一种基于声学超构材料的飞机降噪壁板的制作方法

本发明涉及飞机舱内噪声控制，尤其是涉及一种基于声学超构材料的飞机降噪壁板。

背景技术：

1、飞机舱内噪声主要来源于发动机运转与湍流边界层引起的结构辐射噪声和空气传递噪声，这些噪声具有在中低频范围内声压级高与频带宽的特点，尤其在500hz以下频带内噪声尤为突出。采用增大涡扇发动机的涵道比、优化发动机短舱等改善噪声源，难以突破技术极限，且成本较高。在噪声主要传播路径(机身壁板结构)上实施吸隔声改善措施，便成为最行之有效的一种降噪方式。通常，增强飞机壁板降噪性能的被动降噪途径有：在蒙皮和内饰板之间铺设传统的玻璃纤维毡、动态吸振器、阻尼垫重质层等吸声与抑振材料，该方式可有效处理舱内中高频噪声，但其低频降噪效果微弱。受复杂蒙皮区域轻量化附加质量，极限化设计空间，复杂的装配边界条件，以及传统声学材料低频降噪物理极限的限制，使得飞机舱内低频噪声控制一直面临着较大的技术挑战。航空领域迫切需要发展新材料、新方法与新技术，以期改善舱内低频宽带强辐射噪声。中国专利cn201410255518.x与cn201520549845.6提出一种声子晶体形式的飞机隔声壁板，以声子晶体材料与隔音棉材料组合装配提升飞机壁板的隔声效果，其不足之处在于：1)所述声子晶体隔声层由多个金属集中质量块和橡胶弹性膜材料构成，难以实现轻量化与耐老化性；2)未说明声学包自身的隔声效果，尤其是没有明确其低频段的降噪效果。中国专利cn201811418802.9提出一种低频减振降噪隔声壁板结构，由呈周期性分布于蒙皮表面的集中质量振子构成，能有效提高飞机壁板对低频振动与辐射噪声的抑制效果，其不足之处在于：1)所述振子硬材料由金属材料制成，振子软材料由硅胶、橡胶材料制成，难以实现轻量化与耐老化性；2)振子材料与飞机蒙皮采用铆接、焊接或胶结进行固定连接，会带来蒙皮整体结构被破坏或胶结安全性问题。

2、因此，基于大飞机舱内低频噪声控制及轻质宽带降噪的新需求，设计一种能够应用于飞机壁板的轻质、低频、宽带声学超构降噪壁板是非常必要的。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于声学超构材料的飞机降噪壁板，用于吸收和隔离飞机舱内低频宽带噪声。本发明的基于声学超构材料的飞机降噪壁板由舱外至舱内的方向，依次为飞机壁板、飞机棉、超构吸声板和/或超构隔声薄板、内饰板表层。本发明利用声学超构材料的亚波长降噪机制及其与传统多孔声学材料阻抗匹配原理，提供三种轻质声学超构材料降噪壁板，用于吸收与隔离来自飞机发动机运转与湍流边界层引起的结构辐射噪声和空气传递噪声；本发明的基于声学超构材料的飞机降噪壁板装配便捷、结构灵活，可设计符合多种机舱内壁板的装配方式，封装用于多类机型降噪壁板中。

2、基于声学超构材料的亚波长局域耗能机制和阻抗匹配原理，将传统多孔声学材料与薄膜/板型声学超构材料或/和多腔型声学超构材料耦合设计，在满足中高频降噪基础上，亦能实现低频降噪效果。本发明的基于声学超构材料的飞机降噪壁板不仅能满足飞机舱内低频宽带降噪与轻量化设计新需求，而且还具备装配便捷、结构灵活与普适性特征，可封装用于多类机型降噪壁板的设计。本发明的基于声学超构材料的飞机降噪壁板为新型声学材料在战略新兴产业中的工程应用提供产业设计基础，具有重要的应用研究价值和广阔的应用前景。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

4、本发明提供一种基于声学超构材料的飞机降噪壁板，包括飞机壁板和声学超构材料降噪组件；

5、所述声学超构材料降噪组件包括飞机棉(航空级玻璃纤维棉，对中高频成分噪声进行吸收)、内饰板表层、超构吸声板(对中低频成分噪声进行吸收)和/或超构隔声薄板(对中低频成分噪声进行隔离)；

