JP2003532039A - 構造的な共振を緩衝することに係る改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ハル（船体）（１１）はその上に多数の加速度計（２０）をマウントしており、各加速度計が固定されているハル（１１）の動きもしくは振動に対応しているデータ信号を用意するようにされている。ハル（１１）及び／又はスラスト（推力）ブロック（１８）はその上に多数のマスダンパ（２１）をマウントしていて、このダンパが加速度計（２０）とマスダンパ（２１）との間に置かれた検出器（２３）によって制御される。検出器２３は加速度計（２０）によって生成されたデータ信号から、共振の異なるモードを算出し、それによって、特定の共振モードの励振の開始を判断して、マスダンパ（２１）を制御して、共振モードを選択的に緩衝するための力を発生するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 発明の属する技術分野 この発明はある構造物（structure）についての選択性のあるダンパ（緩衝器
、制御器）システムに係り、とくに海洋におけるベッセル（marine vessel）す
なわち船艇についての選択性のあるダンパに関する。

【０００２】 従来の技術 海洋工学（マリンエンジニアリング）のある分野では、機械装置、例えば推進
（プロパルジョン）ユニットの部品を船艇のハル（艇体、船体、hull）部分にス
ラストブロックを介してマウントすることが普通考えられていて、これによって
推進ユニットによって生成されたスラスト力がハル部分にスラストボックスを介
して作用して、船艇をスラスト力が作動しているのと反対方向に駆動するように
している。

【０００３】 しかしながら、推進ユニットのプロペラでスラスト力を生成するために使用さ
れるものは、船艇のハルの周りを流れている水の乱流（turbulent water flow）
に対してそれ自体が作用しているので、生成されたスラスト力は定常状態ではな
く、スラスト力の大きさにゆらぎ（フラクチュエーション）を含んでいる。こう
いったゆらぎの周波数が船艇における構造的な共振と一致すると、この共振が励
振されることになり、スラスト力のゆらぎが大きく増幅され、著しいノイズレベ
ルが発生されて船艇の構造はかなりの応力（ストレス）を受けることになる。

【０００４】 これに加えて、船艇内の機械装置はゆらいでいる力も発生でき、またここでも
、こういったゆらいでいる力の周波数が船艇の構造的な共振と一致すると、共振
が励振（励起）されて、力のゆらぎを大きく増幅して、これにより著しいノイズ
レベルを生成して、船艇の構造がかなりのストレスを蒙ることになる。

【０００５】 発明が解決しようとする課題 船艇のハルを通って力のゆらぎが伝搬することは、ときに、その船艇によって
運ばれている乗客が居心地よく船艇内部のある領域を占有できないことを意味す
る。これは価値ある空間が船艇のハルの内部で損なわれていることを意味する。

【０００６】 共振を打消すための一つの技術は、正確に等しくかつ反対の力を生成すること
である。すなわち、共振を励振している力に対して１８０゜位相のずれた力を生
成して、この生成した力を構造物に加えて、励振力を直接打消して、共振の励振
を妨げるようにすることである。

【０００７】 課題を解決するための手段 この発明が生れたのは、こういった共振をダンプする（制動あるいは緩衝する
）ための手段を考えているときであり、この共振はダンプしないとすると、励起
されることになるものであり、船艇の構造での関係するノイズとストレス（応力
）レベルとを減らすことを考えているときのことである。

【０００８】 この発明によると、構造物についての選択性ダンパシステムは、該構造物にマ
ウントされた少くとも一つの加速度計を備え、各加速度計はマウントされている
位置での該構造物の局所的な動きを示しているデータ信号を生成するようにされ
ており、また、各加速度計から該データ信号を受領し、かつ該構造物で生成され
ている少くとも一つの共振に応答して制御信号を生成するように動作可能とされ
ている検出器と、該構造物に機械的に固定され、かつ該制御信号を受領して、該
構造物の共振を緩衝するための力を生成するようにされている少くとも一つのマ
スダンパとを備えている。

