具有频率选择双层壁特性的夹层结构的制作方法

专利名称：具有频率选择双层壁特性的夹层结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种夹层结构，包括芯层和位于芯层两侧的外层。
技术背景乘坐大型飞机的乘客，对于声学上的舒适性有更高的需求，这种需求就 要求机舱的墙体结构具有更好的声学特性，从而也就要求组成机舱衬层的墙体 元件有更好的声学特性。这些机舱墙体元件的标准材料采取夹层结构，例如带 有蜂巢结构的芯层的夹层板。夹层板的结构如图5的例子所示。夹层板100由三层的复合结构构成， 复合结构的外层300、 400厚度分别为dl、 d2，支撑芯层200的高度为h。例 如可以由一种纤维增强复合材料制成位于支撑芯层200的上侧300和下侧400 的外层。支撑芯层200由浸渍酚醛树脂的蜂巢样纸张构成，其外观看起来像蜂 巢。可以设想在将来，会更多地使用泡沫(如酚醛树脂)作为芯层材料。夹层板的一个主要优点是高抗弯曲性和低重量。在夹层板中，拉应力和 压应力主要通过外层来传递，而芯层则将由整体结构的变形而产生的剪应力相 对于面板的表面垂直地传递。与具有均匀结构和单位面积重量相同或相当的材料相比，夹层板关于声 音的传输和发散方面的声学特性却都是比较贫乏的。例如，当高于夹层板所能 达到的极限重合频率时，声音的传输损耗明显低于依照质量定律计算出来的均 匀结构的值。相比较于均匀墙体结构，在夹层板的宽频带平台(plateau)形式的 极限重合频率区域中声音传输损耗有一个下降(dip)。造成这一现象的原因是芯 层的抗剪力在这一频率范围内支配了横波在夹层板中的传播速度。所以， 一种改进夹层板声音传播损耗特性的可能途径是通过减少芯层 的抗剪力来保持横波的传播速度一直低于声音在空气中的传播速度。从DE 100 34 990 Al和EP 1 382 439 A3中可以知道，例如通过开缝(slitting)可以减少夹层板芯层的抗剪力。从而就可以改进夹层板的声音传播损耗变动，而且夹层板的声音辐射减少了。另一种减少声音传播损耗重合效应的不良影响的可能途径是增加夹层 板的结构性声绝缘。从EP 1 061 190 Al可以知道一种在芯两侧布置有外层的夹层板。在这种 情况下，芯本身包含至少两个芯层，最外面的两个芯层分别与一个外层相连。 芯层通过间隔元件而彼此隔开。与单层墙体结构相比，这种夹层板在结构声学 领域具有更好的声音绝缘，与常规的双层壁(如石膏吸音板、矿物棉、石膏吸 音板墙)相比，这种夹层板是一种简化的结构设计。彼此分隔开的芯层的设计 在这种情况下是专门基于静态方面的。在EP 1 061 190 Al中，并没有对结构 设计的条件和夹层板的声学特性有所考虑。避免双层壁达到双层共振频率的可 能办法也并未给出。从L.Feng发表于2003年斯德哥尔摩第十届国际声学与振动会议上第 454H554页的文章"一种用以增加声音传播损耗的改良蜂巢板"中可以得 知，可以通过局部分离位于铝制外层和芯层之间的粘结物来增加铝制结构夹层 板的声音传播损耗。由此，基于质量定律，夹层板在声学上表现得十分接近于 均匀材料墙在极限重合频率范围内以及双层共振频率范围内的表现。这种方法 的一种弊端是外层只有部分与夹层板芯层粘性连接是不适合用于飞机结构 的。在生产过程中，在不被粘性连接的区域内，需要引入一种附加的分隔板。 