ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ СФЕРИЧЕСКАЯ ПАНЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК G10K11/172 

Изобретение относится к звукопоглощающим панелям и может быть использовано для поглощения шума машин и аэродинамических устройств.

Известная звукопоглощающая панель авиационного двигателя (См. патент на полезную модель: NOISE REDUCTION PLATE STRUCTURE USED FOR AIRCRAFT ENGINE, CN203476833U, МПК F04D 29/66, опубликован 12.03.2014.), содержит тонкую глухую оболочку, объемную сотовую оболочку и тонкую перфорированную оболочку. Перфорированная оболочка сформирована из перфорированного листового материала. Сотовая оболочка установлена между глухой и перфорированной оболочками. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов, которые поглощают акустическую энергию, снижая уровень шума авиационного двигателя.

Известная многослойная звукопоглощающая панель авиационного двигателя (См. патент на изобретение: MULTI-LAYERED ACOUSTIC LINER, US3948346, МПК, G10K11/172, опубликован 06.04.1976.), содержит тонкую глухую оболочку, по меньшей мере, две объемные сотовые и две тонкие перфорированные оболочки. Перфорированные оболочки сформированы из перфорированного листового материала. Сотовые оболочки разделены перфорированными оболочками и установлены между глухой оболочкой и внешней перфорированной оболочкой. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов, которые поглощают акустическую энергию, снижая уровень шума авиационного двигателя.

В известных звукопоглощающих панелях не предусмотрена геометрическая связь, обеспечивающая соосность осей отверстий перфорированной оболочки и осей ячеек сотовой оболочки. Акустические резонаторы имеют несимметричную форму и/или несколько входных отверстий. Несоосность отверстий перфорированной оболочки и ячеек объемной сотовой оболочки приводит к расширению спектра поглощения звуковых волн. Резонансные частоты акустических резонаторов отличаются между собой и не совпадают с частотой поглощаемой звуковой волны. Эффект звукопоглощения, свойственный акустическому резонатору Гельмгольца, реализован не в полной мере.

Звукопоглощающая панель летательного аппарата (См. патент на изобретение: LINEAR ACOUSTIC LINER, US8196704B2, МПК, B64D33/02;E04B1/84, опубликован 12.06.2012.), содержит тонкую глухую оболочку, объемную сотовую оболочку, внешнюю и внутреннюю перфорированные оболочки, между которыми введен пористый слой адгезивного материала. Сотовая оболочка установлена между глухой и внутренней перфорированной оболочкой. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов, которые поглощают акустическую энергию и снижают уровень шума. Перфорированные оболочки сформированы из композитных материалов на формовочной модели и могу быть выполнены цилиндрической, конической или другой нецилиндрической формы. Отформованные оболочки перфорируют совместно, посредством поштучного выполнения отверстий ручным или программируемом инструментом. Для сохранения соосности отверстий после окончательной сборки перфорированные оболочки связаны установочными штифтами и отверстиями.

В последнем изобретении не раскрыта геометрическая связь, обеспечивающая соосность осей отверстий перфорированных оболочек и осей ячеек объемной сотовой оболочки. Кроме того, поштучное выполнение отверстий на отформованных оболочках - длительная операция, которая не удовлетворяет требованиям серийного производства.

Выбранная в качестве прототипа, звукопоглощающая коническая панель (См. патент на изобретение: ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩАЯ КОНИЧЕСКАЯ ПАНЕЛЬ, RU 2785838, МПК, E04B 1/82, опубликован 14.12.2022), содержит тонкую глухую оболочку, объемную сотовую оболочку и тонкую перфорированную оболочку. Сотовая оболочка установлена между глухой и перфорированной оболочками. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов, которые поглощают акустическую энергию и снижают уровень шума. Объемная сотовая оболочка выполнена в виде призматического сотового блока с трапецеидальным контуром. Сотовый блок набран рядами упругой волнообразной ленты. Ряды упругой волнообразной ленты параллельны основаниям трапецеидального контура. Соседние ряды волнообразной ленты смещены на половину своего шага и соединены в местах прилегания вершин и впадин. Размеры трапецеидального контура сотового блока равны размерам поверхности прилегания перфорированной оболочки. Объемный сотовый блок деформирован по контуру и коническим поверхностям глухой и перфорированной оболочек. Шаг и координаты осей отверстий в перфорированной оболочке связаны с геометрическими параметрами звукопоглощающей конической панели и сотового блока соотношениями, которые обеспечивают соосность отверстий перфорированной оболочки и ячеек сотовой оболочки, а также исполнение отверстий в пакете разверток перфорируемых оболочек.

