JP6438025B2 - 音響構造体に使用するための音導波管 - Google Patents

Description

本発明は一般に特定の音源から発する雑音を減衰させるのに使用される音響構造体に関する。より詳しくは、本発明は、航空機のエンジンによって発生される低周波数の雑音など相対的に低周波数の雑音を含む広範囲の雑音周波数を減衰させることができる相対的に薄い音響構造体を提供することを対象とする。

具体的な音源によって発生された過剰な雑音を扱う最良のやり方は、雑音を音源において処理することであると広く認識されている。これは典型的には雑音源の構造体に音響制動構造体（音響処理材）を追加することによって達成される。１つの特に問題のある雑音源は、ほとんどの旅客機に使用されているジェットエンジンである。音響処理材は、エンジン吸気口、ナセル及び排気構造体内に通常組み込まれる。これらの音響処理材は、エンジンによって発生された音響エネルギーに対して音響インピーダンスを生じる数百万の穴を有する相対的に薄い吸音材又は格子を内蔵する音響共振器を含む。

ハニカムは、相対的に頑丈であり軽量であるので、航空機及び航空宇宙機用に評判が良い材料である。エンジンのナセルなどの音響用途には、ハニカムセルがエンジンから離れて配置された端部において音響的に閉じられ、エンジンに最も近く配置された端部において多孔質被覆で覆われるように、吸音材がハニカム構造に追加される。このように、ハニカムセルを吸音材で閉じると、雑音の減衰、制動又は抑制をもたらす音響共振器が生じる。共振器にさらに雑音減衰特性を与えるために音響隔壁がハニカムセルの内部内にも通常配置される。

音響技術者が直面する基本的な問題は、ナセルをできるだけ薄く、軽量にし、それでもジェットエンジンによって発生された雑音全体にわたる音波周波数の十分な抑制又は制動を提供することである。この基本的な設計問題は、より新しいモデルの大型ジェットエンジンの傾向がより低い周波数においてさらに雑音を生じるということによって複雑になっている。新しいエンジン設計は、より遅い速度においてより多くのバイパス空気を生じる、より少ないファンの羽根を使用する傾向がある。これは結果として、より低い周波数を有するエンジン雑音の発生となる。

所与のハニカムセル又は共振器によって制動される雑音の特定の周波数は、セルの深さに直接関連する。概して、十分な制動又は抑制を与えるために、雑音の周波数が低減するにつれて、セルの深さが増大しなければならない。２．５４ｃｍ（１インチ）以下程度のセルの深さを有する相対的に薄いナセルは、ジェットエンジンによって発生されたより高い周波数範囲を吸収するのに十分である。しかし、より新しいジェットエンジンによって発生されるより低い周波数を吸収するために、より深い音響セル又は共振器が必要とされる。

より低い周波数のジェット雑音を吸収する問題を解決する１つのやり方は、単純により深いセルを有するナセルを構築することである。しかし、これは結果として、できるだけ薄くて軽量であるナセルを提供するという設計目標に反する、ナセルのサイズ及び重量の増大となる。さらに、低周波数の雑音を吸収するのに必要なナセルの重量及びサイズの増大は、特に、ナセルのサイズ及び重量が大きな工学設計考察である、より大型の航空機エンジンには許容できないことである。

別のやり方は、組み合わせたセルの有効な音響的深さを増大させるために隣接したセルを互いに音響的に接続することが関与する。このやり方は、より低い周波数の吸収をもたらさない。しかし、単一の音響セルを形成する複数のセルの組合せにより、利用可能な音響セルの数が、任意の所与の構造において低減する。低周波数の吸音を増大させるためのセルの音響相互接続は、米国特許出願第１３／４６６，２３２号に詳細に記載されている。

米国特許出願第１３／４６６，２３２号 米国特許第７，４３４，６５９号 米国特許第７，５１０，０５２号 米国特許第７，８５４，２９８号

現在、音響構造体が、ナセル音響構造体の厚さ又は重量を増大させずに、より広い範囲の雑音周波数を抑制することができるような、エンジンのナセル及び他の音響構造体を設計することが必要とされている。

