JP2006226286A - 奥行きの不均一なバックウォールを有する音響ライナー - Google Patents

Abstract

【課題】不都合な重量や、経費や複雑さが追加されることなく、かつ、ダクトの空力性能を危険にさらすことなく、ダクト内で反射した騒音の方向を変える。
【解決手段】タービンエンジンの吸気ダクト２０などの流体処理ダクトは、フェースシート３４とフェースシートから横方向に離間したバックウォール３８を有する音響ライナー３２を備える。バックウォールは、そこに入射した音波をフェースシートに対して所定の方向に向けるよう不均一な奥行きＤでフェースシートからオフセットされる。一実地態様ではバックウォールはランプからなる。別の実施態様では、バックウォールは異なる奥行きでフェースシートからオフセットした一連の段からなる。バックウォールの不均一な奥行きはそこから反射する騒音信号の方向を調節するよう適応することができ、それによりダクトから周囲環境に伝播する騒音を低減することができる。
【選択図】図３

Description

関連出願の相互参照
本出願は、共に係属中の同一出願人による出願である“不均一なインピーダンスを有する音響ライナー”（譲受人整理番号：ＥＨ−１１４５１）と主題において共通するものである。

本発明は、タービンエンジンの吸気ダクト及び排気ダクトなどの流体処理ダクトのための、騒音を減衰させるライナーに関する。

航空機の推進などに使用されるタービンエンジンは、空気をエンジンに送るための吸気ダクトと燃焼生成物を大気中へ排出するための排気ダクトを備える。作動中、エンジンは、ダクトの開放された端部を通って環境に伝播される騒音を発生させる。騒音は不快なものであるため、エンジン製造業者は、ダクトの内部壁部分に音響ライナーを設置している。共通して使用される種類の音響ライナーは、穿孔を有するフェースシートと無孔のバックウォールの間に挟まれた共振器チャンバの列を特徴とする。ライナーは、フェースシートが内部壁面部分を画定し、ダクトを通って流れる空気又は燃焼生成物にさらされる。音響ライナーは、設計周波数帯域と呼ばれる周波数の帯域幅にわたる騒音の振幅を低減するよう設計される。

音響ライナーは、完全に有効というわけではない。設計周波数帯域を外れる周波数における騒音は、ライナーの影響を受けない。設計周波数帯域内の騒音でさえも、低減した振幅にあるとは言え、存続する。減衰されているか又はされていないいずれかの残存騒音は、ライナーに反射する可能性がある。距離に伴って騒音があまりにも急速に減衰するために、ダクトの外側まで伝播できない場合がある。これらの減衰の影響を受けやすい騒音モードは「カットオフ」モードと呼ばれ重要ではない。その他の騒音モードは耐減衰性であり、長距離を容易に伝播することができる。これらは「カットオン」モードと呼ばれる。耐減衰性の騒音信号が、十分に浅い角度でライナーに当たると、騒音信号は、ほぼ同じ浅い角度で反射し、ダクト外へ伝播する可能性がある。

カットオンモードを減衰する１つの方法とは、ライナーがこれらのモードが反射する方向を調整することである。例えば、耐減衰騒音信号が浅い角度でライナーに衝突し、それがダクトの開放端から非常に離れている場合（即ち、吸気ダクトの吸気面から、あるいは排気ダクトの排気面から離間している場合）、より急角度で、即ち軸方向を下回る方向で信号を反射させることが有益であろう。より急角度での反射における主要な利点とは、それによって、騒音信号がダクトの開放端に向かって伝播するとき、騒音信号がライナー外側で繰り返し反射するということである。これは、ライナーとの相互作用のそれぞれにより騒音信号がさらに減衰されるため、信号の周波数がライナーの設計周波数帯域内である限り有益である。さらに、反射した信号は、その周波数の音響がその角度でダクト内を伝播できないため、距離に伴って急激に減衰される。

