CN117746826A - 一种抗声疲劳的多频吸声装置及具有该装置的飞行器 - Google Patents

Abstract

一种抗声疲劳的多频吸声装置，包括开孔面板和底板，在所述开孔面板和底板之间有第一级吸声芯体和第二级吸声芯体，所述第一级吸声芯体和所述第二级吸声芯体之间设有第一夹层开孔板，其特征在于，所述第一夹层开孔板是相对于所述底板倾斜的，所述第一级吸声芯体的厚度沿着所述第一夹层开孔板的倾斜方向增加或减小，所述第二级吸声芯体的厚度沿着所述第一夹层开孔板的倾斜方向减小或增加。本申请的结构制造工艺简单，能够多频段吸收声能，还能够提高所应用结构的声疲劳寿命。本申请还涉及具有上述抗声疲劳的多频吸声装置的飞行器。

Description

一种抗声疲劳的多频吸声装置及具有该装置的飞行器

技术领域

本申请涉及吸声结构领域，尤其是涉及吸收多频段声能的吸声装置；本申请还涉及飞行器的吸声降噪领域，具体如飞机短舱声衬结构、AP声衬结构、舱内吸声面板等。

背景技术

蜂窝夹芯结构由于其强度高、质量轻等特性，被广泛应用于飞机中，同时，若在蜂窝夹芯结构上面板进行开孔处理，可以用于吸收声能同时提高结构声疲劳寿命。

例如发动机短舱进气道声衬结构通常使用穿孔板与蜂窝腔结合类型的结构，其主要功能是当噪声传播过程中通过穿孔板表面进入腔体时，蜂窝壁附近的质点将黏着于壁面，速度为零，而远离壁面的点，受到壁面的约束越小，速度越大，此时，空腔内部出现速度梯度，这样各媒质之间产生相对运动，这种现象称为内摩擦力或者空气的粘滞作用。由于空气的粘滞作用，部分噪声的声能可以转化为热能并消耗掉，可以同时起到吸收声能并且对结构的声疲劳寿命有积极的影响。

但是，传统的吸声结构虽然可以针对特定频带进行定制化设计，但是其有效降噪频带一般呈现窄带特性。

现有技术已有多种吸声结构，如CN113734453A提出一种蜂窝隔音结构。所述蜂窝隔音结构包含隔膜，且隔膜包括至少一个孔口、封盖、以及孔口至少一根管，这种蜂窝结构使得能够处理较宽声学频谱，但其制造工艺复杂，同时这种蜂窝结构虽然能够处理较宽声学频谱，但吸声频段仍较为固定且单一。再如CN114080353 A涉及具有蜂窝结构的隔音覆盖层，具有截面逐步变窄直至其封闭的第一腔室，以及通过底部通道连接的第二腔室，由此实现低频的宽带隔音覆盖，但是制造工艺复杂，吸收声能的频带较窄。现有技术CN112776995A提出用于飞行器发动舱的多频吸收声学板，其包含第一衰减级微穿孔抵抗性蒙皮，第二衰减级穿有孔的隔片、背部蒙皮结构，可以通过调节隔片的厚度、隔片中孔的尺寸、隔片的孔隙率以及第二衰减级的高度以使平均被衰减的低频与飞行器发动机的振动频率匹配。然而，隔片的厚度较大，会带来较大的重量成本，同时隔片一经固定，仅可实现特定频率的吸声功能。

发明内容

本申请旨在提供一种抗声疲劳的多频吸声装置，其结构制造工艺简单，能够多频段吸收声能。进一步地，本申请的抗声疲劳的吸声装置还能够提高所应用结构的声疲劳寿命。本申请还旨在提供一种具有上述抗声疲劳的多频吸声装置。

为此，本申请提供了一种抗声疲劳的多频吸声装置，包括开孔面板和底板，在所述开孔面板和底板之间有第一级吸声芯体和第二级吸声芯体，所述第一级吸声芯体和所述第二级吸声芯体之间设有第一夹层开孔板，其特征在于，所述第一夹层开孔板是相对于所述底板倾斜的，所述第一级吸声芯体的厚度沿着所述第一夹层开孔板的倾斜方向增加或减小，所述第二级吸声芯体的厚度沿着所述第一夹层开孔板的倾斜方向减小或增加。

