JP2005163787A - ビーズ付き防音パネルとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温に耐え、改良された音響性能を有し、変動する音響特性を発揮できる防音パネルを提供する。
【解決手段】防音パネル（２）は、中実な壁（６）と多孔性壁（８）との間に挟まれたコア（４）を備え、コアは壁に接続され、２つの壁の間で厚み方向に延び、セル（１０）を形成する隔壁（１２）を有し、各セルは少なくとも１つの音響エネルギー分散層（１４）を有し、音響エネルギー分散層（１４）は、相互に接触する多孔性で微小穿孔を施された壁を有し、隔壁に固定されるネット（２２）により２つの壁（６、８）間で厚み方向に所定位置に保持される中空球状ビーズ（２０）により構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヘルムホルツ共振に基づき動作する、いわゆる「受動」タイプの防音パネルの全般的領域に関する。

本発明は、航空分野、特に高温下におけるターボ機械のダクトに有利な適用を見出す。

航空分野では、防音パネルは、航空機のターボ機械から発生する音響レベルを低減させるために使用される。一般的に、これらのパネルは、ターボ機械の各種部品から発生する音響エネルギーを減衰させるためにフローウォールとして直接配置される。

本発明は、更に詳細には、ターボ機械のホットダクト、例えばタービン出口や排気ノズルにこのような防音パネルを適用することを求める。

したがって、この状況において、ターボ機械の強度、重量、またはサイズに悪影響を与えず、ダクトの高温に耐え、音響レベルを低減させることのできる防音パネルを製造することが必要である。

防音パネルを製造する既知の方法は、フランス特許第２７７５２１６号明細書に記載されている。同文献は、２つの外板間に挟まれる構造により、ヘルムホルツ共振器として配置されるセルを有する防音パネルを製造することを目的とする。ヘルムホルツ共振器は、樹脂タイプの結合剤により互いにおよび構造の壁に固着する中空ビーズの層の形で実装される。

その製造の難しさとは別に、上記特許明細書に記載される防音パネルは、高温での適用に対するその他いくつかの欠点を抱える。

防音パネルは高温下に置かれると不良な温度特性を示し、ビーズ間の結合剤の使用は流電結合を招き、ひいては腐食の問題を引き起こす。

また、広い面積の空洞を用いて処理する場合、開示される方法は、変動する音響特性を有する防音パネルの実装に適応することが難しい。例えば、セルの音響特性がほぼ一定になるように、所定のセル内の、ビーズの層の厚みを変動させることは困難である。
フランス特許第２７７５２１６号明細書

したがって、本発明は、高温に耐え、改良された音響性能を有し、変動する音響特性を発揮できる防音パネルを提供することによって、こうした欠点を緩和することを目的とする。

また、本発明は、上記防音パネルを製造する方法を提供することを目的とする。

防音パネルは、中実な壁と多孔性壁の間に挟まれたコアを有し、コアは壁に接続され、２つの壁の間で厚み方向に延び、セルを形成する隔壁を有し、各セルは相互に接触する、多孔性壁を有する中空球状ビーズにより構成された少なくとも１つの音響エネルギー分散層を含む防音パネルからなる。

本発明によると、ビーズは微小穿孔処理を施される壁を備え、隔壁に固定されたネットにより２つの壁間で厚み方向に所定位置に保持される。

多孔性の微小穿孔処理を施された壁を有する中空球状ビーズにより形成される層は、空気の粘熱作用によって大量の音響エネルギーを分散させることができる。このことは、空間が常に所定層内のビーズ間に存在し、その空間が２つのネット間の多数の空気分子通路を形成するという事実により理解できる。これらの通路は、移動する空気とネットワーク間の摩擦（粘熱現象）による音響エネルギーの分散を起点とする間質性ネットワークを形成する。

多孔性の微小穿孔処理を施された壁を有するビーズの使用は、微小穿孔処理を施されていないビーズと比べて空気に及ぼす粘熱効果（ｖｉｓｃｏｔｈｅｒｍａｌ ｅｆｆｅｃｔ）を大幅に高めるという利点を備える。中空ビーズの壁に微小穿孔を施すことで、間質性ネットワークと同じようにビーズの内部に空気の分子を通過させることに関与することができる。

