JP2009062977A - 線形音響ライナー - Google Patents

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    • G10K11/168Plural layers of different materials, e.g. sandwiches

Abstract

【課題】第1面およびこれに対向する第2面を有するセル構造のコアを含む航空機用線形音響ライナーを提供する。
【解決手段】実質的に無孔の背皮がコアの第1面を覆い、孔付きの表皮がコアの第2面を覆う。孔付きの表皮は、間隔を置いた第1複数の開口を有する外側表皮層と、間隔を置いた第2複数の開口を有する内側表皮層と、それらの間に配置された多孔質層とを含む。間隔を置いた第1複数の開口のそれぞれは、間隔を置いた第2複数の開口の一つと実質的に位置合わせされている。
【選択図】図3

Description

本発明は、航空機の騒音吸収構造に関し、特に航空機のエンジン室などのための線形音響ライナーに関するものである。
航空機のジェットエンジン室の壁をライニングするためのものとして、音響吸収パネルが知られている。かかる音響構造はしばしば音響ライナーと称される。一般に、音響ライナーはハニカム構造などのセル構造のコアを含み、その外側が音響抵抗性のある表皮(acoustic resistive front skin)によって覆われる一方、対向側が反射性のある背皮(reflective back skin)によって覆われている。かかる構造は単一自由度(single degree of freedom;SDOF)の音響ライナーとして知られている。他の音響ライナーは、第2の音響抵抗層(隔壁)によって分離された一対の重畳ハニカムコアと、音響抵抗性のある表皮と、反射性のある背皮とを含み、これは2自由度(double degree of freedom;DDOF)のライナーとして知られている。一般に、SDOF音響ライナーは、DDOF音響ライナーより好ましいものであり得る。SDOF音響ライナーは概して製造コストが低廉で、DDOFライナーより軽量であるからである。線形のSDOF音響ライナーは、非線形のSDOFライナーよりも広範囲の周波数および作動条件にわたって騒音を吸収できることから、好適なものであり得る。
音響抵抗層は多孔質構造であり、これは入射する音響エネルギの少なくとも一部を熱に変換することで、音響エネルギの少なくとも一部を消散させる。往々にして、音響ライナーに用いられる音響抵抗層は、間隔を置いた複数の開口すなわち孔を持つ連続したシート材、1枚の多孔質層、またはそれらの組み合わせを含んでいる。上述したような音響ライナーにおいては、音響抵抗性表皮により覆われたハニカム構造のセルは共鳴空洞を形成し、これは、ヘルムホルツ共鳴などにより、音響エネルギを熱に変換することで、および/または、音響反射波をキャンセルすることで、入射する音響エネルギの消散に寄与する。
図1は従来のSDOF音響ライナーの構造を示す。このライナー10においては、ハニカムコア14の一面が孔付きの面シート16により覆われており、このシートにはその厚み方向を貫く開口すなわち孔が複数、間隔をおいて設けられている。コア14の反対側の面は孔のない反射性の背皮12によって覆われている。ハニカムコア14、孔付きの面シート16および背皮12はアルミニウムなどによって構成することができる。また図1に示すように、孔付きの面シート16の外側面上には、微細多孔質の層18が延在している。一例として、多孔質層18は、微細なステンレス鋼を織り上げた層(fine woven stainless steel layer)などの織り上げ層(woven layer)とすることができる。ライナー10の層12,14,16,18は、複合材料の分野で一般的に知られているタイプの接着剤により互いに接合することができる。この例では、多孔質層18はライナー10の空気−湿潤面(air-wetted surface)上に配置されている。
図1に示す音響ライナーは線形音響ライナーとして知られたタイプのものである。線形ライナーは音響抵抗性要素を有するライナーであって、音響抵抗性要素は、入射する音圧のレベル(sound pressure level;SPL)には少ない依存性を有するのみであり、ハニカムコア14の外側面に延在するものとして図1に示されたような多孔質層18によって特徴づけられる。微細多孔質層18は、図1においてライナーが多孔質層18をもたないものとした場合に比較して、向上した音響減衰バンド幅をもつライナー10を提供する。