騒音信号が入射信号の方向よりも軸方向よりの方向へ騒音信号を反射させることもまた有利である。例えば、騒音信号がダクトの開放端に近くで（即ち、吸気ダクトの吸気面か、あるいは排気ダクトの排気面の近くで）ライナーに当たる場合、入射点とダクト開放端の間の軸方向における距離は短すぎて、例え急角度で反射した信号でさえも、反射信号を妨害できない。従って、より軸方向に近い方向で信号を反射させることがさらに有利である。これは航空機エンジンから軸方向に伝播する騒音は、地表に到達する前に、エンジンから非軸方向に伝播する騒音よりも広範囲にわたって広がることによる。騒音がより広範囲に分布することにより、騒音の振幅が減衰されるため、地上のオブザーバーへの影響を減少することができる。

反射角を調節する周知の方法とは、アクティブバックウォールを採用することである。アクティブバックウォールは、パネル型圧電アクチュエータなどの振動素子を備える。制御システムは、（騒音信号の入射に対して）ある振幅とある位相角で振動するようアクチュエータに信号を送ることによって、ライナー上に採用された音響センサに応答する。アクチュエータの振動によりライナーのインピーダンスが、入射騒音信号の減衰を最適化するよう時間と共に変化する。しかしながら、そのようなライナーは、その性能がアクチュエータを駆動するのに利用可能な動力によって制限されるため、完全に満足のいくものではない。さらには、アクティブバックウォールは不要な重量、経費、複雑さを生じさせる。

基本的に、エンジン設計者は、ライナー全体（即ち、フェースシートとバックウォール）を、ライナーが入射した騒音信号を１つ又はより多くの所望する方向において反射するように配向することができる。しかしながら、そのようにすることは、ダクトの内部形状が空力学的問題を考慮して調整されているため、ほぼ常に非現実的である。ライナーフェースシートは、少なくともダクトの内壁部分を画定するため、ライナー全体を、反射する音響の方向を調節するよう配向することは、ダクトの空力的性能をほぼ常に危険にさらすことになる。

不都合な重量や、経費や複雑さが加えられることなく、かつ、ダクトの空力性能を危険にさらすことなく、ダクト内で反響した騒音の方向を変える方法が必要とされている。

従って、本発明の目的は、不都合な重量や、経費や複雑さが加えられることなく、かつ、ダクトの空力性能を危険にさらすことなく、ダクト内で反射する騒音の方向を変えることにある。

本発明の第一の態様によれば、流体処理ダクトは、フェースシートと、そのフェースシートから横方向に離間したバックウォールを含む音響ライナーを備える。バックウォールは、バックウォールに入射した音波を、フェースシートに対して所定の方向に方向付けるよう、不均一な奥行きでフェースシートからオフセットされる。

本発明の一実施態様では、バックウォールはランプ（ｒａｍｐ）からなる。他の実施態様においては、バックウォールは、異なる奥行きでフェースシートからオフセットした一連の段を含んでなる。

本発明の様々な実施態様の前述並びにその他の特徴は、以下の、本発明を実施するための最良の態様の説明及び添付の図面からより明らかとなるであろう。

図１、図２及び図５は、ダクト軸２４に外接するダクト内部壁２２で画定されたタービンエンジンの吸気ダクト２０を示している。図示する吸気ダクトは、エンジンの軸と平行に見た場合、断面において実質的に円形であるが、円形とはかけ離れた形状の吸気ダクトの場合もある。ダクトの１つの端部２６は、大気中に開放している。ダクトの他方の端部は、開放端部から軸方向において相補的な位置にあり、ブレード段３０を有する回転ファン２８で示す圧縮機の直前にある。エンジン作動中、ファンは騒音源となる。