よって、このような音響エネルギー分散層全体の多孔率を、微小穿孔処理を施されていないビーズの層と比べて、約４０％から約８０％に増やすことができる。

その結果、本発明のパネルの音響有効性は、所定のサイズで従来のパネルと比べて向上し、より広い周波数の吸音帯をもたらす。同様の音響性能に関しては、本発明の防音パネルはスペースの節約を達成することができる。

ビーズを所定位置に保持するのに結合材を使用する代わりに金属性ネットを使用することは、多数の利点を提供する。特に、これにより、防音パネルの製造がより簡単になり、局地的に音響特性を変動させ（所定セル内の分散層の厚みを変動させ、異なる種類の球体を混合し、・・・）、例えば角度や半径に基づき、それらの特性を要件に適合させることができる。

固定する隔壁と同じ構成のネットを使用することも有益であり、それにより腐食を招く不均一結合の問題を回避することができる。円形の左右対称である１枚型の防音パネルを得ることも可能である。

防音パネルの音響エネルギー分散層は、均一の直径のビーズの混合（製造誤差は無視）または１から３．５ｍｍの範囲の直径を有するビーズの混合によって構成することができる。

更に、音響エネルギー分散層の厚みは、所定セル内で一定でもよいし、異なってもよい。上述したように、これらの有益な特性により、防音パネルの音響特性を変動させることが可能になる。

本発明の防音パネルを製造する方法は、
セルを形成する隔壁を備えるコアを製造する工程と、
上記コアの各セルに関して、下方ネットを位置決めし上記隔壁に固定し、多孔性で微小穿孔処理を施した壁を有する所望の厚みの中空球状ビーズを上記下方ネット上に配置し、上記ビーズに少量の圧力を印加しながら上方ネットを位置決めし、上記上方ネットを上記隔壁に固定する工程と、
上記コアの一方の面を利用して多孔性壁に固定する工程と、
上記コアの他方の面を利用して中実な壁に固定する工程と、
により特徴付けられる。

本発明のその他の特徴と利点は、非限定的な特徴を備える実施形態を示す、添付図面を参照する以下の説明から明らかである。

最初に、本発明の実施形態による防音パネルの透視図である図１を参照する。

防音パネル２は、中実な壁（または外板）６と多孔性壁（または外板）８の間に挟まれたコア４を備える構造である。パネルのコア４は、コアの厚み方向に延び、壁６および８に垂直な隔壁１２によって分割される複数のセル１０により構成される。

セルは（図１に示されるように）矩形状の区画であってもよいし、例えば三角形または六角形の区画であってもよい。

隔壁１２は、例えば溶接により、防音パネルの構造を形成し、確実に剛直かつ頑強であるように、壁６および８に固定される。

このように形成された各セル１０は、縁部が隔壁１２に固定される少なくとも１つの音響エネルギー分散層１４により、コア４の厚み方向に再分割される。

分散層１４は、各セルを少なくとも２つの空洞に再分割する。図１では、セルごとに唯一の分散層１４が示され、参照符号１６ａの下部空洞、すなわち、中実な壁６に対する空洞と参照符号１６ｂの入口空洞、すなわち、多孔性壁８に対する空洞とを有する。分散層１４は、空洞１６ａと１６ｂを互いに連通させ、間質性ネットワークを形成する複数の通路１８により完全に貫通される。

入口空洞１６ｂは、多孔性壁８を介して防音パネルの外部と連通する。その結果、防音パネル２の外部から来る音響エネルギーは多孔性壁８を通過し、分散層１４を通って形成される通路１８により結合される空洞１６を共振させる。

したがって、主に、音響エネルギーは、分散層、および少しばかり多孔性壁８を通過する空気の粘熱性効果により分散される。

本発明では、各音響エネルギー分散層１４は、多孔質で微小穿孔処理を施された壁を持つ中空の球状ビーズ２０により構成される。

分散層内で、ビーズ２０は相互に接触し、各壁１２に固定された硬質のネットまたはトレリス（ｔｒｅｌｌｉｓｅ）２２により壁６と８間で厚み方向で所定の位置に保持される。

例えば金属製のこれらのネット２２は、分散層１４内で球状ビーズ２０を位置決めし保持するのに役立つ。よって、それらはビーズの直径と比較して相対的に小さなメッシュ上の間隙を表す（例えば、１から３．５ｍｍの直径のビーズに対して０．２ｍｍ程度）。したがって、ビーズを相互に接触させておく結合剤は必要とされない。

