航空发动机声衬结构专利技术分析

李吻

摘   要：为研究航空发动机声衬技术的发展脉络及趋势，以航空发动机声衬的专利技术为载体，从专利申请趋势、申请人所在国、主要申请人、技术热点四个角度全面分析了全球航空发动机声衬的专利技术信息，为航空发动机声衬结构的技术发展与创新提供技术参考。结果表明，20世纪90年代开始，航空发动机声衬专利申请量快速增长。美国、法国、英国是主要技术申请国，空中客车、波音、埃塞公司、赫氏公司是主要申请人，中国与之有一定差距。对于声衬结构改进、声衬拼接研究是该领域研究热点。

关键词：声衬  蜂窝  隔膜  多自由度  航空发动机

中图分类号：G306                                   文献标识码：A                       文章编号：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

近年来，航空工业的快速发展给人民的生活带来了极大的便利，但其产生的噪声问题却引起了严重的环境污染，同时损害人民的健康，降低了旅客乘坐舒适度，并逐渐成为飞机设计和环境保护面临的重大问题之一。飞机在起飞、降落和飞行过程中伴随着各种类型的噪声，噪声源众多，频带分布广，难以全面控制乃至消除。飞机的噪声主要来源于发动机，所以发动机噪音控制是飞机降噪的关键点，只要有效地控制和降低发动机的噪声，便能有效地解决飞机的噪声。目前，降低发动机噪声采用的技术有：提高涵道比，采用吸声衬垫和长的整流罩，采用流动控制降噪技术等[1]。其中声衬在改善噪声问题上是最有发展潜力的降噪技术[2]。

声衬是一種基于抗性消声原理设计的噪声控制单元。20世纪中叶，随着第一架喷气式客机的制造，声衬材料也随之出现，起初的声衬为多孔吸声材料，随着适航条例、提高舒适性等要求，单一穿孔板声衬开始出现，但铺设单一穿孔板吸声结构并不能起到很好的降噪效果，于是出现了复合式的穿孔板吸声结构。其中，蜂窝板因其重量轻、强度高、刚性大、稳定性好，具有良好的隔音和降噪效果等优点，尤其在高频段，而且节省空间。将蜂窝板和穿孔消声器相结合，即复合式蜂窝夹层穿孔板吸声结构具有互补的优势，在发动机声衬领域迅速得到广泛应用。该类型声衬本质上是一种排列整齐的亥姆霍兹共振器。

通常大涵道比发动机的消音板组合件由消音板和蜂窝板组成。图1为声衬结构示意图[3]。

1  航空发动机声衬结构专利技术分析

1.1 航空发动机声衬专利申请趋势

图2为国内与全球航空发动机声衬的专利申请趋势。由图2可知，航空发动机声衬材料研究出现在20世纪60年代，但专利申请数量极少，20世纪60年代到90年代之间，全球航空发动机声衬专利申请量总体保持在很低水平。而从90年代开始，随着航空工业的发展、人们对于降噪的需求以及适航条例要求等，对声衬材料的研究越来越受到重视，相应其专利申请量呈现逐步增长趋势。相较国外，国内关于航空发动机声衬技术研究起步较晚，其发展可分为两个阶段：（1）萌芽期：萌芽期阶段从1994—2005年，该阶段专利申请量非常少，这与该阶段处于国内航空工业处于初期发展期有很大关系，并且中国知识产权意识也比较淡薄。（2）快速发展期：快速发展期阶段从2005年开始，申请量迅速增加。主要原因是声衬结构作为航空发动机结构的重要组成部分，随着中国航空工业技术积累和发展。另一个原因是随着国家改革开放政策的实施，市场经济逐步建立和完善，在市场竞争过程中发明创新应受保护迫切需求也加速专利申请数量增加。

1.2 航空发动机声衬专利技术申请人所在国分布

通过对所有文献进行统计分析，得到航空发动机声衬领域的专利申请人所在国分布，如图3所示。

一般而言，一个国家的申请人越多，说明该国在该领域的研究能力和技术实力越强，从事该领域的技术创新活动越活跃。从图4可看出，在航空发动机声衬领域美国位于首位，约占全球专利申请量的42.8%。其次分别为法国、英国、中国、德国，这在一定程度上也反映了各个国家的航空工业发展水平，与各个国家的航空发动机工业水平相一致;美国主要是以波音公司为代表喷气式飞机制造商及其航空发动机零部件制造商;法国和德国主要是以空客公司为代表的喷气式飞机;英国虽然没有大型航空飞机制造商，但是具有全球最顶尖航空发动机技术的国罗尔斯-罗伊斯公司航空发动机公司。国内关于声衬研发主要集中在航空工业集团。这些航空龙头企业在一定程度上主导了世界航空发动机的发展，也促进了声衬结构的创新突破。