Прототип создает эффект звукопоглощения, близкий к эффекту акустического резонатора Гельмгольца, однако геометрические связи и соотношения конической звукопоглощающей панели непригодны для звукопоглощающей сферической панели.

Задача, решаемая изобретением - создание звукопоглощающей сферической панели, в которой:

- отверстия перфорированной сферической оболочки и ячейки сотовой оболочки соосны;

- отверстия перфорируемых сферических оболочек выполнены в пакете их плоских заготовок.

Технический результат от использования изобретения:

- улучшение звукопоглощения на частоте поглощаемой звуковой волны;

- сокращение длительности перфорации сферических оболочек.

Изобретение может быть реализовано в следующих исполнениях.

1-е исполнение

Звукопоглощающая сферическая панель содержит тонкую глухую сферическую оболочку, объемную сотовую оболочку и тонкую перфорированную сферическую оболочку. Объемная сотовая оболочка установлена между глухой и перфорированной сферическими оболочками. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов, которые поглощают акустическую энергию и снижают уровень шума. Объемная сотовая оболочка выполнена в виде сотового блока с четырехугольным контуром. Две противоположные стороны четырехугольного контура образованы отрезками параллельных прямых. Сотовый блок симметричен относительно линии, соединяющей середины параллельных сторон контура. Сотовый блок набран рядами упругой волнообразной ленты между параллельными сторонами четырехугольного контура. Соседние ряды волнообразной ленты взаимно смещены на половину шага и соединены в местах прилегания вершин и впадин. Объемный сотовый блок деформирован по контурам и сферическим поверхностям глухой и перфорированной оболочек.

Для решения поставленной задачи глухая и перфорированная сферические оболочки выполнены в виде концентричных сферических поясов, а контур сотового блока геометрически связан с параметрами звукопоглощающей сферической панели соотношениями:

где: x, y - координаты точек контура в прямоугольной системе координат XOY, мм; точка O начала координат лежит на оси ячейки в середине отрезка, соединяющего середины параллельных сторон контура, ось OY направлена по этому отрезку; R - радиус поверхности прилегания внешней сферической и сотовой оболочек, мм; H - высота сферического пояса, мм, число секторов в замкнутом сферическом поясе, i = 1 соответствует кольцевому сферическому поясу (см. ниже: фиг. 4, 7).

Координаты осей отверстий перфорированной оболочки связаны с геометрическими параметрами звукопоглощающей сферической панели следующими соотношениями:

где: - азимутальный и полярный координатные углы осей отверстий в сферической системе координат, рад., начало системы координат совпадает с геометрическим центром сферического пояса; азимутальный угол отсчитывается от оси симметрии сектора сферического пояса; n - номер ряда отверстий при отсчете от фундаментальной плоскости; m -- номер отверстия в n-ом ряду при отсчете от оси симметрии сектора сферического пояса; - шаг осей ячеек сотового блока вдоль оси OX, мм; - шаг осей отверстий сотового блока вдоль оси OY, мм (см. ниже: фиг. 5-10).

Соотношения (1), (2) получены из следующих условий:

- координата x контура сотового блока равна половине длины дуги на поверхности прилегания внешней сферической оболочки в ее сечении плоскостью, параллельной фундаментальной плоскости;

- координата y сотового блока равна длине дуги поверхности прилегания на торце внешней сферической оболочки между указанными выше параллельными плоскостями (см. ниже: фиг. 4).

