JP2008020357A - 音源探査装置及び風洞試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自由せん断層の影響により生じる音波の劣化を低減して高精度に音源を探査することができる音源探査装置及び風洞試験装置を提供する。
【解決手段】 壁部７は、主流Ｆ₁中から発生する音を収音するマイクロホンアレイ６を収容する部材であり、主流Ｆ₁の周囲に形成される自由せん断層Ｆ₂内における主流近傍に配置されている。壁部７は、主流Ｆ₁の速度に対する自由せん断層Ｆ₂内の気流の速度の比が0.65を下回る位置に配置されると、主流Ｆ₁からの音の音波Ｗが自由せん断層Ｆ₂によって乱されるおそれがあるため、主流Ｆ₁の速度に対する自由せん断層Ｆ₂内の気流の速度の比が0.65〜1.00の範囲内になる位置に配置することが好ましい。壁部７は、主流Ｆ₁による変動力を可能な限り受けないように、風洞試験装置２のノズル端面と略同一平面に配置することが特に好ましい。
【選択図】図１

Description

この発明は、風洞試験装置の開放型測定部内の試験対象物が気流を受けるときに、この気流の主流中から発生する音の音源を探査する音源探査装置、及び開放型測定部内の試験対象物が気流を受けるときに、この気流によって生ずるこの試験対象物の挙動を測定する風洞試験装置に関する。

図７は、従来の風洞試験装置の開放型測定部を概略的に示す平面図である。
従来の風洞試験装置１０２は、図７に示すように、試験対象物（物体）１０１を台車１０３ａ上に設置する風洞測定部１０３と、この風洞測定部１０３に空気を吹き出すノズル(吹出口)１０４ａと、風洞測定部１０３から空気を回収する吸込口１０４ｂと、この風洞測定部１０３内の試験対象物１０１から発生する騒音を測定するマイクロホンアレイ１０６などを備えている（例えば、特許文献１参照）。図７に示す従来の風洞試験装置１０２は、ノズル１０４ａと吸込口１０４ｂとの間の風洞測定部１０３が開放されている開放胴型風洞試験装置である。従来の風洞試験装置１０２では、試験対象物１０１に空気の流れを当てたときに、この試験対象物１０１から発生する空力音などの騒音をマイクロホンアレイ１０６によって測定して、主流Ｆ₁中から発生する音の音源の位置を同定している。従来の風洞試験装置１０２では、空気の流れがマイクロホンアレイ１０６に直接当たらないように、空気の流れから離れた位置にマイクロホンアレイ１０６が配置されている。

特表2000-507360号公報

図７に示す自由せん断層Ｆ₂は、ノズル１０４ａから吹き出した空気流が周囲の静止空気と摩擦を起こし乱れながら拡大するときに、この空気流の乱れの強い領域である。図７に示す従来の風洞試験装置１０２では、音源に近い主流Ｆ₁内にマイクロホンアレイ１０６を設置したときには、主流Ｆ₁によって変動力を受けるためマイクロホンアレイ１０６を強固に固定する必要があるとともに、マイクロホンアレイ１０６と空気の流れとが干渉して雑音が大きくなるのを防ぐ必要がある、このため、マイクロホンアレイ１０６を主流Ｆ₁の影響を受けないように主流Ｆ₁の外側に配置していた。しかし、従来の風洞試験装置１０２では、主流Ｆ₁中から発生する音の音波Ｗが自由せん断層Ｆ₂を通過する際に散乱してしまう。このため、従来の風洞試験装置１０２では、マイクロホンアレイ１０６によって測定される音のパワーが減衰しS/Nが劣化してしまう問題点があるとともに、音源探査時に実際の音源の位置がずれて見えて、位置同定精度が悪化してしまう問題点がある。

