有一半。可见其至关重要的地位。如图1所示的，典型的声衬件100包括穿孔面板，简称穿孔板1(porous face sheet)、蜂窝芯2(honeycomb core)以及刚性背板3(impervious backingsheet)。
飞机发动机作为飞机的重要噪声源，一直是人们所关注的重点降噪部位，而叶轮机噪声是发动机主要噪声源之一，降低叶轮机噪声就成为了降低发动机和飞机噪声重要途径，叶轮机噪声主要包括风扇激波噪声、风扇/压气机与涡轮转子静子干涉噪声，研究者们从理论、数值和实验等方面开展了飞机发动机叶轮机噪声的相关研究，希望可以揭示发动机的噪声源本质，从而降低发动机噪声。航空发动机噪声控制技术从根本上可分为两大类：声源降噪和传播降噪。消声声衬是已获得广泛应用的最主要的传播降噪技术，尤其适用于大涵道比民用涡扇发动机。上世纪60年代，航空发动机正处于从涡喷向涡扇转变的关键变革时期，涡扇发动机与涡喷相比，不仅推进效率显著提高，而且喷流噪声大为降低，但是新的难题是如何控制已超过喷流噪声而成为首要声源的风扇噪声。风扇噪声的一般规律是风扇的推力越大，负荷越高，噪声也就越大。
目前大型民机无一例外地依靠消声声衬技术满足噪声控制要求。在60年代中期到末期，美国航空航天局(NASA)研发了针对于风扇噪声的消声声衬技术，在短舱管道壁面上加装吸声衬层(声衬)，从而在传播途径上控制风扇的前传和后传噪声。在当前发展水平上，进气消声声衬大约能产生5EPNdB(有效感觉噪声级)以上的降噪量；排气方面的环形管道更有利于消声，所以降噪量可达到10EPNdB以上。在现代民用涡扇发动机相比于早期型号所取得的降噪量中，消声声衬技术的贡献几乎占有一半。可见其至关重要的地位。
现有技术中航空发动机上采用的声衬件主要是蜂窝夹心结构声衬，即顶层穿孔板，中间层蜂窝芯共振腔和底层背板。中间层共振腔的高度决定了吸声的频率，由于受发动机实际安装空间限制，共振腔的高度固定，导致现有声衬能够吸收的噪声频率单一，仅仅能降低一个频率的噪声，吸声能力有限。
现有技术中对于以上问题的改进，可以参考学术论文，例如张英杰.声衬技术在大涵道比发动机短舱上的应用[J].中国设备工程,2017,000(022):119-120公开的，利用双自由度声衬(DDOF)，即设置多层的蜂窝芯，多层蜂窝芯之间设置穿孔板，以拓宽声衬的吸声频带。但采用这种结构，若需要进一步拓宽吸声频带，需要进一步增大蜂窝芯的层数，使得声衬件的厚度增大，并且多层蜂窝芯的与穿孔板的连接工艺也较为复杂，声衬件的结构强度也难以保证。
因此，本领域需要一种声衬件、动力推进系统以及蜂窝芯，以扩宽声衬的吸声频带，提升声衬的降噪能力，从而降低动力推进系统的噪声。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种声衬件，吸声频带宽。
本发明的另一个目的在于提供一种动力推进系统，系统噪声小。
本发明的还一个目的在于提供一种声衬件的制造方法。
本发明的再一个目的在于提供一种蜂窝芯，提升声衬的降噪量，扩宽声衬的吸声频带。
根据本发明的一个方面的一种声衬件，包括穿孔板；蜂窝芯，包括多个相互分隔的蜂窝单元；以及背板；其中，所述穿孔板位于顶部，所述背板位于底部，两者之间为蜂窝芯，形成顶部开口底部封闭的多个相互分隔的共振腔；其中，每个所述蜂窝单元包括沿从中心至外围方向分布的多个蜂窝体，每个蜂窝体包括多个壁面，所述多个壁面的底部连接所述背板，在周向包围所述蜂窝单元的中心；在相邻的两个所述蜂窝体中，更接近外围的所述蜂窝体包围更接近中心的所述蜂窝体；所述多个蜂窝体之中，至少有两个所述蜂窝体的高度不同。
