CN116529811A - 包括折叠有序超多孔材料的声处理涂层 - Google Patents
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Abstract
一种包括超材料(201)的声学处理涂层，其特征在于，所述超材料包括固体结构(210)，所述固体结构(210)包括形成折叠空腔的至少一个自由空间(211，212，213)和放置在固体结构的所述自由空间中的至少一种多孔材料。
Description
技术领域
本发明涉及用于吸收噪声的声学处理的一般领域，并且更特别地，涉及包括用于吸收噪声的多孔材料的声学处理。
背景技术
多孔材料被用来在发动机中，并且尤其在航空器风扇中吸收宽范围的声频上的噪声。这些多孔材料的噪声吸收的低频限制与它们的厚度有关。当需要吸收低频率时，这变得相当受限。此外，显著的噪声吸收仅在多孔材料的粘性-惯性过渡频率之上是可能的，其然后将在惯性状态下起作用。该过渡频率取决于多孔材料的微结构。
新的发动机架构具有以低速旋转的风扇，这降低了待衰减的频谱的声频。实际上，风扇的转速的减小意味着风扇的叶片通过频率(BPF)的减小，这是由BPF n＝nBΩ/60定义的，其中n是频率BPF的谐波，B是风扇的叶片的数量，并且Ω是风扇的转速。
当多孔材料的厚度大约等于声学波长的四分之一时，通常获得最小完美吸收频率。这具有需要基于多孔材料的声学处理的直接结果，所述多孔材料体积太大，并且因此与新一代航空器发动机的薄吊舱中的可用空间不相容。
因此，希望具有能够吸收低频率，同时保持紧凑和相对薄的声学处理涂层。
发明内容
本发明涉及一种包括超材料的声学处理涂层，其特征在于，该超材料包括固体结构，该固体结构包括形成折叠空腔的至少一个自由空间，以及被放置在固体结构的所述自由空间中的至少一种多孔材料。
通过使用固体结构，其中至少一种多孔材料放置在自由空间中，该自由空间形成折叠空腔，例如由螺旋体形状限定该折叠空腔，可以增加涂层内的多孔材料的长度。因此，穿过本发明的涂层的声波在多孔材料内部行进了比涂层的实际厚度更长的有效距离。这有效地衰减了声频。因此，例如当由螺旋体形状限定自由空间时，螺旋体的旋转圈数越高，有效距离越大，并且在低频率下获得完美吸收就越可能。此外，由于超材料的体积是固定的，所以螺旋体的旋转圈数越高，被声波交叉的多孔材料的面积越低。这表现为越来越细的吸收峰。
根据本发明的特定特征，折叠空腔由螺旋体限定。
根据本发明的另一特定特征，通过增材制造生产超材料。
使用增材制造以形成超材料，特别是固体结构的超材料的优点在于，能够将固体结构的几何形状(自由空间的数量、折叠空腔的数量等)精确地适配于期望衰减的频率。
根据本发明的特定特征，由以下各项生产固体结构：
-聚合物材料，例如热塑性材料PEEK(聚醚醚酮)、或热塑性聚酰亚胺PEI(聚醚酰亚胺)，其提供良好挤出的优点，并且具有改善的性能(机械强度、耐火性、耐热性等)；或
-PEEK和PEI的混合物，该混合物可以通过(例如，由碳化硅制成的)碳纤维或陶瓷纤维增强，以便增加结构的机械性能；或
-热塑性材料，诸如尼龙、ABS或聚合物PLA，其可以用或可以不用纤维(例如，碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉(Kevlar)纤维)或甚至用粉末增强，以增加结构的强度；或
-由聚合物基体和交联剂组成的热固性材料，其可能包括玻璃珠或甚至硅石珠，以便改进磨损和侵蚀特性；或更广泛地由以下各项制成：
-钛合金金属材料，如Ti6A4IAV；或
-基于镍铬合金(Inc718)、镍铬铁钼合金(Hastelloy X)或甚至基于镍合金(Rene77)的金属材料；或
-用于增加耐热和耐腐蚀的陶瓷基金属材料；或由以下组成：
-铝合金金属材料。
更一般地，固体结构可以由任何材料制成，可以通过各种已知的增材制造工艺在三维中打印该任何材料。
根据本发明的实施方式，每种多孔材料包括彼此上下叠置的长丝层。
使用此类多孔材料的优点是能够针对有待衰减的频率，精确地调整多孔材料的几何形状(长丝的直径、各层之间的厚度、孔尺寸等)，并且因此优化声学处理。例如，多孔材料的有效厚度控制峰吸收频率，而孔的几何形状影响这些频率，并且控制相应的吸收水平。例如，长丝的直径越小，吸收峰越宽，并且孔越小，损失越高。
