CN116075884A - 声学面板以及相关制造方法 - Google Patents

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安妮·罗斯
约书亚·科斯塔·巴普蒂斯塔
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Abstract

公开了一种声学面板，该声学面板包括两个基本平行的表层(2、3)，形成亥姆霍兹共振器的腔体设置在这两个基本平行的表层之间，所述表层(2、3)中的一个表层开有孔口(8a、8b、9)，这些孔口中的每个孔口通向所述腔体中的一个腔体并且形成共振器的颈部，该面板的特征在于，所述腔体中的一个或多个腔体由呈具有三角形基部的直棱柱形状的中空结构(4)形成。

Description

声学面板以及相关制造方法
技术领域
本发明总体上涉及声衰减，且更特别地涉及用于声衰减的装置、特别是用于航空航天领域中的声衰减的装置。
更准确地，本发明涉及一种声学面板、特别是一种用于推进单元的声学面板。
本发明还涉及一种用于制造这种声学面板的方法。
背景技术
航空航天工业的主要目标之一是降低飞行器发出的噪音。
允许这种降低的已知解决方案中的一种解决方案涉及使用声学面板，例如在涡轮机的风扇壳体的内表面上使用声学面板，并且该解决方案的声音消散机制基于亥姆霍兹共振(Helmholtz resonance)原理。
亥姆霍兹共振器(Helmholtz Resonator，HR)包括通过颈部连接到外部环境的腔体。因此，声音可以通过颈部透入共振器，之后在腔体中被消散。共振器在共振腔的固有频率下衰减声音，并遵循以下等式：
Figure BDA0004113533130000011
其中，Dn是颈部的开口直径；Ln是颈部的长度；Vc是腔体的体积；fr是共振器的共振频率；以及ν是声音在空气中的速度。
因此，共振器的几何参数决定了声音消散的频率。
尽管这种共振器对于消散低频率(大约500Hz至600Hz)的声音是特别有利的，但是此吸收频率范围很窄，因此已经进行了旨在使吸收峰值倍增的工作。
典型地，应用此原理的现有声学面板(称为“三明治面板”)包括两个基本平行的表层，腔体位于这两个表层之间并延伸以形成亥姆霍兹共振器，并且这些腔体例如以蜂窝状(六边形截面)进行组织。这些表层中的一个表层开有孔口，这些孔口通向腔体并且形成共振器的颈部。
然而，已知的声学面板的共振器的结构仅允许在给定的吸收频率下获得吸收，并且对于在各种频率下的吸收需要堆叠各种面板。
发明内容
因此，本发明的目的是克服这些缺点并且提出一种面板，该面板不是非常的昂贵且易于生产，从而既允许吸收相对低频率的噪音又允许在足够宽频率范围内吸收噪音。
因此，提出了一种声学面板，该声学面板包括两个基本平行的表层，在这两个基本平行的表层之间设置有形成亥姆霍兹共振器的腔体，所述表层中的一个表层开有孔口，每个孔口通向所述腔体中的一个腔体并且形成共振器的颈部。
此外，这些腔体中的一个或多个腔体由中空结构形成，该中空结构呈具有三角形基部的直棱柱形状。
有利地，该声学面板可以包括呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构的一个或多个组件，该一个或多个组件由侧壁限定，并且每个组件包括所述腔体中的一个或多个腔体。
优选地，一个或多个组件包括至少四个结构和中心腔体，每个结构呈具有三角形基部的直棱柱形状，该中心腔体在由具有三角形基部的直棱柱形成的结构之间形成。
根据一个实施例，开有孔口的所述表层可以包括第一孔口、第二孔口和第三孔口，该第一孔口和该第二孔口分别通向四个腔体中的第一腔体和第二腔体，该四个腔体由呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构形成，该第三孔口通向该中心腔体。
根据另一个实施例，开有孔口的所述表层包括第四孔口和第五孔口，该第四孔口和该第五孔口分别通向四个腔体中的第三腔体和第四腔体，该四个腔体由呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构形成。
优选地，该声学面板包括两个或更多个不同的孔口直径。