ネット２２は、溶接、ろう接、リベット締め、およびその他同等の技法により壁１２に固定される縁部２４を有する。図１では、点溶接２６が図式的に示されている。

分散層内でビーズ２０が移動するのを防ぐために、ネット２２は少量の圧力（約０．１から０．２ｍｂａｒ）下となるように組み立てられる。ビーズの大幅な異動は認められないが、それでも「微小移動」の自由が確保されて、防音パネルが減衰させられるほどの振動を可能にする。

ネット２２は、腐食を招く可能性のある不均一結合の問題を回避するように、固定される隔壁１２と同じ構成を有することが好ましい。例えば、ネット２２と隔壁１２は、ニッケルまたはステンレス鋼に基づく同じ金属で製造されるべきである。

本発明の有利な特徴によると、多孔性壁８はそこを通過する空気の粘熱性を最適化するような微小穿孔２８を示す。

例えば、これらの微小穿孔２８は直径０．５から２ｍｍの円形の孔であってもよく、多孔性壁８の穿孔率は１０から３０％であってもよい。

図１では、セル１０に対して唯一の分散層１４が示される。各セルが、防音パネルに求められる音響特性に応じて、コア４の厚み全体にわたり複数の分散層を有することも可能である。

よって、図２Ａに示される防音パネルは、単独のセル１０と配置される２つの音響エネルギー分散層１４ａと１４ｂを有する。

同様に、防音パネルの音響特性を変動させる目的で、分散層１４は均一な直径または異なる直径を有するビーズ２０の混合によって構成されることができる。

本発明の別の有利な特徴によると、防音パネルの音響特性は、単独セル１０内の分散層１４の厚みを変動させることにより変動させることができる。これは、ネット２２の間隔を変動させることにより実行できる。

更に、分散層１４の成形により、円形の左右対称の防音パネルを１枚として有利に形成することができる。

図２Ｂはこれらの利点を両方とも明確に示している。この図の区域に示される防音パネルはＸ−Ｘ軸について対称な円形部３０で、１枚として作られ、Ｘ−Ｘ軸に沿って変動する厚みの分散層１４ｃを示している。

音響エネルギー分散層１４を構成するビーズ２０の性質を以下に述べる。

各分散層１４は、層の音響エネルギー特性に直接関連する音響インピーダンスを呈する。このインピーダンスは特に、使用されるビーズの種類やビーズの集結方法に左右される。

分散層１４のビーズ２０はほぼ球状で中空であり、多孔壁を有する。外直径は好ましくは、約０．３ｍｍの壁厚で０．５から５ｍｍである。

利点として、ビーズは（アルミナタイプの）セラミック製だが、金属（焼結粉末）またはジルコニア性でもよい。

本発明では、分散層１４のビーズ２０はほぼ球状で中空であり、多孔壁を有し、微小穿孔処理を施されている。

微小穿孔は、ビーズの壁に固有の孔に追加される１種の孔である。それは、ビーズの壁を貫通する少なくとも２つの穴を開けることによって達成され、普通は数十ミクロン（約１０ミクロン）で表される孔と比べて数百ミクロン（２００から４００μｍ程度）で表されるサイズを特徴とする。

したがって、ビーズ２０の壁に形成される微小穿孔のサイズは、同じ壁の孔のサイズよりも少なくとも約２０倍大きい。

微小穿孔の形状とサイズは、それらを製造するために使用される方法に応じて変動する。よって、微小穿孔はほぼ円筒状（例えば、約２０μｍの直径）でも、矩形状（例えば、幅約２００μｍと高さ約５００μｍ）でもよい。

ビーズ２０の壁に微小穿孔を設けると、分散層１４の吸音性能が大幅に向上する。このような微小穿孔によって、中空ビーズの内部は、ビーズ間に形成された間質性ネットワークと同じように空気の分子を通過させるのに関与することが可能になる。

