柔性声学蜂窝的制作方法

文档序号:20167042发布日期:2020-03-24 21:46
柔性声学蜂窝的制作方法

本发明总体上涉及用于使从特定源头发出的噪声衰减的声学结构。更特别地,本发明旨在提供柔性声学蜂窝,该柔性声学蜂窝可经轮廓设计以形成具有贴合的曲率半径和/或复合曲率(tightradiiofcurvaturesand/orcompoundcurvatures)的声学结构。



背景技术:

众所周知,处理由特定源头产生的过量噪声的最佳方式是处理该源头处的噪声。这通常是通过向噪声源头处的结构添加声阻尼结构(声学处理物)来实现的。一种特别棘手的噪声源头为大多数客机上所用的喷气式发动机。通常在发动机的进气、机舱和排气结构中加入声学处理物。这些声学处理物包括声学共振器,该声学共振器包括相对薄的声学材料或具有数百万个孔的栅格,这些孔对由发动机产生的声能产生声阻抗。

蜂窝已经是用于飞机和航空航天器的流行材料,因为它相对牢固且轻质。对于诸如发动机舱的声学应用,将声学材料添加到蜂窝结构中,使得蜂窝单元在远离发动机的端部处被实心不透声片材或薄皮状物声学封闭,并且在位于最靠近发动机的端部处覆盖有多孔或穿孔透声覆盖物。以这种方式用声学材料封闭蜂窝单元产生对噪声进行衰减、阻尼和/或抑制的声学共振器。声学隔膜通常也并入到蜂窝单元的内部,以便为共振器提供额外的噪声衰减特性。

将声学隔膜结合到蜂窝单元中的一种方式是首先由声学材料例如声学网状物或穿孔声学膜形成平面声学插入件。平面声学插入件被制成比单元开口更大。因此,当用柱塞将插入件推入单元时,它们折叠成帽形式的声学隔膜。帽形状提供接触单元壁的锚固部分和使单元中的声波衰减的中央隔膜部分。一旦插入单元中,声学隔膜帽的锚固部分与蜂窝壁之间的摩擦使声学隔膜帽暂时锁定在适当位置。然后施用粘合剂以将插入的声学隔膜帽的锚固部分永久地结合到单元壁。

声学隔膜帽的永久结合通常通过将整个蜂窝浸渍到液体粘合剂池来完成。选择将蜂窝浸渍到粘合剂中的深度,使得插入的声学隔膜帽的锚固部分浸没在液体粘合剂中。这种粘合剂浸渍方法是特别有效的,因为它使得位于典型声学蜂窝内的数百个声学隔膜能够同时结合。

在美国专利号7,434,659、7,510,052、7,854,298和9,016,430中描述了将隔膜帽插入蜂窝中以形成声学蜂窝。如这些已经授权的专利中所述,隔膜帽的摩擦锁定是隔膜插入工序的重要方面。例如,如果摩擦锁定不充足,则隔膜在处理期间可能移位或以其它方式移动。隔膜的任何移位使得在结合期间难以将粘合剂均匀地施用到隔膜上。隔膜的移位也导致不受控地改变声学特性。在最坏的情况下,如果摩擦锁定不充足,则隔膜可从蜂窝单元中完全掉出。

声学处理物中使用的大多数蜂窝具有六边形单元。这种六边形蜂窝往往是刚性的,并且可能难以在不压屈单元壁的情况下形成弯曲结构。在大多数情况下,弯曲的声学结构是通过将六边形声学蜂窝的多个部段缝合在一起而制成的。柔性蜂窝是可用的,可以将其成形为具有贴合的曲率半径和复曲线(compoundcurves)的结构。蜂窝是可从hexcelcorporation(加利福尼亚州都柏林)购得的一种类型的柔性蜂窝。蜂窝具有独特的单元构造,其中单元壁具有凸曲率和凹曲率。凸单元壁曲率和凹单元壁曲率的独特组合以及蜂窝的其他单元设计特征为蜂窝赋予了挠性和可成型性,从而能够以减小的鞍形曲率以及在不压屈单元壁的情况下形成具有贴合的半径和/或复合曲率的结构。

