JP2014084047A5 - - Google Patents

Description

空力騒音低減装置

本発明は、空気流中に置かれた物体の表面に突出する段差部の下流の剥離領域から発生する空力騒音を低減する空力騒音低減装置に関する。

風車の翼の後縁部近傍に設けた空気噴射口から翼表面の剥離領域に空気を噴射することで騒音を低減する風車の気流騒音低減装置が、下記特許文献１により公知である。

この風車の気流騒音低減装置は、空気噴射口から噴射された空気の流れにより翼表面と剥離領域との間に渦を発生させ、この渦を剥離領域の渦と干渉させることで該剥離領域を吸引して翼表面に再付着するのを促進し、剥離領域を小さくして騒音を低減するものである。

特開２００３−２５４２２６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたものは、騒音源となる渦を含む剥離領域を小さくして間接的に騒音低減を図っているだけであり、騒音源自体を直接的に抑制するものではないため、その騒音低減効果は限定的である。しかも空気噴射口から噴射された空気の流れにより翼表面と剥離領域との間に渦を発生させ、この渦を利用して剥離領域を小さくしているが、空気噴射口から噴射された空気により発生させた渦自体が新たな騒音源となって充分な騒音低減効果が得られない可能性がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、空気流中に置かれた物体の表面に突出する段差部の下流の剥離領域から発生する空力騒音を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、空気流中に置かれた物体の表面に突出する段差部の下流の剥離領域から発生する空力騒音を低減する空力騒音低減装置であって、前記剥離領域におけるレイノルズ応力が最大になる位置に近接する前記段差部に空気噴出口を開口させ、前記空気噴出口から前記レイノルズ応力が最大になる位置に向けて空気を噴出させることを特徴とする空力騒音低減装置が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記段差部に空気吸入口を開口させ、前記空気吸入口と前記空気噴出口とを連通路で連通させたことを特徴とする空力騒音低減装置が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記空気噴出口からの空気の噴出速度は主流の流速の１／２以上であることを特徴とする空力騒音低減装置が提案される。

尚、実施の形態のフロントガラス１１およびフロントピラー１２は本発明の物体に対応する。

請求項１の構成によれば、空気流中に置かれた物体の表面から段差部が突出していると、段差部の下流の空気流の剥離領域から空力騒音が発生するが、剥離領域におけるレイノルズ応力が最大になる位置に近接する段差部に空気噴出口を開口させ、空気噴出口からレイノルズ応力が最大になる位置に向けて空気を噴出させることで、剥離領域の剥離剪断層の速度勾配を緩和してレイノルズ応力の最大値を減少させ、空力騒音を効果的に低減することができる。

また請求項２の構成によれば、段差部に空気吸入口を開口させ、空気吸入口と空気噴出口とを連通路で連通させたので、空気吸入口から吸い込まれた空気が連通路を通って空気噴出口から噴出することで、空気噴出口から空気を噴出させるための特別の駆動源が不要になる。

また請求項３の構成によれば、空気噴出口からの空気の噴出速度が主流の流速の１／２以上であれば、最大限の騒音低減効果を得ることができる。

自動車のフロントピラーの前縁の段差部を示す図。 段差部の近傍におけるレイノルズ応力の分布を示す図。 空気噴出による騒音レベルの低減効果を説明するグラフ。 空気噴出口の位置と騒音レベルとの関係を示すグラフ。 空気噴出速度と騒音レベルとの関係を示すグラフ。

以下、図１〜図５に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１および図２に示すように、本実施の形態は自動車のフロントガラス１１とフロントピラー１２との間の段差部１４に発生する空力騒音の低減を図るものである。フロントピラー１２の前縁には角柱状の前縁部材１３が設けられており、前縁部材１３の相互に隣接する前面１３ａおよび側面１３ｂには、それぞれフロントピラー１２の長手方向と平行に延びるスリット状の空気吸入口１３ｃおよび空気噴出口１３ｄが形成されており、空気吸入口１３ｃおよび空気噴出口１３ｄは前縁部材１３の内部に形成されたＬ字状に屈曲する連通路１３ｅで連通する。