図2は従来の第2の構造によるSDOF線形音響ライナー20を示している。この構成においても、ライナー20は、ハニカムコア14、無孔の反射性背皮12、孔付きの表皮16および多孔質層18を含んでいる。しかしながら、図1に示した線形ライナー10とは異なり、多孔質層18はハニカムコア14の外側面と孔付きの表皮16との間に配置されている。この構成において、孔付きの表皮16は、ライナー20の外側面を横切るグレージング流(grazing flow)から多孔質層18を少なくとも部分的に遮蔽する。
上述した線形音響ライナー10,20の双方とも、比較的広いバンド幅および作動状態にわたって音響エネルギを効果的に減衰することができるが、かかるライナー10,20の多孔質層18は、往々にして孔付き面シート16および/またはハニカムコア14から少なくとも一部が分離してしまうことがある。例えば、ステンレス鋼のワイヤ層とアルミニウムの面シートまたはアルミニウムのコアとの接着剤はいずれ腐食してしまうものであり、この結果、コアからの面シートの望ましくない分離が生じるのである。かかる層の分離は望ましくないものであるので、上述したライナー10,20に比べ構成簡単にして構造上の信頼性が高い、改善されたSDOF線形音響ライナーが要望されていた。
航空機用の線形音響ライナーは、第1面と、対向する第2面とを有するセル構造のコアを含むことができる。実質的に無孔の背皮がコアの第1面を覆うものとすることができる。孔付きの表皮は、コアの第2面を覆うとともに、外側表皮層を有するものとすることができ、外側表皮層は、それを貫いて延在し、間隔をおいて設けられた第1の複数の開口を有する。孔付きの表皮はさらに、それを貫いて延在し、間隔をおいて設けられた第2の複数の開口を有する内側表皮層と、前記外側表皮層および内側表皮層間に配置された多孔質層とを含むことができる。間隔をおいて設けられた第1複数の開口の各々は、間隔をおいて設けられた第2複数の開口の一つと実質的に位置合わせされたものとすることができる。
線形音響ライナーの製造方法は、少なくとも1つの外側複合層と少なくとも1つの内側複合層との間にリリース層を配置する工程と、前記外側および内側複合層を所望の形状に拘束する工程と、を含むことができる。前記方法はさらに、当該拘束された形状の前記外側および内側複合層を硬化させる(curing)工程と、当該硬化した外側および内側複合層を貫く複数の開口を間隔を置いて形成する工程と、を含むことができる。加えて、前記方法は、硬化した外側複合層と硬化した内側複合層とを分離する工程と、これらの間に多孔質層および第1接着材料を挿入する工程と、前記外側および内側複合層において間隔を置いて設けられた開口を再度位置合わせする工程と、を含むことができる。前記方法はさらに、組み立てられた外側および内側複合層と多孔質層を、第2接着材料を介在させた状態で開放セル構造のコアの第1面に配置する工程と、少なくとも1つの無孔複合層を開放セル構造のコアの第2面に配置する工程と、前記第1および第2接着材料と背皮とを硬化させ、接合した組立体を形成する工程と、を含むことができる。
本発明のこれらの、および他の形態は、図面とともに以下の記載を読むことで理解される。
図3および図4は本発明に係るSDOF線形音響ライナー100の一実施形態を示す。本実施形態において、ライナー100は、ハニカムコア114と、その背面に接合された無孔の反射性背皮112とを含んでいる。図4に示すように、背皮112は複数の接合層を含むものとすることができる。多層・多孔の表皮102はコア114の表面に接合される。図1および図2に示す例では、表皮102は外側の孔付き層116と、内側の孔付き層130と、それらの間に配置されて接合される多孔質層118と、を含んでいる。図4に示すように、外側の孔付き層116は2以上の接合層116A,116Bを含むことができ、内側の孔付き層130は2以上の接合層130A,130Bを含むことができる。
