JP4959886B2 - 防音サンドイッチパネル、騒音抑制装置および騒音抑制方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は、音響エネルギを減衰するためのサンドイッチパネルに関する。この発明は特に、ターボファン航空機エンジンのファンダクト内等のジェット混合騒音および／またはターボ機械騒音を抑制するための、防音ライナまたは防音スプリッタとしての使用のために設計されるパネルに関する。
【０００２】
航空機エンジンによって生じる騒音は、乗客および空港付近の地上の人々にとって、不快なものであろう。空港および他の騒音規制された地域は多くの政府と同じく、航空機が生じさせる許容騒音レベルに厳しい制限を課している。一般に、そのような規制を満たすために、種々の消音装置を使用して、航空機エンジンによって生じる騒音を抑制しなければならない。たとえば、ターボファンエンジンまたはターボジェットエンジンでは、エンジンナセルおよび／またはノズルダクトの少なくとも一部分を、騒音を抑制するために防音パネルと並べることが慣用である。そのような防音パネルは、場合によってはパネルのいずれの側の源から生じる騒音をも抑制するように設計される。
【０００３】
そのような応用のための先行技術の防音パネルは、板またはセプタムであって、セプタムの両面の各々にハニカム層が結合されたものによって、形成される。各ハニカム層は、その外表面が穿孔金属板によって覆われる。この種の例示的な防音パネルは、たとえば米国特許第４，２６５，９５５号および第４，２５７，９９８号に記載される。
【０００４】
この発明は、航空機エンジン、または類似の応用で使用されるとき、最少の重量と最少の性能犠牲とで、上述の種のパネルと少なくとも同程度の減衰を提供する音響パネルを提供しようとするものである。
【０００５】
【発明の概要】
この発明は、上述の公知のパネルと実質的に同じジェット騒音抑制を達成する防音パネルを提供するが、それは公知のパネルよりもかなり薄く、重量において軽い。これは、この発明の１つの好ましい実施例により、いかなるセプタムも備えないハニカム等の多孔質材料からパネルの心材を構成することによって、達成される。その多孔質心材は、公知のパネル内の２枚のハニカム層とセプタムとを合せた厚みよりも、実質的により小さい厚みを有することができる。表面板が、心材の両面の各々に装着される。表面板は、その外表面に金属フェルトまたはワイヤ織物等の繊維布の層を含む。特に好ましい実施例では、各表面板は、金属布のシートに接合された穿孔金属板を含む。穿孔板は心材に装着され、金属布シートは防音パネルの外表面を形成する。穿孔板は、パネルに構造上の剛性を与え、金属布シートと比べて比較的小さな音響効果を有するように、好ましくは比較的広い開孔面積を有する。金属布シートを通した粘性損失は、音響エネルギの消散を提供する。
【０００６】
この発明に先行する、セプタムなしの防音パネルを構成しようとする試みでは、パネルはハニカム心材で形成され、心材の両面に穿孔金属板を装着してパネルの外表面を形成した。そのようなセプタムなしのパネル上で行なわれたテストでは、減衰性能が、セプタムを備えた従来のパネルより悪いことを示した。
【０００７】
この発明の発展は、セプタムなしのパネルは、音響減衰性能の観点からは不利であるという、容認された通念に反して進んだ。金属布という外側の層を含むことによって、パネルの音響減衰は、セプタムを有する従来のパネルのそれと本質的に同じであり得ることが発見された。しかし、パネルの厚み、および重量は、従来のパネルのそれよりも実質上少なくすることができる。ターボファンエンジンファンダクト内等の、パネルの両側で流れが起こる応用で使用されるとき、この発明のパネルは、パネルによってもたらされる妨害（blockage）の実質的な減少を可能にし、それはエンジンの空力性能に有益である。