ダクト内部壁２２の部分は、音響ライナー３２と並んで配設されている。通常の音響ライナー（図３及び図６で見られる）は、多数の小さい孔３６を設けられたフェースシート３４と、フェースシートから離間した孔のないバックシート、即ちバックウォール３８を有する。フェースシートは、図２と図５で最も良好に見られるように、ダクト壁の内部輪郭を画定する。共振器チャンバ４０、又はその他の音響減衰器の列が、フェースシートとバックウォールの間の空隙を埋めている。図で示すライナーは単層のライナーであるが、本発明は、１つ又はより多くの別個のスクリーン又は孔を設けられた別個のシートがフェースシートとバックウォールの間に存在する多層ライナーにも同等に適用できる。ライナーは音響インピーダンスを有し、これは、実数部分が抵抗と呼ばれ、虚数部分がリアクタンスと呼ばれる複雑な数量である。抵抗は、反射した音波の振幅を制御し、フェースシートの散逸性と、ハニカムセル内に配置された散逸性の材料によって設定される。リアクタンスは、反射した波の位相を制御し、ライナーのキャパシタンスの尺度であり、主としてライナーの奥行き（ｄｅｐｔｈ）とフェースシート中の孔に関連する誘導作用によって設定される。音響インピーダンスは空間的に均一であってよく、あるいは、参照として本明細書に組み入れられる、本発明者の、共に係属中であり、出願人を共通とする（譲受人（出願人）整理番号ＥＨ−１１４５１）、発明の名称「不均一な音響インピーダンスを有する音響ライナー」でより完全に説明されているように、反射方向を調節するために、不均一なインピーダンスが使用されている場合のように、空間的に不均一であってもよい。

図３、図４、図６及び図７で見られるように、バックウォール３８は、フェースシート３４に対して不均一な奥行きＤを有する。具体的には、バックウォールは、フェースシートに対して角度γ（図３のγ₁、及び図６のγ₂）で配向されたランプである。以下でより詳細に説明するように、配向角γは、バックウォールに入射した音波を、フェースシートに対して所定の方向に方向付けるように選択される。通常、所定の方向はフェースシートに対して非正反射である。図３において、バックウォール３８は、フェースシート３４の騒音源（ファン２８）に向かって下がった傾斜よりも、より騒音源に向かって下がった傾斜を有する。図４で概略的に示すように、バックウォール上の起点４４を起点とし、バックウォールに対して垂直に延びる第１のライン４２が、同じ起点４４を起点とし、フェースシートに対して垂直に延びる第２のライン４６よりも、より騒音源２８に近い場合に、バックウォール３８は、フェースシート３４の騒音源２８に向かって下がった傾斜よりも、より騒音源に向かって下がった傾斜を有する、と見なされる。図４から明らかなように、前述は、フェースシートとバックウォール自体が、騒音源２８に向かって下がるか（傾斜しているか）、あるいは騒音源２８から離れるように傾斜しているかのいずれかに該当する。

図６において、バックウォールは、フェースシートが騒音源から離れて傾斜しているよりも、さらに離れて傾斜している。図７で概略的に示すように、バックウォールは、バックウォール上の起点４４を起点とし、バックウォールに対して垂直に延びる第１のライン４２が、同じ起点４４を起点とし、フェースシートに対して垂直に延びる第２のライン４６よりも、より騒音源２８から離れている場合に、バックウォール３８は、フェースシート３４の騒音源２８から離れた傾斜よりも、より騒音源から離れた傾斜を有する、と見なされる。図７から明らかなように、前述は、フェースシートとバックウォール自体が、騒音源２８に向かって下がるか（傾斜しているか）、あるいは騒音源２８から離れるように傾斜しているかのいずれかに該当する。

主として、図２及び図３を参照すると、ファンによって生じた代表的な音波、即ち騒音信号５０が、吸気ダクトを通って前方に伝播している。例示の騒音信号の軌道は、フェースシートに平行な方向成分（即ち、ほぼ軸方向）と、フェースシートに垂直な方向成分（即ち、ほぼ径方向）で表すことができる。例示の騒音信号は、入射角αで、吸気ダクトの開放端２６から離れた箇所でライナーに当たる。バックウォールは、反射信号５２とその反射角βで示されるような所定の方向で、入射した騒音信号５０の残部を反射するよう、角度γ₁で配向されている。バックウォールがフェースシートに平行であった場合、信号は、正反射角β_sで反射されて、正反射軌道５４に沿って伝播するであろう。その反射信号は、即ち、フェースシート３４に平行な方向成分とフェースシート３４に垂直な方向成分が、入射信号の対応する方向成分と大きさにおいて同じであろう。しかしながら、図２と図３で見られるように、本発明のライナーによれば、反射信号５２の平行な方向成分の大きさは入射信号の平行な方向成分の大きさよりも小さく、かつ、その垂直な方向成分の大きさは、入射信号の垂直な方向成分の大きさよりも大きいものとなる。即ち、反射信号の軌道は、入射信号の軌道よりも急勾配である。その結果、反射信号は、ダクトの開放端に向かって伝播するときに、ライナーに繰り返し反射する機会が多くなるため、ライナーによって騒音信号が減衰される機会が繰り返し提供される。

