FR3103054A1 - Panneau acoustique pour nacelle d’aéronef à absorption multifréquence. - Google Patents

Panneau acoustique pour nacelle d’aéronef à absorption multifréquence. Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un panneau acoustique pour une nacelle d'aéronef, comprenant, d'un axe central de la nacelle vers l'extérieur de celle-ci : une peau résistive (11) percée de micro-perforations d'absorption sonore (16), un premier étage d'amortissement (12), un septum (13) percée de trous (17), un second étage d'amortissement (14), et une peau arrière (15) configurée pour assurer la tenue mécanique du panneau acoustique. Le septum (13) est une paroi plane ayant une épaisseur supérieure à celle de la peau résistive (11), de préférence supérieure à 4 mm. Un tel panneau est apte à amortir plusieurs plages de fréquences dont une plage de basses fréquences, tout en optimisant la masse, le coût et les fonctions de l'entrée d'air. L’épaisseur du septum, la dimension des trous du septum, le TSO du septum et la hauteur du second étage d’amortissement sont ajustés de façon à faire correspondre la fréquence basse moyenne amortie à la fréquence de vibration du moteur de l’aéronef. Figure pour l’abrégé : Fig. 3

Description

Panneau acoustique pour nacelle d’aéronef à absorption multifréquence.
La présente demande concerne un panneau acoustique pour nacelle d'aéronef, ainsi qu’une nacelle, un ensemble propulsif et un aéronef équipés d’un tel panneau.
De façon conventionnelle, une nacelle comprend, de l'avant vers l'arrière, un premier tronçon en amont du flux aérodynamique, appelé entrée d'air, un deuxième tronçon qui entoure le carter de la soufflante moteur, appelé capot de soufflante, et un troisième tronçon qui présente généralement une zone d'inversion de poussée qui entoure le corps de turbine du moteur en aval du flux aérodynamique.
Une entrée d’air, telle celle illustrée à la figure 1 annexée, comprend usuellement des éléments de structure tels qu'un cadre avant 101 et un cadre arrière 104, ainsi que, de l'avant vers l'arrière de la nacelle, une lèvre 100 portée par le cadre avant 101, des panneaux externes 102 prolongeant la lèvre à l’extérieur de la nacelle (connus sous le nom anglais "outer barrels" ou l’acronyme "OTB"), des panneaux internes 103 acoustiques prolongeant la lèvre à l'intérieur de la nacelle et délimitant un conduit intérieur permettant de canaliser l’air en direction du moteur, les panneaux externes 102 et internes 103 étant portés par le cadre avant 101 et le cadre arrière 104.
La forme de l'entrée d'air et/ou les systèmes (par exemple le tube de dégivrage 105) dont elle est équipée doivent permettre d’éviter la formation et/ou l’accumulation de glace ou givre, de limiter l’impact des nuisances sonores, d'assurer une fonction aérodynamique, et de prévenir la pénétration d’oiseaux dans le compartiment de soufflante contenant les systèmes moteurs.
L'atténuation des nuisances sonores est usuellement obtenue par la provision des panneaux acoustiques 103 précédemment mentionnés. A noter que la zone d’inversion de poussée de la nacelle peut elle aussi comprendre des panneaux acoustiques.
Dans toute la description, un panneau acoustique (qu'il s'agisse d'un panneau de l'art antérieur ou d'un panneau selon l'invention) est observé installé dans une entrée d'air d'aéronef. Les expressions "direction transversale" et "transversalement" font alors référence à une direction (axe Y des figures 1 et 2) qui est orthogonale à l'axe X central de l'entrée d'air et à l’axe Z de la gravité. L'expression "longitudinalement" fait référence à une direction qui est sensiblement parallèle à l'axe central X de l'entrée d'air ou qui, à tout le moins, appartient à un plan longitudinal, c'est-à-dire à un plan contenant cet axe central X.
