航空發(fā)動機(jī)聲襯結(jié)構(gòu)專利技術(shù)分析

李吻

摘 ? 要：為研究航空發(fā)動機(jī)聲襯技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)及趨勢，以航空發(fā)動機(jī)聲襯的專利技術(shù)為載體，從專利申請趨勢、申請人所在國、主要申請人、技術(shù)熱點四個角度全面分析了全球航空發(fā)動機(jī)聲襯的專利技術(shù)信息，為航空發(fā)動機(jī)聲襯結(jié)構(gòu)的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新提供技術(shù)參考。結(jié)果表明，20世紀(jì)90年代開始，航空發(fā)動機(jī)聲襯專利申請量快速增長。美國、法國、英國是主要技術(shù)申請國，空中客車、波音、埃塞公司、赫氏公司是主要申請人，中國與之有一定差距。對于聲襯結(jié)構(gòu)改進(jìn)、聲襯拼接研究是該領(lǐng)域研究熱點。

關(guān)鍵詞：聲襯 ?蜂窩 ?隔膜 ?多自由度 ?航空發(fā)動機(jī)

中圖分類號：G306 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0010-04

Abstract： In order to study the development context and trend of acoustic liner in aero engine technology， based on the patented technology of aero engine acoustic liner， the application trend， nationality distribution， major applicants， the technical means of acoustic liner in aero engine ?were comprehensive investigated from the perspective of patents，providing technical reference for the technical development and innovation of acoustic liner in aero engine.The result shows that patent applications increased rapidly since 1990s.The United States， France， and the United Kingdom are the main technology applicant countries，Airbus， Boeing， Ethiopia， and Hershey are the major applicants，the gap between Chinese applicants and these applicants is huge.The research on acoustic liner structure improvement and acoustic liner joining are research hotspots.

Key Words： Acoustic Liner; Honeycomb; Septum; Multi-degree-freedom

近年來，航空工業(yè)的快速發(fā)展給人民的生活帶來了極大的便利，但其產(chǎn)生的噪聲問題卻引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染，同時損害人民的健康，降低了旅客乘坐舒適度，并逐漸成為飛機(jī)設(shè)計和環(huán)境保護(hù)面臨的重大問題之一。飛機(jī)在起飛、降落和飛行過程中伴隨著各種類型的噪聲，噪聲源眾多，頻帶分布廣，難以全面控制乃至消除。飛機(jī)的噪聲主要來源于發(fā)動機(jī)，所以發(fā)動機(jī)噪音控制是飛機(jī)降噪的關(guān)鍵點，只要有效地控制和降低發(fā)動機(jī)的噪聲，便能有效地解決飛機(jī)的噪聲。目前，降低發(fā)動機(jī)噪聲采用的技術(shù)有：提高涵道比，采用吸聲襯墊和長的整流罩，采用流動控制降噪技術(shù)等[1]。其中聲襯在改善噪聲問題上是最有發(fā)展?jié)摿Φ慕翟爰夹g(shù)[2]。

聲襯是一種基于抗性消聲原理設(shè)計的噪聲控制單元。20世紀(jì)中葉，隨著第一架噴氣式客機(jī)的制造，聲襯材料也隨之出現(xiàn)，起初的聲襯為多孔吸聲材料，隨著適航條例、提高舒適性等要求，單一穿孔板聲襯開始出現(xiàn)，但鋪設(shè)單一穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)并不能起到很好的降噪效果，于是出現(xiàn)了復(fù)合式的穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。其中，蜂窩板因其重量輕、強(qiáng)度高、剛性大、穩(wěn)定性好，具有良好的隔音和降噪效果等優(yōu)點，尤其在高頻段，而且節(jié)省空間。將蜂窩板和穿孔消聲器相結(jié)合，即復(fù)合式蜂窩夾層穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)具有互補的優(yōu)勢，在發(fā)動機(jī)聲襯領(lǐng)域迅速得到廣泛應(yīng)用。該類型聲襯本質(zhì)上是一種排列整齊的亥姆霍茲共振器。