【０００８】
この発明はまたは、ノズル内の騒音を抑制するための装置と方法とを含む。この発明に従うと、ノズル内の騒音の抑制は、流れがスプリッタの両側に沿って起こるように少なくとも１つのスプリッタをノズルのダクト内に配置することによって、達成される。スプリッタは、対向する表面を有する心材層を含み、心材層は多孔質材料であり、スプリッタはさらに心材層をその間に挟むように心材層の両表面に装着された１対の表面板を含み、各表面板は、表面板の外表面を規定する少なくとも１枚の繊維布のシートを含む。この発明の好ましい実施例では、複数個のそのようなスプリッタがノズルダクトに配置され、スプリッタは、ダクト内でほぼ放射状に配向され、円周方向に間隔をあけられる。
【０００９】
この発明の、上述の、および他の目的、特徴、および利点は、添付の図とともに考慮されるとき、ある好ましいその実施例の以下の説明から、より明らかになるであろう。
【００１０】
【詳細な説明】
この発明は、この発明の好ましい実施例を示す添付の図に関して、以下でより十分に説明されるであろう、しかしこの発明は、多くの異なった形で実施されてもよく、ここで述べられる実施例に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、この開示が徹底的で完全なものとなり、当業者にこの発明の範囲を十分に伝えるために提示される。
【００１１】
図１は、米国特許第４，２６５，９５５号および第４，２５７，９９８号で開示される、先行技術の防音パネル１０を示す。パネル１０は、中実の板またはセプタム１２、セプタム１２の両表面の各々に接合されたハニカム材料の層１４、および各ハニカム層１４の外表面に接合された表面板１６を含む。各表面板１６は、穿孔板を含む。
【００１２】
図２は、この発明に従った防音パネル２０を示す。パネル２０は、ハニカム等の多孔質材料の心材層２２、および心材層２２の両表面の各々に接合された１対の表面板２４を含む。心材層２２は、心材層の一方の表面から、その反対の表面へと延びる、複数の貫通開孔を含む。したがって、心材層２２がハニカム材料である、例示された好ましい実施例では、ハニカムのセルが、貫通開孔を規定する。代替的には、心材層２２は、心材層の一方の表面から他方へと通じる孔を有する多孔質のかさ吸収材料（bulk absorber material）を含むことができる。
【００１３】
各表面板２４は、穿孔板２６および繊維布の多孔質シート２８を含む。好ましい実施例では、シート２８は金属布を含むが、いくつかの応用では、金属以外の材料からシート２８を形成することも可能であろう。好適な金属布は、たとえばワイヤ織物材料または金属フェルト材料であり得る。多孔質の繊維シート２８は、シートの繊維間に規定される多数の小さな穴によって特徴付けられる。これらの穴は、穿孔板２６内の穿孔と連通し、それは順に、心材層２２のセルまたは貫通開孔と連通する。
【００１４】
一般的に、心材層２２の厚みは、表面板２４のそれよりも大きい。パネル２０のさまざまな層の各々の厚み、および他の物理的な特徴は、一般的に、パネルの防音、力、および重量目的に依存する。特定の周波数で、または特定の周波数範囲にわたって、騒音減衰を提供するように、パネルを同調させることがしばしば所望される。当該技術分野で公知のように、ハニカム心材層を防音パネル内で使用するとき、心材層を特定の周波数または周波数範囲に同調させるように、セルの大きさを選択することができる。穿孔板２６に関しては、その主な機能は、パネル２０に構造上の剛性を提供することであり、ゆえに、穿孔板２６の厚みおよび開孔面積率は、パネルの所望の強度を達成するように選択されなければならない。通例、穿孔板２６が強度の観点から許容され得る最大の開孔面積を有し、それによって板２６が繊維シート２８のそれと比べ比較的小さい音響効果を有するようにすることが望ましい。たとえば、板２６は、約２０パーセントから約４０パーセントの開孔面積を有することができる。心材層２２および繊維シート２８のみでパネルの所望の強度を達成することができる場合は、穿孔板２６を省略でき、さらに繊維シート２８を心材層２２に直接接合可能であることもまた理解されるであろう。