Для больших радиусов звукопоглощающей сферической панели, например, когда R в тридцать и более раз превышает ширину упругой волнообразной ленты, сотовый блок после установки между тонкими оболочками деформирован упруго. Соотношения (1), (2) достаточно точно обеспечивают сохранение формы, размеров, шага и положения ячеек сотового блока на поверхности прилегания внешней сферической оболочки. Соотношения (3)-(6) определяют сферические угловые координаты осей отверстий на поверхности прилегания внешней сферической оболочки через шаги s и t ячеек сотового бока.

Известное положение ячеек сотового блока позволяет выполнить соосные им отверстия перфорации по сферическим координатам как на внешней, так и на внутренней сферических оболочках. Акустические резонаторы в этом исполнении имеют симметричную форму, а эффект звукопоглощения улучшен.

2-е исполнение

Звукопоглощающая сферическая панель в исполнении 1, отличающаяся тем, что отверстия внешних перфорированных сферических оболочек выполнены в пакете плоских заготовок. Координаты осей отверстий на поверхности плоской заготовки определены соотношениями:

где: - координаты осей отверстий в прямоугольной системе координат XOY на поверхности плоской заготовки перфорируемой оболочки, мм; точка O начала координат совпадает с точкой контакта заготовки и вершины обтяжного сферического пуансона жесткого штампа (см. ниже: фиг. 11,12).

Соотношения (7)-(10) получены для сферических оболочек, изготовляемых листовой штамповкой на операциях осесимметричной обтяжки в жестких штампах при условии равномерного осесимметричного растяжения заготовки (см. Аверкиев А.Ю., Аверкиев Ю.А., Антонов Е.А. Ковка и штамповка. В 4-х томах. Т. 4. Листовая штамповка. Стр. 13, 236-240.). Прямоугольные координаты осей отверстий в плоской заготовке следуют из сферических угловых координат (3)-(6) посредством их приведения к линейным величинам: умножением на радиус R поверхности прилегания внешней сферической оболочки и делением на коэффициент, учитывающий осесимметричное растяжение заготовки.

Соотношения (1)-(3) и (7)-(10) определяют соосное положение осей отверстий внешней сферической оболочки и ячеек объемной сотовой оболочки после операций обтяжки плоской заготовки сферическим пуансоном и сборки панели. Акустические резонаторы этого исполнения симметричны и обеспечивают улучшение эффекта звукопоглощения.

3-е исполнение

Звукопоглощающая сферическая панель в исполнении 1, отличающаяся тем, что отверстия внутренних перфорированных сферических оболочек выполнены в пакете плоских заготовок. Координаты осей отверстий на поверхности плоской заготовки определены соотношениями:

где: - координаты осей отверстий в прямоугольной системе координат XOY на поверхности плоской заготовки внутренней сферической оболочки, мм; точка O начала координат совпадает с точкой контакта заготовки и вершины обтяжного сферического пуансона жесткого штампа; h - высота ячеек сотового блока, мм (см. ниже: фиг. 11).

Прямоугольные координаты осей отверстий в плоской заготовке следуют из угловых сферических координат (3)-(6) посредством их приведения к линейным величинам: умножением на радиус (R - h) поверхности прилегания внутренней сферической оболочки и делением на коэффициент, учитывающий осесимметричное растяжение заготовки.

Выполнение отверстий в пакете плоских заготовок сокращает длительность перфорации оболочек кратно числу заготовок в пакете. Соотношения (1)-(3) и (11)-(14) определяют соосное положение осей отверстий внутренней сферической оболочки и ячеек объемной сотовой оболочки, после операций обтяжки плоской заготовки сферическим пуансоном и сборки панели. Как и в предыдущих исполнениях акустические резонаторы симметричны, а эффект звукопоглощения улучшен.