下記の表と吸音率の図（図３）は、微小穿孔のないビーズと比較した場合の向上を示す。

厚みが１０ｍｍで一定し、１．５ｍｍの共通直径を有するビーズを大量に集めてできた層を用いてテストを行った（製造誤差は無視）。その結果を以下に示す。

分散層でのヘッド損失と空気流速との比率として表される流体抵抗は、音響抵抗を表す。この音響抵抗は多孔率と屈曲度（ｔｕｒｔｕｏｓｉｔｙ）に左右され、最大量の音響分散を得るためにその値を最適化すべきである。

ビーズにより占められる区画の多孔率は、分散層の総体積に対する空間の体積の比率を表す。したがって、屈曲度と同様に、多孔率も音響エネルギーの分散に利用可能な体積を最大限に活用して周波数設定値を決定できるように、できるだけ大きくなければならない。

しかしながら、音響抵抗により表される減衰定数を、音響エネルギーを分散できるほど十分な値に維持することが保証されなければならない。

図３に示される吸音率の図では、所定サイズの場合、微小穿孔処理が施されたビーズを用いると（曲線１００）、微小穿孔処理が施されていないビーズを用いるとき（曲線１０２）よりも周波数を大幅に低く設定することができることが分かる。

もう１つのテストでは、本発明による微小穿孔処理が施されたビーズを用いて得られた音響エネルギー分散性能と微小穿孔処理が施されていないビーズの性能との比較が示された。この比較試験は、以下の状況下で実施された。
（サンプル１）
・直径１．５ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの微小穿孔を有する穿孔率２２％の多孔性壁
・多孔性および微小穿孔処理を施され、厚さ２８．５ｍｍの束に結集された直径２ｍｍの中空球状セラミック製ビーズ
（サンプル２）
・直径１．５ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの微小穿孔を有する穿孔率２２％の多孔性壁
・多孔性であり微小穿孔処理を施されていない、厚さ２８．５ｍｍの束に結集された直径２ｍｍの中空球状セラミック製ビーズ

これらの２つのサンプルは、約１４０．５デシベル（ｄＢ）レベルの音響励振の影響下に置かれた。このテストの結果は、２つのサンプルのそれぞれの吸音率と標準化音響インピーダンスとを図４および図５に示す。

図４では、曲線１０４がサンプル１の吸音率に相当し、曲線１０６がサンプル２の吸音率に相当する。

同様に、図５では、曲線１０８ａと１０８ｂがそれぞれ抵抗と誘導抵抗の点でサンプル１の標準化音響インピーダンスを示し、曲線１１０ａと１１０ｂがそれぞれ抵抗と誘導抵抗の点でサンプル２の標準化音響インピーダンスを示す。

図４では、サンプル１の微小穿孔を施されたビーズを有する分散層の特性（曲線１０４）により、吸音率が広範な周波数帯で得られることが分かる。

このサンプル１に関しては、吸音率は１０００から６５００ヘルツ（Ｈｚ）の範囲で常に０．６を上回る。これと比較して、サンプル２の微小穿孔を施されていないビーズを有する分散層の特性（曲線１０６）はより狭い音響減衰帯を示し、低周波数での吸音ができない。

図５の抵抗および誘導抵抗に関する標準化インピーダンス曲線は、周波数設定がサンプル２（微小穿孔を施されていないビーズ）よりもサンプル１（微小穿孔を施されたビーズ）の方が幅広く、音響エネルギー分散もサンプル１の方が大きいことを裏付けている。

次に、再度図１を参照し、本発明の防音パネルの製造方法を説明する。

その方法は実質上、コア４を製造すること、コアの１方の面を利用して多孔性壁８に固定すること、およびコアの他方の面を利用して中実な壁６に固定することから成る。

本発明では、コアの面を利用して多孔性壁８および中実な壁６に固定する前に、２つのネット２２を所望の形状に切断する準備がとられる。

下方のネット（参照符号２２ａ）が位置決めされ、中実な壁６に対して高さＨでコアの隔壁１２に固定される。下方ネット２２ａの縁部２４は、例えば溶接により隔壁１２に固定される。

以下の工程は、分散層１４に対して所望の厚さ（Ｉ−Ｈ）を定義するように下方ネット上に、ある量のビーズ２０を配置することから成る。その厚さは一定でもよいし、変動させてもよい。

次に上方のネット（参照符号２２ｂ）がビーズ２０の「ベッド」上に配置され、分散層内でビーズが移動しないように一定の圧力（例えば、０．１から０．２ｍｂａｒ）が印加される。