通常大涵道比發(fā)動機(jī)的消音板組合件由消音板和蜂窩板組成。圖1為聲襯結(jié)構(gòu)示意圖[3]。

1 ?航空發(fā)動機(jī)聲襯結(jié)構(gòu)專利技術(shù)分析

1.1 航空發(fā)動機(jī)聲襯專利申請趨勢

圖2為國內(nèi)與全球航空發(fā)動機(jī)聲襯的專利申請趨勢。由圖2可知，航空發(fā)動機(jī)聲襯材料研究出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，但專利申請數(shù)量極少，20世紀(jì)60年代到90年代之間，全球航空發(fā)動機(jī)聲襯專利申請量總體保持在很低水平。而從90年代開始，隨著航空工業(yè)的發(fā)展、人們對于降噪的需求以及適航條例要求等，對聲襯材料的研究越來越受到重視，相應(yīng)其專利申請量呈現(xiàn)逐步增長趨勢。相較國外，國內(nèi)關(guān)于航空發(fā)動機(jī)聲襯技術(shù)研究起步較晚，其發(fā)展可分為兩個階段：（1）萌芽期：萌芽期階段從1994—2005年，該階段專利申請量非常少，這與該階段處于國內(nèi)航空工業(yè)處于初期發(fā)展期有很大關(guān)系，并且中國知識產(chǎn)權(quán)意識也比較淡薄。（2）快速發(fā)展期：快速發(fā)展期階段從2005年開始，申請量迅速增加。主要原因是聲襯結(jié)構(gòu)作為航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，隨著中國航空工業(yè)技術(shù)積累和發(fā)展。另一個原因是隨著國家改革開放政策的實施，市場經(jīng)濟(jì)逐步建立和完善，在市場競爭過程中發(fā)明創(chuàng)新應(yīng)受保護(hù)迫切需求也加速專利申請數(shù)量增加。

1.2 航空發(fā)動機(jī)聲襯專利技術(shù)申請人所在國分布

通過對所有文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到航空發(fā)動機(jī)聲襯領(lǐng)域的專利申請人所在國分布，如圖3所示。

一般而言，一個國家的申請人越多，說明該國在該領(lǐng)域的研究能力和技術(shù)實力越強(qiáng)，從事該領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新活動越活躍。從圖4可看出，在航空發(fā)動機(jī)聲襯領(lǐng)域美國位于首位，約占全球?qū)＠暾埩康?2.8%。其次分別為法國、英國、中國、德國，這在一定程度上也反映了各個國家的航空工業(yè)發(fā)展水平，與各個國家的航空發(fā)動機(jī)工業(yè)水平相一致;美國主要是以波音公司為代表噴氣式飛機(jī)制造商及其航空發(fā)動機(jī)零部件制造商;法國和德國主要是以空客公司為代表的噴氣式飛機(jī);英國雖然沒有大型航空飛機(jī)制造商，但是具有全球最頂尖航空發(fā)動機(jī)技術(shù)的國羅爾斯-羅伊斯公司航空發(fā)動機(jī)公司。國內(nèi)關(guān)于聲襯研發(fā)主要集中在航空工業(yè)集團(tuán)。這些航空龍頭企業(yè)在一定程度上主導(dǎo)了世界航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，也促進(jìn)了聲襯結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新突破。

1.3 航空發(fā)動機(jī)聲襯專利技術(shù)主要申請人分布

申請人是申請的主體，通過申請人的研究可以體現(xiàn)國家在聲襯領(lǐng)域的研發(fā)情況。從圖4國內(nèi)主要申請人對比可看出，國內(nèi)對于聲襯材料的申請主要集中于國內(nèi)航空工業(yè)集團(tuán)公司及高校，其中中國航空工業(yè)集團(tuán)公司西安飛機(jī)設(shè)計研究院的申請量相對較高，研究也較全面。國內(nèi)申請人申請和研究方向主要集中在蜂窩聲襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化及制備方法改進(jìn)上。

圖5為國外主要申請人對比，可看出，申請排名前幾位的是美國和法國的公司，這與申請人國別占比是一致的。其中空中客車和波音公司作為世界上大型巨頭飛機(jī)制造商，其聲襯申請量相對較高。其關(guān)于聲襯研究發(fā)展歷史較長，從最初簡單聲襯結(jié)構(gòu)到聲襯結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制備方法均有所涉及。

1.4 航空發(fā)動機(jī)聲襯結(jié)構(gòu)

聲襯按結(jié)構(gòu)分為單自由度聲襯、雙自由度聲襯和多自由度聲襯，從制備工藝及效果角度，單自由度聲襯和雙自由度聲襯應(yīng)用較為廣泛。單自由度聲襯為最早的蜂窩聲襯結(jié)構(gòu)形式，由穿孔板、蜂窩層芯和剛性背板組成，此結(jié)構(gòu)形式具有工藝簡單，結(jié)構(gòu)厚度小，便于結(jié)構(gòu)布置等優(yōu)勢，應(yīng)用廣泛。CN203476833U即提出了一種用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的單自由度聲襯結(jié)構(gòu)，由微孔面板、蜂窩夾層及不透氣的非金屬材料層背板組成，原理結(jié)構(gòu)簡單。

圖6為雙自由度聲襯結(jié)構(gòu)示意圖，其包括兩個蜂窩芯疊加，即由穿孔板、蜂窩芯、中間層、蜂窩芯和背板組成，中間層可采用穿孔板、金屬絲網(wǎng)、帶微型孔的吸聲薄膜、嵌入式消聲結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)，嵌入式消聲結(jié)構(gòu)可根據(jù)聲學(xué)需要實現(xiàn)非等高設(shè)計，是未來聲襯設(shè)計的又一全新的發(fā)展方向。