Les panneaux acoustiques d'entrée d'air connus sont généralement composés par :
  • une peau résistive perforée qui forme la face visible du conduit intérieur de l'entrée d'air et dont l'objectif est de laisser passer et d’amortir les ondes sonores,
  • une peau arrière ayant essentiellement pour fonction d'assurer la tenue structurale du panneau,
  • une âme, généralement en nid d'abeilles, de part et d'autre de laquelle sont fixées la peau résistive et la peau arrière, laquelle âme participe à la fois à la tenue mécanique du panneau et à l'amortissement acoustique, la fonction principale de l'âme étant de fixer la fréquence d’absorption acoustique maximale.
Au plan mécanique, il y a lieu de remarquer que le panneau acoustique doit pouvoir résister à un certain chargement aérodynamique (surpression), à des chocs avec des objets extérieurs tels que des oiseaux, à une éventuelle perte de pale de la soufflante et à d'importantes variations thermiques.
La peau résistive des panneaux acoustiques connus est percée d'une multitude de trous pour l'absorption des ondes sonores. Le diamètre des trous d'absorption sonore répond à deux contraintes antagonistes :
  • plus le diamètre des trous est grand, plus leur influence (néfaste) sur la traînée est grande ;
  • plus le diamètre des trous est petit, plus les trous ont tendance à se boucher à l'utilisation ; afin d'éviter que les trous ne se bouchent, il est nécessaire que l'épaisseur de la couche percée soit inférieure ou égale au diamètre des trous ; mais en-dessous de 0,6 mm d'épaisseur, la peau résistive obtenue souffre d'une tenue mécanique insuffisante.
En pratique, les peaux résistives connues sont constituées de deux à trois plis et présentent une épaisseur totale comprise entre 0,6 mm et 1,6 mm, ce qui induit des trous de diamètres compris entre 0,8 mm et 1,6 mm.
Un inconvénient majeur des panneaux acoustiques antérieurs connus est qu'ils n'amortissent qu'une faible plage de fréquences sonores autour d'une fréquence sonore moyenne. Cette fréquence sonore moyenne est notamment déterminée par l'épaisseur de l'âme des panneaux acoustiques, dont les cellules, associés aux trous de la peau résistive, fonctionnent comme des résonateurs de Helmholtz.
Plus l'âme du panneau acoustique est épaisse, plus la fréquence amortie est basse. Avec l'arrivée de moteurs à fort taux de dilution qui présentent des dimensions plus larges (dans un plan transversal) et plus courtes (selon la direction longitudinale), les fréquences à amortir sont plus basses. L'homme du métier est donc tenté d'équiper les entrées d'air de panneaux acoustiques toujours plus épais. Mais plus l'âme du panneau est épaisse, plus la masse et le coût du panneau acoustique augmentent.
Il faut donc apporter des solutions qui permettent à la fois d'abaisser la fréquence sonore moyenne amortie et d'élargir la plage de fréquences sonores amorties, ou qui permettent d’amortir plusieurs plages de fréquences sonores dont une plage de basses fréquences, tout en optimisant la masse, le coût et les fonctions de l'entrée d'air.
US7857093 propose une entrée d'air comprenant des panneaux acoustiques classiques (ayant une peau résistive perforée, une âme en nid d'abeilles et une peau arrière), qui s'étendent du cadre avant au cadre arrière de l'entrée d'air. Ces panneaux acoustiques peuvent incorporer, de façon optionnelle, un septum qui partage les cellules de l'âme en nid d'abeilles. A ces panneaux acoustiques est associée une doublure basse fréquence, qui s'étend sur une bande annulaire de largeur comprise entre 1 et 15 cm seulement, située de préférence près du cadre arrière et qui comporte une âme en nid d'abeille et une peau arrière. En regard de cette doublure basse fréquence, le nid d'abeille des panneaux acoustiques est dépourvu de septum, la peau résistive des panneaux acoustiques présente de "larges ouvertures" ayant un diamètre qui n'est que légèrement inférieur à celui des cellules du nid d'abeilles desdits panneaux, et la peau arrière des panneaux acoustiques est perforée d'ouvertures similaires de façon à ce que les cellules du nid d'abeilles des panneaux communiquent avec les cellules du nid d'abeilles de la doublure. Partout ailleurs, la peau arrière des panneaux acoustiques est imperméable et la peau résistive desdits panneaux est pourvue de perforations de plus faibles dimensions que les "larges ouvertures" susmentionnées.