この発明の課題は、自由せん断層の影響により生じる音波の劣化を低減して高精度に音源を探査することができる音源探査装置及び風洞試験装置を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、風洞試験装置（２）の開放型測定部（３）内の試験対象物（１）が気流を受けるときに、この気流の主流（Ｆ₁）中から発生する音の音源を探査する音源探査装置であって、前記主流中から発生する音を収音するマイクロホンアレイ（６）を収容する壁部（７）を備え、前記壁部は、前記主流の周囲に形成される自由せん断層（Ｆ₂）内における前記主流の近傍に配置されることを特徴とする音源探査装置（５）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載の音源探査装置において、前記壁部は、前記主流の速度に対する前記自由せん断層内の気流の速度の比が0.40〜1.00の範囲内になる位置に配置されることを特徴とする音源探査装置である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の音源探査装置において、前記壁部は、前記風洞試験装置のノズル端面（４ｄ）と略同一平面内に配置されることを特徴とする音源探査装置である。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の音源探査装置において、前記マイクロホンアレイからの出力信号をクロススペクトル法によって演算処理する演算処理部（８ｃ）を備えることを特徴とする音源探査装置である。

請求項５の発明は、開放型測定部（３）内の試験対象物（１）が気流を受けるときに、この気流によって生ずるこの試験対象物の挙動を測定する風洞試験装置であって、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の音源探査装置（５）を備えることを特徴とする風洞試験装置（２）である。

この発明によると、自由せん断層の影響により生じる音波の劣化を低減して高精度に音源を探査することができる。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の実施形態に係る風洞試験装置の風洞測定部を概略的に示す平面図である。図２は、図１のII方向から見た平面図である。図３は、この発明の実施形態に係る音源探査装置の壁部の一部を破断して示す平面図である。
図１に示す試験対象物１は、模型又は実物の試験体（供試体）である。試験対象物１は、例えば、実際の鉄道車両や集電装置（パンタグラフ）などを模擬（縮小）した模型である。風洞試験装置２は、開放型測定部内の試験対象物１が気流を受けるときに、この気流によって生ずるこの試験対象物１の挙動を測定する装置である。風洞試験装置２は、例えば、風洞測定部３内の試験対象物１に空気を流し、この空気の流れによってこの試験対象物１から発生する空力音などの音響を測定する。風洞試験装置２は、図１に示すように、風洞測定部３と、風洞４と、音源探査装置５などを備える開放胴型風洞試験装置である。

風洞測定部３は、試験対象物１を設置する部分である。風洞測定部３は、風洞４のノズル４ａと吸込口４ｂとの間に配置されて試験対象物１を支持する台車３ａを備えている。風洞４は、空気力学的な諸問題を実験的に調査するために人工的な空気の流れを作る装置である。風洞４は、一定の性状の風を人工的に送風する図示しない送風機、ダクト及び整流装置などと、ノズル４ａと、吸込口４ｂとを備えている。ノズル４ａは、空気を噴出して風洞測定部３に一様な流れを作りこの風洞測定部３に空気を吹き出す部分であり、図２に示すように開口部の形状が四角形になるように、平板状の一対の水平端面４ｃ及び一対の垂直端面４ｄによって構成されている。吸込口４ｂは、風洞測定部３から空気を回収する部分であり、ノズル４ａと同様に平板状の端面によって開口部の形状が四角形に形成されている。

音源探査装置５は、風洞試験装置２の開放型測定部の試験対象物１が気流を受けるときに、この気流の主流Ｆ₁中から発生する音の音源を探査する装置である。音源探査装置５は、図１〜図３に示すように、マイクロホンアレイ６と、壁部７と、信号処理装置８などを備えている。音源探査装置５は、気流の主流Ｆ₁中から発生する音を、この主流Ｆ₁の近傍に配置されたマイクロホンアレイ６によって検出し、このマイクロホンアレイ６の出力信号を信号処置装置８によって処理して主流Ｆ₁中から発生する音の音源を同定する。

マイクロホンアレイ６は、主流Ｆ₁中から発生する音を収音する装置である。マイクロホンアレイ６は、図１〜図３に示すように、複数のマイクロホン(マイクロホン素子)６ａから構成される受音装置であり、１つのマイクロホン６ａでは取得が困難である音の空間的な情報を取得して音の到来方向を推定するために使用される。