本発明によれば、セルを２つの音響室に分割する音響セル内に音導波管を配置することによってナセル又は他の種類の音響構造体の帯域幅又は音響範囲を増大させることができることが分かった。２つの室はセルの共振器長の有効な増大をもたらす。その結果、ナセル内のセルの厚さ又は数を増大させずに、相対的に低い雑音周波数を吸収することができるナセル又は他の種類の音響構造体を製作することができる。

本発明は、概して、音響構造体を対象とし、特に、航空機エンジン用ナセルを対象とする。本発明による音響構造体は、雑音源に最も近く配置された第１の縁部と、雑音源から離れて配置された第２の縁部とを有するハニカムを含む。ハニカムは、複数の音響セルを含み、音響セルの各々は、ハニカムの第１の縁部と第２の縁部との間を延びる複数の側壁を有する。ハニカムの第１の縁部と音響障壁との間の距離に等しい深さを有する音響共振器を形成するために、音響障壁が各音響セルの第２の縁部に配置される。

本発明の特徴として、音導波管が音響共振器内に配置される。音導波管は内部及び外部表面を有する音響導波壁を含む。音響導波壁は、導波管入口を画定する入口縁部と、導波管出口を画定する出口縁部とを有する。導波管入口は、導波管出口よりもハニカムの第１の縁部の近くに配置され、したがって、音響導波壁がハニカムセルを内部音波チャネル又は室と外部音波室とに分割する。内部室は、音響導波壁の内部表面、導波管入口、導波管出口及び導波管入口とセルの第１の縁部との間を延びるセル側壁の部分に隣接する。外部音波室は、音響導波壁の外部表面、音響障壁、導波管出口及びセル側壁に隣接する。導波管出口において接続される内部及び外部音波室は、ハニカムの厚さよりもずっと長い有効な音響室をもたらす。

ハニカムセルの非常に様々な有効な音響的長さ及び他の音響特性は、音導波管の長さ、位置、サイズ及び形状を単純に変えることによって達成することができる。本発明は、音響セルがすべて同じ有効な音響的長さを有し、セルを長くする唯一のやり方がハニカムの厚さを増大させることである従来の音響ハニカムに比べて顕著な利点を提供する。ハニカムの厚さを増大させずにハニカムセルを音響的に延ばす能力は、ハニカムをできるだけ薄くし、しかも低周波数のジェットエンジン雑音を制動することができる音響共振器を提供することが望ましいジェットエンジンのナセルに特に有用である。

本発明の上記の及び他の多くの特徴及び付随する利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されることになろう。

本発明による例示的な音響構造体であって、固体及び多孔質の表面板をハニカムに接着する前の音響構造体を示す図である。 本発明による、単一の例示的な音響セルを示す図である。 内部及び外部音響室を示す図２の断面図である。 音響ハニカムの４つのセル内の４つの異なる位置に４つの異なる音導波管を示す概略的側面図である。 雑音源に隣接した本発明による音響構造体の一部分を示す更なる概略図である。

本発明による例示的な音響構造体の一部分の部分的分解図を図１の１０に示す。音響構造体１０は、多孔質表面板１４と固体音響障壁表面板１６との間に挟まれた音響ハニカム１２を含む。組み立てられた音響構造体１０の一部分を図５に示すが、その場合、音響構造体１０は、矢印２０によって表される雑音を発生している雑音源１８に隣接して配置される。

本発明の音響構造体は、非常に様々な雑音源からの雑音を制動するのに使用することができるが、音響構造体は、航空機エンジン、特に民間航空機に使用される大型エンジンによって発生された雑音を制動するのに特に好適である。したがって、図５の１０に示す音響構造体は、典型的には、ターボファンジェットエンジン１８の中核を囲むナセルの一部である。