藉由上述技术方案，本申请在传统的单层吸声板的基础上增加可以调节倾斜角度的夹层开孔板，实现多频段的吸声功能。此外，在面板和夹层开孔板上合理地开孔，可以实现提升结构声疲劳寿命的功能；双层或更多层吸声芯体结构能增强吸声功能；双层蜂窝夹芯结构具备较优的承载能力。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，还包括第三级吸声芯体，其与所述第二级吸声芯体之间设有第二夹层开孔板，所述第二夹层开孔板是相对于所述底板倾斜的，其倾斜方向或角度与所述第一夹层开孔板的所述倾斜方向或角度相同或不同，所述第二级吸声芯体和所述第三级吸声芯体的厚度分别沿所述第二夹层开孔板的倾斜度增加或减少。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，还包括第四级吸声芯体，其与所述第三级吸声芯体之间设有第三夹层开孔板，所述第三夹层开孔板是相对于所述底板倾斜的，其倾斜方向与所述第一夹层开孔板、第二夹层开孔板的倾斜方向或角度相同或不同，所述第三级吸声芯体和所述第四级吸声芯体的厚度分别相对于所述第三夹层开孔板的倾斜度增加或减少。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，所述开孔面板的开孔总面积占所述开孔面板总面积的孔隙率在0-10％之间。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，所述第一夹层开孔板的开孔总面积占所述第一夹层开孔板总面积的孔隙率在0-10％范围内。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，所述开孔面板的厚度在0.05mm-5mm的范围内。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，所述第一夹层开孔板的厚度在0.05mm-5mm的范围内。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，所述第一夹层开孔板相对于所述底板的倾斜度为在0-90°范围内。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，所述第一级吸声芯体、所述第二级吸声芯体分别是由蜂窝芯体构成。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，所述第三级吸声芯体是由蜂窝芯体构成。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，所述第四级吸声芯体是由蜂窝芯体构成。

依据本申请的抗声疲劳的多频吸声装置，较佳地，所述蜂窝芯体是大致六边形蜂窝结构。

本申请还旨在提供一种具有上述抗声疲劳的多频吸声装置。

附图说明

通过阅读以下仅通过示意而非限制性的示例给出的说明书，本申请的其它特征和优点现将变得明显，说明书附有：

图1是本申请抗声疲劳的多频吸声装置一实施例立体图示意图，其中面板被局部拆除；

图2是图1所示实施例的纵向截面图；

图3是图2中A部局部截面图；

图4是本申请抗声疲劳的多频吸声装置又一实施例立体图示意图；

图5是图4所示实施例的纵向截面图。

附图标记列表

开孔面板1

开孔11

底板2

第一级吸声芯体3

第二级吸声芯体4

第一夹层开孔板5

第二夹层开孔板6

第三级吸声芯体7

具体实施方式

以下对本申请的抗声疲劳的多频吸声装置的特征、效果等进行详细描述，其中本文中所称的“左”、“右”分别面对纸面观察时的左侧和右侧，“纵向”是指沿与纸面平行方向。

如图1所示，本申请的抗声疲劳的多频吸声装置一个实施例的立体图示意图，其中，为显示清楚，拆除了其面板1的一部分。该多频吸声装置还包括和该面板1平行布置的底板2。本领域技术人员亦可以理解，根据应用场合需要，面板1亦可以不与底板2平行设置。在面板1上设有若干开孔11，这些开孔11的孔径为d1，开孔总面积占面板总面积的孔隙率在0-10％的范围内。开孔面板1可根据使用环境而由金属或其它复合材料制成，例如可从铝合金、钛合金、碳纤维复材、玻璃纤维复材等类似材料选择。开孔面板1的厚度t1约在0.05-5mm范围内。底板2亦可以根据使用环境的需要由金属或复合材料制成，其材料可以与面板1相同或不同。

在面板1与底板2之间设有第一级吸声材料3和第二级吸声材料4，这些吸声材料可以是如图所示的蜂窝芯体，其中蜂窝形状为正六边形；当然也可以是如本领域技术人员所知的其它多边形状的吸声材料。

在如图1所示的实施例中，第一级蜂窝芯体3和第二级蜂窝芯体4之间设有第一夹层开孔板5，该第一夹层开孔板5上亦设有开孔d(如图3所示)，该第一夹层开孔板的开孔总面积占其总面积的孔隙率在0-10％范围内。在本申请中，第一夹层开孔板5是相对于面板1和底板2倾斜的，其倾斜角度θ以底板2为基准的话，约在0-90°的范围内，其厚度t2约在0.05-5mm范围内。