【００１５】
パネル２０は、さまざまな層を相互に好適に接合することによって形成される。それらが金属から構成されている場合は、層同士の溶接、またはロウ付けにより、これを達成することができる。代替的には、そのような金属層を焼結型の技術によって装着することもでき、そこでは層同士が組立てられ、炉の中に置かれて、組立品が加熱され、その間圧力がその組立品に加えられる。他のさらなる選択肢は、好適な接着剤で層を接合することである。
【００１６】
繊維シート２８は、シートを通して起こる粘性損失を通して、騒音減衰を提供する。繊維シート２８の、最適な、または有利な音響抵抗は、一般に、流体力学、熱力学、液体、および材料特性の関数である。高マッハ数、高圧、および高温の流れのための防音パネル２０の数学的モデリングは、シート２８の各々について比較的低い音響抵抗、たとえば２０ｃｍ／ｓｅｃで約１０Raylsが望ましいことを示す。他の応用では、繊維シート２８の各々の最適な音響抵抗は異なってもよいが、一般には、大部分の応用のための最適な音響抵抗は、２０ｃｍ／ｓｅｃで約５Raylsから約３００Raylsであることが予測される。
【００１７】
この発明は、ＮＡＳＡと共同で行なわれた高速民間輸送機（ＨＳＣＴ）計画の開発活動に関連して発展した。ＨＳＣＴのための推進装置の１つの概念は、エンジン排気プルームの混合に関連した騒音を減衰するためのミキサーエジェクタノズルを備えたターボジェットエンジンを利用する。この出願の譲受人は、ＨＳＣＴへの応用のために、ほぼ完全に混合された（near-fully mixed）（ＮＦＭ）ノズルを開発した。推進装置の全体の騒音目標を満たすために、ＮＦＭノズルは音響処理を必要とするであろうと思われる。
【００１８】
それに応じて、この発明のパネルは、ＮＦＭノズルダクト内に設置するために開発された。防音処理のいくつかの形態の騒音減衰性能を決定するために、実験的なテストプログラムが行なわれた。テストの目的の１つは、セプタムを有する従来の防音パネルの騒音減衰性能と、この発明のセプタムなしのパネルのそれとを比較することであった。
【００１９】
図４は、ＮＦＭノズルテストモデルの断面図を示す。ＮＦＭノズルは、ローブのあるアスピレータ部分３０を含み、それは、図５（Ａ）の断面図で最もよく見られるように、ナセルのまわりに円周方向に間隔をあけられ、主流路３４と交互の、複数の完全に貫通した吸気流路３２を有する。吸気流路３２の吸気口は、外側ナセルと面一である。実際のエンジンの離陸および着陸動作状態の下で、騒音抑制が所望されるとき、吸気流路３２は開けられ、他の状態では、吸気口ドア（図示せず）によってこれらの通路への吸気口を閉じることができる。主流路３４の出口は、複数の矩形のプラグノズルに類似し、その各々は、流路３４のすぐ後に位置する放射状の支柱／プラグ３６を有する。プラグ３６のＶ字形の輪郭の結果として、ノズル流路は、収束−発散する。プラグ３６は、中心体３８にピンで止められる。
【００２０】
ＮＦＭノズルはまた、その中に音響処理が組込まれる混合ノズル４０を含む。混合ノズル４０は、一般に円筒状の外側のシュラウド４２と、シュラウド４２から半径方向に内側に延びる、複数の円周方向に間隔をあけられた放射状のスプリッタ４４とを含む。以下でさらに説明されるように、一連のテストでは、防音パネルは、シュラウド４２のみ、スプリッタ４４のみ、およびシュラウドとスプリッタとの両方に適用され、シュラウドおよび／またはスプリッタの処理の、騒音減衰への効果が判断された。
【００２１】