【０００９】 このようなやり方で、あるソース（源）により生成された共振振動が構造物に
マウントされた加速度計によって検知できて、また検出器は構造物内の特定の共
振を選択的にダンプするために、マスダンパが作り出されるべき力を判断し決め
るようにでき、それによってこのシステムが振動している構造からエネルギーを
抽出して共振の振幅を減らすようにする。これは実際には構造物が共振の励振に
感応しないようにするのであって、先行技術のシステムのように共振を励振して
いる力を正確に打消すように試みるというのではない。したがって、先行技術の
ように励振に必要とされる力よりは共振をダンプするのにより少い力が必要とい
うことになり、ここでは励振用の力を打消すのに必要とされる力は励振用の力と
正確に等しくかつ反対のものであらねばならない。このシステムでは、可能とさ
れる共振振動が検出されて、適切な力が加えられて、それにより真の共振が実際
に展開できないようにしており、言い換えると、共振の開始すなわち兆候（オン
セット）が検出されて、その振幅が生長しない前に抑制され、これに対して、先
行技術のシステムでは、真の共振が発生しなければならず、その後に、適切とさ
れる等しくかつ反対方向の方が加えられるようにできて、発展した共振を正しく
打消すこととなっている。

【００１０】 実施の形態 好ましいのは、構造（物）が船艇のハル（船体、艇体）であってよいことであ
る。このやり方では、船艇によって運ばれる推進ユニットによって、別なふうに
、生成されることになる共振が、著しいノイズ発生源を構築することから選択的
に阻止されるようにできる。このことは船艇にとってはとくに有用であり、船艇
のある領域は、過剰な共振が作り出すノイズが原因となって旅客により使用され
るのに適していないとされているのであり、したがって船艇をもっと使用できる
ようにするのである。

【００１１】 複数の加速度計を採用するシステムでは、加速度計が該構造物の各種の場所に
分散されている。加速度計は他の目的で構造物上にすでにあるものでもよく、そ
の場合は、こういった加速度計の使用は、電気的な接続についてのルート設定を
用意する必要性を減らすことになる。

【００１２】 検出器は前記構造物の共振の少くとも一つのモードを判断し決定するようにさ
れていてよく、またその共振モードが検出されたときには制御信号を生成するよ
うにされていてよい。このやり方では、検出器はどの共振モードが構造物中で立
ち上りつつあるかを判断できて、適切な制御信号を加えて各マスダンパを動作す
るようにし、それによってこの特定の共振モードを選択的ダンプするようにする
。各マスダンパが各共振モードを実質的に緩衝するための力を生成するようにさ
れていてよい。

【００１３】 検出器は、データ信号から構造物の少くとも一つの共振モードを識別するよう
にされたモードマトリックス分解機能（modal matrix decomposition function
）と、各識別された共振モードに依存している適切な制御信号を生成するための
逆モードマトリックス機能（inverse modal matrix function）とを備えている
。

【００１４】 前記マスダンパは、前記構造物に固定されているハウジングから支持された質
量塊（mass）と、該質量塊を軸方向に移動して該構造物の振動に実質的に対抗す
る反作用力を生成するよう動作可能な一対の電磁石とを備えているのがよい。ダ
イアフラム構成が該ハウジングから該質量塊を支持している。

【００１５】 各加速度計は各選ばれた共振の開始を検出するための位置で該構造物にマウン
トされていて、また各マスダンパは各選ばれた共振モードの動きを実質的に緩衝
（ダンプ）するための位置で該構造物にマウントされている。この位置は各デバ
イスの位置決めに先行して判断して決めることができ、その際には解析か経験的
プロセスを使用するか、現場にある各デバイスについて一度決めるようにしても
よい。

