航空發動機聲襯結構專利技術分析

李吻

摘 ? 要：為研究航空發動機聲襯技術的發展脈絡及趨勢，以航空發動機聲襯的專利技術為載體，從專利申請趨勢、申請人所在國、主要申請人、技術熱點四個角度全面分析了全球航空發動機聲襯的專利技術信息，為航空發動機聲襯結構的技術發展與創新提供技術參考。結果表明，20世紀90年代開始，航空發動機聲襯專利申請量快速增長。美國、法國、英國是主要技術申請國，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。對于聲襯結構改進、聲襯拼接研究是該領域研究熱點。

關鍵詞：聲襯 ?蜂窩 ?隔膜 ?多自由度 ?航空發動機

中圖分類號：G306 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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，航空工業的快速發展給人民的生活帶來了極大的便利，但其產生的噪聲問題卻引起了嚴重的環境污染，同時損害人民的健康，降低了旅客乘坐舒適度，并逐漸成為飛機設計和環境保護面臨的重大問題之一。飛機在起飛、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。飛機的噪聲主要來源于發動機，所以發動機噪音控制是飛機降噪的關鍵點，只要有效地控制和降低發動機的噪聲，便能有效地解決飛機的噪聲。目前，降低發動機噪聲采用的技術有：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等[1]。其中聲襯在改善噪聲問題上是最有發展潛力的降噪技術[2]。

聲襯是一種基于抗性消聲原理設計的噪聲控制單元。20世紀中葉，隨著第一架噴氣式客機的制造，聲襯材料也隨之出現，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，但鋪設單一穿孔板吸聲結構并不能起到很好的降噪效果，于是出現了復合式的穿孔板吸聲結構。其中，蜂窩板因其重量輕、強度高、剛性大、穩定性好，具有良好的隔音和降噪效果等優點，尤其在高頻段，而且節省空間。將蜂窩板和穿孔消聲器相結合，即復合式蜂窩夾層穿孔板吸聲結構具有互補的優勢，在發動機聲襯領域迅速得到廣泛應用。該類型聲襯本質上是一種排列整齊的亥姆霍茲共振器。

通常大涵道比發動機的消音板組合件由消音板和蜂窩板組成。圖1為聲襯結構示意圖[3]。

1 ?航空發動機聲襯結構專利技術分析

1.1 航空發動機聲襯專利申請趨勢

圖2為國內與全球航空發動機聲襯的專利申請趨勢。由圖2可知，航空發動機聲襯材料研究出現在20世紀60年代，但專利申請數量極少，20世紀60年代到90年代之間，全球航空發動機聲襯專利申請量總體保持在很低水平。而從90年代開始，隨著航空工業的發展、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，相應其專利申請量呈現逐步增長趨勢。相較國外，國內關于航空發動機聲襯技術研究起步較晚，其發展可分為兩個階段：（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航空工業處于初期發展期有很大關系，并且中國知識產權意識也比較淡薄。（2）快速發展期：快速發展期階段從2005年開始，申請量迅速增加。主要原因是聲襯結構作為航空發動機結構的重要組成部分，隨著中國航空工業技術積累和發展。另一個原因是隨著國家改革開放政策的實施，市場經濟逐步建立和完善，在市場競爭過程中發明創新應受保護迫切需求也加速專利申請數量增加。

1.2 航空發動機聲襯專利技術申請人所在國分布

通過對所有文獻進行統計分析，得到航空發動機聲襯領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，說明該國在該領域的研究能力和技術實力越強，從事該領域的技術創新活動越活躍。從圖4可看出，在航空發動機聲襯領域美國位于首位，約占全球專利申請量的42.8%。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發展水平，與各個國家的航空發動機工業水平相一致;美國主要是以波音公司為代表噴氣式飛機制造商及其航空發動機零部件制造商;法國和德國主要是以空客公司為代表的噴氣式飛機;英國雖然沒有大型航空飛機制造商，但是具有全球最頂尖航空發動機技術的國羅爾斯-羅伊斯公司航空發動機公司。國內關于聲襯研發主要集中在航空工業集團。這些航空龍頭企業在一定程度上主導了世界航空發動機的發展，也促進了聲襯結構的創新突破。

1.3 航空發動機聲襯專利技術主要申請人分布

申請人是申請的主體，通過申請人的研究可以體現國家在聲襯領域的研發情況。從圖4國內主要申請人對比可看出，國內對于聲襯材料的申請主要集中于國內航空工業集團公司及高校，其中中國航空工業集團公司西安飛機設計研究院的申請量相對較高，研究也較全面。國內申請人申請和研究方向主要集中在蜂窩聲襯結構優化及制備方法改進上。

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制造商，其聲襯申請量相對較高。其關于聲襯研究發展歷史較長，從最初簡單聲襯結構到聲襯結構優化、制備方法均有所涉及。

1.4 航空發動機聲襯結構

聲襯按結構分為單自由度聲襯、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用較為廣泛。單自由度聲襯為最早的蜂窩聲襯結構形式，由穿孔板、蜂窩層芯和剛性背板組成，此結構形式具有工藝簡單，結構厚度小，便于結構布置等優勢，應用廣泛。CN203476833U即提出了一種用于飛機發動機的單自由度聲襯結構，由微孔面板、蜂窩夾層及不透氣的非金屬材料層背板組成，原理結構簡單。

圖6為雙自由度聲襯結構示意圖，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、帶微型孔的吸聲薄膜、嵌入式消聲結構等結構，嵌入式消聲結構可根據聲學需要實現非等高設計，是未來聲襯設計的又一全新的發展方向。