这种分隔板在生产之后是无法移除的，继而导致增加了夹层板的重量。在不被 粘性连接的区域内，芯层，分隔板和外层的振动，将导致单个元件的损坏，继 而减少了夹层板的使用寿命。DE-B 14 22 020和DE-B 11 91 597中公开了一种夹层板结构，包括芯层 和设置在芯层两侧的外层，芯层具有规则排列的芯间隙。发明内容本发明的目的是提供一种具有改进的声音传播损耗特性的夹层结构。 发明的优点本发明的目的通过一种如权利要求1中所述的夹层结构来实现，芯层最 好具有直接布置在一个或者两个外层下的芯间隙，所述芯间隙的尺寸被确定为使得夹层结构在芯间隙区域内的声学特性局部地与双层壁的声学特性一致，同 时，夹层结构的整体声学特性得以保留。通过适当地确定芯间隙的尺寸和布置 芯间隙，本发明的夹层结构的声学特性在高频率范围内与双层壁的声学特性一 致，并且在低频率范围内与常规的夹层板的声学特性相当。为了实现这样的声 学特性，布置在外层之间的芯层中的芯间隙， 一方面要足够大，使得夹层结构 的声学特性在芯间隙区域内局部与双层壁的声学特性一致，另一方面又要足够 小，使得夹层板的整体声学特性得以保留。在这种情况下的芯层可包括一种蜂 巢结构，从而可以分隔出芯间隙。同样可以想到的是芯层由固化的泡沫构成， 例如一种膨胀性合成树脂，当泡沫在生产过程中膨胀时，芯间隙即被分隔出或 留下。芯间隙产生了外层由蜂巢结构或者芯层的泡沫支撑的区域以及外层不被 支撑或仅少量被支撑的区域。例如，夹层结构可以是夹层板。本发明中的夹层结构具有优于现有技术的优点在于在极限重合频率范 围内，该夹层结构的特性得跟相同尺寸的常规结构的夹层板一致，而在高于极 限重合频率时，该夹层板在声学上的特性更象一个双层壁而不是常规的夹层 板。在低于极限重合频率时，本发明中的夹层结构的特性类似于常规夹层板。 本发明中的夹层结构的一个更大的优点是与常规夹层板相比，本发明夹层结 构的重量较轻。该重量的降低源自于芯层的局部移除。有利的一面是由芯间 隙所导致的芯层抗剪力的降低，以及上述的在声音传播损耗方面的积极效果。本发明的一种有利的改进是芯间隙是以这种形式构成的至少有一个 外层具有不被芯层支撑的区域。在这种情况下，芯间隙可形成为这样的方式 芯层局部是完整的，或者只移除了其高度的一部分，从而产生了这样的区域 在所述区域中两个外层都不被芯层支撑或者只有一个外层不被芯层支撑。在芯 间隙区域中，在无芯层支撑的外层区域的第一固有频率优选低于相同尺寸但没 有芯间隙的夹层结构的极限重合频率，并且高于外层的双壁共振频率。另外， 在不被芯层支撑的相邻的外层区域的固有频率最好不同。为了避免相邻的芯间 隙区域之间的干涉，相邻的芯间隙区域的固有频率的比率最好对应于一个质数 或者一个无理数。本发明的另一种有利的改进是在相邻的芯间隙区域中，至少有一个外 层有不同的厚度。在相邻芯间隙区域中的夕卜层厚度的不同具有在芯间隙的区域 中不被芯层支撑的外层区域中获得不同的固有频率的效果。另外，本发明有利的改进是被布置在芯层相对侧的外层具有不同的厚 度。通过使在芯层相对侧的外层具有不同的厚度，可以影响双层壁共振频率。 外层厚度的适当选择使得双层壁共振频率可以被设定为期望的频率。这类似地 可以通过使布置在芯层相对侧的外层由不同的材料构成来实现。依据本发明更进一步的有利的改进是，相邻的芯间隙具有不同的几何形 状。