有利地，由具有三角形基部的直棱柱形成的多个结构通过该多个结构的多个边缘中的一个边缘而被连接到所述表层中的一个表层，并且边缘与表层之间的接口可以包括扩大的部分。
优选地，该声学面板形成整体结构。
本发明还涉及一种用于制造声学面板的方法，该方法包括通过增材制造来制造上述声学面板的步骤。
优选地，通过增材制造来制造的步骤通过熔丝制造(Fused FilamentFabrication，FFF)的技术进行。
附图说明
其他目标、优点和特征从下面的描述中将变得清楚，下面的描述仅是出于说明的目的而给出的并且参考了附图，在附图中：
[图1]展示了根据本发明的第一实施例的声学面板，该声学面板由共振芯中的多个腔体组件、以及由经开孔的表层形成，该经开孔的表层包括了每个腔体组件有三个孔口。
[图2]是根据图1中所展示的第一实施例的声学面板的共振芯的多个腔体组件中的一个腔体组件的立体图。
[图3]是图2中所展示的共振芯的腔体组件的仰视图。
[图4]展示了根据第一实施例的声学面板，其中，腔体组件的腔体根据可替代的、首尾相连构造进行设置。
[图5]是示出了与根据图4中所展示的第一实施例的声学面板相关的、吸收系数随频率的变化的曲线图。
[图6]展示了根据本发明的第二实施例的声学面板，该声学面板由共振芯中的多个腔体组件、以及由经开孔的表层形成，该经开孔的表层包括了每个腔体组件有五个孔口。
[图7]是示出了与根据图6中所展示的第二实施例的声学面板相关的、吸收系数随频率的变化的曲线图。
第一实施例的详细公开
图1展示了根据本发明的用于涡轮机的声学面板1。
声学面板1是被称为“三明治面板”的面板。该声学面板包括基本平行的第一表层2和第二表层3，形成亥姆霍兹共振器的多个腔体设置在第一表层与第二表层之间。
所述表层中的一个表层(在本示例中为第一表层2)开有孔口，每个孔口通向多个腔体中的一个腔体并且形成共振器的颈部。
此外，所述多个腔体中的一个或多个腔体由中空结构4形成，该中空结构呈具有三角形基部的直棱柱形状。
如图2和图3中可见，呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构4包括相反的两个三角形基部4a和4b、以及从共用的方形面4e延伸的相反的两个矩形面4c和4d。两个基部4a和4b与两个面4c和4d的接合处形成了与方形面4e相反设置的边缘5。结构4是中空的，由此围封一腔体。
所有的腔体优选地由呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构4形成，从而在两个表层2和3之间形成蜂窝状构造。
呈具有三角形基部的直棱柱形状的各个结构4的腔体彼此独立并且不连通。
优选地，形成多个腔体的多个结构4由侧壁6限定在多个组件或多个单元中。因此，声学面板由呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构4的多个组件形成。
在图2中，为了更容易地理解结构4的布置，仅示出了组件的四个侧壁6中的两个侧壁。
在图1所展示的示例中，每个组件包括四个呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构4。图2和图3中示出了组件的立体图和仰视图。
所示的四个结构4相对于穿过两个表层2和3并垂直于两个表层2和3的轴线彼此成90°设置。这种布置有利地允许优化空间。
此外，组件的四个结构4被设置成使得每个边缘5被设置成面向第二表层3。
每个组件还包括中心腔体7，该中心腔体形成在由具有三角形基部的直棱柱形成的结构4之间。换句话说，中心腔体7对应于由侧壁6限定的组件内部的位于结构4之间的自由空间。
根据所示的第一实施例，开有孔口的表层(此处对应于第一表层2)可以包括位于同一组件中的三个孔口。第一孔口8a和第二孔口8b分别优选地在方形面4e处通向四个腔体中的第一腔体和第二腔体，该四个腔体由呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构形成。
此外，第三孔口9通向中心腔体7。
在本示例中，第一孔口8a和第二孔口8b具有不同的直径。此外，第三孔口9的直径大于第一孔口8a的直径和第二孔口8b的直径。
例如，第一孔口8a和第二孔口8b可以被设置成使得它们通向四个结构4中对角地设置在结构4的同一组件内的两个结构，该四个结构由具有三角形基部的直棱柱形成。
