Звукопоглощающий элемент и способ его изготовления
Изобретение относится к области авиастроения, в частности к звукопоглощающему элементу для летательного аппарата и способу его изготовления. Звукопоглощающий элемент (1) содержит первую область (2) стенки, вторую область (3) стенки и множество пружинных элементов (4). Первая область (2) стенки и вторая область (3) стенки отделены друг от друга при помощи свободного пространства (7), в котором расположено множество пружинных элементов (4), которые соединяют первую область (2) стенки и вторую область (3) стенки друг с другом. Каждый индивидуальный пружинный элемент имеет предварительное натяжение за счет создания в пространстве (7) отрицательного давления. Для изготовления звукопоглощающего элемента вводят в контакт первую область (2) стенки со второй областью (3) стенки при помощи множества пружинных элементов (4), так что первая область (2) стенки и вторая область (3) стенки будут отделены друг от друга при помощи свободного пространства (7). Затем создают предварительное натяжение множества пружинных элементов (4), так что первая область (2) стенки и вторая область (3) стенки будут иметь динамическую развязку. Причем создание предварительного натяжения множества пружинных элементов (4) осуществляется путем приложения к свободному пространству (7) отрицательного давления. Технический результат заключается в улучшении звукоизоляционных свойств и уменьшении толщины звукопоглощающего элемента. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область применения изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к акустике. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к созданию звукопоглощающего элемента, при помощи которого может быть обеспечено хорошее поглощение звука во всем спектре частот, а в частности, в спектре низких частот. Более того, настоящее изобретение имеет отношение к созданию способа изготовления такого звукопоглощающего элемента, а также летательного аппарата, в котором по меньшей мере один компонент может быть сконструирован в виде такого звукопоглощающего элемента.
Предпосылки к созданию изобретения
Известные звукопоглощающие элементы часто проектируют как системы с двойной стенкой. Такие системы с двойной стенкой, как правило, содержат две области стенки, которые соединены друг с другом при помощи механических соединений, со смещением друг от друга. Прежде всего, когда для экономии занимаемого пространства используют тонкие системы с двойной стенкой, тогда звукопоглощение таких известных систем с двойной стенкой, в частности в диапазоне низких частот, является относительно скромным. В этом случае две области стенки известных систем с двойной стенкой соединены друг с другом наиболее неблагоприятным образом за счет воздуха, который захвачен между областями стенки, при этом имеет место дополнительное соединение при помощи необходимых механических соединительных элементов, в результате чего звук из одной области стенки может также передаваться в другую область стенки. Таким образом, за счет такой конструкции известные системы с двойной стенкой обладают только весьма скромным звукопоглощением, что проявляется, в частности, в области авиации и космических технологий и, в частности, приводит к ухудшению комфорта пассажиров.
В качестве дополнительного примера звукопоглощающего устройства можно привести изоляционный стеклянный блок, раскрытый в патенте DE 3014207 C2, с внутренней панелью, внешней панелью и газовым заполнением в свободном пространстве. По меньшей мере один обод по меньшей мере одной панели удерживается при помощи пружинного концевого блока с возможностью смещения так, что он может совершать колебания под воздействием звука. В своей центральной области характеристика упругости концевого блока имеет главным образом горизонтальную секцию, по которой перемещается рабочая точка концевого блока при воздействии звука.
Сущность изобретения
Принимая во внимание недостатки описанных здесь известных систем с двойной стенкой, возникает необходимость создания звукопоглощающего элемента, который содержит по меньшей мере одну двойную стенку, причем связь индивидуальных стенок звукопоглощающего элемента уменьшена по сравнению с известными системами с двойной стенкой.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, звукопоглощающий элемент содержит первую область стенки, вторую область стенки и множество пружинных элементов. В этой схеме расположения первая область стенки расположена так, что она отделена от второго звукопоглощающего элемента (от второй области стенки) при помощи свободного пространства. В этом свободном пространстве расположены множество пружинных элементов, причем указанные пружинные элементы соединяют первую область стенки и вторую область стенки друг с другом. Эти пружинные элементы имеют пониженные характеристики упругости и за счет создания предварительного натяжения могут быть приведены в состояние, в котором их жесткость пружины приближается к нулю, так что динамическое сцепление между первой и второй областями стенок при помощи пружин также в значительной степени приближается к нулю. Таким образом, для обеспечения наибольшего возможного снижения динамического сцепления между первой областью стенки и второй областью стенки можно производить предварительное натяжение множества пружинных элементов, в результате чего, в частности, в диапазоне низких частот может быть достигнута имеющая большие перспективы развязка между первой и второй областями стенки. Несмотря на то, что в проведенном описании звукопоглощающий элемент содержит две области стенок, которые смещены друг от друга, звукопоглощающий элемент также может содержать три или больше областей стенок (стенных областей), которые имеют развязку друг от друга при помощи пружинных элементов.