【００１６】 実施例 以下例をあげて添付の図面を参照して、この発明を記述して行く。

【００１７】 図１では、船艇１０はハル（hull）１１を備えていて、そこには推進（プロパ
ルジョン）ユニット１２を収容していて、ユニット１２にはドライブ手段１３が
あって、カップリング１５を介してプロペラ軸１４を回転するために動力を提供
するようにされているので、これによって船艇１０のハル１１の周りの水１７の
中でプロペラ１６を回転させている。水１７を介したプロペラ１６の動作により
生成された力は、プロペラ軸１４を介してスラストブロック１８に作用するよう
にされており、スラストブロック１８はバルクヘッド（船体内の隔壁）１９によ
ってハル１１の一部にしっかりとマウントされている。こうして、プロペラ１６
によって作り出された力は生成された力の方向とは反対の方向にハル（船体）を
移動させるように作用する。

【００１８】 図２では、図１で使用したのと同様な完全体（物のこと）を示すために同じ参
照番号が使用されている。図２はハル１１を示し、そこには多数の加速度計２０
がマウントされていて、それがそれぞれの加速度計が固定されているハル１１の
動きもしくは振動に対応しているデータ信号を用意している。加速度計２０とい
う用語は、いずれかのセンサが関係していて、このセンサが、それが取付けられ
ている構造（物）、ここではハル１１、の動きまたは接近の程度のいずれかを検
出するようにしていて、センサがマウントされている構造物の動きあるいは接近
の程度、または動きあるいは接近の程度の変化に対応しているデータ信号を作る
。

【００１９】 ハル１１及び／又はスラストブロック１８、あるいは何らかの他の適当な表面
は、その上に多数のマスダンパ（mass damper）２１をマウントしていて、これ
については以下に詳細に記述されているが、これが電磁的シェーカ（加震器）で
あってもよい。しかしながら、一般的な記述として、各マスダンパ２１は質量塊
（マス、塊体の意、当然に質量がある）を備えていて、それが検出器２３によっ
て作られた制御信号に応答して横方向に移動されるようになっており、検出器２
３は各加速度計２０と各質量塊ダンパ（マスダンパ）２１との間に接続されてい
る。検出器２３は各加速度計２０によって生成されたデータ信号から制御信号を
作るようにされている。このやり方では、プロペラシャフト（軸）１４もしくは
この推進ユニット１２の他の部分によって作られたか伝えられた共振は、各質量
塊２２を動かすことによって制動をかける（ダンプする）ことができて、その動
きがプロペラシャフト１４もしくは推進ユニット１２の他の何らかの部分によっ
てハル１１及び／又はスラストブロック１８に対して作られた共振をダンプする
ようにしている。

【００２０】 図３では、図１と２とに示したのと同じような完全体（物）を示すために同じ
参照番号が使用されている。図３は検出器２３を示し、これが各加速度計と各マ
スダンパ２１との間に置かれている。この場合には、七つの加速度計２０のアレ
イがハル１１及び／又はスラストブロック１８の周りに分散されていて、三つの
異なるモードの共振を計算するようにし、それによって五つのマスダンパ２１を
制御するようにしており、マスダンパ２１はまたハル１１もしくはスラストブロ
ック１８の周りに分散されている。各加速度計２０はデータ信号２４を作り、こ
れがモード変化マトリックス２５によって受領され、そこでは共振の異なるモー
ドについての振幅を計算する。モード変換マトリックス２５は、検出されるべき
共振の各モードについての励振出力を作るようにされている。実際には、このモ
ード変換マトリックス２５はハル１１の特定の自然（ナチュラル）共振モードを
空間的にフィルタにかけてとり出すものであり、ハル１１の性質のモデルを備え
ている。各励振出力２６はダンピングアルゴリズム２７を供給するために使用さ
れ、検出されるべき共振の各モードについて一つを供給し、これがモード制御に
必要な力２８を生成するようにされている。