蜂窝的固有挠性使其成为用于制造所需贴合的曲率半径和/或复合曲率的声学结构的期望蜂窝。然而,蜂窝的独特单元构造在将隔膜帽式声学隔膜插入单元中的方面提出了复杂挑战。



技术实现要素:

根据本发明,发现特定的平面声学隔膜插入件构造非常适合插入到蜂窝单元和具有类似轮廓化单元的蜂窝中。平面声学隔膜插入件构造为考虑到单元轮廓的独特形状,以便当插入柔性蜂窝单元中时提供所期望的摩擦锁定量,同时即使当柔性蜂窝形成为弯曲的声学结构时在永久结合在适当位置之后仍能够提供所期望的声学性质。

用于制造根据本发明的声学结构的柔性蜂窝包括第二边缘和位于最靠近声源处的第一边缘。柔性蜂窝包括具有左侧面和右侧面的单元。该单元由在第一边缘和第二边缘之间延伸的下壁以及也在第一边缘和第二边缘之间延伸的上壁限定。下部壁具有左下端部、右下端部和位于其间的凸部。上壁具有左上端部、右上端部和位于其间的凹部。左下端部和左上端部连接以沿着单元的左侧面形成左接合部。右下端部和右上端部连接以沿着单元的右侧面形成右接合部。

作为本发明的一个特征,声学隔膜位于单元内。声学隔膜包括垂直于单元的上壁和下壁延伸的平面声学部分。平面声学部分具有位于最靠近柔性蜂窝的第一边缘处的顶侧面、位于最靠近第二边缘处的底侧面、右边界、左边界、下边界和上边界。声学隔膜还包括:在右边界处从声学部分突出的右突片部分;在左边界处从声学部分突出的左突片部分;在下边界处从声学部分突出的下突片部分;以及在上边界处从声学部分突出的上突片部分。

作为本发明的另一特征,右突片、左突片、下突片和上突片粘性地结合到单元壁,使得右突片结合到右下部和右上部,左突片结合到左下部和左上部,下突片结合到凸部,上突片结合到凹部。这种特定的结合配置提供了非常适合于使单元内的噪声衰减的平面声学部分。

本发明涉及平面声学隔膜插入件,其插入到柔性蜂窝单元中以形成隔膜帽,隔膜帽被摩擦锁定在单元内。本发明还涉及隔膜帽摩擦锁定在其中的柔性蜂窝,以及声学蜂窝,在所述声学蜂窝中隔膜帽在形成为弯曲结构之前或之后已经永久结合到单元壁。本发明涉及包含声学蜂窝的声学结构,包括发动机舱、声学面板和关于喷气发动机的声阻尼而使用的其他声学处理物。另外,本发明涵盖了用于制造平面声学隔膜插入件的方法,以及用于制造柔性声学蜂窝的方法以及柔性声学蜂窝位于其中的声学结构。

通过结合附图参照以下详述,可更好理解本发明的上述和很多其它特征以及随之而来的优势。

附图说明

图1是根据本发明的示例性柔性声学蜂窝的透视图。

图2示出了示例性平面声学隔膜插入件。

图3示出了优选的示例性平面声学隔膜插入件。

图4是来自图1中示出的柔性蜂窝的单个单元的横截面视图。

图5是示例性柱塞的局部透视图,该柱塞用于将平面声学隔膜插入件插入柔性蜂窝的单元中。

图6是简化视图,示出了将粘合剂施用到隔膜帽上以将隔膜帽永久结合到蜂窝单元中。

图7是根据本发明的示例性柔性声学结构的简化图,该柔性声学结构在适当位置用于使来自噪声源头的声音衰减。

具体实施方式

在根据本发明的声学结构中使用的示例性柔性声学蜂窝在图1中总体上示出为10。柔性声学蜂窝10具有长度方向(l)、宽度方向(w)和厚度方向(t)。柔性声学蜂窝10包括具有第一边缘14和第二边缘16的柔性蜂窝12,该第一边缘14位于最靠近噪声源头处。柔性声学蜂窝10具有单元18,这些单元18各自具有左侧面20和右侧面22。每个单元具有在第一边缘14和第二边缘16之间延伸的下壁24以及也在第一边缘14和第二边缘16之间延伸的上壁26。每个单元18的深度等于蜂窝厚度(t),该蜂窝厚度是两个边缘14和16之间的距离。每个单元18还具有垂直于单元壁24和26测量的横截面积。