従って、平坦なフロントガラス１１の表面からフロントピラー１２がステップ状に突出し、フロントガラス１１とフロントピラー１２の前縁部材１３との間に段差部１４が形成される。自動車の走行時にフロントガラス１１に当たった走行風の一部は後方のルーフ側に流れるが、残りの一部は車幅方向外側に流れてフロントピラー１２の前縁部材１３の前面１３ａとの間の段差部１４を乗り越え、フロントピラー１２の前縁部材１３の側面１３ｂに沿って後方に流れることになる。フロントピラー１２に向かう空気の流れは、フロントピラー１２の長手方向の速度成分と、フロントピラー１２の長手方向に直交する方向の速度成分とを含むが、ここでは後者のフロントピラー１２の長手方向に直交する方向の速度成分に着目する。

図２はフロントピラー１２の長手方向に直交する面における前縁部材１３の前面１３ａおよび側面１３ｂ間のエッジ近傍の拡大図であり、フロントガラス１１および前縁部材１３の側面１３ｂに沿う主流の方向をＸ方向と定義し、それと直交する方向、つまりフロントガラス１１および前縁部材１３の側面１３ｂの法線の方向をＹ方向と定義する。この定義によれば、前縁部材１３の前面１３ａの空気吸入口１３ｃは主流の方向に対向するＸ方向に開口し、また前縁部材１３の側面１３ｂの空気噴出口１３ｄは主流の方向に直交するＹ方向に開口する。

フロントガラス１１およびフロントピラー１２間に段差部１４が存在するため、前縁部材１３の前面１３ａおよび側面１３ｂ間のエッジで空気流が剥離し、その後方に剥離領域が形成される。フロントピラー１２は略一定断面の直状部材であるため、その段差部１４を通過する流れを、図２のＸ−Ｙ平面内の二次元流れであると仮定する。剥離領域における乱流のＸ方向（主流の方向）の速度ｕと、Ｙ方向（段差部１４の高さ方向）の速度ｖとは、Ｘ方向の時間的平均速度をｕ_AVとし、Ｘ方向の変動速度をｕ′とし、Ｙ方向の時間的平均速度をｖ_AVとし、Ｙ方向の変動速度をｖ′としたとき、
ｕ＝ｕ_AV＋ｕ′
ｖ＝ｖ_AV＋ｖ′
で表される。即ち、Ｘ方向速度ｕは、Ｘ方向の時間的平均速度ｕ _AVとＸ方向の変動速度ｕ′との和で表され、Ｙ方向速度ｖは、Ｙ方向の時間的平均速度ｖ _AVと、Ｙ方向の変動速度ｖ′との和で表される。

ρを空気密度としたとき、乱流により発生する剪断応力（レイノルズ応力）τは、
τ＝−ρ・（ｕ′・ｖ′）_AV
で表される。ここで、（ｕ′・ｖ′）_AVは、Ｘ方向の変動速度ｕ′とＹ方向の変動速度ｖ′との積の時間的平均値であり、Ｘ方向の変動速度ｕ′およびＹ方向の変動速度ｖ′が所定の相関を持つ場合には、（ｕ′・ｖ′）_AVはゼロにならないため、レイノルズ応力τが発生することになる。剥離領域における騒音源がレイノルズ応力τが最大になる位置で発生する乱流中の横渦であると想定し、Ｘ−Ｙ平面内の流れ場のレイノルズ応力τを計算すれば、その値が最大になる部分を騒音源として特定することができる。

図２（Ｂ）は空気噴出を行わない比較例を示すものであり、等高線状のラインはレイノルズ応力τが等しい点を結んだもので、その頂点に相当する点Ｐがレイノルズ応力τが最大になる騒音源であることを示している。図２（Ｂ）において、等高線状のラインが密であることからレイノルズ応力τが大きいことが分かり、レイノルズ応力τが最大になる点ＰのＸ方向位置は、前縁部材１３の前面１３ａから後方に約１ｍｍの位置であることが分かる。