作为一种选择或者补充，相邻的芯间隙可能具有不同的尺寸。芯间隙优选 具有可以简单生产的平面几何形状，例如矩形、方形、圆形或者三角形的横截面。在这种情况下，芯间隙可以在整个芯层高度上延伸，或者可以仅仅占据芯 层高度的一部分。原则上，也可以设想芯间隙以这样一种形式来布置两个外 层都具有不被芯层支撑的区域，芯层例如在高度的中间区域中被连续地保留。 至少在一个外层的下面，芯层由于芯间隙被削减成为芯格。如果芯间隙在整个 芯层的高度上延伸，芯格包含使各个外层相互连接的网状结构。在所有的具体 实施例中，芯层可以由分割出芯间隙的蜂巢结构来制成。同样可以设想芯层由 膨胀性材料制成。本发明的更进一步的改进从以下示例性实施例的描述结合从属权利要求 来获得。


在图中图h该图示出了本发明中夹层结构横截面的结构示意图， 图2:该图示出了芯间隙在平面图上的多种几何图形，图3:该图示出了本发明中只在一个外层下布置芯间隙的夹层结构的横截 面的结构图，图4:该图示出了声音传播损耗在本发明的夹层结构中、在具有相同尺寸 和相同单位面积质量的双层壁和常规夹层板中的变化，图5:该图示出了在传统的现有技术中的夹层板横截面的结构图。
具体实施方式
夹层结构l，如图1所示，主要包含芯层2、布置在芯层2两侧的两个外 层3和4、布置在芯层2中并占据整个芯层2高度h的芯间隙5。在芯间隙5的区域内，外层3和4是不被芯层2支撑的。根据如何进行观看，这些区域也 被称作是芯间隙区域或者外层3和4无芯层2支撑的外层区域。芯间隙5的尺 寸a,和a2， 一方面要足够大，使得夹层结构1的声学特性在芯间隙5的区域 内局部地与双层壁的声学特性一致；另一方面要足够小，使得夹层结构1的 整体声学特性得以保留。芯层2在这种情况下包含一个蜂巢结构，芯间隙5 从该蜂巢结构切出。原则上，可以想象芯层2由固化的泡沫制成，例如一种膨 胀的合成树脂。图1显示了沿着直线A—A穿过如图2a)中的平面图所示的 夹层结构l的芯层2'的横截面，在这种情况下，芯间隙5'的几何形状是矩形。 为了避免在没有芯层2支撑的外层3和4的区域内固有频率之间的干涉，具有 相同几何形状的相邻的芯间隙5'的尺寸a,和a2是不同的。在图2中所示的夹层结构r、 r'、 r〃、 r〃'中，芯间隙5'、 5〃、 5〃'、 5〃〃又一次地占据了整个芯层2'、 2〃、 2'〃、 2〃〃的整个高度h，所以只剩下芯格6， 原则上示出芯间隙5'、 5"、 5'〃、 5"〃的各种几何形状并包含网状结构7以令 外层相互连接。因此，在图2a)中的芯间隙5'在平面图中具有矩形形状，图 2b)中的芯间隙5"具有圆形形状，圆形芯间隙5''可以很简单地从芯层2'' 上被切除，例如通过一个孔踞。在图2b)中，对角的芯间隙5"具有不同的尺 寸。在图2c)中描述了芯层2'"具有三角形的芯间隙5〃'。相邻的、三角形 芯间隙5"'布置在不同的方向，具有不同的尺寸，或两者均不同。在图2d)中， 布置在芯层2"''的芯间隙5"''设置为这样的尺寸，使得芯层2''''的所有 剩余部分为柱状物8，柱状物8组成芯格6并将外层彼此相连。为了避免在没 有芯层2'"'支持的外层范围内，固有频率的彼此干涉，柱状物8优选不规格 地排列。在图3所示的夹层结构10中，芯间隙50只占据了芯层20的部分高度h， 所以芯层20仅在一个外层30下面部分被移除。结果， 一个外层30具有无芯 层20支撑的区域，而另一个外层40完全由芯层20支撑。