US2008/0179448 divulgue une entrée d’air dont la paroi du côté du conduit intérieur de l’entrée d’air est constituée successivement, de l’intérieur de l’entrée d’air vers l’extérieur, par : une peau résistive formée de quatre plis, une âme acoustique intégrant deux étages d’amortissements, et une peau arrière plus épaisse formée de huit plis. Le premier étage d’amortissement est un premier nid d’abeilles de 20 mmm d’épaisseur, le second étage d’amortissement est un second nid d’abeille de 5 mm d’épaisseur. Les nids d’abeilles sont séparés par un septum de faible épaisseur comparée à la peau résistive, le septum étant apparemment constitué d’un seul pli.
Les entrées d'air connues fournissent des résultats encore insuffisants en termes d'absorption des nuisances sonores dues aux basses fréquences.
L'invention vise à proposer une solution acoustique qui permette d'avoir plusieurs plages de fréquences amorties dont une plage de basses fréquences, tout en optimisant la masse, le coût et les fonctions de l'entrée d'air.
Pour ce faire, l'invention propose un panneau acoustique pour une nacelle d'aéronef, comprenant, de l'axe central vers l'extérieur de la nacelle :
- une peau résistive qui forme la face visible du conduit intérieur de la nacelle, laquelle peau résistive est micro-perforée de trous d'absorption sonore ;
- une âme apte à amortir des ondes sonores, comportant un premier étage d'amortissement et un second étage d'amortissement séparés par un septum, lequel septum est une paroi plane percée de trous de communication entre les deux étages d'amortissement,
- et une peau arrière configurée pour assurer la tenue mécanique du panneau acoustique.
Ce panneau est caractérisé en ce que le septum a une épaisseur supérieure à celle de la peau résistive.
Dans toute la suite, on entend par "TSO" ou "taux de surface ouverte", le pourcentage de surface perforée sur une peau acoustique. Deux facteurs principaux influencent la résistance acoustique d'un panneau : le TSO de sa peau résistive et la hauteur de son âme amortissante.
Avantageusement, le panneau acoustique selon l'invention comprend de plus une ou plusieurs des caractéristiques suivantes (toutes les combinaisons étant conformes à l'invention).
L'épaisseur du septum est supérieure ou égale à 4 mm. Dans toute la description, l’épaisseur d’une paroi, qu’il s’agisse de la peau résistive, du septum ou de la peau arrière, désigne la dimension de cette paroi selon des directions radiales de la nacelle. De même, la hauteur d’un étage d’amortissement désigne la dimension de cet étage selon des directions radiales de la nacelle.
Le premier étage d'amortissement est une structure alvéolaire, de préférence une structure en nid d'abeilles.
Le second étage d'amortissement est une structure alvéolaire, de préférence une structure en nid d'abeilles.
L'épaisseur de la peau résistive est inférieure à 2 mm, de préférence comprise entre 0,6 mm et 1,5 mm.
Les trous d'absorption sonore (dans la peau résistive) ont un diamètre compris entre 0,6 mm et 1,6 mm.
Le premier étage d'amortissement présente une hauteur comprise entre 25 mm et 45 mm.
Le second étage d'amortissement présente une hauteur comprise entre 15 mm et 45 mm.
Le TSO de la peau résistive est égal ou supérieur à 50 divisé par le TSO du septum. En d’autres termes, le produit du TSO de la peau résistive (en pourcents) par le TSO du septum (en pourcents) est supérieur ou égal à 50. Cette relation permet de garantir que les ondes sonores traversent les deux étages d'amortissement et donc que deux plages d'ondes sonores, l'une haute, l'autre basse, soient amorties.