在所述声衬件的一个或多个实施例中，相邻的两个所述蜂窝体的壁面之间限定声学通道，靠近外围的所述蜂窝体的壁面具有入口孔，靠近中心的所述蜂窝体的壁面具有出口孔；所述蜂窝单元还包括隔板，相邻的两个所述蜂窝体通过所述隔板连接，所述入口孔与所述出口孔分别位于所述隔板的两侧。
在所述声衬件的一个或多个实施例中，所述多个蜂窝体均为六棱柱，所述隔板连接相邻的两个所述蜂窝体的相邻的棱边，所述入口孔位于包括有连接所述隔板的所述棱边的一侧的壁面，所述出口孔位于所述包括有连接所述隔板的所述棱边的另一侧的壁面。
在所述声衬件的一个或多个实施例中，所述多个蜂窝体的相邻的两个所述蜂窝体之间的间距相等。
在所述声衬件的一个或多个实施例中，所述多个蜂窝体的高度均不相同，所述多个蜂窝体的高度呈线性分布。
在所述声衬件的一个或多个实施例中，所述多个蜂窝体的高度均不相同，所述多个蜂窝体的高度呈正弦或余弦分布。
根据本发明的还一个方面的一种声衬件的制造方法，制造如以上任意一项所述的声衬件。
根据本发明另一个方面的一种动力推进系统，包括以上任意一项所述的声衬件。
在所述动力推进系统的一个或多个实施例中，所述动力推进系统包括燃气涡轮发动机，其短舱管道壁面设置有以上任意一项所述的声衬件。
根据本发明再一个方面的一种蜂窝芯，用于声衬件，所述声衬件还包括穿孔板以及背板，所述蜂窝芯连接于所述穿孔板后构成共振腔，所述蜂窝芯包括多个相互分隔的蜂窝单元；形成顶部开口底部封闭的多个相互分隔的共振腔；其中，每个所述蜂窝单元包括沿从中心至外围方向分布的多个蜂窝体，每个蜂窝体包括多个壁面，所述多个壁面的底部连接所述背板，在周向包围所述蜂窝单元的中心；在相邻的两个所述蜂窝体中，更接近外围的所述蜂窝体包围更接近中心的所述蜂窝体；所述多个蜂窝体之中，至少有两个所述蜂窝体的高度不同。
本发明的有益效果包括但不限于：
通过在蜂窝单元内嵌套设置由内到外的高度不同的多个蜂窝体，单个蜂窝单元内形成多个高度不同的共振腔，如此可以实现吸收多个频率的噪声，克服了现有技术的蜂窝声衬结构吸声频率单一的缺点，也克服了以双自由度声衬为代表的现有技术需要增加声衬厚度以及加工制造难度大等缺点。并且，嵌套设置形成的多层共振腔之间的声学通道，噪声经过声学通道过程中，共振腔内壁面摩擦力增加了声能量的衰减，有更好的消声效果，并且嵌套设置还可以延长噪声传播的声学通道，进一步提升了声衬的降噪能力。另外，入口孔以及出口孔的设置，还可以起到排水作用，雨水进入声衬件后，可以顺着小孔流出声衬，避免出现浸泡声衬的情况，以起到保护声衬件的作用。采用以上声衬件的动力推进系统，其具有低噪声的优点。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1是现有技术的声衬件的结构示意图。
图2是一实施例的声衬件的蜂窝芯的蜂窝单元的结构示意图。
图3是一实施例的声衬件的局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例，如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
需要注意的是，下述实施例中，“顶”、“底”、“上”、“下”的相对位置关系，以公知技术中声衬件的顶部或上部为穿孔板、底部或者下部为背板为参照。
以下实施例介绍的声衬件，以应用于燃气涡轮发动机，具体而言为涡轮风扇发动机的短舱为例，但不以此为限，动力推进系统均可适用，具有风扇、桨叶、桨扇等动力推进系统也可适用，也不限于燃气涡轮发动机，例如可以是包括燃气涡轮发动机的混合动力推进系统，或者纯电驱动的具有风扇、桨叶、桨扇的动力推进系统，以降低风扇噪声和/或进气噪声。