在本实施例中，由具有三角形基部的直棱柱形成的四个结构4中的两个结构未被用作共振腔体。
由具有三角形基部的直棱柱形成的结构4通过边缘5连接到所述表层2和3中的一个表层，在本示例中是第二表层3。优选地，边缘5与表层之间的接口包括扩大的部分或边界，该扩大的部分或边界通过结构4与第二表层之间的连接的增强来增强声学面板的机械稳定性。
因此，呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构4的四个腔体各自形成亥姆霍兹共振器。
根据图4中所展示的替代方案，呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构4可以根据首尾相连的构造进行设置，以便优化声学面板内的空间。
图5的曲线图示出了在具有包括三个孔口的构造的声学面板(如图4中所展示，这些结构首尾相连地设置)上测量的吸收系数随频率(单位为Hz)的变化。在所展示的示例中，经开孔的第一表层的厚度、以及由此与孔口8a、8b和9相关联的颈部的厚度被选择为等于4mm，并且第一孔口8a、第二孔口8b和第三孔口9的直径分别为2mm、2.5mm和3mm。
在这种构造中，在图中可以观察到三个界限分明的吸收峰值。在这种构造中，可以在大约500Hz、1100Hz和1400Hz观察到这些峰值。
由中心腔体7(其具有的体积大于结构4的腔体)形成的共振器在大约500Hz的低频率下产生峰值，而由两个呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构4形成的共振器在大约1100Hz和1400Hz的高频率下产生了两个峰值，孔口8a和8b分别通向这两个结构。
使用两种类型的腔体是特别有利的，并且允许在500Hz与1500Hz之间的宽频率范围内获得多个峰值。
第二实施例的详细公开
图6展示了声学面板10的第二实施例，其中经开孔的表层包括五个孔口。与图1中所展示的第一实施例类似，第一表层2包括第一孔口8a和第二孔口8b，该第一孔口和该第二孔口分别优选地在方形面4e处通向四个腔体中的第一腔体和第二腔体，该四个腔体由呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构4形成。
此外，第一表层2包括第四孔口11a和第五孔口11b，该第四孔口和该第五孔口分别通向四个腔体中的第三腔体和第四腔体，该四个腔体由呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构4形成。
优选地，多个孔口8a、8b、9、11a和11b具有四个或五个不同的直径。
图7的曲线图示出了在具有包括五个孔口的构造的声学面板(如图6中所展示)上测量的吸收系数随频率(单位为Hz)的变化。在所展示的示例中，经开孔的第一表层的厚度、以及由此与孔口8a、8b和9相关联的颈部的厚度被选择为等于3mm，并且第一孔口8a、第二孔口8b、第三孔口9、第四孔口、第五孔口的直径分别为2mm、2.5mm、3.5mm、3mm和3mm。
在图中可以观察到五个界限分明的吸收峰值。在这种构造中，在大约500Hz的低频率下、以及在大约800Hz、1100Hz、1400Hz和1500Hz的更高频率下观察到这些峰值。
由中心腔体7(其具有的体积大于结构4的腔体)形成的共振器在大约500Hz的低频率下产生峰值，而由四个呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构4形成的共振器在更高频率下产生四个峰值，孔口8a、8b、11a和11b分别通向这四个结构。
使用两种类型的腔体是特别有利的，并且允许在500Hz与1500Hz之间的宽频率范围内获得多个峰值。
这种声学面板允许获得比包括三个孔口的面板更大的吸收，特别是在600Hz与1000Hz之间更是如此。获得了500Hz与1500Hz之间的宽范围的吸收频率。
当然，对于声学面板来说，可以包括多个(不是三个或五个)不同的孔口直径，例如两个、四个或多于五个不同的孔口直径。
优选地，声学面板1或10形成整体结构。
在本发明的意义上，整体是指由单个模块形成的结构。
如上文详述的，根据本发明的声学面板1、10允许在600Hz至1500Hz的宽频率范围内通过多个吸收峰值吸收噪音。