【００２１】 各モード制御に必要な力（modal control demand force）２８は逆モード変換
マトリックス２９によって実際のマスダンパに必要とされる力の制御信号３０に
変換され、この信号がマスダンパ２１の制御に使用される。実際には、逆モード
変換マトリックス２９は選ばれた共振を緩衝（制動）するために最良の構成を選
ぶ。七つの加速度計が使用されて、六つのマスダンパ２１を制御するためにデー
タ信号２４を用意してあるが、加速度計２０もしくはマスダンパ２１の数は応用
により変えられること、またこれが今度はモード変換マトリックス２５の大きさ
と、逆モード変換マトリックス２９の大きさと、ダンピング用アルゴリズム２７
の数で必要とされるものの数とに影響を与えていることは理解されよう。

【００２２】 モード変換マトリックス２５と、アルゴリズム２７と、逆モード変換マトリッ
クス２９の構造と、そういったものの係数とは応用に依存し、また解析か経験的
な方法によって決めることができ、それが加速度計２０とマスダンパ２１を船艇
１０の内部にマウントするのに先行して、あるいは加速度計２０とマスダンパ２
１とが船艇１０内部に一旦マウントされてから行なわれる。

【００２３】 加速度計２０はハル１１に固定されてよいし、あるいは共振による振動が発生
できるいずれかの表面に固定されてよいことは理解されたい。また、マスダンパ
２１はスラストブロック１８上にマウントされてよいし、あるいは振動の伝達が
緩衝されることが求められているいずれかの表面に対してマウントされてよいこ
とも理解されよう。船艇がすでに加速度計２０を有し、それが別の目的でハル１
１の周りに分散されているという場合には、これらの加速度計を用いて共振の異
なるモードを判断することができ、それによって節約が行なわれ、加速度計２０
をハル１１に対して用意してマウントすること、及び加速度計２０と検出器２４
との間の電気的接続についての経路設定を用意することについての節約ができる
。

【００２４】 選択性ダンピングを用いると、特定の共振モードの励起の開始兆候が検出でき
て、力が直ちに作り出されて、その共振モードを緩衝すること（ダンピング）を
選択的に始められる。この動作は選ばれたモードの振動増大を抑制できる。

【００２５】 制御力の位相はその共振モードの励振に関して制御できるのであるから、ダン
ピング（緩衝、制動）は、そのモードの自然共振周波数に減らされたすなわち無
視できるシフトが存在するといった方法で達成される。

【００２６】 図４は典型的なマスダンパ４０を示し、そこには質量塊４１があって一対のダ
イアフラム４２によりハウジング４４の固定用部分４３の間でサンペンド（懸架
）されている。電磁石４５，４６が質量塊４１の両端にあって、制御手段（図示
せず）によって動作されていて、電磁石４５，４６の間で横方向に質量塊４１を
動かしている。電磁石４５，４６はまたハウジング４４にマウントされている。
動作の際には、各電磁石４５，４６が質量塊４１に吸引力を作用し、また各電磁
石が及ぼす力を、制御手段を用いて、変えることによって、質量塊４１は横方向
に移動されるようにできる。

【００２７】 一対のダイアフラム４２は質量塊４１を固定部分４３の間でサスペンドし、ま
た質量塊４１を中央位置に戻すことを助け、あるいは電磁石４５，４６が動作し
ていないときには質量塊を中央位置に保持することを助けるように働いている。
マスダンパ４０についての別の実施形態が存在することは理解されるであろう。
例えば、電磁石４５，４６は永久磁石によって代替可能であるし、質量塊（マス
）４１は電磁石構成を備えることもできる。この構成では、制御手段は電磁石を
励起して質量塊４１を永久磁石間で横方向に移動させるようになっている。

【００２８】 マスダンパ２１はこのような配向とされていることが、それが取付けられてい
る構造物における共振振動に対抗するのに、必要とされていることは理解できよ
う。横方向形式のマスダンパ２１について記述してきたのであるが、マスダンパ
は複数の方向でのハル１１内の共振振動をダンプ（制動）するために採用されて
いることに考えを及ぼすことが行なわれている。