一実施形態において、多孔質層118は緻密に織り上げられたステンレス鋼ワイヤのシートであり、0.006インチの厚みと、約20CGS−Rayl〜約60CGS−Rayl(cm・g・秒単位系)の流れ抵抗を持つ。あるいは、緻密に織り上げられたポリアリルエーテルケトン(PAEK)層その他の、耐久性があり、所望の音響特性を持つ多孔質材であってもよい。例えば、多孔質層118は微細孔をもつ高分子フィルム、金属繊維の布(felt)または他の種々の繊維材料であってもよく、グラファイト、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などが含まれる。外側の孔付き層116、内側の孔付き層130および背皮112は、技術分野において公知のタイプの複合材料のシートとすることができる。例えば、孔付き層116、130および背皮112は炭素エポキシ複合材シート(carbon epoxy composite sheet)を含むものであってもよい。
図4に示すように、表皮102の外側孔付き層116は、その厚み方向に延在し、付加的に(incrementally)間隔を置いて設けられた複数の第1開口117を含む。第1開口117は実質的にいかなる寸法および形状であってよく、実質的に所望の間隔を有して、所望のノイズ音響特性をもつライナー100を提供する。一実施形態においては、第1開口117は実質的に円形とすることができ、約0.03〜約0.09インチの直径を有したものとすることができる。一実施形態において、第1開口は約0.09〜約0.15インチの中心間距離をもって配置される。一実施形態において、第1開口117は、例えば約12パーセント〜約33パーセントのパーセント開口面積(percent open area;POA)をもつ外側孔付き層116を提供する。ノイズ減衰の目的に対してはPOAを最大限にすることが望ましいが、許容されるPOAはライナー100の空気−湿潤表面の自然層流(natural laminar flow;NLF)の要求によって制限される。第1開口117は、ライナー100の実質的全面にわたって設けられていてもよいし、ライナー面の一部にのみ設けられていてもよい。加えて、第1開口117はライナー面上で寸法、形状、間隔および/またはパターンが変化していてもよい。開口117は、実質的にどのようなパターンで配置することも可能であり、矩形状のパターン、三角形状のパターン、菱形状のパターンおよびその他のパターン、およびこれらの組み合わせが含まれる。
図4に示すように、表皮102の内側孔付き層130は、その厚み方向に延在し、付加的に間隔を置いて設けられた複数の第2開口137を含む。好ましくは、第2開口137を外側孔付き層116における第1開口117と同じ寸法および間隔とし、第1開口117の各々と1つの第2開口137とが実質的に位置合わせされるようにすることができる。
ハニカムコア114は技術分野において公知のタイプの金属材料または複合材料で構成可能である。ハニカムコア114は、例えば、約3/16インチ〜約3/4インチのセル寸法および約0.5インチ〜約2インチのセル深さを持つガラス繊維のハニカムコアであってもよい。その他のセル形状、セル寸法、セル深さを持ち、他の材料で構成された多孔性コアが用いられてもよい。
後に詳述するように、孔付きの外側表皮116および孔付きの内側表皮130は、技術分野において公知の接着剤160により多孔質層118に接着可能である。表皮116,130は、例えば、ニトリドフェノール接着剤(nitride phenol adhesive)などの低流量(low-flow)または流れのない(no-flow)接着システムにより多孔質層118に接着することができる。
図5に示すように、本発明の一実施形態に係るライナー100は、長手方向に継ぎ目のない一体の回転体構造(unitary 360-degree structure)とすることができる。あるいは、本発明に係るライナー100は、長手方向の2以上の継ぎ目に沿って互いに結合された2以上のセグメントで構成されたものであってもよい。ライナーセグメントの縁を接続するのに一般に用いられるハードウェアおよび材料は表皮102内の少なくとも数個の開口117,137によってブロックされるので、邪魔とならない開口117,137を持つライナー100の表面積および関連したノイズ減衰特性を最大限にする目的で、継ぎ目のないライナー100とすることが好ましい。図5の実施形態に示すように、本発明に係るライナー100は、実質的に円筒形状を有するものとすることができる。あるいは、実質的円錐形状その他の非円筒形状を有する継ぎ目無しの一体構造としてライナー100を構成することもできる。