Обоснование соотношений (1)-(14) представлено ниже в описании осуществления изобретения.

На фиг. 1 показана кольцевая звукопоглощающая сферическая панель, в которой тонкая перфорированная оболочка выполнена в виде внешнего сферического пояса, на фиг. 2 - кольцевая звукопоглощающая сферическая панель, в которой тонкая перфорированная оболочка выполнена в виде внутреннего сферического пояса, на фиг. 3 - сектор звукопоглощающей сферической панели, показанной на фиг. 1; на фиг. 4 - вид А на фиг. 3; на фиг. 5 - выносной элемент Б на фиг. 4; на фиг. 6 - сечение В-В на фиг. 4; на фиг. 7 - контур объемного сотового блока в прямоугольной системе координат; на фиг. 8 - сотовый блок; на фиг. 9 - выносной элемент Г на фиг. 8; на фиг. 10 - перфорированная сферическая оболочка в сферической системе координат; на фиг. 11 - схема деформации плоской заготовки при ее обтяжке жестким сферическим пуансоном радиусом R; на фиг. 12 - пакет плоских заготовок перфорируемых оболочек в прямоугольной системе координат.

Звукопоглощающая сферическая панель, см. фиг. 1-3 содержит тонкую глухую сферическую оболочку 1, объемную сотовую оболочку 2 и тонкую перфорированную сферическую оболочку 3. Объемная сотовая оболочка установлена между глухой и перфорированной сферическими оболочками. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов. Объемная сотовая оболочка выполнена в виде сотового блока с четырехугольным контуром. Две противоположные стороны четырехугольного контура образованы отрезками параллельных прямых. Сотовый блок симметричен относительно линии, соединяющей середины параллельных сторон контура. Сотовый блок набран рядами упругой волнообразной ленты между параллельными сторонами четырехугольного контура. Соседние ряды волнообразной ленты взаимно смещены на половину шага и соединены в местах прилегания вершин и впадин. Объемный сотовый блок деформирован по контурам и сферическим поверхностям прилегания глухой и перфорированной оболочек.

Глухая и перфорированная сферические оболочки выполнены в виде концентричных сферических поясов, а контур сотового блока связан с геометрическими параметрами звукопоглощающей сферической панели соотношениями (1), (2). После деформации сотового блока по контуру и сферическим поверхностям прилегания тонких сферических оболочек призматические ячейки сотового блок принимают форму усеченных пирамид. Соотношения (1), (2) обеспечивают сохранение формы, размеров и шага ячеек сотового блока на поверхности прилегания к внешней сферической оболочке. На поверхности прилегания к внутренней сферической оболочке форма ячеек сотового блока сохранена, а размеры и шаг ячеек уменьшены пропорционально радиусу оболочки. Звукопоглощающая сферическая панель может быть выполнена разъемной из нескольких секторов.

После установки объемной сотовой оболочки ряды упругой ленты сжаты, что повышает плотность акустических резонаторов. Заданный контур сотового блока позволяет выполнить отверстия перфорируемой оболочки соосно ячейкам сотового блока, получить симметричные акустические резонаторы и, как следствие, улучшить эффект звукопоглощения.

Длины сторон контура сотового блока определены размерами поверхности прилегания внешней сферической оболочки. Длины параллельных сторон контура сотового блока равны длинам дуг оснований внешнего сферического пояса. Переменное расстояние между непараллельными сторонами контура определяется длиной дуги поверхности прилегания внешнего сферического пояса в ее текущем сечении плоскостью, параллельной фундаментальной плоскости P.

Из геометрических связей на фиг. 4, 10 длина параллельных сторон контура сотового блока равна длине дуги LM:

Расстояние между параллельными сторонами контура сотового блока равно длине дуги CD на поверхности прилегания внешней сферической оболочки в ее полярном сечении.

Наибольшее расстояние между непараллельными сторонами контура сотового блока равно длине дуги EK на поверхности прилегания внешнего сферического пояса в фундаментальной плоскости P.