ハニカム１２は、雑音源１８に最も近く配置される第１の縁部１５と、雑音源１８から離れて配置される第２の縁部１７とを含む。ハニカムの側壁は、第１の縁部と第２の縁部との間を延びて、各々が側壁と垂直方向に測定される断面積を有する複数のセル２２を形成する。各セルを音響共振器に製作するために、音響障壁が、各セルの第２の縁部１７において又は各セルの第２の縁部１７の近くに配置される。音響障壁をハニカムセルに挿入し、第２の縁部１７から離れて移動させてもよいが、典型的な手順は、音響障壁板１６をハニカムの第２の縁部１７上に設置して、セルのすべてを覆うことである。セル（音響共振器）の深さは、第１の縁部１５と音響障壁１６との間の距離に等しい。

図１に示すように、音響ハニカム１２は、多くの相互接続されたセル２２からなる。便宜的に、多孔質表面板１４なしの単一のセル２２を図２及び図３に示す。本発明によれば、円錐台導管３０の形をした音導波管が、セル側壁３２と音響障壁１６とによって形成された音響共振器内に配置される。導管３０は、それぞれ、内部表面３４と外部表面３６とを有する側壁３３を含む。導管３０は入口３８と出口４０とを含む。

円錐台導管３０は、セル２２を内部音波チャネル又は室４２と、外部音波室４４とに分割する。内部音波室４２は、導管３０の内部表面３４と、導管入口３８と、導管出口４０と、入口３８とセルの第１の縁部１５との間を延びるセル側壁の部分とによって画定される。外部音波室４４は、導管３０の外部表面３６と、セル側壁３２と、音響障壁１６と、導管出口４０とによって画定される。

図２及び図３に示すように、共振器（矢印５０）に入る音は、内部音波室４２中を移動し、導管出口４０を通過して外部音波室４４中に進む。音波５０が矢印５２で示すように外部音波室４４の画定表面によって反射される。反射された音波５２は、導管出口４０を通って出て内部音波室４２中に戻る。円錐台導管３０などの音導波管の使用により、入射音波の経路が、それらの有効移動経路が音響共振器の深さより大きくなるように制御される。これにより、音波の有効移動経路の増大が、内部及び外部音波室のサイズ及び形状によって制御され、制限される。２つの音波室のサイズ及び形状は、次いで、導波管のサイズ、形状及び位置によって求められる。

非常に様々な導波管のサイズ及び形状が可能である。４つの例示的な円錐台導波管のサイズ及び形状を図４の６２、６４、６６及び６８に示す。本発明の多用途性を示すために導波管６２、６４、６６及び６８がそれらのそれぞれの音響セル７２、７４、７６及び７８内の異なる箇所に配置されて示される。例えば、導波管を製作するのに使用される材料のサイズ、形状、位置及び種類は、広範囲の周波数にわたる音響制動を達成するために、セルごとに変えることができる。或いは、所与の周波数範囲の音響減衰のレベルの増大を達成するために、同じ導波管を相対的に大きな群の音響セル内の同じ位置に設置してもよい。実際には、人は導波管及びそれらの位置を混合し、適合させて、非常に様々な音響特性を有する音響構造体を製造することができる。

図４に示すように、音波８０が多孔質板８２を通って音響セルに入る。音波は、矢印８４で示すように、導波管出口を通って出て、第２の音響室に入って、矢印８６で示すように、導波管出口を通って反射される。音響障壁板を８８に示す。

１つ又は複数の音響隔壁を音響セル内に含めることによって追加の音響制動及び減衰をもたらすことができる。例えば、音響隔壁９０を導波管６８より上の音響セル７８内に含めることができる。音響セル７２に示すように、音響隔壁９２を導波管より下に配置してもよい。音響隔壁９３を導波管６４内に配置してもよい。音響隔壁９５を図５に示すように、導波管の出口に配置してもよい。導波管より上に、導波管内に及び／又は導波管より下に、１つより多い音響隔壁を含めることも可能である。