Для того чтобы создавать необходимое предварительное натяжение, воздействующее на пружины, свободное пространство между первой областью стенки и второй областью стенки может подвергаться воздействию отрицательного давления, в результате чего множество пружинных элементов будут иметь предварительное натяжение. Кроме создания предварительного натяжения за счет такой откачки свободного пространства, создание в этом свободном пространстве отрицательного давления может иметь дополнительный положительный эффект, связанный с тем, что за счет этого может быть снижена до минимума связь между первой и второй стенками за счет воздуха, обычно имеющегося (захваченного) в свободном пространстве. Высокие нагрузки, которые могут возникать в результате такой откачки свободного пространства, воспринимаются при помощи пружинных элементов, жесткость пружин которых в диапазоне нагрузки, возникающей за счет отрицательного давления, выбирают так, что она приближается к нулю, в результате чего нагрузки больше почти не передаются динамически.
Чтобы иметь возможность создания такой жесткости пружины, каждый из множества пружинных элементов имеет характеристику F(x) упругости, которая по меньшей мере в отдельных секциях (зонах) имеет область снижения. Таким образом, характеристика F(x) упругости в определенной зоне может иметь вогнутость, причем эта характеристика также преимущественно имеет самую высокую точку или максимум, в которой жесткость пружины приближается к нулю за счет образования градиента. В зоне вокруг этой высокой точки жесткость пружины, несмотря на то, что за счет образования градиента она не точно равна нулю, но тем не менее приближается к нулю, что с точки зрения поглощения звука может иметь благоприятный эффект, связанный с тем, что в этой зоне динамически больше почти не передается нагрузка.
Была предпринята попытка создания предварительного натяжения в такой степени, чтобы жесткость пружины в зоне снижении характеристик упругости точно становилась равной нулю; однако, как правило, такую точку трудно установить. Однако хорошие результаты могут быть получены даже в том случае, когда индивидуальные пружинные элементы из множества пружинных элементов имеют предварительное натяжение, доходящее до зоны, в которой градиент, а другими словами, жесткость пружины, составляет меньше чем 5% максимального значения градиента всей области характеристики упругости.
Несмотря на то, что могут быть использованы любые подходящие пружинные элементы, которые в отдельных зонах (секциях) имеют уменьшение характеристик упругости, проведенные эксперименты однако показали, что хорошие результаты могут быть получены при использовании тарельчатых пружин или дисковых пружин в качестве пружинных элементов.
Для того чтобы исключить возможность сброса отрицательного давления, созданного в свободном пространстве между первой областью стенки и второй областью стенки, первая область стенки и вторая область стенки обрамлены соответственно при помощи гибкого уплотняющего элемента, который герметизирует свободное пространство от атмосферы.
Для того чтобы исключить возможность "защелкивания вокруг" пружинных элементов, в зоне, в которой их градиент почти равен нулю, в соответствии с примерным вариантом первая область стенки и вторая область стенки могут дополнительно взаимно поддерживаться при помощи других пружинных элементов, действующих как концевые опоры, причем эти пружинные элементы имеют линейную характеристику упругости, пропорционально увеличивающуюся характеристику упругости или характеристику упругости любого другого типа, которая не имеет эффекта защелкивания вокруг, или верхняя точка которой находится в другом диапазоне перемещений, чем верхняя точка первыми упомянутых здесь пружинных элементов, используемых в контексте настоящего изобретения. За счет этого может быть получена ситуация, в которой, когда ранее упомянутые пружинные элементы стремятся защелкнуться вокруг, нагрузки, созданные за счет вакуума, могут быть поглощены при помощи пружинных элементов, которые вторыми упомянуты в описании настоящего изобретения.
Как уже было указано здесь выше в предпосылках настоящего изобретения, известные тонкие звукопоглощающие элементы с двойной стенкой, в частности в диапазоне низких частот, позволяют только в ограниченной степени поглощать звук. В отличие от этого, при проектировании звукопоглощающего элемента в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения может быть достигнуто существенное повышение поглощения звука.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предлагается способ изготовления двухкорпусного звукопоглощающего элемента, в первой операции которого первую область стенки соединяют со второй областью стенки при помощи множества пружинных элементов, так что первая область стенки и вторая область стенки будут расположены так, что они отделены друг от друга при помощи свободного пространства. В этой схеме расположения промежуток за счет свободного пространства определяется удлинением пружинных элементов. В другой операции производят предварительное натяжение множества пружинных элементов, так что первая область стенки и вторая область стенки в значительной степени будут механически развязаны. Вместо смещения друг от друга только двух областей стенок при помощи множества пружинных элементов, само собой разумеется, что также можно смещать третью область стенки или другие следующие области стенок при помощи пружинных элементов от первой области стенки или второй области стенки, так что получают полный пакет областей стенок, в которой все индивидуальные области смещены друг от друга.