Le TSO de la peau résistive (TSOpeau) est compris entre 5% et 50%, limité toutefois par les impacts sur la structure du panneau et sur la traînée. En pratique un TSO le plus faible possible est visé.
Le TSO du septum (TSOseptum) est compris entre 1% et 10%, limité de préférence par la relation TSOpeau > 50/TSOseptum.
Aussi et surtout, le TSO en pourcents du septum est sensiblement égal à l'épaisseur en millimètres du septum. Ce rapport permet de « fixer » les fréquences à amortir, comme expliqué plus loin.
Dans un mode de réalisation préféré, le TSO de la peau résistive est d'environ 8%, le TSO du septum est d'environ 7%, et le septum a une épaisseur de l'ordre de 7 mm.
Concernant le diamètre des trous de communication (dans le septum), on peut prévoir pour l'entrée dans le second étage d'amortissement des trous de "grand" diamètre afin d’amortir les « basses » fréquences, sans que cela influence négativement l'aérodynamique. Par ailleurs, un diamètre supérieur ou égal à 0,8 mm est recommandé pour assurer une fonction de drainage du panneau.
Le premier et le second étage d’amortissement sont constitués d’un matériau choisi parmi : le verre, les matières thermoplastiques, les métaux (ou alliages de métaux) et plus particulièrement le titane et l’aluminium. Le septum est constitué d’un matériau choisi parmi : les matières thermoplastiques ou thermodurcissables à base de carbone. La peau résistive est constituée d’un matériau choisi parmi : les matières thermoplastiques ou thermodurcissables à base de carbone, les métaux (ou alliages) et plus particulièrement titane, aluminium, acier inoxydable.
Le (ou les) mode(s) de fixation des différents éléments du panneau entre eux est(sont) choisi(s) en fonction des matériaux constitutifs desdits éléments, parmi : collage, soudure, brasage, etc.
Les cellules des premier et second étages d’amortissement peuvent présenter des formes diverses, à section polygonale (par exemple hexagonale) ou non, dans la mesure où les exigences acoustiques visées sont respectées et où la (ou les) forme(s) choisie(s) ne pose(nt) pas de problème de fabrication. La forme des cellules peut être identique ou varier d’un étage d’amortissement à l’autre.
L'invention s'étend à une nacelle d'aéronef équipée de panneaux acoustiques selon l'invention, ainsi qu'à un ensemble propulsif d'aéronef et à un aéronef comprenant au moins une telle nacelle.
L’invention, selon un exemple de réalisation, sera bien comprise et ses avantages apparaitront mieux à la lecture de la description détaillée qui suit, donnée à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 est une vue en perspective éclatée d’une entrée d’air de l’art antérieur.
La figure 2 est une vue de profil d’un aéronef, sur laquelle on aperçoit une nacelle 1 qui peut être équipée de panneaux acoustiques selon l’invention.
la figure 3 est une vue en coupe transversale d’une portion de panneau acoustique selon l’invention.
Les éléments identiques représentés sur les figures précitées sont identifiés par des références numériques identiques.
L'entrée d'air représentée sur la figure 1 et la nacelle représentée sur la figure 2, sont des éléments connus de l'homme du métier ; l’entrée d’air de la figure 1 a été décrite en introduction.
La figure 3 montre la structure d’un panneau acoustique 10 selon l’invention, laquelle structure peut-être utilisée pour former les panneaux 103 de l’entrée d’air de la figure 1.
Le panneau acoustique 10 de la figure 3 comprend une peau résistive 11, un premier étage d’amortissement 12, un septum 13, un second étage d’amortissement 14 et une peau arrière 15.
La peau résistive 11 est de faible épaisseur, comprise entre 0,6 et 1,5 mm, percée d’une multitude de trous d’absorption sonore 16 de faible diamètre, par exemple compris entre 0,8 et 1,6 mm, lequel diamètre est avantageusement légèrement supérieur à l’épaisseur de la peau résistive 11. Les trous d'absorption sonore 16 sont considérés comme des micro-perforations qui engendrent peu de traînée.