原则上，芯间隙50 可能有如在图2中所示的相同的几何形状。在图4的图表中可以看出，本发明中的夹层结构和双层壁结构、传统的 夹层板的声音传播损耗TL随着频率的变化。在这种情况下，本发明中的夹层 结构、双层壁结构和传统的夹层板对于外层相互之间的距离具有相同的尺寸和 在单位面积上具有相同的重量。尺寸合适的芯间隙可以产生依据发明的夹层结构的声音传播损耗TL依 赖于频率变化的特性，这和夹层板或单面墙以及双面墙的特性都是一致的。在 低频率的范围内，这一特性很大程度上与传统夹层板或者单墙体的声音传播损 耗特性一致。在高频率范围内，这一特性与双层壁的声音传播损耗特性一致。 夹层结构的声学特性以这样一种方式受到芯间隙的影响:从现有技术中已知的 横波传播速度相对频率的特性被消除了。从而，在本发明的夹层结构中，横波 与周围空气的重合得以完全避免，同时在声音传播损耗TL中平台状的重合下 降的形成也被避免了。为了实现如在图4中所描述和显示的根据本发明的夹层结构的频率选择双层壁特性，继而实现常规夹层板(即不具有任何芯间隙的夹层板)的重合性(coincidence)的消除，为了设计芯间隙，了解一些外层和支撑芯层具有相同尺 寸和材料的可比较传统夹层板的极限重合频率fsw0的知识是十分必要的。芯间隙的尺寸，例如图1中所示的al和a2的尺寸，继而应该选择低于极 限重合频率f^，不被芯层支撑的外层区域具有第一固有频率&。在这种情况 下，本发明中的夹层结构总体上不再表现得如同一个整体结构，而是局部像一 个双层壁。另一方面，芯间隙的选择要足够的小，使得在双层壁共振频率fdwO 范围内，传统夹层板的整体特性仍得以保留并且在这一范围内所发生的声音传 损耗并没有减少。这意味着自由外层区域的第一固有频率f^必须高于双层壁的共振频率4v0。总而言之，必须遵守4v0《^sw0。从而，在低频率范围内，本发明的夹层结构可保留夹层板的有利的声学 特性。在高频率范围内，本发明夹层结构在声学上的特性类似于双层壁(图4)。 总之，本发明的夹层结构在增加声音传播损耗的同时减轻了质量。 需要特别强调的是出于自身的考虑，每个单独外层的极限重合频率都 会高于一定的频率范围，这一频率范围是与应用于飞机建筑的典型材料的声学 舒适度相关的。在外层不受芯层支撑的芯间隙区域内，不期望的的腔体共振同 样只能期望发生在高于该频率范围内，这一频率范围与声学舒适度有关。此外， 芯格或者保留在外层之间的芯的作用像是双层壁腔体的分隔体。这在声学传播损耗上同样具有积极的作用。需要避免的情况是不受芯层支撑的外层区域变成相同的固有频率。在这种情况下，整体的结构在相应频率下的作用像是由独 立发射器所构成的面板。芯间隙因此应该具有不同的几何形状和/或尺寸。作为一种选择或者附加项，可以选择不同的外层厚度和材料。部分移除只在一个 外层下的芯层，如图3所示，也能达到所要求的不同外层特性。本发明很容易投入批量生产，因为芯层的相应区域仅仅在芯层和外层连 接起来之前需要移除。进一步的生产过程不会受到负面的影响。因为不需要新 的或额外的材料，在这方面也不需要主管当局批准。工业适用性本发明在工业上能够特别地用于，但并非专用于飞机构造夹层结构的生 产领域。2， 2'W',2'〃'芯层3外层4外层5， 5'，5",5〃'，5…'芯间隙6芯格7网状结构8柱状物10夹层结构20芯层30外层40外层50芯间隙100夹层板200支撑芯层300外层400外层d外层的厚度h芯层的高度al芯间隙的尺寸a2芯间隙的尺寸