マイクロホン６ａは、試験対象物１に空気を流したときにこの試験対象物１から発生する騒音を検出する装置であり、音響エネルギーを電気エネルギーに変換する音響電気変換器である。マイクロホン６ａは、図１〜図３に示すように、所定の間隔をあけて複数配置されており、これらが二次元のマイクロホンアレイ６を構成する。マイクロホン６ａは、図３に示すように、振動面を保護する保護キャップ部６ｂを備えており、この保護キャップ部６ｂの先端面が壁部７の壁面７ａと略同一面(略同一高さ)になるように配置されている。

壁部７は、マイクロホンアレイ６を収容する部材である。壁部７は、図１に示すように、主流Ｆ₁の周囲に形成される自由せん断層Ｆ₂内における主流Ｆ₁の近傍に配置されている。壁部７は、主流Ｆ₁の速度に対する自由せん断層Ｆ₂内の気流の速度の比が0.65を下回る位置に配置されると、主流Ｆ₁からの音の音波Ｗが自由せん断層Ｆ₂によって乱されるおそれがあるため、主流Ｆ₁の速度に対する自由せん断層Ｆ₂内の気流の速度の比が0.65〜1.00の範囲内になる位置に配置することが好ましい。壁部７は、図２に示すように、垂直端面４ｄと略同一平面に配置することが特に好ましい。壁部７は、図１〜図３に示すように、四角形の端板状の部材であり、図３に示すように壁面７ａと、曲面部７ｂと、収容部７ｃと、被覆部７ｄなどを備えている。壁面７ａは、試験対象物１と対向する側の表面であり、平坦面状に形成されている。曲面部７ｂは、空気の流れを乱さず空気抵抗を低減するための部分であり、壁部７の縁部に滑らかな曲線状に形成されている。収容部７ｃは、マイクロホン６ａを収容する部分である。収容部７ｃは、壁部７に形成された貫通孔又は凹部であり、この壁部７に所定の間隔をあけて複数形成されている。被覆部７ｄは、マイクロホン６ａの先端部を被覆する部材である。被覆部７ｄは、マイクロホン６ａの保護キャップの先端部を覆うように、壁部７の壁面７ａに取り付けられたウレタン製の被覆材などである。

信号処理装置８は、マイクロホンアレイ６の出力信号を処理する装置である。信号処理装置８は、マイクロホンアレイ６の各マイクロホン６ａの振動板が出力する電気信号（アナログ信号）から所定の周波数成分を除去するフィルタ部８ａと、このフィルタ部８ａを通過するアナログ信号をディジタル信号に変換するA/D変換部８ｂと、主流Ｆ₁中から発生する音の音源を同定するために、このA/D変換部８ｂの出力信号をクロススペクトル法によって演算処理する演算処理部８ｃと、演算処理部８ｃの演算結果を記憶する記憶部８ｄなどを備えている。信号処理装置８は、例えば、パーソナルコンピュータなどによって構成されており、主流Ｆ₁中から発生する音の音源を探査するための音源探査プログラムに従って所定の処理を実行する。

次に、この発明の実施形態に係る風洞試験装置及び音源探査装置の動作を説明する。
図１及び図２に示すように、風洞測定部３内に試験対象物１を設置して、ノズル４ａから空気を噴出させ試験対象物１に空気を流す。その結果、空気の流れが試験対象物１に当たってこの試験対象物１から空力音が発生し、この空力音をマイクロホンアレイ６によって検出してこの空力音が測定される。このとき、自由せん断層Ｆ₂内における主流Ｆ₁の近傍に壁部７が配置されているため、主流Ｆ₁中から発生する音の音波Ｗが自由せん断層Ｆ₂によって大きく乱される前に、マイクロホンアレイ６によってこの音が測定される。マイクロホンアレイ６の出力信号が信号処理装置８に入力すると、 このマイクロホンアレイ６からの出力信号をクロススペクトル法によって演算処理部８ｃが演算処理し、主流Ｆ₁中から発生する音の音源の位置が同定される。