В прямоугольной системе координат XOY контур сотового блока определен на отрезке:

между значениями:

На отрезке:

На отрезках:

значениям x соответствует постоянный азимутальный угол, равный половине угла EOK сектора звукопоглощающей сферической панели и переменный радиус r окружностей в плоскостях, параллельных фундаментальной плоскости P. Для совпадения боковых сторон контура и сферической оболочки после деформации сотового блока переменный радиус и координата y определяются соотношениями:

где: r - переменный радиус окружностей в плоскостях, параллельных фундаментальной плоскости.

Из (15)-(24) следуют соотношения (1), (2), которые обеспечивают сохранение формы, размеров и шага ячеек на поверхности прилегания к внешней сферической оболочке. На поверхности прилегания к внутренней сферической оболочке форма ячеек сотового блока сохранена, а размеры и шаг ячеек уменьшены пропорционально радиусу оболочки. При деформации сотового блока по контуру и сферическим поверхностям оболочек ряды упругой волнообразной ленты сжимаются, а плотность надежность их соединений улучшается.

Связь контура призматического сотового блока с геометрическими параметрами звукопоглощающей сферической панели определяет форму и положение ячеек объемной сотовой оболочки, что позволяет выполнить отверстия перфорируемой оболочки соосно ячейкам объемной сотовой оболочки, получить симметричные акустические резонаторы и, как следствие, улучшить эффект звукопоглощения.

В исполнениях 2 и 3 отверстия перфорированных сферических оболочек выполнены в пакете нескольких плоских заготовок по прямоугольным координатам, определенным соответственно соотношениями (7)-(10) и (11)-(14), см. фиг. 12.

В исполнении 2 прямоугольные координаты осей отверстий в плоской заготовке следуют из угловых сферических координат (3)-(6) посредством их приведения к линейным величинам: умножением на радиус R поверхности прилегания внешней сферической оболочки и делением на коэффициент, учитывающий осесимметричное растяжения заготовки, см. фиг. 11:

где: k - коэффициент, учитывающий осесимметричное растяжения заготовки.

В исполнении 3 прямоугольные координаты осей отверстий в плоской заготовке следуют из угловых сферических координат (3)-(6) посредством их приведения к линейным величинам: умножением на радиус (R - h )поверхности прилегания внутренней сферической оболочки и делением на коэффициент, учитывающий осесимметричное растяжения заготовки:

при этом шаги ячеек сотового блока на поверхности прилегания к внутренней сферической оболочке уменьшатся пропорционально радиусу внутренней сферической оболочки:

где: - шаг ячеек сотового блока на поверхности прилегания внутренней сферической оболочки по оси X. - шаг ячеек сотового блока на поверхности прилегания к внутренней сферической оболочки по оси Y.

Сборка звукопоглощающей сферической панели производится в сборочном кондукторе. Поверхности прилегания оболочек покрывают порошковым припоем на органической связке. Сотовый блок устанавливается между тонкими сферическими оболочками и деформируется по их контуру и сферическим поверхностям. Собранную конструкцию подвергают термической обработке для образования паяных соединений.

В предпочтительной конструкции звукопоглощающей сферической панели объемный сотовый блок набран волнообразной лентой с трапецеидальной формой волны, образующей шестигранные ячейки. В связи с тем, что соотношения (1) - (6) не содержат параметров формы ячеек упругий сотовый блок может быть набран волнообразной лентой с другой формой волны и, как следствие, с другой формой ячеек.

Изготовление звукопоглощающей сферической панели реализовано в производстве металлообрабатывающего завода.

Промышленная применимость изобретения подтверждена изготовлением и испытаниями опытной партии изделий.