在一些实施例中，与图1所示的现有技术类似的，声衬件包括位于顶部穿孔板、中间的蜂窝芯以及底部的背板，蜂窝芯具有多个蜂窝单元21，形成顶部开口底部封闭的多个相互分隔的共振腔(resonant cavity)，常见的共振腔有Helmholtz型谐振器，声音由声衬表面的小孔进入共振腔后，在共振腔内共振而耗散声能量。其阻尼机制通常主要是由于在该谐振器孔口伴随着振动射流的耗散。
参考图2以及图3，在一些实施例中，单个蜂窝单元21包括从中心至外围方向的多个蜂窝体，包括第一蜂窝体211、第二蜂窝体212、第三蜂窝体213、以及第四蜂窝体214，具体数量不限于是图2所示的四个蜂窝体，也根据具体的降噪频段需求进行增加或减少蜂窝体。如图1、图2以及图3所示，每个蜂窝体包括多个壁面，多个壁面的底部连接背板3，在周向包围所述蜂窝单元的中心，在相邻的两个蜂窝体中，更接近外围的蜂窝体包围更接近中心的蜂窝体；所述多个蜂窝体之中，即形成了嵌套的结构。如图2所示的，相邻的第一蜂窝体211与第二蜂窝体212，更接近外围的第二蜂窝体212包围更接近中心的第一蜂窝体211。如图3所示的，第一蜂窝体211、第二蜂窝体212以及第三蜂窝体213的高度不同，如此设置的有益效果在于，可以在有限的空间内，实现多个频率的噪声吸收，拓宽了声衬的吸声频带，克服了现有技术的蜂窝声衬结构吸声频率单一的缺点，也克服了以双自由度声衬为代表的现有技术需要增加声衬厚度以及加工制造难度大等缺点。同时，嵌套结构形成的多层共振腔之间的声学通道，噪声经过声学通道过程中，共振腔内壁面摩擦力增加了声能量的衰减，有更好的消声效果，并且嵌套设置还可以延长噪声传播的声学通道，进一步提升了声衬的降噪能力。其原理在于，一是利用共振腔的消声机制，在共振腔垂直方向上进行上下振动耗散声能，中间层共振腔的高度决定了吸声的频率，因此设置高度不同，层层嵌套的蜂窝单元，多个蜂窝单元分别可形成多个高度不同的中间层共振腔，从而分别吸收不同频率的噪声，实现频率的拓宽，提升声衬件的降噪能力，从而降低动力推进系统的噪声。并且，嵌套设置的多个蜂窝体使得噪声经过内部通道过程中，共振腔内壁面摩擦力增加了声能量的衰减，有更好的消声效果，噪声一层又一层的振腔内上下振动耗散声能和多个声学通道中衰减，延长噪声传播的声学通道，进一步提升了声衬的降噪能力。此处解释声学通道(acousticchannel)的意义，指噪声进入降噪声衬件内部后，传播的声学路径。
继续参考图2以及图3，在一些实施例中，蜂窝单元21的结构还可以是，蜂窝体的壁面限定声学通道，例如图2所示的，第四蜂窝体214的壁面与第三蜂窝体213的壁面限定第一声学通道221，第三蜂窝体213的壁面与第二蜂窝体212的壁面限定第二声学通道222，第二蜂窝体212的壁面与第一蜂窝体211的壁面限定第三声学通道223。相邻的两个蜂窝体中，靠近外围的蜂窝体的壁面具有声学通道的入口孔，靠近中心的所述蜂窝体的壁面具有出口孔，蜂窝单元21还包括隔板，相邻的两个蜂窝体通过隔板连接，入口孔与出口孔分别位于隔板的两侧。例如图2所示的，相邻的第四蜂窝体214与第三蜂窝体213中，靠近外围的第四蜂窝体214的壁面具有第一声学通道221的入口孔231，靠近中心的第三蜂窝体213的壁面具有第一声学通道221的出口孔232，但入口孔与出口孔的关系是相对而言的，而非绝对的。例如对于相邻的第四蜂窝体214与第三蜂窝体213，第三蜂窝体213的壁面的孔为出口孔，但对于相邻的第三蜂窝体213与第二蜂窝体212限定的第二声学通道222，第一声学通道221的出口孔232，对于第二声学通道222而言，为第二声学通道222的入口孔233。