Так как особенно простой путь создания предварительного натяжения множества пружинных элементов и снижения передачи звука по воздуху может быть осуществлен за счет приложения отрицательного давления к свободному пространству между первым и вторым элементами стенок, то, в соответствии с примерным вариантом, свободное пространство между первым элементом стенки и вторым элементом стенки герметизируют от атмосферы при помощи уплотняющего элемента, который окаймляет первую область стенки и вторую область стенки. За счет такой герметизации может быть достигнута ситуация, в которой отрицательное давление, созданное в свободном пространстве, остается постоянным во времени, а не становится равным внешнему атмосферному давлению. Альтернативно, могут быть использованы всасывающее сопло и всасывающий насос для создания требуемого отрицательного давления.
Как уже было описано здесь выше, в соответствии с примерным вариантом, используемые пружинные элементы должны иметь снижение характеристики упругости по меньшей мере в тех зонах, в которых характеристика упругости имеет самую высокую точку. Хорошая развязка первой и второй областей стенок может быть обеспечена за счет того, что множество пружинных элементов имеют предварительное натяжение до такой степени, что градиент характеристики упругости, то есть жесткость пружины, имеет нулевое значение. Однако, так как эту точку трудно установить, может быть достаточным, как правило, создание предварительного натяжения множества пружинных элементов до зоны, в которой их жесткость пружины имеет значение, которое составляет меньше чем 5% максимальной жесткости пружины. Если установить такое значение жесткости пружины, то можно достичь существенного улучшения поглощения звука.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, предлагается летательный аппарат, в котором по меньшей мере экран защиты от льда в области пропеллера и оболочка фюзеляжа, которая расположена снизу на небольшом расстоянии, выполнены как звукопоглощающий элемент, описанный здесь выше. В частности, на экране защиты от льда, который прикреплен к фюзеляжу для его защиты от льда, который падает с пропеллера, возникают очень большие уровни звука, которые не должны поступать в салон, чтобы повысить комфорт пассажиров, так что экран защиты от льда преимущественно проектируют как звукопоглощающий элемент.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вид в перспективе проволочной модели звукопоглощающего элемента в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения.
На фиг.2 показано поперечное сечение звукопоглощающего элемента в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения.
На фиг.3 показана примерная характеристика упругости пружинного элемента звукопоглощающего элемента в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения.
На всех чертежах аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения. Чертежи приведены не в масштабе, однако они отражают количественные соотношения.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан вид в перспективе звукопоглощающего элемента 1 в соответствии с настоящим изобретением, причем в указанном звукопоглощающем элементе 1 первая область стенки 2 и вторая область стенки 3 расположены так, что они смещены друг от друга при помощи множества пружинных элементов 4, которые в показанной схеме расположения представляют собой тарельчатые пружины 4. Для упрощения понимания первая область стенки 2 показана прозрачной, чтобы лучше показать внутреннюю часть звукопоглощающего элемента 1. В этой схеме расположения тарельчатые пружины 4 образуют регулярную прямоугольную решетку, за счет чего, по мере возможности, достигается развязка первой области стенки 2 от второй области стенки 3.
Как это лучше всего показано на фиг.2, первая область стенки 2 и вторая область стенки 3 отделены друг от друга при помощи свободного пространства 7. В показанном варианте, в этом свободном пространстве 7 расположены две тарельчатые пружины 4, которые соединяют первую область стенки 2 и вторую область стенки 3 друг с другом. Несмотря на то, что в тарельчатых пружинах 4 может быть создано предварительное натяжение любым желательным образом, при условии отсутствия контакта между областями 2, 3 стенок, особенно простым путем создания предварительного натяжения тарельчатых пружин 4 является создание отрицательного давления в свободном пространстве 7 при помощи всасывающей трубки 6, в результате чего возникает предварительное натяжение тарельчатых пружин 4. Для поддержания в течение времени созданного указанным образом отрицательного давления в свободном пространстве 7, звукопоглощающий элемент 1 ограничен по ободам первой области 2 стенки и второй области 3 стенки гибким резиновым уплотняющим элементом 5, который герметизирует свободное пространство 7 от внешней атмосферы. Альтернативно, отрицательное давление может быть создано и может поддерживаться при помощи всасывающего насоса, который подключен к всасывающему соплу (к всасывающей трубке) 6. Отрицательным давлением называют давление, которое ниже давления, существующего в пространстве снаружи от свободного пространства, например давление, которое ниже воздушного давления окружающего воздуха.