权利要求
1、一种夹层结构，包括芯层和布置在芯层两侧的外层，芯层具有芯间隙，芯间隙的尺寸被确定为使得在芯间隙区域中所述夹层结构的声学特性与双层壁的声学特性一致，同时夹层结构的整体声学特性得以保留；并且芯间隙的尺寸被确定为使得在低频率范围内所述夹层结构的声学特性与具有相同尺寸而没有芯间隙的相应的夹层结构的声学特性一致，而在高频率范围内所述夹层结构的声学特性与双层壁的声学特性一致。
2、 如权利要求1所述的夹层结构，其中，芯间隙以这样的一种形式来构造: 至少有一个外层具有不受芯层支撑的区域。
3、 如权禾腰求1或2所述的蝶结构，其中，在芯间隙区域内不受芯层支撑的外层区域的第一固有频率，低于具有相同尺寸而没有芯间隙的夹层结构的极 限重合频率，而高于外层的双壁共振频率。
4、 如权利要求l、 2或3戶腿的夹层结构，其中，相邻的不受芯层支撑的 夕卜层区域的固有频率是不同的。
5、 如权利要求4所述的夹层结构，其中，相邻的芯间隙区域的固有频率的 比率是一个质数或者无理数。
6、 如前述任一项权利要求所述的夹层结构，其中，在相邻的芯间隙区域内， 至少一个外层具有不同的厚度(d)。
7、 如前述任一项权利要求所述的夹层结构，其中，被布置在芯层相对侧的 外层具有不同的厚度(d)。
8、 如上述权利要求所述的夹层结构，其中，被布置在芯层相对侧的外层由 不同的材料构成。
9、 如前述任一项权利要求所述的夹层结构，其中，芯间隙具有这样的作用 仅部分移除一个外层下的芯层，使得一个外层具有不受芯层支撑的区域，另一个 外层完全由芯层支撑。
10、 如前述任一项权利要求所述的夹层结构，其中，芯层由蜂巢结构构成。
11、 如权利要求1-9中任一戶腿的頓结构，其中，芯层由一种膨胀材料构成。
12、 如前述任一项权利要求所述的夹层结构，其中，相邻芯间隙具有不同 的几何皿。
13、 如前述任一项权利要求所述的夹层结构，其中，相邻的芯间隙具有不 同的尺寸。
14、 如前述任一项权利要求所述的夹层结构，其中，芯间隙的横截面是矩 形或者方形。
15、 如权禾腰求1-13中任一项所述的夹层结构，其中，芯间隙具有圆形的 横截面。
16、 如权利要求1-13中任一项所述的夹层结构，其中，芯间隙具有三角形 的横截面。
17、 如前述任一项权利要求所述的夹层结构，其中，芯间隙只占据了芯层 高度(h)的一部分。
18、 如前述任一项权利要求所述的夹层结构，其中，至少在一个外层下， 芯层縮减为芯格。
19、 如权利要求18所述的夹层结构，其中，芯格包括使外层结构互相连接 的网状结构。
全文摘要
本发明涉及一种夹层结构(1，10)，所述夹层结构包含芯层(2，20)和布置在芯层(2，20)两侧的外层(3，4，30，40)，在芯层(2，20)中具有规定好尺寸的芯间隙(5，50)，因此在芯间隙(5，50)区域内夹层结构(1，10)的声学特性可以符合双层壁结构的声学特性，并同时保留夹层结构(1，10)的整体声学特性。
文档编号G10K11/168GK101228572SQ200680018690
公开日2008年7月23日 申请日期2006年5月24日 优先权日2005年5月28日
发明者克里斯蒂尔·托马斯, 马丁·汪戴尔 申请人:空中客车德国有限公司