Изобретение относится к звукопоглощающим панелям и может быть использовано для поглощения шума машин и аэродинамических устройств. Звукопоглощающая сферическая панель содержит тонкую глухую сферическую оболочку, объемную сотовую оболочку и тонкую перфорированную сферическую оболочку. Оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов. Объемная сотовая оболочка выполнена в виде сотового блока с четырехугольным контуром. Две противоположные стороны четырехугольного контура образованы отрезками параллельных прямых. Сотовый блок симметричен относительно линии, соединяющей середины параллельных сторон контура. Сотовый блок набран рядами упругой волнообразной ленты между параллельными сторонами четырехугольного контура. Соседние ряды волнообразной ленты взаимно смещены на половину шага и соединены в местах прилегания вершин и впадин. Объемный сотовый блок деформирован по контурам и сферическим поверхностям прилегания глухой и перфорированной оболочек. Технический результат заключается в улучшении звукопоглощения и технологичности перфорированной оболочки. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Звукопоглощающая сферическая панель, содержащая тонкую глухую сферическую оболочку, объемную сотовую оболочку и тонкую перфорированную сферическую оболочку, объемная сотовая оболочка установлена между глухой и перфорированной сферическими оболочками, оболочки жестко соединены по поверхностям прилегания и образуют множество акустических резонаторов, объемная сотовая оболочка выполнена в виде сотового блока с четырехугольным контуром, две противоположные стороны четырехугольного контура образованы отрезками параллельных прямых, сотовый блок симметричен относительно линии, соединяющей середины параллельных сторон контура, сотовый блок набран рядами упругой волнообразной ленты между параллельными сторонами четырехугольного контура, соседние ряды волнообразной ленты взаимно смещены на половину шага и соединены в местах прилегания вершин и впадин, объемный сотовый блок деформирован по контурам и сферическим поверхностям глухой и перфорированной оболочек, отличающаяся тем, что глухая и перфорированная сферические оболочки выполнены в виде концентричных сферических поясов, а контур сотового блока геометрически связан с параметрами звукопоглощающей сферической панели соотношениями:

где: x, y – координаты точек контура в прямоугольной системе координат XOY, мм; точка O начала координат лежит на оси ячейки в середине отрезка, соединяющего середины параллельных сторон контура, ось OY направлена по этому отрезку; R – радиус поверхности прилегания внешней сферической и сотовой оболочек, мм; H – высота сферического пояса, мм, i - число секторов в замкнутом сферическом поясе, i = 1 соответствует кольцевому сферическому поясу, координаты осей отверстий перфорированной оболочки связаны с геометрическими параметрами звукопоглощающей сферической панели следующими соотношениями:

где: – азимутальный и полярный углы осей отверстий в сферической системе координат, рад.; начало системы координат совпадает с геометрическим центром сферического пояса; азимутальный угол отсчитывается от оси симметрии OX сектора сферического пояса; n – номер ряда отверстий при отсчете от фундаментальной плоскости; m – номер отверстия в n-ом ряду при отсчете от оси симметрии сектора сферического пояса; s - шаг осей ячеек сотового блока вдоль оси OX, мм; t – шаг осей ячеек сотового блока вдоль оси OY, мм.

2. Звукопоглощающая сферическая панель по п.1, отличающаяся тем, что отверстия внешних перфорированных сферических оболочек выполнены в пакете их плоских заготовок, координаты осей отверстий на поверхности плоской заготовки определены соотношениями:

где: – координаты осей отверстий в прямоугольной системе координат XOY на поверхности плоской заготовки перфорируемой оболочки, мм; точка O начала координат совпадает с точкой контакта заготовки и вершины обтяжного сферического пуансона жесткого штампа.

3. Звукопоглощающая сферическая панель по п. 1, отличающаяся тем, что отверстия внутренних перфорированных сферических оболочек выполнены в пакете плоских заготовок. Координаты осей отверстий на поверхности плоской заготовки определены соотношениями:

где: – координаты осей отверстий в прямоугольной системе координат XOY на поверхности плоской заготовки внутренней сферической оболочки, мм; точка O начала координат совпадает с точкой контакта заготовки и вершины обтяжного сферического пуансона жесткого штампа; h – высота ячеек сотового блока, мм.