図５及び図６は、図２及び図３に類似しているが、騒音信号５０が、吸気ダクトの開放端２６の付近でライナーに当たっているのを示している。バックウォールは、反射信号５２とその反射角βで示されるような所定の方向に、入射騒音信号５０の残部を反射させるよう、角度γ₂に配向されている。バックウォールがフェースシートに平行であった場合、信号は、入射角αに等しい正反射角である反射角β_sで反射し、正反射的な軌道５４、即ち、フェースシート３４に対して平行な方向成分と垂直な方向成分が、入射信号５０の対応する方向成分と同じ大きさであるような軌道に沿って伝播するであろう。しかしながら、図５及び図６にみられるように、本発明のライナーにより、反射信号５２の平行方向の成分の大きさは、入射信号の平行方向の成分の大きさよりも大きく、反射信号の垂直方向の成分の大きさは、入射信号の垂直方向の成分の大きさよりも小さい。即ち、反射信号の軌道は、入射信号の軌道よりも浅い。その結果、反射信号は、より軸方向に近い方向で伝播するため、非軸方向で伝播する騒音と比較して、周囲にそれほど分散しない。

反射の所定の方向は、ライナーの全ての部分で同じ方向である必要はない。このことは、ライナーが、３−３の部分においては入射した騒音信号を、入射信号よりも軸方向の成分が小さく、径方向の成分が大きい所定の方向で反射しているのに対して、６−６の部分においては、入射した騒音信号を、入射信号よりも軸方向の成分が大きく、径方向の成分が小さい所定の方向で反射している前述の例から明らかである。

図８は、上述の本発明の音響ライナーの物理的挙動を概略的に図示しており、ここでは音波がフェースシートを通過するときに生じる時間遅れは考慮されていない。入射騒音信号５０で示される音波は、入射角αでライナー面に接近している。ライン１３０−１３０は、時間ｔ₀における等位相（例えば、最大圧力高さ（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｒｅｓｔ））のラインを示している。後の時間、ｔ₁＝ｔ₀＋Δｔにおいて、波は距離Ｓ₁＝ｃ（Δｔ）だけ前方に進んだ。ここで、ｃは伝播速度である。時間ｔ₀でライナー面に近づいた圧力高さ（波頭）部分は、すぐにライナーに入り、バックウォールに向かって伝播する。従って、時間ｔ₁における圧力高さはライン１３１−１３１で示される。さらに後の時間ｔ₂＝ｔ₀＋２Δｔにおいて、波頭は、距離Ｓ₂＝ｃ（２Δｔ）だけ前方に伝播している。時間ｔ₀において、波面部分は、バックウォールに衝突し、ライナーフェースシートに向かってはね返っている。従って、時間ｔ₂では、波頭はライン１３２−１３２で示される。時間ｔ₃＝ｔ₀＋３Δｔで、波全体がバックウォールに到達し、ライン１３３−１３３で示すように、フェースシートに向かってはね返っている。時間ｔ₄＝ｔ₀＋４Δｔで、波はライン１３４−１３４で示すようにライナーから出る。信号の反射角βは、α＋２γと等しいように見える。すでに述べたように、バックウォールが入射音波に向かってより傾斜している場合、不均一な奥行きを有するバックウォールにより、音波はより径方向側（あるいは、傾斜が十分に大きい場合には音源に向かって戻る方向）に方向付けられる。バックウォールが入射音波からより離れて傾斜している場合、不均一な奥行きを有するバックウォールにより、音波はよりダクトの軸方向側に方向付けられる。図８で示す例に関して、フェースシートに対して入射角αは、４５°であり、バックウォールは２２．５°である。従って、反射角は９０°（即ち、ライナー面に対して垂直）である。設計者は、ダクト内の所与の位置における所望の反射角βを規定するのに必要なバックウォールの傾斜を定義するのに、関係式、β＝α＋２γを利用することができる。上記の関係式を用いる場合、バックウォールがフェースシートよりも、より騒音源に向かって傾斜している場合にはγは正数であり、また、バックウォールがフェースシートよりも、騒音源からより離れて傾斜している場合にはγは負数である。

