DE69108710T2 - Lärmdämpfende Wabenstruktur. - Google Patents

Lärmdämpfende Wabenstruktur.

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Fachgebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein strukturelle Gerauschdämpfungs-Systeme, die besonders zur Verwendung in Luftfahrzeug- Maschinengehäusen geeignet sind, und insbesondere eine Doppelwabenschicht-Gerauschdämpfungs-Sandwichtafel.
    • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Seit den frühesten Tagen der kommerziellen Strahltriebwerks- Luftfahrzeuge sind große Anstrengungen unternommen worden, um Verfahren und Strukturen zur Unterdrückung des Maschinengeräuschs zu entwickeln. Viele unterschiedliche Schallabsorptions-Auskleidungen wurden auf Einlaß-Umgehungsleitungen, Kompressorgehäusen und anderen Bestandteilen von Luftfahrzeugturbinen-Maschinengehäusen angebracht.
  • Frühe schallabsorbierende Auskleidungen und Tafeln benutzten einen Wabenkern, der auf einer Seite mit einer undurchlässigen Schicht und auf der anderen Seite mit verschiedenen durchlässigen Materialien wie perforierten Tafeln, Drahtgeweben oder Leinwänden, Faserschichten und dergleichen verbunden wurde. Typische Tafeln dieser Art sind in US-PS 3 640 357 und 3 166 149 beschrieben.
  • Um die Schallabsorption zu verbessern, wurden für manche Anwendungen mehrschichtige Tafeln entworfen unter Benutzung von Mehrfach-Wabenschichten, die durch perforierte Schichten getrennt waren, mit einer undurchlässigen Schicht an einer Seite und einer perforierten Schicht an der anderen, wie durch Schindler in US-PS 3 948 346 beschrieben.
  • Bei weiteren Versuchen, die Geräuschdampfung zu verbessern, wurden eine Vielzahl komplexe aus mehreren Komponenten bestehende durchlässige Schichten an zellularen Kernstrukturen befestigt. Die durchlässigen Schichten können Leinwände, Fasermatten, Tuchgewebe usw. enthalten, wie durch Cowan in US-PS 3 502 171 beschrieben. Mehrfachschichten von Wabenkernmaterial, perforierte Schichten und mikroporöse Schichten, wie von Riel in US-PS 4 465 725 beschrieben, welche den Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbart, wurden für besondere Anwendungen entwickelt.
  • Die am 24. März 1981 ausgegebene US-PS 4 257 998 lehrt ein Verfahren zur Herstellung eines zellularen Kerns mit internem Septum (Scheide- oder Richtwand). Das Septum ist eine perforierte nichtmetallische Schicht, in welche im erweichten Zustand der zellulare Kern eingedrückt wird, um obere und untere Kernschichten mit unterschiedlichen vorbestimmten Höhen zu erhalten.
  • GB-A-2 059 341 beschreibt eine Sandwichtafel mit Doppelgrad- Akustikdämpfung, die der Reihe nach umfaßt eine undurchlässige Deckfläche aus dünnem Blechmaterial, die mit einem ersten Wabenkern mit zu den Enden gerichteten Zellen verbunden ist, eine erste perforierte Deckschicht aus dünnem Blechmaterial, eine erste dünne Schicht aus porösem Fasermaterial, eine wahlweise einzusetzende zweite perforierte Deckschicht aus dünnem Blechmaterial, einen zweiten Wabenkern mit zum Ende gerichteten Zellen, eine dritte perforierte Deckschicht aus dünnem Schichtmaterial und eine zweite Schicht aus porösem Fasermaterial. Der primäre Zweck dieser Struktur ist die Erzeugung einer Schalldämpfungsstruktur, bei der die Perforationen und das poröse Fasermaterial im wesentlichen frei von irgendwelchen Klebermaterialien sind.
  • Viele dieser Auslegungen sind bei der Reduzierung von Geräusch bei Luftfahrzeug-Maschinenanwendungen ziemlich wirksam. Sie erweisen sich jedoch alle als kompliziert in Auslegung und Herstellung, teuer bei der Fertigung, fügen dem Luftfahrzeug ein beträchtliches unerwünschtes Gewicht hinzu und haben eine geringere als optimale Festigkeit und strukturelle Zuverlässigkeit beim Aussetzen an die schädliche in Maschinengehäusen anzutreffende Umgebung mit hoher Luftströmung.