如图1和图4所示,单元下壁24具有左下端部28、右下端部30和位于左下端部与右下端部之间的凸部32。单元上壁26具有左上端部34、右上端部36和位于左上端部与右上端部之间的凹部38。左下端部28和左上端部34连接以沿着单元的左侧面形成左接合部40。右下端部30和右上端部36连接以沿着所述单元的右侧面形成右接合部42。单元上壁和单元下壁中的各个部分之间的过渡的大致位置在图4中由斜杠“w”、“x”、“y”和“z”指示。

声学蜂窝10包括隔膜44。隔膜44如下形成:将多个平面声学隔膜插入件46(如图2所示)插入蜂窝单元中以形成声学隔膜帽,这些隔膜帽最初被摩擦锁定在适当位置,然后粘性地结合到单元以形成隔膜44。发现声学隔膜插入件的形状和构造必须满足如下所述的某些条件,使得声学隔膜插入件在插入期间适当折叠并形成隔膜帽,该隔膜帽被充分摩擦锁定在单元中并在已经将隔膜帽粘性地结合到单元壁之后,提供适宜的平面声学活性中心部分。

如图2中所示,平面声学隔膜插入件46由位于中心的平面声学部分48构成,该平面声学部分48具有虚线50所示的周长或总边界。总边界50由右边界52、左边界54、下边界56和上边界58形成。右边界或右周长部段52在边界标记“a”和“b”之间延伸。左边界或左周长部段54在边界标记“c”和“d”之间延伸。下边界或下周长部段56在边界标记“c”和“b”之间延伸。上边界或上周长部段58在边界标记“d”和“a”之间延伸。

平面声学部分48由突片围绕,突片在插入期间折叠成抵靠单元壁就位以将声学隔膜插入件46摩擦锁定到单元壁并随后用作永久结合到单元壁的锚固突片。右突片部分60在右边界52处从声学部分突出。左突片部分62在左边界54处从声学部分突出。下突片部分64在下边界56处从声学部分突出。上突片部分66在所述上边界58处从声学部分突出。

右突片部分60包括外端,所述外端具有顶点位于中心的有角周长。具体地,有角周长由第一向外延伸的边缘60a和第二向外延伸的边缘60b形成,所述第一向外延伸的边缘60a和第二向外延伸的边缘60b以相对于彼此的角度(e)取向,使得它们在顶点61处相遇。左突片部分62也包括外端,所述外端具有顶点位于中心的有角周长。左突片部分的外端的有角周长由第一向外延伸的边缘62a和第二向外延伸的边缘62b形成,所述第一向外延伸的边缘62a和第二向外延伸的边缘62b以相对于彼此的角度(f)取向,使得它们在顶点63处相遇。角度“e”和“f”优选近似地等于(±5°),并且根据柔性蜂窝单元的具体构造可以为60°至120°。对于蜂窝,优选90°至100°的角度。选择角度“e”和“f”以确保突片62和60折叠,使得在单元侧面处,顶点63和61分别符合在接合部40和42内。

上突片部分66包括左上叶瓣66a和右上叶瓣66b。叶瓣66a和66b由v形切口66c分开。这些叶瓣的外周长70和72优选地是弧形的,如图2所示。弧形周长70和72与v形切口66c的组合使得上突片部分66可在单元壁的凹部38内特别有效地折叠和摩擦锁定。