図7は図3〜図5に示したようなSDOF音響ライナー100を製造する方法200に用いることのできるステップ210〜270のフローチャートである。図6A〜図6Cは図7に示す方法200を用いる製造の種々の段階におけるライナー100を示している。第1のステップ210において、図6Aに示すように、リリース層150を介在させて外側表皮層116および内側表皮層130をまず組み立てることにより、予備的(preliminary)表皮組立体102’を構成することができる。リリース層150は、複合層の硬化時に表皮層116,130に接着されることのない多孔質材料のシートとすることができる。例えば、リリース層150は技術分野において公知のタイプの剥離層であってもよい。予備的表皮組立体102’の層は、予備的表皮組立体102’に所望の形状を与える目的で、技術分野において公知のタイプの回転体形成工具(360-degree contour tool)上で組み立てられる。ステップ215において、予備的表皮組立体102’および形成工具は、複合層116,130の硬化の準備のために、技術分野において公知のタイプの真空バッグ内に配置される。そして、バッグに入れられた表皮102’および形成工具を加熱して昇温状態とし、複合層116,130が硬化するに十分な時間、当該昇温状態で保持される(220)。例えば、約120分間にわたり約355゜F、約70ポンド/平方インチ(PSI)の圧力下におくことで、表皮102’の複合層116,130を硬化させることができる。用いられる特定の複合層の硬化の要求に従って、他の温度、圧力および硬化時間が用いられてもよい。冷却されると、硬化した予備的表皮組立体102’は穴あけのために形成工具から取り外される(225)。
図6Bに示すように、硬化した予備的表皮組立体102’には第1開口117および第2開口137が形成される(230)。好ましくは、層116,150,130を貫いて第1開口117および第2開口137が同時形成され、開口117,137が互いに精密に位置合わせされ、かつ同じ寸法および形状を有するようにされる。開口117,137は、研磨剤ブラスト加工(abrasive blasting)、機械的ドリル加工、レーザードリル加工、ウォータージェットドリル加工、パンチ加工など、適宜の方法で形成可能である。また、図6Bに示すように、外側表皮層116および内側表皮層130間の位置合わせは、それらを貫く1以上の加工穴92を形成し、それぞれの加工穴192内に嵌入位置決めピン(close-fitting position pin)を挿入することによって調整および割り出しされる。図6Bに示すように、1以上の加工穴192は、ライナー100が完成すると切り取ることのできる剰余の材料領域197に設けることができる。第1開口117および第2開口137が表皮組立体102’’に形成されると、薄い突切りバイト(parting tool)などの簡単な剥離工具を用いて、孔付き外側表皮層116および孔付き内側表皮層130を手動でリリース層150から分離することができる(235)。
多孔質層に接触することになる表皮層116,130の表面に接着スプレーを付与することで、最終的な組み立てのために外側表皮層116,130を準備することができる(240)。図6Cに示すように、接着剤コーティングの第1層160Aを外側表皮層116の内側表面に適用し、接着剤コーティングの第2層160Bを内側表皮層116の外側表面に適用することができる。加えて、接着剤コーティングの第3層160Cを内側表皮層116の内側表面に適用し、内側表皮130とハニカムコア114との間の接合を強化するようにしてもよい。接着スプレーとしては、どのようなタイプのものが用いられてもよい。接着剤160は、例えばニトリドフェノール接着剤などの低流量または流れのない接着システムであってもよい。接着層160A〜160Cの付与にあたっては、過剰の接着材料160によって開口117,137が閉塞されることのないよう、注意が払われるべきである。