この発明の実施形態に係る音源探査装置及び風洞試験装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、マイクロホンアレイ６を収容する収容部７ｃを表面に有する壁部７を自由せん断層Ｆ₂内における主流Ｆ₁の近傍に配置する。このため、主流Ｆ₁中からの音の音波Ｗを自由せん断層Ｆ₂によって乱される前に測定することができる。その結果、図７に示す従来の風洞試験装置１０２のような自由せん断層Ｆ₂の影響により生ずる音波Ｗの劣化を防ぐことができるとともに、主流Ｆ₁による移流効果によって生じる音源位置の同定精度の誤差を改善することができる。また、マイクロホンアレイ６を壁部７に収容することができるため、マイクロホンアレイ６を主流Ｆ₁の近傍で強固に固定することができる。

(2) この実施形態では、主流Ｆ₁の速度に対する自由せん断層Ｆ₂内の気流の速度の比が0.40〜1.00の範囲内になる位置に壁部７が配置される。例えば、この実施形態では、風洞試験装置２の垂直端面４ｄと略同一平面内に壁部７が配置される。このため、高精度に信号を検出して音源位置の同定精度を向上させることができる。

(3) この実施形態では、マイクロホンアレイ６からの出力信号をクロススペクトル法によって演算処理部８ｃが演算処理する。このため、マイクロホン６ａと主流Ｆ₁との干渉によって各マイクロホン６ａに入射する無相関な雑音成分を信号処理によって除去することができ、信号成分を効果的に抽出することができる。

図４は、この発明の実施例に係る風洞試験装置の風洞測定部を模式的に示す平面図である。図５は、この発明の実施例に係る風洞試験装置の風洞測定部における流速分布を示すグラフである。
図４に示す風洞試験装置２０のノズル４０ａから風洞測定部３０に空気を吹き出し、風洞測定部３０における速度分布を測定した。測定は、財団法人鉄道総合技術研究所の風洞技術センター（米原）内における開放胴型の風洞試験装置を使用して行った。図４に示すＸ_arrayは、ノズル４０ａの先端部からマイクロホンアレイ中心までの下流方向の距離（Ｘ軸方向距離）であり、Ｙ_arrayはノズル４０ａの先端部の中心から壁部７０の表面までの距離（Ｙ軸方向距離）である。ノズル４０ａの形状は、幅3000mm、高さ2500mmの四角形である。図５に示す縦軸は、主流速度との比であり、図１に示す主流Ｆ₁の速度に対する自由せん断層Ｆ₂内の気流の速度の比を表し、横軸はＹ軸方向距離(m)である。

図５に示すグラフは、風速300km/hの空気が流れる風洞測定部３０の台車３０ａ上の高さ1255mmの位置に音源装置（ジェットノイズ発生装置）１０を設置し、Ｘ軸方向の速度成分をＹ軸方向分布で示した測定結果である。このグラフでは、図４に示すＸ軸方向距離=2000mm，4000mmの２点において、Ｙ軸方向距離が異なる複数の位置で測定したときの主流速度との比を表している。図５に示すように、主流の外側に向かって徐々に気流の速度が低下し、下流側ほど速度分布がなだらかになっており、ノズル４０ａから噴出した空気流が周囲の静止空気と摩擦を起こし乱れながら拡大して、主流の周囲に自由せん断層が形成されていることが分かる。また、図５に示す主流速度との比が0.65を下回ると、音のパワーが減衰して音源位置の同定精度が悪化し、主流速度との比が0.65以上であると、信号を精度よく検出し音源位置の同定精度が向上することが確認された。