所定の方向は、通常、フェースシートに対して非正反射方向であるが、騒音の減衰目的に一致しているか、あるいはそれぞれがフェースシートに対して非正反射するバックウォールの部分間に変わり目（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）を形成する必要がある場合、バックウォールの一部がフェースシートに対して正反射となるよう部分的に配向されていてもよい。

上記例は、軸方向成分と径方向成分の両方を有する入射騒音信号を示している。しかしながら、エンジンファンから放射状に広がる騒音信号は、通常、ライナーに向かってらせん運動で伝播する回転モードを呈する。そのような入射音波は、軸方向成分と径方向成分に加えて周方向成分も有する。従って、図９に見られるように、音響ライナーは、最も望ましい所定の方向に反射する騒音信号の方向を変えるよう、少なくとも部分的に周方向において面するように傾斜させてもよい。

図３、図６及び図８は、ランプ形態のバックウォール３８を示しているが、図１０に例示するような一連の段として形成したバックウォールによっても、ほぼ同様の反射効果を得ることができる。図は、点線５６で示されるように、バックウォールがフェースシートに対して一定の配向角γで配向された音響ライナーを示している。

本明細書において説明した例は、フェースシートに対して一定の角度γを形成する、直線的なバックウォールを示しているが、図１１及び図１２に見られるように、バックウォールは、フェースシート３４とバックウォールの接線（又は、点線５６に対する接線）との間の配向角γが、軸方向の距離に伴って変化するよう、湾曲している又は非直線的であってもよい。その場合、奥行き（深さ）Ｄも又、非直線的外郭に従って、軸方向の距離に伴って変化する。

図１３を参照すると、本発明は、アクティブバックウォールと組み合わせて使用することができる。図１３に示すように、アクティブバックウォールは、フラットパネル型圧電アクチュエータなどの振動素子６４を備える。制御システムは、アクチュエータに、ライナーのインピーダンスを時間の経過と共に変化させて、入射騒音信号の減衰を最適化するよう、（入射騒音信号に対して）ある振幅と位相角で振動するよう信号を送ることによって音響センサ６２に応答する。アクティブ素子と組み合わせて奥行きが可変のバックウォールを使用することにより、必要なアクティブ素子量を減少させることができ、アクティブ素子を駆動するのに要する動力を減少させることが可能となる。

本発明を、タービンエンジンの吸気ダクトに関連して説明したが、タービンエンジンの排気ダクトを含むその他の型のダクトに対しても同様に適用できる。図１３の概略的に示す排気ダクト６６に見られるように、騒音源は、ダクトの上流端７０から入る高温で高速の排気ガス６８である。騒音は、ダクトの下流の開放端、即ち、下流端７２に向かって伝播する。

本発明を特定の実施態様を参照しながら示し、説明してきたが、特許請求の範囲に記載される本発明から逸脱することなく、形態や細部における様々な変更が可能であることは当業者には理解できるであろう。