1.3 航空发动机声衬专利技术主要申请人分布

申请人是申请的主体，通过申请人的研究可以体现国家在声衬领域的研发情况。从图4国内主要申请人对比可看出，国内对于声衬材料的申请主要集中于国内航空工业集团公司及高校，其中中国航空工业集团公司西安飞机设计研究院的申请量相对较高，研究也较全面。国内申请人申请和研究方向主要集中在蜂窝声衬结构优化及制备方法改进上。

图5为国外主要申请人对比，可看出，申请排名前几位的是美国和法国的公司，这与申请人国别占比是一致的。其中空中客车和波音公司作为世界上大型巨头飞机制造商，其声衬申请量相对较高。其关于声衬研究发展历史较长，从最初简单声衬结构到声衬结构优化、制备方法均有所涉及。

1.4 航空发动机声衬结构

声衬按结构分为单自由度声衬、双自由度声衬和多自由度声衬，从制备工艺及效果角度，单自由度声衬和双自由度声衬应用较为广泛。单自由度声衬为最早的蜂窝声衬结构形式，由穿孔板、蜂窝层芯和刚性背板组成，此结构形式具有工艺简单，结构厚度小，便于結构布置等优势，应用广泛。CN203476833U即提出了一种用于飞机发动机的单自由度声衬结构，由微孔面板、蜂窝夹层及不透气的非金属材料层背板组成，原理结构简单。

图6为双自由度声衬结构示意图，其包括两个蜂窝芯叠加，即由穿孔板、蜂窝芯、中间层、蜂窝芯和背板组成，中间层可采用穿孔板、金属丝网、带微型孔的吸声薄膜、嵌入式消声结构等结构，嵌入式消声结构可根据声学需要实现非等高设计，是未来声衬设计的又一全新的发展方向。

双自由度声衬增加了声衬的重量及生产成本，但双自由度声衬采用两个共振器串联，可拓宽声衬的吸声频带，可显著降低短舱噪声，因此，双自由度声衬的应用范围也在不断扩大。US3948346A于1976年提出了一种双自由度声衬结构。CN105173059A、US2013171407A1均涉及了一种双层蜂窝降噪结构，与单层蜂窝结构相比较，降噪性能更好。

多自由度消声结构是将单层蜂窝变为多层蜂窝，并在每个蜂窝层之间添加一层多孔板，然而这种消声结构在使用中存在一定问题，例如，微穿孔板与蜂窝芯材进行粘接时，需要保证在粘接过程中孔眼不被堵住，此外，多自由度消音声衬在设计及制备过程中声衬力学性能大大下降，同时微穿孔板的加入，使得材料本身自重有了较大幅度增加。因此，可以在蜂窝芯中设置多孔材料隔膜中间层，以避免重量过重及提高声衬的声学性能。美国赫氏公司最早提出了内嵌式蜂窝声衬结构，并已成功应用在A380等飞机发动机消音衬垫中。

CN106042469A提出了一种内嵌微穿孔消音隔板吸声蜂窝，最大程度地保持消音结构的整体力学性能，同时减轻自重，充分发挥了微穿孔隔板与蜂窝内腔的协同吸声效果。JP2015504176A设计了一种设置有隔膜盖单元的蜂窝，隔膜盖由穿孔的柔性片材形成。

1.5 航空发动机声衬专利技术热点分析

图7显示了航空发动机声衬专利申请的总体技术研究分布，从图7可看出，对于声衬的研究主要集中的结构、制备及拼接，其他的还包括材料选择、修补、装配等。下面从结构优化、声衬拼接进行详细分析。

1.5.1 结构优化

声衬的消声效果很大程度上由结构决定，对其结构优化设计是声衬研究重点，包括面板孔结构设计、蜂窝芯结构设计及增设其它消声结构等。关于面板，FR3069579A1采用两层结构制备具有特殊穿孔的面板结构，FR2962586A1将面板穿孔设计为斜向以提高降噪效果。

通过改变蜂窝孔结构来提高降噪效果是结构设计的重点，专利US2019270504A将蜂窝结构设计为倾斜多面体结构，以缓冲和衰减声波（图8（a）），FR3078431A提供具有外壁和内部的形式的结构，尤其适用于减少发动机中低频的声波（图8（b）），US9476359B2将蜂窝孔设计为弯曲结构衰减声波（图8（c）），GB1088072A中将蜂窝壁开设有开口来提高降噪效果（图8（d））。FR3026122A1提出了一种在蜂窝芯内设置金字塔形结构的声衬，提高降噪效果。南昌航空大学CN206690635U将蜂窝芯设置为圆形蜂窝和正六边形蜂窝组合芯材，通过改变圆形蜂窝半径及占比，扩大降噪频率范围和降噪效果。