下突片部分64包括左下叶瓣64a和右下叶瓣64b。叶瓣64a和64b由v形切口64c分开。左下叶瓣64a包括外端,所述外端具有顶点位于中心的有角周长。有角周长由第一向外延伸的边缘74a和第二向外延伸的边缘74b形成,所述第一向外延伸的边缘74a和第二向外延伸的边缘74b以相对于彼此的角度(g)取向,使得它们在顶点75处相遇。右下叶瓣64b也包括外端,所述外端也具有顶点位于中心的有角周长。右下叶瓣的有角周长由第一向外延伸的边缘76a和第二向外延伸的边缘76b形成,所述第一向外延伸的边缘76a和第二向外延伸的边缘76b以相对于彼此的角度(h)取向,使得它们在顶点77处相遇。角度“g”和“h”优选近似地等于(±5°),并且根据柔性蜂窝单元的具体构造可以为100°至160°。对于蜂窝,优选120°至140°的角度。外端具有有角周长和位于中心的顶点的左下叶瓣和右下叶瓣当与v形切口64c组合时,可使下突片部分64有效地折叠和摩擦锁定到单元壁的凸部32。

为了促进平面声学插入件在插入到单元中期间的所需折叠并提供插入件到单元壁的必要摩擦锁定,优选地,突片部分由78、80、82和84所示的v形切口分开。v形切口向内延伸并在相对接近于平面声学部分48的边界50处终止。v形切口不应延伸跨过边界50。

如图7所示,柔性声学蜂窝10通常位于多孔或穿孔透声面板11与实心不透声声学屏障面板13之间,以形成位于噪声源头15(例如喷气式发动机的内部)附近的声阻尼板或结构。实心声学屏障面板13在声学单元18的对应于蜂窝10的第二边缘16的底部形成声学屏障。每个单元形成声学共振器,其深度等于第一边缘14和第二边缘16之间的距离。当期望单元的声学底部不对应于蜂窝10的第二边缘16时,可以将单独的声学屏障插入单元18中。将实心屏障插入单元中允许形成声学共振器,当期望时,声学共振器的深度小于蜂窝10的第一边缘14和第二边缘16之间的距离。

还如图7所示,在插入期间优选将突片部分折叠,使得所有突片部分都在隔膜部分的最靠近噪声源头的一侧上。这使隔膜在隔膜部分的位于最靠近蜂窝的第一边缘和噪声源头的一侧上锚固到蜂窝壁。然而,在某些情况下,可期望将隔膜部分在单元内取向,使得突片部分定位成最靠近第二边缘且远离噪声源头。

使用插入工具或柱塞将平面声学隔膜46插入蜂窝单元18中。在插入蜂窝单元中之前,可以使用单独的成型模具来以使平面声学隔膜最初折叠。然而,通常不需要或不使用预成型模具。通常,蜂窝的第一边缘14在平面声学隔膜的插入期间用作成型模具。可以使用单个柱塞插入单个平面声学隔膜,或者可以使用多个柱塞同时插入多个隔膜。

必须考虑柱塞的横截面形状、以及其相对于平面声学隔膜的横截面尺寸和单元横截面尺寸,以确保适当的折叠和摩擦锁定。优选的柱塞设计在图5中示出为90。柱塞90包括柱塞体92和接触平面声学隔膜的柱塞面94。柱塞面94优选具有如图5所示的横截面形状。

尽管可以使用其它横截面形状,但是发现图5所示的横截面形状在插入蜂窝中期间提供期望的平面声学隔膜的折叠,以提供牢固地摩擦锁定在单元中的期望的平面部分48。优选的柱塞面具有凸部96和凹部98。凸部包括位于中心的顶点100。在隔膜插入期间,顶点100定位成邻近单元的凹部38,而柱塞的凹部98定位成邻近单元的凸部32。根据隔膜材料的厚度、隔膜材料的固有回弹以及单元开口的尺寸和形状来选择柱塞面94的横截面尺寸。

图6示出了隔膜帽44p的简化侧视图,该隔膜帽44p由平面声学隔膜插入件46形成、并且已经使用柱塞90压入柔性蜂窝10p中就位。图6中的附图标记对应于图1和图2中的附图标记,不同之处在于添加p以表示蜂窝是前体结构,其仍然需要隔膜帽44p的永久结合以形成柔性声学蜂窝10。隔膜帽44p通过声学插入材料的固有反弹而摩擦锁定在适当位置。插入过程将平面隔膜部分48p放置为使得其以所期望的插入深度垂直(90°±10°)于单元壁延伸。突片部分在其折叠位置示出为51。