同时，如图所示，第一级蜂窝芯体3和第二级蜂窝芯体4的厚度具有与夹层开孔板5倾斜度相适应的变化。在本实施例中，第一级蜂窝芯体3的厚度由左向右逐渐变大，而第二级蜂窝芯体4的厚度则由左向各逐渐减小。由此可见，由于第一级蜂窝芯体3和第二级蜂窝芯体4的厚度因夹层开孔板5的倾斜度而产生多种不同的变化，从而使得在面板1与夹层开孔板5之间的各第一级蜂窝芯体3的吸声腔体容积、底板2与夹层开孔板5之间的各第二级蜂窝芯体4的吸声腔体容积产生多种不同的变化，从而形成吸声频带不同的赫姆霍兹共鸣器腔体，亦随之可调整吸声频段的范围。

对于每层吸声结构的吸声系数可如下计算得出，例如由夹层开孔板5、第二级蜂窝芯体4、底板2形成的赫姆霍子共鸣器，腔体体积为V2(如图3所示)，其声容为：

其中，ρ0为媒质密度，c0为声速。

板上开孔部分构成一声质量为：

其声阻为：

其中η为流体的切变粘滞系数，ω为声波频率。

其声抗为：

不妨设其中S为该赫姆霍子共鸣器腔体的底面积。

该腔体其吸声系数为：

当y_s＝0或时，即共鸣器共振时，吸声系数达到最大。

再参见图2和图3，图2分别示出了沿图1中纵向的截面图，该截面图上所标示的局部A的放大图如图3所示，其所表示是在开孔面板1、底板2、夹层开孔板5之间由第一级蜂窝芯体3、第二级蜂窝芯体4所分别形成的赫姆霍兹共鸣器腔体v1和v2，图中箭头表示声音入射方向。可以理解的是，在本申请中，赫姆霍兹共鸣器的吸声能力、吸声结构的品质因素与其腔体的体积V、各面板的厚度t、各开孔孔径d相关，通过改变夹层开孔板5的倾斜角度θ，可以实现腔体体积的变化，当共鸣器发生共振时，吸声系数达到极大值，当吸声结构的品质因素越小，吸声频带越宽。

开孔面板与其后不同体积的空腔形成一系列的赫姆霍兹共鸣腔，结构吸声曲线出现多个峰值，在较宽频率范围结构吸声性能得到提升。此外，第一级蜂窝芯体4和第二级蜂窝芯体6的尺寸亦可以调整，例如，第一级蜂窝芯体各大致六边形蜂窝结构的边长与第二级蜂窝芯体大致六边形蜂窝结构可不同，以获得良好的面内、面外力学性能，可有效支撑开孔后的面板1和夹层开孔板5，而足以承受外部载荷。因此，本实施例的双层蜂窝芯体结构既具有较宽频带下良好的吸声效果，又具有优异的载荷承受能力。

此外，相较于非开孔蜂窝夹芯结构，本申请的开孔蜂窝夹芯结构的声疲劳寿命随着开孔孔径的增加，呈现先上升后下降的趋势，结构开孔较小时，由于孔径的不断增大，入射进结构的声波逐渐增加，由于孔径相对较小，空气的粘滞作用较明显，因此声疲劳寿命呈现上升趋势；随着孔径逐渐增大，粘滞作用降低，孔边应力集中系数不断增大，结构声疲劳寿命呈下降趋势。合理的开孔尺寸，对于提高结构的声疲劳寿命有积极的影响。

本领域的普通技术人员可以理解，虽然图1-3示出了具有第一级吸声材料和第二级吸声材料所构成的双层吸声结构，但是不脱离本申请的构思，还可以提供3层、4层或更多层级的多层结构，其亦可以实现本申请的技术效果。具体例如图4和图5所示，图中分别示出了是本申请抗声疲劳的多频吸声装置又一实施例立体图示意图及其纵向截面图。该实施例还包括第二夹层开孔板6和第三级吸声芯体7，其倾斜方向与第一夹层开孔板5不同，这样第二级吸声芯体4和所述第三级吸声芯体7的厚度分别沿第二夹层开孔板6的倾斜度增加或减少。但是，本领域技术人员可以理解，第二夹层开孔板6的倾斜方向亦可以与第一夹层开孔板5相同；同时其两者的倾斜度度亦可以相同或不同。以此类推，当具有第三夹层开孔板时或更多层夹层开孔板时，其倾斜方向或角度亦可以是彼此间相同或不同的。本领域技术人员可以理解，第二夹层开孔板6、第三夹层开孔板(未示出)的孔隙率亦可以如前所述的在0-10％范围内，其厚度、倾斜度等亦可以与第一夹层开孔板5相同或不同。