上方ネット２２ｂの縁部２４が、（例えば、溶接により）隔壁１２に固定される。これらの動作がコア４のセル１０のそれぞれに対して繰り返される。

このようにして得られたコア４は、次に壁６と８の間に配置され、そこに固定される。

図２Ａと２Ｂに示される防音パネルの製造方法は同一である。

上述した防音パネルの製造方法は、分散層内のビーズを保持するために結合剤を使用する方法と比べて数多くの利点を提示する。

本方法は実行するのがずっと簡単である。樹脂タイプの結合剤を必要としないため、腐食の問題が回避される。必要とされる工具の量も少ない。

よって、この方法は、厚さの変動する分散層を有する防音パネルの製造を可能にする。

本発明の実施形態を構成する防音パネルの断片透視図である。 本発明のその他の変形例における防音パネルの厚み全体の断面図である。 本発明のその他の変形例における防音パネルの厚み全体の断面図である。 微小穿孔処理を施されていないビーズを用いる防音パネルに比較した、本発明の防音パネルの吸音率を示すグラフである。 微小穿孔処理を施したビーズのサンプルと微小穿孔処理を施されていないビーズのサンプルの吸音率を示すグラフである。 微小穿孔処理を施したビーズのサンプルと微小穿孔処理を施されていないビーズのサンプルの標準化音響インピーダンスを示すグラフである。

符号の説明

２ 防音パネル
４ コア
６ 中実な壁（外板）
８ 多孔性壁（外板）
１０ セル
１２ 隔壁
１４ 音響エネルギー分散層
１６ａ、１６ｂ 空洞
１８ 通路
２０ ビーズ
２２ ネット
２４ 縁部
２６ 点溶接
２８ 微小穿孔
３０ 円形部

Claims (10)

1. 中実な壁（６）と多孔性壁（８）との間に挟まれたコア（４）を備え、前記コアは前記壁に接続され、２つの壁の間で厚み方向に延び、セル（１０）を形成する隔壁（１２）を有し、各セルは少なくとも１つの音響エネルギー分散層（１４）を有し、前記音響エネルギー分散層（１４）は相互に接触する多孔性壁を有する中空球状ビーズ（２０）により構成される、防音パネル（２、３０）であって、前記ビーズが、微小穿孔処理を施された壁を有し、前記隔壁に固定されるネット（２２）により２つの壁（６、８）間で厚み方向に所定位置に保持されることを特徴とする、防音パネル。
2. 前記多孔性壁（８）は、そこを通過する空気の粘熱効果を高める微小穿孔（２８）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のパネル。
3. 分散層（１４）が、均一な直径のビーズ（２０）の混合により構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のパネル。
4. 分散層（１４）が、１から３．５ｍｍの範囲で異なる直径を有するビーズ（２０）の混合により構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のパネル。
5. 音響エネルギー分散層（１４）が、１つのセル（１０）内で一定の厚みを有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のパネル。
6. 音響エネルギー分散層（１４）が、１つのセル（１０）内で異なる厚みを有することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のパネル。
7. ネット（２２）がそこに固定される隔壁（１２）と同じ構成を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のパネル。
8. セル（１０）を形成する隔壁（１２）を備えるコア（４）を製造する工程と、
   前記コア（４）の各セル（１０）に関して、下方ネット（２２ａ）を位置決めして前記隔壁（１２）に固定し、多孔性で微小穿孔処理を施した壁を有する所望の厚みの中空球状ビーズ（２０）を前記下方ネット上に配置し、前記ビーズに少量の圧力を印加しながら上方ネット（２２ｂ）を位置決めし、前記上方ネットを前記隔壁（１２）に固定する工程と、
   前記コア（４）の一方の面を利用して多孔性壁（８）に固定する工程と、
   前記コアの他方の面を利用して中実な壁（６）に固定する工程と、
   を特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の防音パネルの製造方法。
9. 前記多孔性壁（８）は、そこを通過する空気の粘熱効果を高めるための微小穿孔（２８）を備えることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記上方および下方ネット（２２ａ、２２ｂ）は前記隔壁（１２）に溶接され、コア（４）の前記面は前記壁（６、８）に溶接されることを特徴とする、請求項８または９に記載の方法。

Images