Dans l’exemple illustré, les trous d’absorption sonore 16 sont circulaires. Mais ceci n’est pas limitatif, ils pourraient présenter une forme quelconque, géométrique ou non.
Le premier étage d’amortissement 12 est constitué d’une structure cellulaire en nid d’abeille ; il présente une hauteur comprise entre 25 et 45 mm. Ainsi dimensionné et associé à une peau résistive de faible épaisseur (moins de 2 mm) il participe à l'absorption d'une première plage d'ondes sonores de "hautes" fréquences, comprises entre 1000 Hz et 4000 Hz.
Le septum 13 est une paroi plane épaisse, en ce qu’elle présente une épaisseur supérieure à la peau résistive, et de préférence supérieure à 4 mm, par exemple de l’ordre de 7 mm. L’épaisseur du septum est choisie en fonction de la fréquence basse moyenne à amortir (qui dépend du moteur). Elle résulte aussi d’un compromis entre les bénéfices obtenus par une plus grande épaisseur du septum au plan acoustique et les conséquences indésirables d’un septum trop épais en termes de masse. D’un point de vue acoustique, une épaisseur de septum allant jusqu’à 20 mm pourrait trouver à se justifier mais en pratique une épaisseur moindre sera choisie pour des raisons de masse.
Le second étage d’amortissement 14 est constitué d’une structure cellulaire en nid d’abeille ; il présente une hauteur comprise entre 15 et 45 mm. Ainsi dimensionné et associé à un septum épais, il participe à l'absorption d'une seconde plage d'ondes sonores de "basses" fréquences, comprises entre 300 Hz et 600 Hz. La hauteur du second étage d’amortissement est choisie en fonction de l’épaisseur du septum et de la fréquence moyenne que l’on souhaite amortir.
Dans l’exemple illustré, les cellules des deux étages d’amortissement ont des sections droites (hexagonales) identiques et sont alignées selon la direction radiale (le panneau étant observé tel que positionné dans une entrée d’air). Mais ceci n’est pas limitatif ; le premier étage d’amortissement pourrait par exemple présenter des cellules plus petites que le second étage.
Le septum est percé de trous de communication 17 entre les deux étages d’absorption sonore. Le diamètre des trous de communication 17 peut être plus grand que le diamètre des trous d’absorption sonore 16, qui est limité par l’influence négative desdits trous sur la traînée. Le diamètre (ou la plus grande dimension frontale des trous si ceux-ci ne sont pas circulaires) est donc choisi supérieur à 0,8 mm pour permettre l’évacuation de l’eau et assurer ainsi une fonction de drainage. Le diamètre maximum est fixé pour atteindre le TSO voulu avec au moins un trou par cellule du nid d’abeilles du second étage d’amortissement.
De préférence, le TSO du septum est compris entre 1% et 10%, par exemple de l’ordre de 7%. Les inventeurs ont mis en évidence l’importance du rapport entre le TSO et l’épaisseur du septum. Avantageusement, le TSO du septum, en pourcents, est sensiblement égal à l'épaisseur du septum, en millimètres.
Ce rapport permet de « fixer » les fréquences amorties. La fréquence basse moyenne à atténuer est déterminée par le moteur considéré. Pour atténuer une fréquence basse moyenne donnée, il est possible de jouer sur le diamètre des trous de communication, le TSO du septum, l’épaisseur du septum et la hauteur du second étage d'amortissement. Chacun de ces paramètres est limité, vers le haut ou vers le bas, par l’apparition d’inconvénients divers. Ainsi par exemple, l’épaisseur du septum 13 est limitée (vers le haut) par la masse maximale que l’on se fixe pour le panneau, le diamètre des trous de communication 17 est limité (vers le bas) par la survenue de problème de condensation et d’accumulation d’eau dans le panneau. La hauteur du second étage d’amortissement 14 n’est, elle aussi, variable que dans une faible mesure (vers le haut) car elle influe sur l’encombrement du panneau acoustique. A hauteur d’amortissement égale, si on augmente l’épaisseur du septum et le TSO du septum, tout en conservant l’égalité entre ces deux paramètres, on abaisse la fréquence amortie par le panneau. On peut ainsi ajuster la fréquence moyenne amortie par le panneau pour la faire correspondre à la fréquence de vibration du moteur.