  • Es besteht deshalb ein anhaltendes Bedürfnis nach effektiv geräuschdämpfenden Tafeln mit verbesserter Einfachheit, struktureller Festigkeit und leichtem Gewicht.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die angeführten Probleme und andere werden gemäß dieser Erfindung gelöst durch eine einfache Doppelwabenschicht-Geräuschdämpfungs-Sandwichtafel, welche umfaßt:
  • eine erste Waben-Kernschicht mit einer Vielzahl von Zellen mit Wänden aus dünnem Schichtmaterial, wobei die Zellen quer zu der Tafel gerichtet sind;
  • eine dünne Schicht von undurchlässigem Material, die mit einer Hauptfläche der ersten Waben-Kernschicht verbunden ist;
  • ein aus einer Einzelschicht bestehendes Septum, das mit der zweiten Hauptfläche der ersten Waben-Kernschicht verbunden ist;
  • eine zweite Waben-Kernschicht mit einer Vielzahl von Waben mit Wänden aus dünnem Schichtmaterial, welche Waben quer zu der Tafel gerichtet sind, und welche zweite Waben-Kernschicht mit dem Septum verbunden ist; und
  • eine mit der freien Fläche der zweiten Kernschicht verbundene Deckschicht aus perforiertem Schichtmaterial,
  • dadurch gekennzeichnet, daß das Septum einen Nichtlinearitätsfaktor von weniger als 1,5 besitzt und daß die Deckschicht aus perforiertem Schichtmaterial (18) so angeordnet ist, daß sie der Hochgeschwindigkeits-Fluidströmung ausgesetzt ist.
  • Diese Tafel ist von einfacher Auslegung und einfach herzustellen, sie ist von leichtem Gewicht und besitzt eine ausgezeichnete strukturelle Festigkeit in schwierigen Umgebungen mit hoher Luftströmung und besitzt eine überraschend gute Schallabsorptions-Eigenschaft, die für verschiedene Geräuschdämpfungs-Anforderungen ausgelegt werden kann.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Einzelheiten der Erfindung und von bevorzugten Ausführungen derselben werden weiter verstanden bei Bezug auf die Zeichnung, bei der:
  • Fig. 1 eine perspektivische, teilweise abgeschnittene Ansicht der erfindungsgemäßen Geräuschdämpfungstafel ist; und
  • Fig. 2 eine detaillierte Vertikalschnittansicht durch die Tafel der Fig. 1 ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGEN
  • In Fig. 1 ist eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Geräuschdämpfungstafel 0 zu sehen.
  • Die Tafel 10 enthält zwei Schichten aus Wabenkernmaterial 12, die ein Septum 14 auf beiden Seiten überdecken. Die Wabenschichten 12 besitzen Zellen,die sich quer zur Tafelfläche erstrecken und vorzugsweise mit einem Winkel von annähernd 90º zur Tafelfläche liegen. Die beiden Schichten 12 können unterschiedliche Zellengröße und -Tiefe besitzen. Die Wabenkernschichten können aus irgendeinem entsprechenden Material gebildet sein. Typische Materialien enthalten Metalle, wie Aluminium oder Titan, Kevlar-Aramide, Phenolharze oder andere Kunststoffe und Gemische und Kombinationen dieser Stoffe.
  • Das Septum 14 besitzt in der dargestellten Ausführung eine Einzelschicht-Gestaltung. Die Einzelschicht aus einer Webbahn, die in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, wird aus Gründen der Einfachheit, des leichten Gewichts und der Geräuschdämpfungs-Wirksamkeit bevorzugt. Wir haben festgestellt, daß das Hinzufügen von zusätzlichen Schichten, falls überhaupt, nur eine geringe günstige Auswirkung auf die Geräuschdämpfungs-Eigenschaften besitzt, während das Gewicht der Tafel bedeutsam erhöht und allgemein die Strukturfestigkeit der Tafel vermindert wird.