本发明还涉及一种用于制造声学面板1、10的方法。该方法包括通过增材制造来制造的步骤。因此，增材制造具有的优点是能够在单个步骤中简单且快速地制造声学面板(例如，声学面板1和10)。
优选地，通过增材制造来制造的步骤通过熔丝制造FFF的技术来进行，该技术特别地适于生产上述的包括了由具有三角形基部的直棱柱形成的结构4的复杂结构。
增材制造是指通过材料层的相继沉积或固结来制造零件。
因此，声学元件在单个操作中制成，并且因此是整体的。
优选地通过增材制造而制造的声学面板可以包括至少一种增强热塑性材料和/或至少一种非增强热塑性材料。
增强材料是指其中的填料改善了基体性能(例如，机械性能)的复合材料。
根据一个示例，声学面板的第一表层2和第二表层3可以由增强的热塑性材料(例如，碳纤维)制成，而同时腔体由非增强的热塑性材料制成。通过增材制造来制造这种声学面板可以通过包括两个挤压头的设备，优选通过熔丝制造FFF的技术，在单个操作中进行。
优选地，声学面板由热塑性聚合物材料(例如，聚酰胺)制造、或者由具有聚合物基体的复合材料制造，这对于通过熔丝制造而实现的增材制造是特别有利的并且允许既增强结构又使结构减轻。根据一个实施例，具有聚合物基体的复合材料可以包括碳纤维填料。
因此，声学面板结合了增强的机械强度和噪音吸收能力。
应当注意，还可以在通过增材制造以制造声学面板1、10的步骤之后，通过机械方法在第二步骤中产生各个孔口8a、8b、9、11a和11b。

Claims (11)

1.一种声学面板，所述声学面板包括两个基本平行的表层(2、3)，在所述表层之间设置有形成亥姆霍兹共振器的腔体，所述表层(2、3)中的一个表层开有孔口(8a、8b、9)，每个孔口通向所述腔体中的一个腔体并且形成所述共振器的颈部，其特征在于，所述腔体中的一个或多个腔体由中空结构(4)形成，所述中空结构呈具有三角形基部的直棱柱形状。
2.根据权利要求1所述的声学面板，其特征在于，所述声学面板包括呈具有三角形基部的直棱柱形状的中空结构(4)的一个或多个组件，所述一个或多个组件由侧壁(6)限定，并且每个组件包括所述腔体中的一个或多个腔体。
3.根据权利要求2所述的声学面板，其特征在于，所述一个或多个组件包括：至少四个呈具有三角形基部的直棱柱形状的中空结构(4)；以及中心腔体(7)，所述中心腔体形成在呈具有三角形基部的直棱柱形状的所述中空结构(4)之间。
4.根据权利要求3所述的声学面板，其特征在于，开有孔口的所述表层(2)包括第一孔口(8a)、第二孔口(8)和第三孔口(9)，所述第一孔口和所述第二孔口分别通向四个腔体中的第一腔体和第二腔体，所述四个腔体由呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构(4)形成，所述第三孔口通向所述中心腔体(7)。
5.根据权利要求4所述的声学面板，其特征在于，开有孔口的所述表层(2)包括第四孔口(11a)和第五孔口(11b)，所述第四孔口和所述第五孔口分别通向由呈具有三角形基部的直棱柱形状的结构(4)形成的所述四个腔体中的第三腔体和第四腔体。
6.根据前述权利要求中任一项所述的声学面板，其特征在于，所述声学面板包括两个或更多个不同的孔口直径。
7.根据前述权利要求中任一项所述的声学面板，其特征在于，由呈具有三角形基部的直棱柱形成的多个结构(4)通过所述多个结构的多个边缘中的一个边缘连接到所述表层(2、3)中的一个表层，所述边缘(5)与所述表层(2)之间的接口包括扩大的部分(5)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的声学面板，其特征在于，所述声学面板形成整体结构。
9.一种用于制造声学面板的方法，所述方法包括通过增材制造来制造根据前述权利要求中任一项所述的声学面板(1、10)的步骤。
10.根据权利要求9所述的用于制造声学面板的方法，其特征在于，所述第一表层(2)和所述第二表层(3)由增强热塑性材料制成，并且所述腔体由非增强热塑性材料制成。
11.根据权利要求9或10所述的制造方法，其特征在于，通过增材制造来制造的步骤通过熔丝制造FFF的技术进行。
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