对于声衬增设结构设计方面， US2019185171A1将具有套筒和套筒内的多个波形通道的声学插入件插入蜂窝芯中，在各个频率下提供高衰减性能（图9（a））。US2019063318A1内部分离器结构150、250提供了改善的声音衰减性能，相比于常规隔音板在更大频率范围内具有带稳定和有效的吸收系数（图9（b））。US2019024589A1通过增设特殊形状隔膜来提高降噪效果（图9（c））。CN105452643A将蜂窝芯内隔膜设置为不同结构的几段，使用多段隔膜允许将在由噪声源产生的声音频率的上下端处的多个特定频率范围作为目标并且使之衰减（图9（d））。US2017053635A1提出了一种在蜂窝芯腔体内设置块体吸收器，CN105493176A通过在蜂窝声学单元格内设置隔音器，以形成声学谐振腔，在不增加短舱声学结构厚度或重量的情况下，该声学结构能够抑制更宽范围的噪声频率。

此外，还可在蜂窝芯内设置多孔材料衬芯及增加层结构来提高降噪性能。CN103915090A提供了一种宽带降噪多孔材料声衬，将多孔材料衬芯填充于蜂窝结构中，使声衬具有优良的宽频带和较大声压级范围内稳定的消声性能。US9741331B1陶瓷泡沫插入件，降噪性能优异。GB1331266在蜂窝孔中加入纤维材料吸音。CN101652809A将微孔面板设置为两开口层夹设多孔金属丝网的三层结构穿孔板，提高结构强度，同时提高消音效果。CN203449665U通过在镂空织物面板上附载本征吸声的植物纤维面料，得到多层次、多尺度吸声的镂空织物面板/蜂窝夹芯声衬结构。CN204250355U通过在穿孔面板和蜂窝芯之间增加若干棉毡层和玻璃钢面板，提高声衬吸音效果。

1.5.2 声衬拼接

发动机短舱内的声衬通常由2至3片弧形声衬组合构成的（图10），由于早期加工和结构方面的限制，2至3片声衬之间的连接带（拼缝）通常是坚硬且没有消声效果的，尤其是低阶模态噪声，它不能够被声衬吸收且不易衰减，降低了声衬的吸声效果。徐俊伟[4]等利用管道声学分析方法，研究拼缝对进气道降噪效果的影响，结果表明无缝声衬吸声面积大，而且没有声阻抗的间断，模态散射效应低，降噪效果最优。因此，为了增大声衬面积，无缝声衬以及唇口声衬是未来进气道降噪的发展方向。

美国赫克塞尔公司US2014034417A1提出了一种避免声学缺点的声衬拼接方式，两个蜂窝区段利用定位在两个蜂窝区段的侧部之间的接缝件来粘合在一起。CN102883872A同样设计了一种无缝声襯，避免结构强度的降低及增加附加步骤，同时，面板的连续均匀表面降低对于气流的任何紊流，改进了声板的声衰减特性。

2  结语

航空发动机声衬结构的发展经历了从单自由度声衬，到多自由度声衬，再到内嵌隔膜声衬结构。其中，从声衬材料出现至今，声衬中发展重点是其参数及结构优化研究，目前，性能较优异的声衬结构是通过在蜂窝芯内部设置多段隔膜结构、吸收器、衬芯及在面板和芯材之间设置穿孔板、棉毡吸声等其它层结构。

蜂窝声衬结构，因其轻质、高强、吸音降噪性能好等优点，随着航空工业的发展及降噪需求、其在航空发动机及飞机其他部件必然会得到越来越广泛的应用。经过几十年的发展，国外声衬降噪技术已经发展的相当成熟，然而对于中国民航业来说，因为发展起步晚，其在声衬领域还有许多需要改进和研究的地方，例如从降噪原理上对声衬结构进行优化、多自由度声衬制备方法优化、蜂窝形状优化设计等。

参考文献

[1] 伍赛特.民用航空发动机降噪技术研究及展望[J].机电产品开发与创新，2019，32（4）：55-57.

[2] 张英杰.声衬技术在大涵道比发动机短舱上的应用[J].中国设备工程，2017（22）：119-120.

[3] 纪双英，郝巍，刘杰.共振吸声结构在航空发动机上的应用进展[J].航空工程进展，2019，10（3）：302-308.

[4] 徐俊伟，马向东，周宇穗.声衬拼缝对进气道降噪效果影响研究[J].科技视界，2015（26）：85-86.