依据本申请的如前所述的发明构思及实施方案，可以根据实际应用场景先确定需要吸声的频段，且据此设计开孔面板1、各夹层开孔板4、5、6的孔隙率、板厚度以及各夹层开孔板的倾斜角度，从而实现目标频段的吸声功能。同时，根据实际应用场景的受力情况，还可以对各级蜂窝结构的尺寸予以设，而适应所需的承载能力。

因此，本申请在传统的单层吸声板的基础上增加可以调节倾斜角度的夹层开孔板，实现多频段的吸声功能。此外，在面板和夹层开孔板上合理地开孔，可以实现提升结构声疲劳寿命的功能；双层或更多层吸声芯体结构能增强吸声功能；双层蜂窝夹芯结构具备较优的承载能力。

前面的描述已经提出了许多特征和优点，包括各种替代方式以及装置和/或方法的结构和功能的细节。本申请可应用于可以广泛的应用于飞机各需要吸声降噪的结构，如发动机短舱声衬结构、APU声衬结构、舱内吸声面板等，实用性高，适用范围广；且制造工艺简单，具备极强的可实施性。本公开仅意在作为示例性的且同样并不意在为穷尽的。对本领域的技术人员而言，显然可在本公开的原理范围内、在由表达所附权利要求书的术语的宽泛上位含义所指示的最大范围内进行各种改型，尤其是在结构、材料、元件、部件、形状、尺寸和零件的布置方面。在这些各种改型不偏离所附权利要求书精神和范围的程度上，这些改型意在包含于此。

Claims (13)

1.一种抗声疲劳的多频吸声装置，包括开孔面板和底板，在所述开孔面板和底板之间有第一级吸声芯体和第二级吸声芯体，所述第一级吸声芯体和所述第二级吸声芯体之间设有第一夹层开孔板，其特征在于，所述第一夹层开孔板是相对于所述底板倾斜的，所述第一级吸声芯体的厚度沿着所述第一夹层开孔板的倾斜方向增加或减小，所述第二级吸声芯体的厚度沿着所述第一夹层开孔板的倾斜方向减小或增加。

2.如权利要求1所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，还包括第三级吸声芯体，其与所述第二级吸声芯体之间设有第二夹层开孔板，所述第二夹层开孔板是相对于所述底板倾斜的，其倾斜方向或角度与所述第一夹层开孔板的所述倾斜方向或角度相同或不同，所述第二级吸声芯体和所述第三级吸声芯体的厚度分别沿所述第二夹层开孔板的倾斜度增加或减少。

3.如权利要求2所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，还包括第四级吸声芯体，其与所述第三级吸声芯体之间设有第三夹层开孔板，所述第三夹层开孔板是相对于所述底板倾斜的，其倾斜方向与所述第一夹层开孔板、第二夹层开孔板的倾斜方向或角度相同或不同，所述第三级吸声芯体和所述第四级吸声芯体的厚度分别相对于所述第三夹层开孔板的倾斜度增加或减少。

4.如权利要求1所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，所述开孔面板的开孔总面积占所述开孔面板总面积的孔隙率在0-10％之间。

5.如权利要求1所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，所述第一夹层开孔板的开孔总面积占所述第一夹层开孔板总面积的孔隙率在0-10％范围内。

6.如权利要求1所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，所述开孔面板的厚度在0.05mm-5mm的范围内。

7.如权利要求1所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，所述第一夹层开孔板的厚度在0.05mm-5mm的范围内。

8.如权利要求1所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，所述第一夹层开孔板相对于所述底板的倾斜度为在0-90°范围内。

9.如权利要求1所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，所述第一级吸声芯体、所述第二级吸声芯体分别是由蜂窝芯体构成。

10.如权利要求2所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，所述第三级吸声芯体是由蜂窝芯体构成。

11.如权利要求3所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，所述第四级吸声芯体是由蜂窝芯体构成。

12.如权利要求9-11中任一项所述的抗声疲劳的多频吸声装置，其特征在于，所述蜂窝芯体是大致六边形蜂窝结构。

13.一种具有如权利要求1所述抗声疲劳的多频吸声装置的飞行器。