6、所述飞机降噪壁板选自下述结构中的一种：

7、(a)由舱外至舱内的方向，依次为飞机壁板、飞机棉、超构隔声薄板和内饰板表层；

8、(b)由舱外至舱内的方向，依次为飞机壁板、飞机棉、超构吸声板和内饰板表层；

9、(c)由舱外至舱内的方向，依次为飞机壁板、飞机棉、超构吸声板、超构隔声薄板和内饰板表层。

10、本发明中，超构隔声薄板和超构吸声板具备亚波长尺度特性。

11、在本发明的一个实施方式中，所述飞机壁板包括蒙皮、若干根纵向隔框和横向桁条；

12、所述横向桁条平行间隔装配于蒙皮靠近舱内的一侧，并与蒙皮铆钉连接；

13、所述纵向隔框设置于横向桁条靠近舱内的一侧，并与蒙皮铆钉连接。

14、所述横向桁条和纵向隔框形成用于容纳飞机棉、或容纳飞机棉和超构吸声板的空间。

15、在本发明的一个实施方式中，所述横向桁条和纵向隔框相垂直。

16、在本发明的一个实施方式中，所述横向桁条和纵向隔框相连接的位置设置有支撑板；所述支撑板设置于纵向隔框相互远离的一侧。

17、在本发明的一个实施方式中，所述超构隔声薄板包括薄板框架(为局域振子的基体框架)和局域振子(若干个根据目标隔声频率设计的薄膜型或薄板型局域共振单元)；

18、所述薄板框架装配于纵向隔框远离蒙皮的一侧，所述薄板框架上设置有若干用于容纳局域振子的空腔，所述局域振子与空腔相嵌合。

19、在本发明的一个实施方式中，不同局域振子的参数允许相同或不同。

20、在本发明的一个实施方式中，所述局域振子选自薄膜振子、薄板振子、集中质量振子或分布质量振子中的一种。

21、在本发明的一个实施方式中，所述超构吸声板包括超构吸声单元(若干个根据目标吸声频率设计的腔型超构吸声单元)和装配框架主体；

22、所述装配框架主体上设置有若干超构吸声单元装配槽，所述超构吸声单元嵌合于超构吸声单元装配槽内(两者形成装配体)；

23、所述装配框架主体通过框架横向连接件与横向桁条相连接，所述装配框架主体通过框架纵向连接件与纵向隔框相连接，便于安装和拆卸。

24、在本发明的一个实施方式中，所述超构吸声单元包括超构面板、超构吸声孔、超构吸声腔体和隔声背板；

25、超构吸声腔体位于超构面板和隔声背板之间，所述超构面板位于靠近蒙皮的一侧，且超构面板上设置有若干超构吸声孔。

26、在本发明的一个实施方式中，所述超构吸声腔体的结构选自亥姆霍兹共振腔型、mie共振腔型、迷宫共振腔型、螺旋共振腔型、薄膜共振腔型或其他空间折叠超构吸声构型中的一种。

27、在本发明的一个实施方式中，所述框架横向连接件设置于装配框架主体横向方向的端部，并位于装配框架主体靠近蒙皮的一侧。

28、在本发明的一个实施方式中，所述框架纵向连接件设置于装配框架主体横向方向远离框架横向连接件的端部。

29、在本发明的一个实施方式中，所述装配框架主体为轻质一体式构型，依据飞机壁板内侧的空间结构。

30、在本发明的一个实施方式中，所述超构隔声薄板的材质选自阻燃类轻质高分子材料、纤维类复合材料中的一种，可以通过3d打印、注塑、吹塑、挤塑或冲压等多种成型工艺制备得到。

31、在本发明的一个实施方式中，所述超构吸声板的材质选自阻燃类轻质高分子材料、纤维类复合材料中的一种，可以通过3d打印、注塑、吹塑、挤塑或冲压等多种成型工艺制备得到。

32、在本发明的一个实施方式中，当由舱外至舱内的方向，依次为飞机壁板、飞机棉、超构隔声薄板和内饰板表层时，所述内饰板表层设置于薄板框架远离蒙皮的一侧；

33、当由舱外至舱内的方向，依次为飞机壁板、飞机棉、超构吸声板和内饰板表层时，所述内饰板表层设置于装配框架主体远离蒙皮的一侧；

34、当由舱外至舱内的方向，依次为飞机壁板、飞机棉、超构吸声板、超构隔声薄板和内饰板表层时，所述内饰板表层设置于薄板框架远离蒙皮的一侧。

35、本发明中，薄板框架或装配框架主体作为内饰板主体结构。

36、本发明中，声学超构材料作为一种新型人工材料，通过亚波长尺度结构设计，可实现低频宽带声波的高效调控，获得天然材料所不具备的超低频吸/隔声能力，符合现代装备设计的轻量化、低噪音、低能耗等目标，为飞机舱内的低频降噪问题开辟了新的技术路径。

37、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

38、(1)本发明的基于声学超构材料的飞机降噪壁板，不仅满足了大飞机舱内低频宽带降噪与轻量化设计新需求，而且具备装配便捷、结构灵活与普适性特征，可封装用于多类机型降噪壁板的设计。

39、(2)本发明将传统多孔声学材料与薄膜/板型声学超构材料或/和多腔型声学超构材料耦合设计，既能实现低频宽带降噪效果，又能满足中高频带降噪的能力。本发明中的超构隔声薄板与超构吸声板用于对中低频成分噪声进行隔离和吸收，传统多孔飞机棉用于对中高频成分噪声进行吸收。

40、(3)本发明将薄板框架或隔声背板设计成为内饰板的主体结构，在薄板框架或隔声背板表面铺设内饰板表层，飞机降噪壁板的设计方式减少了单独制备内饰板主体结构的工序与成本，内饰板表层材料可以是酚醛玻璃布等现有的阻燃性内饰面材。

41、(4)本发明提供三种轻质声学超构材料降噪壁板应用方案，用于对多级频率成分的舱内噪声实施针对性的吸收与隔离处理，该三种有益方案均不改变原有飞机壁板的结构。