任意の音響隔壁は、織り繊維と有孔薄板とを含む、雑音減衰をもたらすのに使用される標準吸音材のいずれかで製作することができる。織り繊維の音響隔壁の使用が好ましい。これらの吸音材は、具体的に雑音減衰をもたらすように設計される目の粗いメッシュ生地の相対的に薄い薄板として通常提供される。吸音材は、単繊維ファイバで織った目の粗いメッシュ生地であることが好ましい。ファイバは、ガラス、炭素、セラミック、又はポリマーから構成してもよい。ポリアミド、ポリエステル、ポリエチレン、クロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、エチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフルオロエチレンプロピレーン（ｐｏｌｙｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）（ＦＥＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアミド６（ナイロン６、ＰＡ６）及びポリアミド１２（ナイロン１２、ＰＡ１２）で製作された単繊維ポリマーファイバは、ほんの数例である。ＰＥＥＫで製作された目の粗いメッシュ生地は、ジェットエンジン用ナセルなどの高温用途に好ましい。例示的な隔壁は、米国特許第７，４３４，６５９号、第７，５１０，０５２号及び第７，８５４，２９８号に記載されており、その内容は参照により本明細書に取り込まれる。プラスチック薄板又は薄膜をレーザで穴開けすることによって製作された隔壁を使用してもよい。

導波管は、ハニカムを製作するのに使用される材料に適合することを条件に非常に様々な材料で製作してもよい。音響隔壁の製作用の上記の同じ種類の材料が導波管を製作するのにも使用されることが好ましい。導波管側壁は、好ましくは、導波管を横断する音響伝送がないように固体材料で製作される。固体導波管側壁の使用により、確実に、音響セルに入る音波のすべてが、内部音波室を完全に通って移動してから外部音波室に入らなければならない。所望であれば、導波管を製作するのに使用される材料は、ある限定された量の音波伝送が導波管側壁を横断して起きることができるように、穿孔してもよく、又は材料をメッシュにしてもよい。音響透過性の導波管側壁の使用により、音響セルの音響減衰特性を変える別の選択肢が与えられる。

円錐台導波管の入口は、音響セルの側壁に一致する形状にされる。例えば、六角形の断面を有する、音響セル内に使用される導波管は、セルの六角形に一致する六角形を有する。これにより、導波管入口が音響セルの側壁にしっかりと接着されることが可能になる。導波管入口は、熱接合を含む周知の接着技法を使用して音響セル側壁に接着してもよい。ハニカム側壁に接着させるための表面積の増大を得るために、フランジが導波管の一部としてもよい。内容が参照により本明細書に取り込まれる米国特許第７，４３４，６５９号、第７，５１０，０５２号及び第７，８５４，２９８号における上記の音響隔壁と同じように、導波管は、製作され、音響セルに挿入され、同じように所定位置に接着され得る。主な相違は、円錐台導管が、平面音響隔壁ではなく音響セル中に挿入され、接着されることである。

導波管入口は、音響セルの断面形状に一致しなくてよい。入口は、より小さい断面積及び／又は異なる形状を有することができる。これらの場合、肩部又は接続片が入口の周辺とセル側壁との間に設けられる。肩部は、好ましくは、音波のすべてが入口を通るように向けられるように遮音材料で製作される。所望であれば、肩部又は接続片は、メッシュ又は有孔隔壁材料などの音響透過材料で製作することができる。

導波管出口は、様々な断面形状を有することができる。円形導波管出口が好ましい。但し、楕円形出口及び多角形出口が可能である。出口の断面形状は、導波管入口の形状に一致しなくてよい。好ましい実施例において、導波管入口は、セル形状に一致する六角形の断面を有し、導波管出口は、円形断面を有する。導波管入口は、好ましくは、出口よりも大きい。但し、導波管入口が出口よりも小さいことがある場合がある。