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

多自由度消聲結構是將單層蜂窩變為多層蜂窩，并在每個蜂窩層之間添加一層多孔板，然而這種消聲結構在使用中存在一定問題，例如，微穿孔板與蜂窩芯材進行粘接時，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計及制備過程中聲襯力學性能大大下降，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性能。美國赫氏公司最早提出了內嵌式蜂窩聲襯結構，并已成功應用在A380等飛機發動機消音襯墊中。

CN106042469A提出了一種內嵌微穿孔消音隔板吸聲蜂窩，最大程度地保持消音結構的整體力學性能，同時減輕自重，充分發揮了微穿孔隔板與蜂窩內腔的協同吸聲效果。JP2015504176A設計了一種設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 航空發動機聲襯專利技術熱點分析

圖7顯示了航空發動機聲襯專利申請的總體技術研究分布，從圖7可看出，對于聲襯的研究主要集中的結構、制備及拼接，其他的還包括材料選擇、修補、裝配等。下面從結構優化、聲襯拼接進行詳細分析。

1.5.1 結構優化

聲襯的消聲效果很大程度上由結構決定，對其結構優化設計是聲襯研究重點，包括面板孔結構設計、蜂窩芯結構設計及增設其它消聲結構等。關于面板，FR3069579A1采用兩層結構制備具有特殊穿孔的面板結構，FR2962586A1將面板穿孔設計為斜向以提高降噪效果。

通過改變蜂窩孔結構來提高降噪效果是結構設計的重點，專利US2019270504A將蜂窩結構設計為傾斜多面體結構，以緩沖和衰減聲波（圖8（a）），FR3078431A提供具有外壁和內部的形式的結構，尤其適用于減少發動機中低頻的聲波（圖8（b）），US9476359B2將蜂窩孔設計為彎曲結構衰減聲波（圖8（c）），GB1088072A中將蜂窩壁開設有開口來提高降噪效果（圖8（d））。FR3026122A1提出了一種在蜂窩芯內設置金字塔形結構的聲襯，提高降噪效果。南昌航空大學CN206690635U將蜂窩芯設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，擴大降噪頻率范圍和降噪效果。

對于聲襯增設結構設計方面， US2019185171A1將具有套筒和套筒內的多個波形通道的聲學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內部分離器結構150、250提供了改善的聲音衰減性能，相比于常規隔音板在更大頻率范圍內具有帶穩定和有效的吸收系數（圖9（b））。US2019024589A1通過增設特殊形狀隔膜來提高降噪效果（圖9（c））。CN105452643A將蜂窩芯內隔膜設置為不同結構的幾段，使用多段隔膜允許將在由噪聲源產生的聲音頻率的上下端處的多個特定頻率范圍作為目標并且使之衰減（圖9（d））。US2017053635A1提出了一種在蜂窩芯腔體內設置塊體吸收器，CN105493176A通過在蜂窩聲學單元格內設置隔音器，以形成聲學諧振腔，在不增加短艙聲學結構厚度或重量的情況下，該聲學結構能夠抑制更寬范圍的噪聲頻率。

此外，還可在蜂窩芯內設置多孔材料襯芯及增加層結構來提高降噪性能。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構中，使聲襯具有優良的寬頻帶和較大聲壓級范圍內穩定的消聲性能。US9741331B1陶瓷泡沫插入件，降噪性能優異。GB1331266在蜂窩孔中加入纖維材料吸音。CN101652809A將微孔面板設置為兩開口層夾設多孔金屬絲網的三層結構穿孔板，提高結構強度，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/蜂窩夾芯聲襯結構。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

發動機短艙內的聲襯通常由2至3片弧形聲襯組合構成的（圖10），由于早期加工和結構方面的限制，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]等利用管道聲學分析方法，研究拼縫對進氣道降噪效果的影響，結果表明無縫聲襯吸聲面積大，而且沒有聲阻抗的間斷，模態散射效應低，降噪效果最優。因此，為了增大聲襯面積，無縫聲襯以及唇口聲襯是未來進氣道降噪的發展方向。

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

2 ?結語

航空發動機聲襯結構的發展經歷了從單自由度聲襯，到多自由度聲襯，再到內嵌隔膜聲襯結構。其中，從聲襯材料出現至今，聲襯中發展重點是其參數及結構優化研究，目前，性能較優異的聲襯結構是通過在蜂窩芯內部設置多段隔膜結構、吸收器、襯芯及在面板和芯材之間設置穿孔板、棉氈吸聲等其它層結構。

蜂窩聲襯結構，因其輕質、高強、吸音降噪性能好等優點，隨著航空工業的發展及降噪需求、其在航空發動機及飛機其他部件必然會得到越來越廣泛的應用。經過幾十年的發展，國外聲襯降噪技術已經發展的相當成熟，然而對于中國民航業來說，因為發展起步晚，其在聲襯領域還有許多需要改進和研究的地方，例如從降噪原理上對聲襯結構進行優化、多自由度聲襯制備方法優化、蜂窩形狀優化設計等。

參考文獻

[1] 伍賽特.民用航空發動機降噪技術研究及展望[J].機電產品開發與創新，2019，32（4）：55-57.

[2] 張英杰.聲襯技術在大涵道比發動機短艙上的應用[J].中國設備工程，2017（22）：119-120.

[3] 紀雙英，郝巍，劉杰.共振吸聲結構在航空發動機上的應用進展[J].航空工程進展，2019，10（3）：302-308.

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