図6Cはライナー100の最終的な構成シーケンスを示している。まず、複合背皮112、コア114および孔付き内側表皮(接着層60Cが付加されていることもある)130を、成形工具199の成形面上で組み立てることができる(245)。内側表皮130上の接着層160Bの上に多孔質層118を組み付けることができる(250)。最後に、接着層160Bの付いた外側表皮116を、多孔質層118の上に組み付けることができる(255)。組み立て後には、外側表皮116の第1開口117は内側表皮130の対応する開口137と実質的に位置合わせされていなければならない。1以上の加工穴192およびピン190を表皮116,130の再割り出しに用い、開口117,130の精密な位置合わせを再度確立し、硬化工程を通じて位置合わせ状態が維持されるようにすることができる。
組み立てられた層および成形工具199は、技術分野において公知の手法にて硬化用バッグに入れることができる(255)。そして、組立体および工具199を加熱して昇温状態とし、複合材が硬化し、層が互いに接合するのに十分な時間、当該昇温状態で保持される(260)。例えば、約120分間にわたり約355゜F、約70ポンド/平方インチ(PSI)の圧力下におくことで、複合材を硬化させることができる。選択される複合材の硬化の要求に従って、他の温度、圧力および時間が用いられてもよい。
冷却されると、硬化したライナー組立体100は成形工具199から取り外される(265)。そして、硬化した組立体をトリムすることで(270)、音響ライナー100の製造が完了する。
構成シーケンスの他の実施形態として、孔付き外側表皮116および孔付き内側表皮130の対向面に、多孔質層118を介挿した状態で、接着剤160A,160Bの層を吹き付け形成してもよい。また、1以上の位置合わせピン190を加工穴192に挿入し、第1開口117および第2開口137間の位置合わせ状態が確立され、維持されるようにすることができる。そして、組み立てられた層116、118および130をバッグに入れ、一般的な手法にて硬化させることができる。孔付きの表皮102が硬化し、トリムされた後には、適宜の成形工具および一般的な複合材接合技術を用いて表皮102および背皮112をコア114に接合することができる。
以上のように、特定の種々の実施形態を参照しつつ、本発明の種々の形態および特徴を説明した。技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態にいくらかの変更および変形を加えることができる。かかる変更および変形はすべて、添付の特許請求の範囲に含まれるものである。
従来のSDOF線形音響ライナーの一部を示す斜視図である。 従来の他のSDOF線形音響ライナーの一部を示す斜視図である。 本発明に係るSDOF線形音響ライナーの一実施形態の一部を示す斜視図である。 図3、図5Aおよび図5Bに示すSDOF線形音響ライナーの一部を、図5Aおよび図5Bにおける4−4線に沿った断面で示す断面図である。 本発明に係る円筒形のSDOF線形音響ライナーの一実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る複合曲率を有した回転体SDOF線形音響ライナーの一実施形態を示す斜視図である。 図3、図5Aおよび図5Bに示したようなSDOF線形音響ライナーを構成する際に用いられる予備的表皮組立体の断面図である。 図6Aに示す予備的表皮組立体を穿孔した状態を示す断面図である。 図3、図5Aおよび図5Bに示され、かつ図6Bに示される孔付き表皮を含んでいるSDOF線形音響ライナーの一部の分解組立図である。 図6A〜図6Cに示されたプロセスにより、図3、図5Aおよび図5Bに示されたようなSDOF線形音響ライナーを製造するプロセスの一実施形態を示すフローチャートである。

Claims (21)

  1. (a)第1面およびこれに対向する第2面を有するセル構造のコアと、
    (b)該コアの前記第1面を覆う実質的に無孔の背皮と、
    (c)前記コアの前記第1面を覆う孔付きの表皮と、
    を具え、前記表皮が、
    (i)外側表皮層であって、該層を貫き、間隔を置いて設けられた第1の複数の開口を有する当該外側表皮層と、
    (ii)内側表皮層であって、該層を貫き、間隔を置いて設けられた第2の複数の開口を有する当該内側表皮層と、
    (iii)前記外側表皮層および前記内側表皮層との間に配置された多孔質層と、
    を有し、
    (iv)間隔を置いて設けられた前記第1の複数の開口の各々が、間隔を置いて設けられた前記第2の複数の開口の1つと実質的に位置合わせされている、
    ことを特徴とする航空機用の線形音響ライナー。