図６は、この発明の実施例に係る風洞試験装置の風洞測定部に設置した音源装置の周囲の音圧レベル分布を示す図であり、図６（Ａ）は自由せん断層の外側に壁部を設置したときの音圧レベル分布を示し、図６（Ｂ）は主流近傍に壁部を設置したときの音圧レベル分布を示す。
図４に示す音源装置１０を供試体として、風洞測定部３０の台車３０ａ上の高さ1255mmの位置にこの音源装置１０を設置し、マイクロホンアレイによって空力騒音を測定してクロススペクトル法によって音源を探査した。図６に示す音圧レベル分布は、風速300km/h、周波数10khz帯における測定結果であり、1/3オクターブバンド毎に得られた最大レベル値を0dbとした相対音圧レベルによって示している。図４に示すノズル４０ａの中心(風洞中心)からＹ_array=2400mm離れた位置（自由せん断層から離れた位置）に壁部７０を設置したときには、図６（Ａ）に示すように音源が不明瞭であった。しかし、図４に示す風洞中心からＹ_array=1500mm離れた主流の近傍に壁部７０を設置したときには、図６（Ｂ）に示すように音源を明瞭に捉えらることができた。以上より、主流の近傍に壁部７０を設置してマイクロホンアレイの出力信号をクロススペクトル法によって信号処理したときには、主流中の音の音源を高精度に探査可能であることが確認された。

この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。例えば、この実施形態では、風洞測定部３に空気を流す場合を例に挙げて説明したが、空気以外の気体を風洞測定部３に流す場合についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、マイクロホンアレイ６からの出力信号をクロススペクトル法によって演算処理する場合を例に挙げて説明したが、他の信号処理方法によって演算処理することもできる。さらに、この実施形態では、ノズル４ａの開口部の形状が四角形である場合を例に挙げて説明したが、開口部の形状が円形又は楕円形である場合についてもこの発明を適用することができる。

この発明の実施形態に係る風洞試験装置の風洞測定部を概略的に示す平面図である。 図１のII方向から見た平面図である。 この発明の実施形態に係る音源探査装置の壁部の一部を破断して示す平面図である。 この発明の実施例に係る風洞試験装置の風洞測定部を模式的に示す平面図である。 この発明の実施例に係る風洞試験装置の風洞測定部における流速分布を示すグラフである。 この発明の実施例に係る風洞試験装置の風洞測定部に設置した音源装置の周囲の音圧レベル分布を示す図であり、（Ａ）は自由せん断層の外側に壁部を設置したときの音圧レベル分布を示し、（Ｂ）は主流近傍に壁部を設置したときの音圧レベル分布を示す。 従来の風洞試験装置の開放型測定部を概略的に示す平面図である。

符号の説明

１ 試験対象物
２ 風洞試験装置
３ 風洞測定部
３ａ 台車
４ 風洞
４ａ ノズル
４ｂ 吸込口
４ｃ 水平端面
４ｄ 垂直端面(ノズル端面)
５ 音源探査装置
６ マイクロホンアレイ
６ａ マイクロホン
６ｂ 保護キャップ部
７ 壁部
７ａ 壁面
７ｂ 曲面部
７ｃ 収容部
７ｄ 被覆部
８ 信号処理装置
８ａ フィルタ部
８ｂ A/D変換部
８ｃ 演算処理部
８ｄ 記憶部
Ｆ₁ 主流
Ｆ₂ 自由せん断層
Ｗ 音波

Claims (5)

1. 風洞試験装置の開放型測定部内の試験対象物が気流を受けるときに、この気流の主流中から発生する音の音源を探査する音源探査装置であって、
   前記主流中から発生する音を収音するマイクロホンアレイを収容する壁部を備え、
   前記壁部は、前記主流の周囲に形成される自由せん断層内における前記主流の近傍に配置されること、
   を特徴とする音源探査装置。
2. 請求項１に記載の音源探査装置において、
   前記壁部は、前記主流の速度に対する前記自由せん断層内の気流の速度の比が0.40〜1.00の範囲内になる位置に配置されること、
   を特徴とする音源探査装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の音源探査装置において、
   前記壁部は、前記風洞試験装置のノズル端面と略同一平面内に配置されること、
   を特徴とする音源探査装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の音源探査装置において、
   前記マイクロホンアレイからの出力信号をクロススペクトル法によって演算処理する演算処理部を備えること、
   を特徴とする音源探査装置。
5. 開放型測定部内の試験対象物が気流を受けるときに、この気流によって生ずるこの試験対象物の挙動を測定する風洞試験装置であって、
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の音源探査装置を備えること、
   を特徴とする風洞試験装置。