在增材制造中，也容易调整形成多孔材料的长丝和层的几何形状。
增材制造还使得可以同时生产固体结构和多孔材料，这有助于将多孔材料放置在固体结构的自由空间内。
根据本发明的特定特征，由泡沫或毡、或由随机材料或由可以控制微结构的任何多孔材料生产每种多孔材料。
根据本发明的另一特定特征，固体结构包括2至6个之间的自由空间，每个自由空间形成折叠空腔。例如，折叠空腔由至少一个螺旋体限定。
通过使用固体结构的多个自由空间，或者通过组装多个固体结构，可以平行地组装具有不同性能(多孔材料的有效厚度、结构)的多个折叠的多孔材料。
根据本发明的另一特定特征，固体结构的横截面为圆形、三角形、六边形或矩形。
根据本发明的另一特定特征，超材料的厚度在5mm与500mm之间。它例如在15mm与150mm之间。
根据本发明的另一特定特征，由固体结构的空的空间形成的折叠空腔是相同的。
根据本发明的实施方式，固体结构的至少一个折叠空腔具有不同于其他空腔的长度。这种情况称为内部失谐。如果由螺旋体限定折叠空腔，内部失谐可以例如通过外部失谐来产生，通过组装在固体结构之间具有不同螺旋体的旋转圈数的多个固体结构实现该外部失谐。还可以通过组装相同的固体结构若干次，通过内部失谐产生它们，但是对于内部失谐，折叠空腔在到达处理的底部之前被中断。
通过在折叠空腔之间具有不同的尺寸，于是有可能在自由空间中具有不同尺寸的多孔材料(多孔材料的有效厚度、结构)。通过具有不同的尺寸，将有可能以待衰减的特定声频为目标，并且因此加宽衰减频带。
本发明的另一目的是包括根据本发明的声学处理涂层的涡轮机风扇。
附图说明
参照附图，根据下面给出的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，所述附图示出了非限制性的示例性实施方式。
图1示意性地和部分地示出了包括根据本发明的实施方式的声学涂层的涡轮机的截面。
图2A示意性地和部分地示出了根据本发明的实施方式的声学处理涂层的超材料的透视图。
图2B示意性地和部分地示出了根据本发明的另一实施方式的声学处理涂层的超材料的透视图。
图2C示意性地和部分地示出了根据本发明的另一实施方式的声学处理涂层的超材料的透视图。
图3示意性地和部分地示出了根据多个实施方式的声学处理涂层的多孔材料。
图4示出了包括根据本发明实施方式的超材料的声学处理涂层和仅包括笔直(未折叠的)多孔材料的声学处理涂层的随声频变化的吸收。
图5示出了本发明的多个实施方式的声学处理涂层的随声频变化的吸收。
图6示意性地和部分地示出了根据实施方式的声学处理涂层的多孔材料，以及其随声频变化的吸收。
具体实施方式
图1示意性地和部分地示出了涡轮机100的截面。涡轮机100包括风扇120和薄的吊舱130。根据本发明实施方式的声学处理涂层110存在于吊舱130的一部分上。
涂层110可吸收低频，例如在1000Hz与2000Hz之间，同时具有相对薄的厚度，在涂层中所包括的超材料的厚度在5mm与500mm之间，并且更特别地在15mm与150mm之间。
图2A、2B和2C示意性地和部分地示出根据本发明的多个实施方式的声学涂层的超材料的透视图。
在图2A中，超材料201包括固体结构210和三个自由空间211、212和213。每个自由空间211、212和213由具有0.75旋转圈的螺旋体241、242和243形成。超材料201具有六边形横截面，并且自由空间211、212和213相同。
在图2B中，超材料202包括固体结构220和六个自由空间221、222、223、224、225和226。每个自由空间221至226由具有一旋转圈的螺旋体形成。超材料202具有六边形横截面，并且由螺旋体形成的自由空间221至226是相同的。
在图2C中，超材料203包括固体结构230和四个自由空间231、232、233和234。每个自由空间231、232、233和234由具有0.75旋转圈的螺旋体形成。超材料203具有六边形横截面，并且自由空间231至234相同。
更一般地，形成固体结构的自由空间的螺旋体的旋转圈数可在0.1与100之间变化。
每个超材料201、202和203还包括放置在超材料201至203的每个自由空间211至213、221至226和231至234中的多孔材料。
无论实施方式如何，固体结构可以由以下各项制成：