図２（Ａ）は空気噴出を行う実施の形態を示すものであり、前縁部材１３の空気噴出口１３ｄは上記したレイノルズ応力τが最大になる点Ｐを指向するように開口しており、従って前縁部材１３の前面１３ａに衝突した空気の一部が、空気吸入口１３ｃから連通路１３ｅを通過して空気噴出口１３ｄからレイノルズ応力τが最大になる点Ｐに向けて噴出する。

このように、剥離領域内の騒音源に空気噴出口１３ｄから空気を定常的に供給すると、等高線状のラインが疎になっていることから分かるように、剥離剪断層の速度勾配が緩和されてレイノルズ応力τが減少することで、空力騒音が効果的に低減する。そして空気噴出口１３ｄがレイノルズ応力τが最大になる点Ｐを指向することで、空力騒音の低減効果が顕著なものとなる。

図３のグラフは、各周波数における騒音レベルを、空気噴出を行わない比較例（破線参照）および空気噴出を行う実施の形態（実線参照）について示すもので、空気噴出を行うことにより、一部の周波数領域を除く大部分の周波数領域で騒音レベルが低下することが分かる。

図４のグラフは、前縁部材１３の前面１３ａから後方への空気噴出口１３ｄの位置を変化させた場合の騒音レベルを示すもので、空気噴出口１３ｄの位置が前縁部材１３の前面１３ａから後方に１ｍｍであってレイノルズ応力τが最大になる点Ｐを指向するとき、騒音レベルが劇的に低下することが分かる。

図５のグラフは、空気噴出口１３ｄの位置を前縁部材１３の前面１３ａから１ｍｍとし、空気噴出口１３ｄからの空気の噴出速度を変化させた場合の騒音レベルを示すもので、空気の噴出速度が増加するに伴って騒音レベルが急激に低下し、空気の噴出速度が主流の流速の約１／２になった後は、空気の噴出速度が増加しても騒音レベルは略一定に維持される。即ち、空気の噴出速度が主流の流速の約１／２以上であれば、最大限の騒音低減効果が得られることが分かる。

以上のように、本実施の形態によれば、フロントガラス１１の表面からフロントピラー１２が段差部１４を介して突出していると、段差部１４において空気流が剥離して空力騒音が発生するが、剥離領域におけるレイノルズ応力τが最大になる点Ｐに近接する段差部１４に空気噴出口１３ｄを開口させ、空気噴出口１３ｄからレイノルズ応力τが最大になる点Ｐに向けて空気を噴出させることで、剥離領域の剥離剪断層の速度勾配を緩和してレイノルズ応力τの最大値を減少させ、空力騒音を効果的に低減することができる。その際に、空気噴出口１３ｄからの空気の噴出速度が主流の流速の１／２以上であれば、最大限の騒音低減効果を得ることができる。

しかも段差部１４を構成するフロントピラー１２の前縁部材１３の前面１３ａに空気吸入口１３ｃを開口させるとともに、前縁部材１３の側面１３ｂに空気噴出口１３ｄを開口させ、空気吸入口１３ｃと空気噴出口１３ｄとを連通路１３ｅで連通させたので、空気吸入口１３ｃから吸い込まれた空気が連通路１３ｅを通って空気噴出口１３ｄから噴出することで、空気噴出口１３ｄから空気を噴出させるためのポンプ等の特別の駆動源が不要になり、部品点数、組立工数、スペースおよびコストの削減に寄与することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では本発明を自動車のフロントガラス１１およびフロントピラー１２間の段差部１４に適用しているが、本発明は自動車以外の任意の物体の任意の場所に適用することができる。

また実施の形態では、走行風を空気吸入口１３ｃから取り入れて空気噴出口１３ｄから噴出させているが、ポンプ等で圧縮した空気やタンクに蓄圧した空気を空気噴出口１３ｄから噴出させても良い。

１１ フロントガラス（物体）
１２ フロントピラー（物体）
１３ｃ 空気吸入口
１３ｄ 空気噴出口
１３ｅ 連通路
１４ 段差部