Наконец, на фиг.3 показана характеристика F(x) упругости, которую может иметь тарельчатая пружина 4 для осуществления, в соответствии с примерным вариантом настоящего изобретения, развязки первой области 2 стенки от второй области 3 стенки. На графике, показанном на фиг.3, по оси х отложен ход х пружины, а по оси у отложена жесткость пружины или нагрузка F(x). Начиная от нуля, жесткость пружины возрастает не пропорционально (нелинейным образом) до верхней точки характеристики упругости, что обычно называют снижением или уменьшением характеристики упругости. Так как известно, что градиент в характеристике упругости в положении х отображает жесткость пружины, то жесткость пружины, в характеристике упругости, показанный на фиг.3, является максимальной в нулевой (исходной) точке, так как в этой точке имеет место максимальный градиент. До верхней точки рост характеристики упругости непрерывно снижается, что одновременно означает, что жесткость пружины также постепенно снижается. В самой верхней точке, наконец, градиент или рост характеристики упругости будут равны нулю, а это означает, что в этой точке жесткость пружины равна нулю.
Если производить предварительное натяжение тарельчатой пружины до зоны вокруг верхней точки, то тогда, при дальнейшем динамическом ходе (перемещении) тарельчатой пружины за счет звука, указанная тарельчатая пружина больше не будет способна передавать дополнительные нагрузки, в результате чего можно добиться имеющей большие перспективы развязки за счет использования тарельчатой пружины с такой характеристикой упругости. Наилучшая развязка может быть достигнута при предварительном натяжении тарельчатой пружины точно до верхней точки ее характеристики упругости. Однако, так как эту точку трудно установить (задать), может быть достаточно, если тарельчатые пружины 4 имеют предварительное натяжение до такой степени, что значение их градиента будет меньше чем 5% максимального значения градиента во всей области характеристики F(x) упругости, причем такое значение градиента показанная характеристика упругости имеет в нулевой точке. На фиг.3 показана заштрихованная область, в которой нагрузочная способность является высокой, а жесткость пружины является низкой, то есть - «0.dx.
1. Звукопоглощающий элемент (1), который содержит первую область (2) стенки, вторую область (3) стенки и множество пружинных элементов (4), и причем первая область (2) стенки и вторая область (3) стенки расположены так, что они отделены друг от друга при помощи свободного пространства (7), в котором расположено множество пружинных элементов (4), которые соединяют первую область (2) стенки и вторую область (3) стенки друг с другом, при этом каждый индивидуальный пружинный элемент из множества пружинных элементов (4) имеет предварительное натяжение для создания развязки первой области (2) стенки от второй области (3) стенки, причем приложено к свободному пространству (7) отрицательное давление, в результате чего пружинные элементы (4) имеют предварительное натяжение.
2. Звукопоглощающий элемент по п.1, в котором каждый пружинный элемент (4) имеет характеристику F(x) упругости по меньшей мере частично с зоной снижения.
3. Звукопоглощающий элемент по п.1 или 2, в котором каждый пружинный элемент (4) имеет характеристику F(x) упругости по меньшей мере с одной зоной, в которой градиент приближается к нулю.
4. Звукопоглощающий элемент по п.3, в котором пружинные элементы (4) имеют предварительное натяжение до зоны, в которой значение градиента составляет меньше, чем 5% максимального значения градиента во всей области характеристики упругости.
5. Звукопоглощающий элемент по п.1, в котором пружинные элементы (4) выполнены в виде тарельчатых пружин.
6. Звукопоглощающий элемент по п.1, который дополнительно содержит: уплотняющий элемент (5), который окаймляет первую область (2) стенки и вторую область (3) стенки и герметизирует свободное пространство (7) от атмосферы.
7. Способ изготовления двухкорпусного звукопоглощающего элемента, который включает в себя следующие операции, ввод в контакт первой области (2) стенки со второй областью (3) стенки при помощи множества пружинных элементов (4), так что первая область (2) стенки и вторая область (3) стенки будут отделены друг от друга при помощи свободного пространства (7), создание предварительного натяжения множества пружинных элементов (4), так что первая область (2) стенки и вторая область (3) стенки будут иметь динамическую развязку, причем создание предварительного натяжения множества пружинных элементов (4) осуществляется путем приложения к свободному пространству (7) отрицательного давления.
8. Способ по п.7, который дополнительно включает в себя операцию герметизации свободного пространства (7) от атмосферы при помощи уплотняющего элемента (5), который окаймляет первую область стенки и вторую область стенки.
9. Способ по п.7, в котором множество пружинных элементов (4) имеют предварительное натяжение до зоны, в которой значение их жесткости пружины составляет меньше, чем 5% их максимальной жесткости пружины.
10. Летательный аппарат, который содержит по меньшей мере один компонент, выбранный из группы, в которую входят экран защиты от льда и оболочка фюзеляжа, причем указанный по меньшей мере один компонент выполнен как звукопоглощающий элемент по одному из пп.1-6.