-聚合物材料，例如热塑性材料PEEK(聚醚醚酮)、或热塑性聚酰亚胺PEI(聚醚酰亚胺)，其提供良好挤出的优点，并且具有改善的性能(机械强度、耐火性、耐热性等)；或
-PEEK和PEI的混合物，该混合物可以通过(例如，由碳化硅制成的)碳纤维或陶瓷纤维增强，以便增加结构的机械性能；或
-热塑性材料，诸如尼龙、ABS或聚合物PLA，其可以用或可以不用纤维(例如，碳纤维、玻璃纤维或凯夫拉纤维)或甚至用粉末增强，以增加结构的强度；或
-由聚合物基体和交联剂组成的热固性材料，其可能包括玻璃珠或甚至硅石珠，以便改进磨损和侵蚀特性；或更广泛地由以下各项制成：
-钛合金金属材料，如Ti6A4IAV；或
-基于镍铬合金(Inc718)、镍铬铁钼合金(Hastelloy X)或甚至基于镍合金(Rene77)的金属材料；或
-用于增加耐热和耐腐蚀的陶瓷基金属材料；或由以下组成：
-铝合金金属材料。
形成固体结构的材料还可以是可磨损材料或多孔材料。
无论实施方式如何，可以通过增材制造来生产固体结构。这使得可以容易地将固体结构的尺寸，例如，结构和自由空间的横截面形状、自由空间的数量、或甚至折叠空腔的数量，调整到声学处理的所希望的性能。
无论实施方式如何，超材料中所包括的多孔材料可以包括彼此上下叠置的长丝层。
无论实施方式如何，多孔材料还可以是泡沫或毡，或随机(蜂窝状)材料或可控制微结构的任何其他多孔材料。例如，它可以是由微通道组成的多孔材料，或多孔纤维材料，或多孔蜂窝状材料，例如具有连接孔的泡沫，或甚至多孔颗粒材料，例如粉末。
图3示出了包括根据本发明的多个实施方式的长丝层的多孔材料301、302、303和304的实施例。
多孔材料301包括长丝311至317，长丝311至317形成彼此上下叠置的两层。长丝311至317具有圆形横截面。两个相邻层的两个长丝之间，例如，长丝311与317之间，形成的角度是90°。
多孔材料302包括长丝321至327，长丝321至327形成彼此上下叠置的两层。长丝321至327具有正方形横截面。两个相邻层的两个长丝之间，例如，长丝321与327之间，形成的角度是90°。
多孔材料303包括长丝331至337，长丝331至337形成彼此上下叠置的两层。长丝331至337具有三角形横截面。两个相邻层的两个长丝之间，例如，长丝333与337之间，形成的角度α大于90°。
多孔材料304包括长丝341至352，长丝341至352形成彼此上下叠置的三层。长丝341到352成对布置，并且具有圆形横截面。在来自两个相邻层的两对长丝之间，例如在一对长丝341、342与一对长丝343、344之间，形成的角度α是90°。
更一般地，形成多孔材料的叠置层的长丝可具有三角形、六边形、矩形、正方形、圆形、星形或任何形状的横截面。
此外，长丝的直径或特征长度可以在1μm与2000μm之间变化。
长丝之间的间距L可以在1μm与10mm之间。
多孔材料(换言之，长丝的层的叠置)的高度可以在5mm与50cm之间变化。通常，形成多孔材料的长丝层之间的高度可以在长丝直径的0.1与100倍之间变化。
两个相邻层的两个长丝之间形成的角度α可以在0°与180°之间变化。
无论实施方式如何，可以通过增材制造生产长丝层。特别地，这使得可以将长丝和多孔材料层的尺寸精确地调整到期望吸收的频率范围和期望的声学处理性能。此外，多孔材料和固体结构的长丝层可以使用增材制造同时生产。
图4示出了包括根据本发明实施方式的超材料的声学处理涂层与仅包含多孔材料的声学处理涂层的随声频f变化的在正入射下的吸收A。根据本发明的超材料由单一类型的多孔折叠材料构成；不存在失谐。声频f以赫兹表示，并且在0与6000Hz之间变化。
曲线401代表仅包含一种笔直的均匀多孔材料的涂层的吸收A。因此没有折叠空腔。该多孔材料包括彼此上下叠置的长丝。长丝的直径D为200μm。长丝的中心之间的间距L是670μm。涂层的厚度为30mm。
曲线402表示根据本发明的实施方式的涂层的吸收A。本发明的超材料包括多孔材料，该多孔材料包括彼此上下叠置的长丝层。长丝的直径D是200μm，并且长丝的中心之间的间距L是400μm。形成固体结构的自由空间的螺旋体具有1的旋转圈数。超材料具有30mm的厚度。
曲线401和402的比较表明，根据本发明的涂层确实可以吸收比仅包括笔直的均匀多孔材料的常规涂层更低的频率。该比较还显示根据本发明的涂层导致吸收峰更细。