音響ライナーを備える、ガスタービンエンジンの吸気ダクトを、図２の方向１−１における、即ち、ダクト軸に対して平行して見た概略図である。 図１の方向２−２における断面の側面図である。 ランプからなるバックウォールを特徴とする本発明の音響ライナーの実施態様を示す、図２の領域３−３における拡大図である。 フェースシートと、フェースシートが騒音源に向かって傾斜するよりもさらに騒音源に向かって傾斜しているバックウォールの相対的勾配の定義を示す概略図である。 図１の方向５−５における図である。 ランプ付きバックウォールを特徴とする本発明の音響ライナーの実施態様を示す、図５の領域６−６における拡大図である。 フェースシートと、フェースシートが騒音源から離れて傾斜するよりもさらに騒音源から離れて傾斜しているバックウォールの相対的勾配の定義を示す、図５又は図６の方向７−７における図である。 本発明の音響ライナーの物理的挙動を図示する、図３と同様の図である。 エンジンの軸に平行に見た、少なくとも部分的に周方向に面したバックウォールを有する音響ライナーを示す図である。 バックウォールが一連の段からなる場合の本発明の実施態様の断面の側面図である。 湾曲したバックウォールを有する本発明の実施態様を示す、図８と同様の断面の側面図である。 段の奥行きが湾曲面に沿っている場合の実施態様を示す、図１０と同様の断面の側面図である。 バックウォールにそって分布した活性素子と組み合わせた場合のランプ付き実施態様を示す断面の側面図である。 本発明によるタービンエンジンの排気ノズルの、概略的な断面の側面図である。

Claims (20)

1. バックウォールが、フェースシートに対して不均一な奥行きを有し、その不均一な奥行きは、バックウォールに入射した音波をフェースシートに対して所定の方向に方向付けるよう選択されることを特徴とする、フェースシートと、フェースシートから離間したバックウォールを含んでなる、音響ライナーを備える流体処理ダクト。
2. 前記バックウォールがランプからなることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
3. 前記バックウォールが一連の段からなることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
4. 前記バックウォールが非線形であることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
5. 前記所定の方向が、前記フェースシートに対して非反射であることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
6. 前記バックウォールが、前記フェースシートが騒音源に向かって傾斜するよりも、さらに接近するよう騒音源に向かって傾斜されていることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
7. 前記バックウォールが、前記フェースシートが騒音源から離れて傾斜するよりも、さらに騒音源から離れて傾斜されていることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
8. 前記ダクトが、その軸に平行に見たときに実質的に円形であることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
9. 前記所定の方向が、軸方向成分と径方向成分を有することを特徴とする、請求項８記載のダクト。
10. 前記入射音波と所定の方向のいずれも、前記フェースシートに対する平行な方向成分と垂直な方向成分で表すことができ、前記所定の方向の垂直な方向成分は、前記入射音波の垂直な方向成分よりも大きさにおいて小さく、かつ、前記所定の方向の平行成分は、前記入射音波の平行な方向成分よりも大きさにおいて大きいことを特徴とする、請求項１記載のダクト。
11. 前記入射音波と所定の方向のいずれも、前記フェースシートに対する平行な方向成分と垂直な方向成分で表すことができ、前記所定の方向の垂直な方向成分は、前記入射音波の垂直な方向成分よりも大きさにおいて大きく、かつ、前記所定の方向の平行成分は、前記入射音波の平行な方向成分よりも大きさにおいて小さいことを特徴とする、請求項１記載のダクト。
12. 前記ダクトがタービンエンジンの吸気ダクトであり、圧縮機がダクト内へ騒音を導く騒音源であることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
13. 前記ダクトがタービンエンジンの排気ダクトであり、前記ダクトの上流端に入る排気ガスのストリームが騒音源であることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
14. 前記ライナーが実質的に均一に分布した音響インピーダンスを有することを特徴とする、請求項１記載のダクト。
15. 前記ライナーが、アクティブバックウォールを含むことを特徴とする、請求項１記載のダクト。
16. 前記フェースシートと前記バックウォールの間の横方向の空隙を、共振器チャンバの列が占めていることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
17. 前記音響ライナーが単一層のライナーであることを特徴とする、請求項１記載のダクト。
18. 開放端とダクト軸を有し、ダクトが、フェースシートとバックウォールからなる音響ライナーを備え、フェースシートとバックウォールは騒音源に対して、かつ、相互に対して傾斜していることを特徴とする、流体処理ダクト。
19. 前記バックウォールが、前記フェースシートが騒音源に向かって傾斜しているよりも、さらに騒音源に向かって傾斜していることを特徴とする、請求項１８記載のダクト。
20. 前記バックウォールが、前記フェースシートが騒音源から離れて傾斜しているよりも、さらに騒音源から離れて傾斜していることを特徴とする、請求項１８記載のダクト。

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