ハニカムを製作するのに使用される材料は、金属、セラミック及び複合材料を含む音響構造体に典型的に使用されるもののうちのいずれかであり得る。例示的な金属は、アルミニウムとアルミニウム合金とを含む。例示的な複合材料は、繊維ガラス、ノーメックス及びグラファイト又はセラミックファイバと適切なマトリックス樹脂との様々な組合せを含む。相対的に高い温度（約１４９℃〜約２０４℃（３００°Ｆ〜４００°Ｆ））に耐えることができるマトリックス樹脂が好ましい。固体表面板１６を製作するのに使用される材料も、ハニカム構造を製作するのに使用される同じ材料の種類を典型的に含む音響構造体に一般に使用される固体表面板材料のうちのいずれかであり得る。多孔質の表面板１４を製作するのに使用される材料も、構造内の細孔又は穿孔がジェットエンジン又は他の音源からの音波が音響セル又は共振器中に入ることが可能になるくらいに十分であることを条件に、そのような多孔質構造に一般に使用される材料のいずれかであり得る。

ジェットエンジンのナセルには、ハニカムセルは、典型的には、断面積が約０．６〜３．２平方ｃｍ（０．１〜０．５平方インチ）の間であり、深さが約２．５４〜５．０８ｃｍ（１．０〜２．０インチ）の間である。本発明による導波管の使用により、人は厚さの範囲（５．０８ｃｍ（２．０インチ））の上端における厚さを有するナセルによって提供される同じ低周波数雑音の減衰又は抑制を提供する厚さの範囲（２．５４ｃｍ（１．０インチ））の下端におけるハニカムセルの深さを有するナセルを製作することが可能になる。

ある一定の厚さであるナセルを選択し、共振器の厚さを増大させずに、又は利用可能な音響セルの数を低減せずに、有効共振器長を増大させる能力は、人がナセルをできるだけ薄く及び軽量にすることが可能になり、一方で、それでも最新のジェットエンジン設計によって発生される相対的により低い周波数の雑音を制動することができるので、顕著な利点である。

前に述べたように、ハニカムの第２の縁部１７を塞いで、音響共振器を形成するために、固体表面板１６を音響障壁として使用することが好ましい。この状況において、音響障壁は、すべて、ハニカムの第２の縁部に沿って配置される。セルの音響的深さは、所望であれば、表面板の代わりに個々の障壁を使用することによって変えることができる。個々の障壁は、所望の音響共振器の深さを得るためにセル内の所定の位置に挿入され、接着される。

このようにして、本発明の例示的な実施例を説明してきたが、開示内は例示的だけであり、様々な他の代替、改変及び変更を本発明の範囲内で加えることができることを当業者は留意されたい。したがって、本発明は、上記の実施例によって限定されず、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (19)