将柔性蜂窝10p浸渍到粘合剂池110中,使得突片部分浸没在粘合剂中。从粘合剂池110中移出柔性蜂窝10p,使液体粘合剂干燥或固化以形成柔性声学蜂窝10。这种类型的粘合剂施用工序提供了隔膜帽44在柔性声学蜂窝10内的永久结合。一旦形成,柔性声学蜂窝可用于形成具有贴合的曲率半径和/或复曲线的各种弯曲结构。

可以使用通常用于将隔膜帽结合到蜂窝壁上的液体粘合剂的任一种来将隔膜帽结合到柔性蜂窝壁。优选的粘合剂包括在高温(150-200℃)稳定的那些粘合剂。示例性粘合剂包括环氧树脂、丙烯酸类、酚醛树脂、氰基丙烯酸酯、双马来酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、和聚酰亚胺。聚酰胺-酰亚胺粘合剂是优选的。选择粘合剂以与隔膜材料和蜂窝材料两者都相容。

用于制造柔性蜂窝10的材料可以是通常用于制造柔性蜂窝的那些材料中的任一种,例如金属和复合材料。示例性金属包括铝和铝合金。示例性复合材料包括玻璃纤维、树脂浸渍的芳族聚酰胺纸(例如)、以及石墨纤维与适宜的基质树脂的各种组合。优选可耐受相对高的温度(150至200℃)的基质树脂。

用于制造实心声学屏障面板13的材料可以是通常用于声学结构的任何实心面板材料,其通常包括与用于制造蜂窝结构相同类型的材料。用于制造穿孔透声面板11的材料可以是通常用于这种多孔结构的任何材料,只要结构中的孔或穿孔足以允许来自喷气式发动机或其它噪声源头的声波进入声学单元或共振器即可。面板材料应足够柔性,以允许一旦柔性蜂窝已形成为所期望的弯曲结构,就可以将面板结合到柔性蜂窝。

用于制造声学蜂窝的柔性蜂窝可以是具有如前所述成形以提供凸曲率和凹曲率的组合的单元类型的任何柔性蜂窝。优选的柔性蜂窝是可从hexcelcorporation(加利福尼亚州都柏林)购得的柔性蜂窝。图1所示的柔性蜂窝是代表性的柔性蜂窝。柔性蜂窝由多种适宜的材料制成,包括5052或5056铝、芳族聚酰胺/酚醛树脂复合材料和玻璃纤维/酚醛树脂复合材料。

用于制造柔性声学蜂窝的柔性蜂窝单元将通常具有从0.05平方英寸至1平方英寸或更大的横截面积。声学单元的深度(蜂窝或芯厚度t)将通常为0.25至3英寸或更大。蜂窝材料的壁厚度将通常为0.001至0.050英寸。对于喷气式发动机机舱,柔性蜂窝单元将通常具有约0.1至0.5平方英寸的横截面积、约0.025至0.05英寸的壁厚度以及约1.0和2.0英寸的深度。

可以使用任何标准声学材料来形成隔膜帽44。这些声学材料通常以相对薄的片材形式提供,这些片材是穿孔的、多孔的或设计为提供噪声衰减的开放网眼织物。在将隔膜放置在柔性蜂窝单元内之前或之后,在实心片材材料中形成穿孔。尽管可以使用任何适宜的金属、陶瓷或塑料声学材料制造穿孔隔膜,但优选的是,声学材料是聚醚醚酮(peek)或适用于高温应用的类似的耐化学性聚合物材料。peek的片材或膜可商购自许多来源,例如victrexusa(greenville,southcarolina),其生产商品名为peektm聚合物的peek片材。

当使用固体膜作为隔膜材料时,在平面声学部分48的总边界50内穿过膜钻孔。孔可以使用激光或其它适宜的钻孔系统钻取。位于总边界50外部的各个突片部分可以保持实心,或者也可以不同程度地钻孔(如果需要),以增加表面积以及突片部分与单元壁的粘性结合。