对于隔板与出口孔、入口孔的位置关系，如图2以及图3所示的，第一隔板241连接相邻的第四蜂窝体214与第三蜂窝体213，第一声学通道221的入口孔231、出口孔232分别位于第一隔板241的两侧。第二隔板242连接相邻的第三蜂窝体213与第二蜂窝体212，第二声学通道222的入口孔233、出口孔234分别位于第二隔板242的两侧，第三隔板243连接相邻的第二蜂窝体212与第一蜂窝体211，第三声学通道223的入口孔235、出口孔236分别位于第三隔板243的两侧。上述实施例通过设置入口孔、出口孔以及隔板，使得在嵌套结构的多个蜂窝体内，尽可能地延长声学通道的长度，进一步增加了对噪声的衰减效果。同时，在蜂窝体的壁面上具有孔，可以使得雨水进入声衬件后，顺着孔流出声衬件，避免出现浸泡声衬件的情况，起到保护声衬的作用。
继续参考图2以及图3，在一些实施例中，对于常见的六棱柱的蜂窝体的形状，隔板连接相邻的两个蜂窝体的相邻的棱边，入口孔位于包括有连接隔板的所述棱边的一侧的壁面，所述出口孔位于包括有连接所述隔板的棱边的另一侧的壁面。例如图2所示的，第一隔板241连接六棱柱的第四蜂窝体214的第一棱边2141与第三蜂窝体213的第一棱边2131，第一声学通道221的入口孔231位于第四蜂窝体214的第一壁面2140，第一壁面2140包括有第一棱边2141，第一壁面2140位于第一隔板241的一侧；第一声学通道221的出口孔232位于第三蜂窝体213的第二壁面2132，第二壁面2132包括有第三蜂窝体213的第一棱边2131，第二壁面2132位于第一隔板241的另一侧，如此形成入口孔、出口孔分别位于隔板的两侧的结构，如此设置蜂窝体结构稳定，保证在长期的振动环境下仍具有稳定可靠降噪性能。
继续参考图2，在一些实施例中，相邻的蜂窝体之间的距离可以是相同的，例如图2所示的，依次相邻设置的第四蜂窝体214、第三蜂窝体213、第二蜂窝体212、第一蜂窝体211之间的间距相等，如此易于蜂窝单元的设计加工。但不以此为限，也可以是相邻的蜂窝体之间的间距不等的非均匀嵌套结构。同样地，多个蜂窝体之间的高度分布，可以是所有的蜂窝体的高度均不相同，并且高度呈线性分布，例如图3所示的多个蜂窝体的高度从内向外由低到高线性分布，如此易于蜂窝体的加工设计以及制造，但不以此为限。在一些实施例中，也可以是多个蜂窝体的高度呈正弦或者余弦分布，如此更接近于涡扇发动机的风扇噪声的分布，更有利于降低风扇噪声。
以上实施例介绍的声衬件，蜂窝芯可以单独成形，再与穿孔板以及背板组装成为声衬件。蜂窝芯包括多个相互分隔的蜂窝单元21，从而与穿孔板以及背板形成顶部开口底部封闭的多个相互分隔的共振腔。每个蜂窝单元21包括沿从中心至外围方向分布的多个蜂窝体211、212、213、214，蜂窝体包括多个壁面，多个壁面的底部连接背板，在周向包围蜂窝单元21的中心；在相邻的两个蜂窝体中，更接近外围的蜂窝体包围更接近中心的蜂窝体；多个蜂窝体之中，至少有两个蜂窝体的高度不同。以上实施例介绍的蜂窝芯，其可以采用增材制造(Additive Manufacturing，AM)的成形工艺，如此成形的蜂窝芯的尺寸精确，工艺简单。
进一步地，制造声衬件的方法，可以是：
分别提供穿孔板1以及背板3，再将包括有多个蜂窝单元21的蜂窝芯与穿孔板1与背板3结合，得到声衬件。
但不以此为限，例如也可以将声衬件整体地一体成形，即一次成形地提供穿孔板、背板以及将蜂窝芯与穿孔板、背板结合，例如通过增材制造一次成形。