La peau arrière est une paroi pleine, hermétique. Son épaisseur est choisie de façon à conférer au panneau la tenue mécanique souhaitée, en tenant compte aussi de son influence sur la masse du panneau. Elle est par exemple comprise entre 1 mm et 8 mm.
L'invention s'étend à toutes les variantes à la portée de l'homme du métier entrant dans le cadre des revendications annexées. Ainsi par exemple, la structure en nid d'abeille du premier ou du second étage d'amortissement peut être remplacée par un autre type de structure d'amortissement connu. Le septum peut être moins épais que celui illustré, dès lors qu'il reste plus épais que la peau résistive. Dans ce cas, pour conserver une plage de fréquences basses amorties aussi basse que celle du panneau illustré (dont le septum est plus épais), il faudra augmenter la hauteur du 2èmeétage d'amortissement.

Claims (15)

  1. Panneau acoustique pour une nacelle d'aéronef, comprenant, d'un axe central (X) de la nacelle vers l'extérieur de celle-ci :
    - une peau résistive (11) qui forme la face visible d’un conduit intérieur de la nacelle, laquelle peau résistive est micro-perforée de trous d'absorption sonore (16),
    une âme apte à amortir des ondes sonores, comportant un premier étage d'amortissement (12) et un second étage d'amortissement (14) séparés par un septum (13), lequel septum est une paroi plane percée de trous de communication (17) entre les deux étages d'amortissement,
    - et une peau arrière (15) configurée pour assurer la tenue mécanique du panneau acoustique,
    caractérisé en ce que le septum (13) a une épaisseur supérieure à celle de la peau résistive (11).
  2. Panneau acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du septum (13) est supérieure ou égale à 4 mm.
  3. Panneau acoustique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la peau résistive (11) est comprise entre 0,6 mm et 1,5 mm.
  4. Panneau acoustique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les trous d'absorption sonore (16) de la peau résistive ont un diamètre compris entre 0,8 mm et 1,6 mm.
  5. Panneau acoustique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le premier et le second étages d'amortissement (12, 14) sont des structures alvéolaires en nid d'abeilles.
  6. Panneau acoustique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier étage d'amortissement (12) présente une hauteur comprise entre 25 mm et 45 mm.
  7. Panneau acoustique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le second étage d'amortissement (14) présente une hauteur comprise entre 15 mm et 45 mm.
  8. Panneau acoustique selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la peau résistive (11) et le septum (13) présentent des TSO respectifs, en pourcents, qui vérifient la relation suivante : le produit du TSO de la peau résistive par le TSO du septum est supérieur ou égal à 50.
  9. Panneau acoustique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le TSO de la peau résistive (11) est compris entre 5% et 50%, et le TSO du septum (13) est compris entre 1% et 10%.
  10. Panneau acoustique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le septum (13) présente un TSO en pourcents qui est sensiblement égal à l'épaisseur en millimètres du septum.
  11. Panneau acoustique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la peau résistive (11) a un TSO de l'ordre de 8%, et en ce que le septum (13) a un TSO de l'ordre de 7% et une épaisseur de l'ordre de 7 mm.
  12. Panneau acoustique selon l’une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les trous de communication (17) ont un diamètre supérieur ou égal à 0,8 mm.
  13. Nacelle d'aéronef caractérisée en ce qu'elle comprend des panneaux acoustiques selon l'une des revendications 1 à 12.
  14. Ensemble propulseur d'aéronef caractérisé en ce qu'il comprend une nacelle selon la revendication 13.
  15. Aéronef caractérisé en ce qu'il comprend au moins une nacelle selon la revendication 13.
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