图5示出了根据本发明的实施方式的两个声学处理涂层的随着声频f变化的吸收。声频f以赫兹表示，并且在0与6000Hz之间变化。
曲线501示出了本发明的涂层的吸收A，其中多孔材料包括彼此上下叠置的长丝层，长丝具有400μm的直径。涂层的超材料的自由空间由具有1旋转圈的螺旋体形成。长丝之间的间距是670μm。
曲线502示出了本发明的涂层的吸收A，其中多孔材料包括彼此上下叠置的长丝层，长丝具有200μm的直径。涂层的超材料的自由空间由具有1旋转圈的螺旋体形成。长丝之间的间距为1000μm。
对于曲线501和502中的每个，涂层具有30mm的厚度。
两条曲线501和502的比较表明，通过在保持螺旋体的旋转圈数恒定的同时，减小长丝的直径，可以使吸收峰围绕局部最大值加宽。
根据另一实施方式，根据本发明的超材料的自由空间也可具有不同的尺寸。为此，例如，可以改变形成自由空间的螺旋体的长度。通过组合多个长度的折叠空腔，相邻频率处的吸收峰被组合，并且因此在宽频率范围上获得能够有效地吸收噪声(吸收A接近1)的涂层。在这些自由空间的每一个中所包括的多孔材料还适用于调整其损耗，并且可以衰减目标频率。因此，涂层包括各自被调谐到特定频率的自由空间。
图6示出了这种类型的涂层的实施例(图6A)以及此涂层随声频f的变化的吸收A(曲线601，图6B)。涂层的超材料600包括4个固体结构610、620、630和640。每个固体结构610、620、630和640包括具有不同旋转圈数的折叠空腔。形成存在于折叠空腔中的多孔材料的长丝具有200μm的厚度。
将该涂层600的吸收A(曲线601)与仅包括单个固体结构的涂层的吸收A(602)进行比较。这两个涂层具有30mm的厚度。在仅包含单一固体结构的涂层中，长丝之间的间距为670μm，并且其厚度为200μm。该涂层的折叠空腔具有1个旋转圈。
通过比较曲线601和602，清楚地观察到具有超材料600的涂层在100Hz与2500Hz之间的宽频率范围上具有接近1的吸收A，而具有单个固体结构的涂层仅在100Hz处具有1的吸收峰A。
表述“在……与……之间”应理解为包括极限值。
Claims (10)
1.一种包括超材料(201、202、203、600)的声学处理涂层(110)，其特征在于，所述超材料包括固体结构(210、220、230、610、620、630、640)，所述固体结构包括形成折叠空腔的至少一个自由空间(211至213，221至226，231至234)和放置在固体结构的所述自由空间中的至少一种多孔材料(301，302，303，304)。
2.根据权利要求1所述的声学处理涂层，其中，由螺旋体限定折叠空腔。
3.根据权利要求1或2所述的声学处理涂层，其中，通过增材制造生产超材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的声学处理涂层，其中，每种多孔材料(301、302、303、304)包括彼此上下叠置的长丝层(311至317，321至327，331至337，341至352)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的声学处理涂层，其中，所述固体结构包括在2与6个之间的自由空间，每个自由空间形成折叠空腔。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的声学处理涂层，其中，所述固体结构的横截面是圆形、三角形、六边形或矩形。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的声学处理涂层，其中，所述超材料的厚度在5mm与500mm之间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的声学处理涂层，其中，由所述固体结构的自由空间形成的折叠空腔是相同的。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的声学处理涂层，其中，所述固体结构的至少一个折叠空腔(630)具有不同于其他折叠空腔(610、620、640)的长度。
10.一种涡轮机(100)风扇(120)，包括根据权利要求1至9中任一项所述的声学处理涂层。
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