  • Das Septum 14 besitzt vorzugsweise einen Nichtlinearitätsfaktor ("NLF") von weniger als 1,5. Beispielsweise beträgt der NLF der perforierten Schicht in der genannten US-PS 3 948 346 (Shindler) 10 und der NLF des laser-gebohrten Septums aus US-PS 4 257 998 beträgt 3. Für den Fachmann auf diesem Gebiet: der Nichtlinearitätsfaktor wird bestimmt durch Teilen der Rayl-Zahl der ausgewählten perforierten Schicht bei 200 cm/s durch die Rayl-Zahl der ausgewählten perforierten Schicht bei 20 cm/s. So stellt ein lineareres Material, d.h. eines mit einem sich 1,0 nähernden NLF, ein geräuschdämpfendes Material dar, das eine über einen bestimmten Frequenzbereich ziemlich konstante akustische Impedanz besitzt. Für Luftfahrzeug-Antriebssysteme überdeckt dieser Frequenzbereich die Frequenzen, die beim Start, bei dem Normalflug und dem Landen eines Luftfahrzeugs angetroffen werden.
  • Jede entsprechende Webbahn kann als Septum 14 verwendet werden. Typische Materialien für die Webbahn enthalten Edelstahl, Aluminium, Titan und Gemische derselben, sowie nichtmetallische Materialien. Wenn das Septum 14 eine Einzelschicht einer Metallgewebebahn ist, wird ein Edelstahl-Webmaterial wegen der Festigkeit, dem leichten Gewicht und der ausgezeichneten Geräuschdämpfungs-Eigenschaften bevorzugt. Die Strang-Überquerungsstellen können mit jedem üblichen Verfahren, wie Sintern, Diffusionsbindung oder dergleichen, vereinigt werden.
  • Die das Septum 14 bildende Webbahn kann jeden entsprechenden Drahtdurchmesser und jede Maschenverteilung oder Strangzahl besitzen. Wir haben gefunden, daß für optimale Ergebnisse das Septum 14 einen Strömungswiderstand von etwa 60 bis 140 Rayls besitzen sollte. Ein Rayl ist definiert als das Verhältnis des Druckabfalls über das poröse Medium P in dyn/cm² zu der Gasströmungsgeschwindigkeit u in cm/s. Da die Rayl-Zahl von der Luftströmungsrate abhängt, wird eine Strömungsrate zur Bestimmung des genauen zu verwendenden Septums benutzt, die der entspricht, die man in der Betriebsumgebung, z.B. einem Luftfahrzeug-Maschinengehäuse, anzutreffen erwartet, um den gewünschten Strömungswiderstand zum Erhalten des optimalen Strömungswiderstandes zu schaffen. Die Strömung ist auf die Schalldruckpegel in der Leitung bezogen.
  • Jedes geeignete Verfahren kann zum Verbinden des Septums 14 mit den Wabenkernschichten 12 eingesetzt werden, solange eine ausreichende akustische Qualität aufrecht erhalten bleibt. Wenn sowohl Wabenkerne 12 als auch Septum 14 aus kompatiblen Materialien bestehen, kann auch Sintern oder Diffusionsbindung besonders wirksam sein. Sonst ist ein Verbinden mit einem geeigneten Kleber zu bevorzugen. Typische Kleber enthalten mit niedrigem Lösungsmittelanteil sprühbare Kleber und Klebfilme.
  • Eine undurchlässige Schicht 16 wird auf eine Seite der Sandwich-Struktur aufgeklebt und eine perforierte Schicht 18 auf die andere Fläche. Die Schicht 16 kann aus jedem entsprechenden Material gebildet werden, das für Luftstrom undurchlässig ist und in der Umgebung mit strenger Beanspruchung eingesetzt werden kann. Typische Materialien enthalten Metalle wie Aluminium oder Titan, Kunststoffe wie Phenolharze, zusammengesetzte Massen wie faserverstärkte Kunststoffe und dergleichen. Die perforierte Deckschicht 18 kann aus jedem entsprechenden Material gebildet werden. Zwar werden Metalle wie Aluminium bevorzugt, es können auch andere starre Schichtmaterialien wie hochtemperaturfester Kunststoff oder faserverstärkte Massen benutzt werden.