1. 音源から発生された雑音を低減するための音響構造体であって、
   前記音源に最も近く配置される第１の縁部と、第２の縁部とを備えるハニカムであって、前記ハニカムが、前記第１の縁部と前記第２の縁部との間を延びる複数の側壁を備え、前記側壁が、複数のセルを画定し、前記セルの各々が、前記側壁に対して垂直方向に測定される断面積を有する、ハニカムと、
   音響共振器を形成するために前記ハニカムの前記第２の縁部に又は前記セルのうちの少なくとも１つの内に配置された音響障壁であって、前記音響共振器の深さが、前記ハニカムの前記第１の縁部と前記音響障壁との間の距離に等しい、音響障壁と、
   前記音響共振器内に配置された音導波管と、
   を備え、
   前記音導波管が、内部表面及び外部表面を有する音響導波壁を備え、前記音響導波壁が、導波管入口を画定する入口縁部と導波管出口を画定する出口縁部とを備え、前記導波管入口が、前記導波管出口よりも前記ハニカムの第１の縁部に近くに配置され、前記音響導波壁が、前記セルを、内部音波チャネルと外部音波室とに分割し、前記内部音波チャネルは、前記音響導波壁の前記内部表面と、前記導波管入口と、前記導波管出口と、前記導波管入口と前記ハニカムの前記第１の縁部との間を延びるセル側壁の部分とによって画定され、前記外部音波室は、前記音響導波壁の前記外部表面と、前記音響障壁と、前記導波管出口と前記ハニカムの前記側壁とによって画定される、音響構造体。
2. 前記導波管入口が、前記導波管出口よりも大きい、請求項１に記載の音響構造体。
3. 前記導波管入口のサイズが、前記セルの断面積に実質的に等しい、請求項２に記載の音響構造体。
4. 前記音響導波壁の形状が、円錐台である、請求項２に記載の音響構造体。
5. 前記入口縁部における前記音響導波壁の前記外部表面が、前記セル側壁に接着される、請求項１に記載の音響構造体。
6. 前記導波管入口が六角形の形状をし、前記導波管出口が円形の形状をした、請求項２に記載の音響構造体。
7. 前記音響導波壁が、プラスチックの薄膜で製作される、請求項１に記載の音響構造体。
8. 前記プラスチックの薄膜が、穿孔される、請求項７に記載の音響構造体。
9. 請求項１に記載の音響構造体を備えるエンジンのナセル。
10. 請求項９に記載のナセルを備える飛行機。
11. 音源から発生された雑音を低減するための音響構造体を製作するための方法であって、
    前記音源に最も近く配置される第１の縁部と、第２の縁部とを備えるハニカムを設けるステップであって、前記ハニカムが、前記第１の縁部と前記第２の縁部との間を延びる複数の側壁を備え、前記側壁が、複数のセルを画定し、前記セルの各々が、前記側壁に対して垂直方向に測定される断面積を有する、設けるステップと、
    音響共振器を形成するために前記ハニカムの前記第２の縁部に又は前記セルのうちの少なくとも１つの内に音響障壁を配置するステップであって、前記音響共振器の深さが、前記ハニカムの前記第１の縁部と前記音響障壁との間の距離に等しい、配置するステップと、
    前記音響共振器内に音導波管を配置するステップと、
    を含み、
    前記音導波管が、内部表面及び外部表面を有する音響導波壁を備え、前記音響導波壁が、導波管入口を画定する入口縁部と導波管出口を画定する出口縁部とを備え、前記導波管入口が、前記導波管出口よりも前記ハニカムの第１の縁部に近く配置され、前記音響導波壁が、前記セルを、内部音波チャネルと外部音波室とに分割し、前記内部音波チャネルは、前記音響導波壁の前記内部表面と、前記導波管入口と、前記導波管出口と、前記導波管入口と前記ハニカムの前記第１の縁部との間を延びるセル側壁の部分とによって画定され、前記外部音波室は、前記音響導波壁の前記外部表面と前記音響障壁と前記ハニカムの前記側壁とによって画定される、音響構造体を製作するための方法。
12. 前記導波管入口が、前記導波管出口よりも大きい、請求項１１に記載の音響構造体を製作するための方法。
13. 前記導波管入口のサイズが、前記セルの断面積に実質的に等しい、請求項１２に記載の音響構造体を製作するための方法。
14. 前記音響導波壁の形状が、円錐台である、請求項１２に記載の音響構造体を製作するための方法。
15. 前記音響共振器内に前記音導波管を配置する前記ステップが、前記入口縁部における前記音響導波壁の前記外部表面を前記セル側壁に接着するステップを含む、請求項１４に記載の音響構造体を製作するための方法。
16. 前記導波管入口が六角形の形状をし、前記導波管出口が円形の形状をした、請求項１１に記載の音響構造体を製作するための方法。
17. 前記音響構造体が、ジェットエンジン用ナセルである、請求項１１に記載の音響構造体を製作するための方法。
18. 少なくとも部分的に雑音の音源を請求項１に記載の音響構造体で囲むステップを含む、前記雑音の音源から発生された雑音を低減するための方法。
19. 前記雑音の音源がジェットエンジンであり、前記音響構造体がナセルである、請求項１８に記載の前記雑音の音源から発生された雑音を低減するための方法。

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