雙自由度聲襯增加了聲襯的重量及生產(chǎn)成本，但雙自由度聲襯采用兩個共振器串聯(lián)，可拓寬聲襯的吸聲頻帶，可顯著降低短艙噪聲，因此，雙自由度聲襯的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。US3948346A于1976年提出了一種雙自由度聲襯結(jié)構(gòu)。CN105173059A、US2013171407A1均涉及了一種雙層蜂窩降噪結(jié)構(gòu)，與單層蜂窩結(jié)構(gòu)相比較，降噪性能更好。

多自由度消聲結(jié)構(gòu)是將單層蜂窩變?yōu)槎鄬臃涓C，并在每個蜂窩層之間添加一層多孔板，然而這種消聲結(jié)構(gòu)在使用中存在一定問題，例如，微穿孔板與蜂窩芯材進(jìn)行粘接時，需要保證在粘接過程中孔眼不被堵住，此外，多自由度消音聲襯在設(shè)計及制備過程中聲襯力學(xué)性能大大下降，同時微穿孔板的加入，使得材料本身自重有了較大幅度增加。因此，可以在蜂窩芯中設(shè)置多孔材料隔膜中間層，以避免重量過重及提高聲襯的聲學(xué)性能。美國赫氏公司最早提出了內(nèi)嵌式蜂窩聲襯結(jié)構(gòu)，并已成功應(yīng)用在A380等飛機(jī)發(fā)動機(jī)消音襯墊中。

CN106042469A提出了一種內(nèi)嵌微穿孔消音隔板吸聲蜂窩，最大程度地保持消音結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能，同時減輕自重，充分發(fā)揮了微穿孔隔板與蜂窩內(nèi)腔的協(xié)同吸聲效果。JP2015504176A設(shè)計了一種設(shè)置有隔膜蓋單元的蜂窩，隔膜蓋由穿孔的柔性片材形成。

1.5 航空發(fā)動機(jī)聲襯專利技術(shù)熱點分析

圖7顯示了航空發(fā)動機(jī)聲襯專利申請的總體技術(shù)研究分布，從圖7可看出，對于聲襯的研究主要集中的結(jié)構(gòu)、制備及拼接，其他的還包括材料選擇、修補、裝配等。下面從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、聲襯拼接進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.5.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

聲襯的消聲效果很大程度上由結(jié)構(gòu)決定，對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是聲襯研究重點，包括面板孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、蜂窩芯結(jié)構(gòu)設(shè)計及增設(shè)其它消聲結(jié)構(gòu)等。關(guān)于面板，F(xiàn)R3069579A1采用兩層結(jié)構(gòu)制備具有特殊穿孔的面板結(jié)構(gòu)，F(xiàn)R2962586A1將面板穿孔設(shè)計為斜向以提高降噪效果。

通過改變蜂窩孔結(jié)構(gòu)來提高降噪效果是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，專利US2019270504A將蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計為傾斜多面體結(jié)構(gòu)，以緩沖和衰減聲波（圖8（a）），F(xiàn)R3078431A提供具有外壁和內(nèi)部的形式的結(jié)構(gòu)，尤其適用于減少發(fā)動機(jī)中低頻的聲波（圖8（b）），US9476359B2將蜂窩孔設(shè)計為彎曲結(jié)構(gòu)衰減聲波（圖8（c）），GB1088072A中將蜂窩壁開設(shè)有開口來提高降噪效果（圖8（d））。FR3026122A1提出了一種在蜂窩芯內(nèi)設(shè)置金字塔形結(jié)構(gòu)的聲襯，提高降噪效果。南昌航空大學(xué)CN206690635U將蜂窩芯設(shè)置為圓形蜂窩和正六邊形蜂窩組合芯材，通過改變圓形蜂窩半徑及占比，擴(kuò)大降噪頻率范圍和降噪效果。

對于聲襯增設(shè)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面， US2019185171A1將具有套筒和套筒內(nèi)的多個波形通道的聲學(xué)插入件插入蜂窩芯中，在各個頻率下提供高衰減性能（圖9（a））。US2019063318A1內(nèi)部分離器結(jié)構(gòu)150、250提供了改善的聲音衰減性能，相比于常規(guī)隔音板在更大頻率范圍內(nèi)具有帶穩(wěn)定和有效的吸收系數(shù)（圖9（b））。US2019024589A1通過增設(shè)特殊形狀隔膜來提高降噪效果（圖9（c））。CN105452643A將蜂窩芯內(nèi)隔膜設(shè)置為不同結(jié)構(gòu)的幾段，使用多段隔膜允許將在由噪聲源產(chǎn)生的聲音頻率的上下端處的多個特定頻率范圍作為目標(biāo)并且使之衰減（圖9（d））。US2017053635A1提出了一種在蜂窩芯腔體內(nèi)設(shè)置塊體吸收器，CN105493176A通過在蜂窩聲學(xué)單元格內(nèi)設(shè)置隔音器，以形成聲學(xué)諧振腔，在不增加短艙聲學(xué)結(jié)構(gòu)厚度或重量的情況下，該聲學(xué)結(jié)構(gòu)能夠抑制更寬范圍的噪聲頻率。