尽管可以使用各种材料(金属、陶瓷、塑料)的穿孔和多孔片材,但优选的是,声学材料是由单丝纤维机织成的开放网眼织物。纤维可以由玻璃、碳、陶瓷或聚合物构成。由聚酰胺、聚酯、聚乙烯氯三氟乙烯(ectfe)、乙烯四氟乙烯(etfe)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚苯硫醚(pps)、聚氟乙烯丙烯(fep)、聚醚醚酮(peek)、聚酰胺6(尼龙6,pa6)和聚酰胺12(尼龙12,pa12)制成的单丝聚合物纤维仅仅是几个例子。对于高温应用,由peek制成的开放网眼单丝织物是优选的。开放网眼单丝声学织物和可以用于形成根据本发明的声学帽的其它声学材料购自众多商业来源。例如,开放网眼单丝声学织物的片材可以得自sefaramericainc.(buffalodivisionheadquarters111calumetstreetdepew,ny14043),商品名为sefarpetex、sefarnitex和sefarpeektex。

可以使用混杂隔膜帽,其中平面隔膜部分由开放网眼单丝织物制成、而突片部分由塑料固体膜制成。在某些情况下,这种组合可以提供所期望的声学性质和隔膜强度。例如,与为peek固体膜的突片部分组合的peek开放网眼织物平面隔膜部分是可以使用的。根据已知的热结合工序,将peek开放网眼织物热结合或焊接到固体膜突片部分。如果需要,可以将固体膜突片部分穿孔,以有助于突片部分与单元壁的粘性结合。

尽管声学织物可以由不同机织纤维的组合制成,但是优选地,声学织物中的纤维由相同材料制成。在许多声学织物中,经向纤维(经纤维)通常由直径小于纬向纤维(纬纤维)的纤维制成。因此,纬纤维往往比经向纤维更坚固且柔性更低。纬纤维的挠性也可以通过改变纬纤维的化学性质(而不是直径)而相对于经纤维增加,以提供较硬的纤维。

其中在一个方向上的纤维比横向纤维挠性更低或更坚固的机织织物中,更坚固的纤维通常被称为主导纤维。平面声学隔膜插入件可以由包括其中没有主导纤维的那些在内的所有类型的机织声学织物制成。然而,优选地,机织单丝声学隔膜材料包括主导纤维并且主导纤维是纬纤维。

优选的平面声学隔膜插入件在图3中示出为120。平面声学隔膜插入件是其中主导纬纤维122彼此平行地取向并且在从下突片部分124至上突片部分126的方向上延伸的机织单丝开放网眼声学织物。经纤维128彼此平行地取向并且在左突片部分和右突片部分的外端的顶点130和132之间的方向上延伸。发现与其它主导纤维取向相比,如图3所示使纬(主导)纤维和经纤维取向可较有效地将平面声学隔膜插入件折叠和摩擦锁定到蜂窝单元壁。

如图3所示,优选的纬纤维取向包括其中纬纤维在基本上垂直于线140的方向上延伸的那些。线140优选地平行于下突片部分124的向外延伸的边缘140a和140b。线140也将平行于图2所示的平面声学插入件的下突片部分64的向外延伸的边缘74b和76a。基本上垂直是指纬纤维方向与线140之间的角度可以从80度变化至100度。线140还优选地平行于从顶点130到顶点132延伸的线。

可替代的优选平面声学隔膜插入件是这样的插入件,其中主导纬纤维彼此平行地取向并且在左突片部分和右突片部分的外端的顶点之间的方向上延伸。经纤维彼此平行地取向并且在从下突片部分到上突片部分的方向上延伸。与其它主导纤维取向相比,这种主导纬纤维的取向也较有效地将平面声学隔膜插入件折叠和摩擦锁定到蜂窝单元壁。另外,当利用主导纤维的这种取向时,可以消除v形切口66c。替代的优选的平面声学隔膜插入件包括主导纬纤维取向,其中纬纤维在基本上平行于线140的方向上延伸。基本上平行是指纬纤维方向与线140之间的角度可以从+10度变化至-10度。

鉴于本发明所述的示例性实施方式,本领域技术人员应注意到,本申请范围内的公开内容仅是示例性的,可以在本发明的范围内进行各种其它替换、改编和修改。因此,本发明不限于上述实施方式,而仅由所附权利要求限定。

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