  • Die Größe, die Anzahl und der Abstand der Perforationen 20 hängt von den genauen akustischen Anforderungen ab, denen zu begegnen ist. Allgemein liegen die Perforationen 20 im Durchmesserbereich von 0,76 - 2,45 mm (0,030 bis 0,100 inch), wobei noch die Linearitäts-Charakteristiken aufrecht erhalten werden, ergibt etwa 15 bis 35% offene Fläche und wird in einer gleichmäßigen Verteilung über der Schicht 18 angeordnet.
  • Die für optimale Geräuschdämpfung ausgelegt Tafel nach dieser Erfindung benutzt zwei Wabenkernschichten mit Dicken von etwa 0,5 cm (0,2 inch) bis 3,8 cm (1,5 inch), Querabmessungen von etwa 1 bis 2,5 cm (3/8 bis 1 inch), eine perforierte Deckschicht mit etwa 15 bis 30% offener Fläche und einem einzelnen Webbahn-Septum mit einem Luftströmungs-Widerstand von etwa 60-140 Rayls.
  • Es ist zu verstehen, daß die in Fig. 2 abgebildete Dämpfungstafel auch unter Benutzung eines einzigen Wabenkerns mit einem Septum aufgebaut werden kann, der eine Vielzahl von im wesentlichen koplanaren Stopfen oder Septumabschnitten umfaßt, die in jede Wabe zwischen den Hauptflächen der Wabentafel eingesetzt sind, beispielsweise durch das in US-PS 4 257 998 gelehrte oder jedes andere entsprechende Verfahren.

Claims (7)

1. Doppelwabenschicht-Geräuschdämpfungs-Sandwichtafel mit verbesserter Einfachheit, hoher struktureller Festigkeit und leichtem Gewicht zur Verwendung in schwieriger Umgebung in und um Hochgeschwindigkeits-Fluidströmungspfade und Hochschall-Umgebung, welche Tafel umfaßt:
eine erste Waben-Kernschicht (12) mit einer Vielzahl von Zellen mit Wänden aus dünnem Schichtmaterial, wobei die Zellen quer zu der Tafel gerichtet sind;
eine dünne Schicht von undurchlässigem Material (16), die mit einer Hauptfläche der ersten Waben-Kernschicht (12) verbunden ist;
ein aus einer Einzelschicht bestehendes Septum (14), das mit der zweiten Hauptfläche der ersten Waben-Kernschicht (12) verbunden ist;
eine zweite Waben-Kernschicht (12) mit einer Vielzahl von Waben mit Wänden aus dünnem Schichtmaterial, welche Waben quer zu der Tafel gerichtet sind, und welche zweite Waben- Kernschicht mit dem Septum (14) verbunden ist; und
eine mit der freien Fläche der zweiten Kernschicht verbundene Deckschicht aus perforiertem Schichtmaterial (18), dadurch gekennzeichnet, daß das Septum (14) einen Nichtlinearitätsfaktor von weniger als 1,5 besitzt und daß die Deckschicht aus perforiertem Schichtmaterial (18) so angeordnet ist, daß sie der Hochgeschwindigkeits-Fluidströmung ausgesetzt ist.
2. Geräuschdämpfungstafel nach Anspruch 1, bei der der Luftströmungs-Widerstand des Septums (14) von etwa 60 bis 140 Rayls liegt.
3. Geräuschdämpfungstafel nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Septum (14) eine Webbahn ist.
4. Geräuschdämpfungstafel nach Anspruch 1, bei der das Septum (14) ein Drahtgewebe ist.
5. Geräuschdämpfungstafel nach Anspruch 3, bei der das Material der Webbahn nichtmetallisch ist.
6. Geräuschdämpfungstafel nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Perforationen etwa 15 bis 30% des Oberflächenbereichs der perforierten Schicht einnehmen.
7. Geräuschdämpfungstafel nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Luftströmungs-Widerstand des Septums etwa 70-120 Rayls beträgt.
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