此外，還可在蜂窩芯內(nèi)設(shè)置多孔材料襯芯及增加層結(jié)構(gòu)來提高降噪性能。CN103915090A提供了一種寬帶降噪多孔材料聲襯，將多孔材料襯芯填充于蜂窩結(jié)構(gòu)中，使聲襯具有優(yōu)良的寬頻帶和較大聲壓級范圍內(nèi)穩(wěn)定的消聲性能。US9741331B1陶瓷泡沫插入件，降噪性能優(yōu)異。GB1331266在蜂窩孔中加入纖維材料吸音。CN101652809A將微孔面板設(shè)置為兩開口層夾設(shè)多孔金屬絲網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)穿孔板，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時提高消音效果。CN203449665U通過在鏤空織物面板上附載本征吸聲的植物纖維面料，得到多層次、多尺度吸聲的鏤空織物面板/蜂窩夾芯聲襯結(jié)構(gòu)。CN204250355U通過在穿孔面板和蜂窩芯之間增加若干棉氈層和玻璃鋼面板，提高聲襯吸音效果。

1.5.2 聲襯拼接

發(fā)動機(jī)短艙內(nèi)的聲襯通常由2至3片弧形聲襯組合構(gòu)成的（圖10），由于早期加工和結(jié)構(gòu)方面的限制，2至3片聲襯之間的連接帶（拼縫）通常是堅硬且沒有消聲效果的，尤其是低階模態(tài)噪聲，它不能夠被聲襯吸收且不易衰減，降低了聲襯的吸聲效果。徐俊偉[4]等利用管道聲學(xué)分析方法，研究拼縫對進(jìn)氣道降噪效果的影響，結(jié)果表明無縫聲襯吸聲面積大，而且沒有聲阻抗的間斷，模態(tài)散射效應(yīng)低，降噪效果最優(yōu)。因此，為了增大聲襯面積，無縫聲襯以及唇口聲襯是未來進(jìn)氣道降噪的發(fā)展方向。

美國赫克塞爾公司US2014034417A1提出了一種避免聲學(xué)缺點的聲襯拼接方式，兩個蜂窩區(qū)段利用定位在兩個蜂窩區(qū)段的側(cè)部之間的接縫件來粘合在一起。CN102883872A同樣設(shè)計了一種無縫聲襯，避免結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的降低及增加附加步驟，同時，面板的連續(xù)均勻表面降低對于氣流的任何紊流，改進(jìn)了聲板的聲衰減特性。

2 ?結(jié)語

航空發(fā)動機(jī)聲襯結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了從單自由度聲襯，到多自由度聲襯，再到內(nèi)嵌隔膜聲襯結(jié)構(gòu)。其中，從聲襯材料出現(xiàn)至今，聲襯中發(fā)展重點是其參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，目前，性能較優(yōu)異的聲襯結(jié)構(gòu)是通過在蜂窩芯內(nèi)部設(shè)置多段隔膜結(jié)構(gòu)、吸收器、襯芯及在面板和芯材之間設(shè)置穿孔板、棉氈吸聲等其它層結(jié)構(gòu)。

蜂窩聲襯結(jié)構(gòu)，因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、吸音降噪性能好等優(yōu)點，隨著航空工業(yè)的發(fā)展及降噪需求、其在航空發(fā)動機(jī)及飛機(jī)其他部件必然會得到越來越廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國外聲襯降噪技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，然而對于中國民航業(yè)來說，因為發(fā)展起步晚，其在聲襯領(lǐng)域還有許多需要改進(jìn)和研究的地方，例如從降噪原理上對聲襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、多自由度聲襯制備方法優(yōu)化、蜂窩形狀優(yōu)化設(shè)計等。

參考文獻(xiàn)

[1] 伍賽特.民用航空發(fā)動機(jī)降噪技術(shù)研究及展望[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2019，32（4）：55-57.

[2] 張英杰.聲襯技術(shù)在大涵道比發(fā)動機(jī)短艙上的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程，2017（22）：119-120.

[3] 紀(jì)雙英，郝巍，劉杰.共振吸聲結(jié)構(gòu)在航空發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)展[J].航空工程進(jìn)展，2019，10（3）：302-308.

[4] 徐俊偉，馬向東，周宇穗.聲襯拼縫對進(jìn)氣道降噪效果影響研究[J].科技視界，2015（26）：85-86.