ＮＦＭノズルは、そのテスト部が無響室にある自由噴流空洞からなるボーイングの低速航空音響施設（ＬＳＡＦ）でテストされた。その室には、１対の横方向近サイドライン（traversing near-sideline）マイクと１６極搭載遠サイドライン（16 pole-mounted far-sideline）マイクとが備えられた。
【００２２】
さまざまな形態がテストされた。１つの形態は、硬壁シュラウド４２と硬壁スプリッタ４４とを有した。別の形態は、硬壁スプリッタ４４を有したが、シュラウド４２は図３で示される防音パネル５０で処理された。シュラウドパネル５０は、穿孔板５６と金属布シート５８とから形成される表面シート５４を一方の側に備えたハニカム心材５２と、心材５２の反対側の中実の裏あて板６０とを含んだ。心材５２の厚みは、０．１５インチであり、表面板５４のそれは０．０３インチであり、さらに裏あて板６０のそれは０．１５インチであった。表面板５４は、ノズルに面したシュラウドパネル５０の表面を形成した。穿孔板５６は、直径０．０５５インチの穴で３１パーセントの開孔面積を有した。金属布シート５８は、２００ｃｍ／ｓｅｃ対２０ｃｍ／ｓｅｃの空気流で測定した２．６非線形ファクタで、２０ｃｍ／ｓｅｃで１０Raylsの音響抵抗を有するワイヤ織物を含んだ。
【００２３】
テストされた別の形態は、上述のような処理されたシュラウドを有したが、スプリッタ４４は省かれた。さらに別の形態は、処理されたシュラウドと、図１で示されたような中実のセプタムを有する従来の防音パネル１０によって形成されたスプリッタ４４とを有した。ハニカム心材層１４の各々の厚みは、０．１５インチであり、穿孔板１６は各々、０．０５５インチ直径の穴で３１パーセントの開孔面積を有した。心材層１４は、１／８インチ直径のハニカムセルを有した。
【００２４】
テストされた最後の形態は、処理されたシュラウドと、図２で示された発明に従った防音パネル２０によって形成されたスプリッタ４４とを有した。心材２２は、直径１／８インチのセルを備えた、０．１５インチの厚みのハニカムであった（つまり、セプタムを備えた従来のパネルのハニカム層１４の１つと同一）。表面板２４は、直径０．０５５インチの穴で、３１パーセントの開孔面積を有する穿孔板２６と、２００ｃｍ／ｓｅｃ対２０ｃｍ／ｓｅｃの空気流で測定した２．６非線形ファクタで、２０ｃｍ／ｓｅｃで１０Raylsの音響抵抗を備えたワイヤ織物を含む金属布シート２８とを含んだ。
【００２５】
図６は、これらのさまざまなノズル形態のすべてのテスト結果を示す。基準線形態（スプリッタを備えない硬壁シュラウド）に関する騒音減衰は、ノズルの縦軸から９０°の位置の周波数の関数として描かれる。この発明に従って設計された薄いスプリッタは、セプタムを有する厚いスプリッタによって提供されたそれよりもより大きな騒音減衰を提供するという事実は、特に注目すべきである。薄いスプリッタはまた、与える妨害が厚いスプリッタよりもかなり少なく、さらに重量において厚いスプリッタよりも実質的に軽いという、付加的な利益を提供する。処理されたスプリッタをノズルダクトに配置することは、スプリッタを備えない形態と比較して、騒音減衰の利益を提供するということもまた注目されるであろう。
【００２６】
前述の説明および関連した図で提示された教示によって、この発明が属す当業者には、この発明の多くの修正および他の実施例が思い浮かぶであろう。したがって、この発明は、開示された特定の実施例に限定されず、さらに修正および他の実施例も追加請求項の範囲内に含まれると意図されることが理解されなければならない。特定の用語がここで用いられるが、それらは一般的な、説明的な意味のみで使われるのであり、限定の目的で使われるのではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 セプタムを有する先行技術の防音パネルの概略的な断面図である。