【００２９】 発明の効果 この発明は海洋で使用されるベッセル１０について記述されてきたが、この発
明は、また、制動（ダンプ）される必要がある共振振動がその中にあるいずれも
の構造（物）に応用できることは理解されなければならない。大形構造（物）内
でこの発明を用いることの利点は、共振振動をダンプするのに必要とされる力が
この共振を励起する力よりも小さくでき、それによって、より小形のデバイスが
大形構造（物）における共振振動の制動（緩衝）に使用できるということである
。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明を組込んだ海洋ベッセル（通常はボートより大きいとされる船）の船
体（ハル）と推進機構（プロパルジョンメカニズム）との模式的な平面図。

【図２】 図１の詳細を示す立面図。

【図３】 七個の加速度計入力を三つの共振出力に変換するためのモード変換装置を備え
た検出器のブロック図。

【図４】 マスダンパの模式図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ジョンソン、フレデリック・アリステア イギリス国、ティーエヌ13・１ピーエル、 ケント、セブンオークス、グラッシー・レ ーン、オイタ・ツタ（番地なし) (72)発明者 スウィンバンクス、マルコム・アレクサン ダー イギリス国、シービー４・１ジェイエヌ、 ケンブリッジ、ペントランズ・コート ８ Ｆターム(参考） 3J048 AB11 AD03 BF01 CB19 CB23 EA37

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物についての選択性ダンパシステムであって、 該構造物にマウントされた少くとも一つの加速度計を備え、各加速度計はマウン
   トされている位置での該構造物の局所的な動きを示しているデータ信号を生成す
   るようにされており、また、 各加速度計から該データ信号を受領し、かつ該構造物で生成されている少くとも
   一つの共振に応答して制御信号を生成するように動作可能とされている検出器と
   、 該構造物に機械的に固定され、かつ該制御信号を受領して、該構造物の共振を緩
   衝するための力を生成するようにされている少くとも一つのマスダンパとを備え
   た振動ダンパシステム。
2. 【請求項２】 該構造物が船艇のハルである請求項１記載の振動ダンパシス
   テム。
3. 【請求項３】 複数の加速度計を含み、該加速度計が該構造物の各種の場所
   に分散されている請求項１又は２記載の振動ダンパシステム。
4. 【請求項４】 前記検出器は、前記構造物の共振の少くとも一つのモードを
   判断するようにされており、またその共振モードが検出されたときには制御信号
   を生成するようにされている請求項１ないし３のいずれか１項記載の振動ダンパ
   システム。
5. 【請求項５】 各マスダンパが、各共振モードを実質的に緩衝するための力
   を生成するようにされている請求項４記載の振動ダンパシステム。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか１項記載の振動ダンパシステム
   であって、該検出器は、該データ信号から該構造物の少くとも一つの共振モード
   を識別するようにされたモードマトリックス分解機能と、 各識別された共振モードに依存している適切な制御信号を生成するための逆モー
   ドマトリックス機能とを備えている振動ダンパシステム。
7. 【請求項７】 前記マスダンパは、前記構造物に固定されているハウジング
   から支持された質量塊と、該質量塊を軸方向に移動して該構造物の振動に実質的
   に対抗する反作用力を生成するよう動作可能な一対の電磁石とを備えている請求
   項１ないし６のいずれか１項記載の振動ダンパシステム。
8. 【請求項８】 ダイアフラム構成が該ハウジングから該質量塊を支持してい
   る請求項７記載の振動ダンパシステム。
9. 【請求項９】 各加速度計は各選ばれた共振の開始を検出するための位置で
   該構造物にマウントされていて、また各マスダンパは各選ばれた共振モードの動
   きを実質的に緩衝するための位置で該構造物にマウントされている請求項１ない
   し８のいずれか１項記載の振動ダンパシステム。