综上，采用以上实施例介绍的声衬件、动力推进系统的有益效果包括但不限于，通过在蜂窝单元内嵌套设置由内到外的高度不同的多个蜂窝体，单个蜂窝单元内形成多个高度不同的共振腔，如此可以实现吸收多个频率的噪声，克服了现有技术的蜂窝声衬结构吸声频率单一的缺点，也克服了以双自由度声衬为代表的现有技术需要增加声衬厚度以及加工制造难度大等缺点。并且，嵌套设置形成的多层共振腔之间的声学通道，噪声经过声学通道过程中，共振腔内壁面摩擦力增加了声能量的衰减，有更好的消声效果，并且嵌套设置还可以延长噪声传播的声学通道，进一步提升了声衬的降噪能力。另外，入口孔以及出口孔的设置，还可以起到排水作用，雨水进入声衬件后，可以顺着小孔流出声衬，避免出现浸泡声衬的情况，以起到保护声衬件的作用。采用以上声衬件的动力推进系统，其具有低噪声的优点。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种声衬件，其特征在于，包括：
穿孔板；
蜂窝芯，包括多个相互分隔的蜂窝单元；以及
背板；
其中，所述穿孔板位于顶部，所述背板位于底部，两者之间为蜂窝芯，形成顶部开口底部封闭的多个相互分隔的共振腔；其中，每个所述蜂窝单元包括沿从中心至外围方向分布的多个蜂窝体，每个蜂窝体包括多个壁面，所述多个壁面的底部连接所述背板，在周向包围所述蜂窝单元的中心；在相邻的两个所述蜂窝体中，更接近外围的所述蜂窝体包围更接近中心的所述蜂窝体；所述多个蜂窝体之中，至少有两个所述蜂窝体的高度不同；
相邻的两个所述蜂窝体的壁面之间限定声学通道，靠近外围的所述蜂窝体的壁面具有入口孔，靠近中心的所述蜂窝体的壁面具有出口孔；所述蜂窝单元还包括隔板，相邻的两个所述蜂窝体通过所述隔板连接，所述入口孔与所述出口孔分别位于所述隔板的两侧。
2.如权利要求1所述的声衬件，其特征在于，所述多个蜂窝体均为六棱柱，所述隔板连接相邻的两个所述蜂窝体的相邻的棱边，所述入口孔位于包括有连接所述隔板的所述棱边的一侧的壁面，所述出口孔位于所述包括有连接所述隔板的所述棱边的另一侧的壁面。
3.如权利要求1所述的声衬件，其特征在于，所述多个蜂窝体的相邻的两个所述蜂窝体之间的间距相等。
4.如权利要求1所述的声衬件，其特征在于，所述多个蜂窝体的高度均不相同，所述多个蜂窝体的高度呈线性分布。
5.如权利要求1所述的声衬件，其特征在于，所述多个蜂窝体的高度均不相同，所述多个蜂窝体的高度呈正弦或余弦分布。
6.一种声衬件的制造方法，其特征在于，制造如权利要求1-5任意一项所述的声衬件。
7.一种动力推进系统，其特征在于，包括如权利要求1-5任意一项所述的声衬件。
8.如权利要求7所述的动力推进系统，其特征在于，所述动力推进系统包括燃气涡轮发动机，其短舱管道壁面设置有如权利要求1-5任意一项所述的声衬件。
9.一种蜂窝芯，用于声衬件，所述声衬件还包括穿孔板以及背板，所述蜂窝芯连接于所述穿孔板后构成共振腔，其特征在于，所述蜂窝芯包括多个相互分隔的蜂窝单元；形成顶部开口底部封闭的多个相互分隔的共振腔；其中，每个所述蜂窝单元包括沿从中心至外围方向分布的多个蜂窝体，每个蜂窝体包括多个壁面，所述多个壁面的底部连接所述背板，在周向包围所述蜂窝单元的中心；在相邻的两个所述蜂窝体中，更接近外围的所述蜂窝体包围更接近中心的所述蜂窝体；所述多个蜂窝体之中，至少有两个所述蜂窝体的高度不同；其中，相邻的两个所述蜂窝体的壁面之间限定声学通道，靠近外围的所述蜂窝体的壁面具有入口孔，靠近中心的所述蜂窝体的壁面具有出口孔；所述蜂窝单元还包括隔板，相邻的两个所述蜂窝体通过所述隔板连接，所述入口孔与所述出口孔分别位于所述隔板的两侧。
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