【図２】 この発明の１つの好ましい実施例に従った、防音パネルの概略的な断面図である。
【図３】 この発明に従った音響処理の効果を査定するために行なわれた一連のテストのために、混合ノズルのシュラウドを処理するための、防音パネルの概略的な断面図である。
【図４】 一連のテストで使用されたノズルの断面図である。
【図５】 （Ａ）は、図４の線５Ａ−５Ａに沿ったノズルの断面図である。
（Ｂ）は、図４の線５Ｂ−５Ｂに沿ったノズルの断面図である。
（Ｃ）は、図４の線５Ｃ−５Ｃに沿ったノズルの断面図である。
【図６】 ノズルのために達成された騒音減衰と音響処理のさまざまな形態とを比較したテスト結果の図である。
【符号の説明】
２０ 音響パネル、２２ 心材層、２４ 表面シート、２６ 穿孔板、２８ 多孔質繊維シート、４４ スプリッタ。

Claims (8)

1. パネルのいずれかの側の騒音源からの騒音も減衰するための防音サンドイッチパネルであって、
   対向する表面を有する心材層を含み、その心材層は多孔質材料であり、
   パネルはさらに、その間に心材層を挟むように心材層の対向する表面に装着された１対の表面板を含み、
   各表面板は、表面板の外表面を規定する少なくとも１枚の繊維布を含み、
   前記繊維布が、金属布である、騒音を減衰するための防音サンドイッチパネル。
2. 各表面板が、構造上の剛性をパネルに与えるために、心材に接合された構造層をさらに含み、その構造層が、その厚みを貫通して延びる開孔を有し、さらに繊維布のシートのそれと比べて、比較的小さな音響効果を有するように構成された、請求項１に記載の防音サンドイッチパネル。
3. パネルのいずれかの側の騒音源からの騒音も減衰するための防音サンドイッチパネルであって、
   対向する表面を有する金属ハニカム材料の心材層を含み、
   心材層をその間に挟むように心材層の対向する表面に装着された１対の表面板を含み、各表面板は、心材層に接合された穿孔金属板と、穿孔板の外表面に装着された１枚の金属布とを含む、騒音を減衰するための防音サンドイッチパネル。
4. 各穿孔金属板が約２０から４０パーセントの開孔面積を有する、請求項３に記載の防音サンドイッチパネル。
5. ダクトを有するノズル内の騒音抑制装置であって、
   ダクト内に配列され、その円周について間隔をあけられた複数の放射状にスプリッタを含み、
   各放射状のスプリッタは、対向する表面を有する心材層を含み、その心材層は、多孔質材料であり、
   各放射状のスプリッタは、心材層をその間に挟むように、心材層の対向する表面に装着された１対の表面板を含み、
   各表面板は、表面板の外表面を規定する少なくとも１枚の繊維布を含み、
   前記繊維布が、金属布である、騒音抑制装置。
6. 各表面板が、構造上の剛性をパネルに与えるために、心材に接合された構造層をさらに含み、その構造層が、その厚みを貫通して延びる開孔を有し、さらに繊維布のシートのそれと比べて、比較的小さな音響効果を有するように構成された、請求項５に記載の装置。
7. ノズルのダクト内の騒音抑制方法であって、
   流れが、スプリッタの２つの対向する表面の両方にわたって起こるように、少なくとも１つのパネル状のスプリッタをダクト内に配置するステップを含み、
   そのスプリッタは対向する表面を有する心材層を含み、その心材層は多孔質材料であり、
   そのスプリッタはその間に心材層を挟むように、心材層の対向する表面に装着された１対の表面板を含み、
   各表面板は、表面板の外表面を規定する少なくとも１枚の繊維布を含み、
   前記繊維布が、金属布である、騒音抑制方法。
8. スプリッタがダクト内でほぼ放射状に配向される、請求項７に記載の方法。

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