  2. 前記多孔質層は織り上げられた材料を含むことを特徴とする請求項1に記載の線形音響ライナー。
  3. 前記織り上げられた材料は金属製ワイヤを含むことを特徴とする請求項2に記載の線形音響ライナー。
  4. 前記織り上げられた材料は高分子材料を含むことを特徴とする請求項2に記載の線形音響ライナー。
  5. 前記多孔質層は不織繊維材料を含むことを特徴とする請求項1に記載の線形音響ライナー。
  6. 前記多孔質層は微細孔をもつ高分子フィルムを含むことを特徴とする請求項1に記載の線形音響ライナー。
  7. 前記内側表皮層は少なくとも2つの接合した複合層を含むことを特徴とする請求項1に記載の線形音響ライナー。
  8. 前記背皮は少なくとも2つの複合層を含むことを特徴とする請求項1に記載の線形音響ライナー。
  9. 前記外側表皮層は少なくとも2つの複合層を含むことを特徴とする請求項1に記載の線形音響ライナー。
  10. 前記外側表皮層および前記内側表皮層が実質的に等しい厚みを有することを特徴とする請求項1に記載の線形音響ライナー。
  11. 間隔を置いて設けられた前記第1の複数の開口および間隔を置いて設けられた前記第2の複数の開口は実質的に円筒形状を有することを特徴とする請求項1に記載の線形音響ライナー。
  12. 請求項1に記載の音響ライナーを具えたことを特徴とする航空機エンジン室。
  13. 線形音響ライナーを製造する方法であって、
    (a)少なくとも1つの外側複合層と少なくとも1つの内側複合層との間にリリース層を配置し、
    (b)前記外側複合層および前記内側複合層を所望形状に拘束し、
    (c)当該拘束された形状の前記外側複合層および前記内側複合層を硬化させ、
    (d)当該硬化した外側複合層および内側複合層を貫く複数の開口を間隔を置いて形成し、
    (e)前記硬化した外側複合層および前記硬化した内側複合層を前記リリース層から分離し、
    (f)前記硬化した外側複合層および内側複合層間に多孔質層および第1の接着材料を挿入するとともに、前記外側複合層および前記内側複合層に間隔を置いて設けられた前記開口を再位置合わせし、
    (g)組み立てられた前記外側複合層、前記内側複合層および前記多孔質層を、第2の接着材料を介在させた状態で開放セル構造のコアの第1面に配置し、
    (h)前記第1接着材料および前記第2接着材料を硬化させる、
    ことを特徴とする方法。
  14. さらに、
    (a)前記硬化した外側複合層および前記硬化した内側複合層を前記リリース層から分離する前に、前記硬化した外側複合層および前記硬化した内側複合層に位置合わせ手段を形成し、
    (b)該位置合わせ手段を用いて、前記硬化した外側複合層および前記硬化した内側複合層に間隔を置いて設けられた前記開口の再位置合わせを行う、
    ことを特徴とする請求項13に記載の方法。
  15. さらに、複合材料の2以上の層で前記外側複合層を形成することを特徴とする請求項13に記載の方法。
  16. さらに、複合材料の2以上の層で前記内側複合層を形成することを特徴とする請求項13に記載の方法。
  17. 前記硬化した外側複合層および前記硬化した内側複合層を貫く複数の開口を間隔を置いて形成する工程は、前記外側複合層および前記内側複合層を貫く加圧した研磨剤の流れを導入することを特徴とする請求項13に記載の方法。
  18. 前記硬化した外側複合層および前記硬化した内側複合層を貫く複数の開口を間隔を置いて形成する工程は、前記外側複合層および前記内側複合層を貫く前記間隔を置いた開口をドリル加工またはパンチ加工することを特徴とする請求項13に記載の方法。
  19. さらに、少なくとも1つの無孔の複合背皮層を前記開放セル構造のコアの第2面に配置し、前記背皮層を前記第1接着材料および前記第2接着材料とともに硬化させることを特徴とする請求項13に記載の方法。
  20. 請求項13に記載の方法により製造されたことを特徴とする線形音響ライナー。
  21. さらに、前記線形音響ライナーを航空機のエンジン室に組み込むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
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