JP2790593B2 - 音響共鳴器 - Google Patents
音響共鳴器Info
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- resonator
- acoustic resonator
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- acoustic
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- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K15/00—Acoustics not otherwise provided for
- G10K15/04—Sound-producing devices
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- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
- G10K11/04—Acoustic filters ; Acoustic resonators
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
- F25B2309/1404—Pulse-tube cycles with loudspeaker driven acoustic driver
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- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
- F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
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- G01N2291/02491—Materials with nonlinear acoustic properties
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- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
- Soundproofing, Sound Blocking, And Sound Damping (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Medicines Containing Antibodies Or Antigens For Use As Internal Diagnostic Agents (AREA)
- Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は近線形マクロ音波が共鳴
音響室で発生される音響共鳴器に関し、特に共鳴音響圧
縮器に適用される音響共鳴器に関するものである。
音響室で発生される音響共鳴器に関し、特に共鳴音響圧
縮器に適用される音響共鳴器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】本発明者による米国特許第5,020,977 号
は、音響圧縮を用いた圧縮−蒸発冷却システムの為の圧
縮器（コンプレッサ）に向けられている。この圧縮器は
流体冷媒を保持するための小室（チャンバー）を含む定
在波圧縮器で形成されている。その小室における流体冷
媒には進行波が形成される。この進行波はその小室にお
ける流体冷媒において定在波に変換され、その流体冷媒
が圧縮されるようになっている。
は、音響圧縮を用いた圧縮−蒸発冷却システムの為の圧
縮器（コンプレッサ）に向けられている。この圧縮器は
流体冷媒を保持するための小室（チャンバー）を含む定
在波圧縮器で形成されている。その小室における流体冷
媒には進行波が形成される。この進行波はその小室にお
ける流体冷媒において定在波に変換され、その流体冷媒
が圧縮されるようになっている。
【０００３】今まで、線形音響学の分野は主として小さ
な音圧振幅の領域に限定されていた。この音圧振幅が大
きくなると、平均的な流体圧力の場合と比べて非線形性
が生じる。この様な状態では純粋な正弦波は通常衝撃波
に発展してしまう。
な音圧振幅の領域に限定されていた。この音圧振幅が大
きくなると、平均的な流体圧力の場合と比べて非線形性
が生じる。この様な状態では純粋な正弦波は通常衝撃波
に発展してしまう。
【０００４】この様な衝撃波に発展するのは、圧力急上
昇と称される圧力の大きな変動によって引き起こされる
流体（気体）速度の空間的な変化によるものである。波
が伝播する間、有限波の圧力ピークの熱力学的な状態は
その圧力が最小の状態と全く異なっており、波の広がり
に沿って異なった流体速度になってしまう。この結果、
波の圧力ピークが圧力最小値を凌駕してしまい衝撃波に
発展する。
昇と称される圧力の大きな変動によって引き起こされる
流体（気体）速度の空間的な変化によるものである。波
が伝播する間、有限波の圧力ピークの熱力学的な状態は
その圧力が最小の状態と全く異なっており、波の広がり
に沿って異なった流体速度になってしまう。この結果、
波の圧力ピークが圧力最小値を凌駕してしまい衝撃波に
発展する。
【０００５】衝撃波の形成は、自由空間、導波管、及び
音響共鳴器を伝播する波に対して生じ得る。下記の刊行
物は色々な種類の音響共鳴器において衝撃波が生ずるこ
とについて述べたものである。
音響共鳴器を伝播する波に対して生じ得る。下記の刊行
物は色々な種類の音響共鳴器において衝撃波が生ずるこ
とについて述べたものである。
【０００６】テムキンは衝撃波形成によるピストン駆動
型シリンダー状共鳴器における音圧振幅制限値の計算方
法を開発した（米国音響学会誌1969年45,224におけるサ
ミュエル・テムキン（Samuel Temkin)による「伝播・定
在のこぎり歯波形」）。まず彼は共鳴器における左右の
進行衝撃波の存在を想定し更に二つの衝撃波によって引
き起こされるエントロピーの増加を見つけ出している。
このエントロピーの損失は駆動装置（ドライバー）の変
位の関数として音圧振幅を制限するために解かれるエネ
ルギー平衡式に代入される。テムキンの理論は有限振幅
の進行波及び定在波の双方に対する実験結果と極めて一
致していた。
型シリンダー状共鳴器における音圧振幅制限値の計算方
法を開発した（米国音響学会誌1969年45,224におけるサ
ミュエル・テムキン（Samuel Temkin)による「伝播・定
在のこぎり歯波形」）。まず彼は共鳴器における左右の
進行衝撃波の存在を想定し更に二つの衝撃波によって引
き起こされるエントロピーの増加を見つけ出している。
このエントロピーの損失は駆動装置（ドライバー）の変
位の関数として音圧振幅を制限するために解かれるエネ
ルギー平衡式に代入される。テムキンの理論は有限振幅
の進行波及び定在波の双方に対する実験結果と極めて一
致していた。
【０００７】クルークシャンクはピストン駆動型シリン
ダー状共鳴器における有限振幅音響振動に付いての理論
的且つ実験的な比較を行った（米国音響学会誌1972年5
2,1024 におけるディ・ビー・クルークシャンク（D.B.
Cruikshank)による「閉塞管における有限振幅音響振動
の実験的考察」）。クルークシャンクは実験的に発生さ
せた衝撃波形と理論的に発生させた衝撃波形との間の綿
密なる一致を示した。
ダー状共鳴器における有限振幅音響振動に付いての理論
的且つ実験的な比較を行った（米国音響学会誌1972年5
2,1024 におけるディ・ビー・クルークシャンク（D.B.
Cruikshank)による「閉塞管における有限振幅音響振動
の実験的考察」）。クルークシャンクは実験的に発生さ
せた衝撃波形と理論的に発生させた衝撃波形との間の綿
密なる一致を示した。
【０００８】多くの文献と同様にテムキン及びクルーク
シャンクの努力は共に管の末端がピストン面と平行にな
っている一定断面積のピストン駆動型シリンダー状共鳴
器（以下、ＣＣＳ共鳴器と称することがある）であるこ
とを前提としている。ＣＣＳ共鳴器はその波の高調波成
分と周波数が一致した高調波モードを有しているので衝
撃波への発展が制限されている。これらの論文では述べ
られていないが、テムキン及びクルークシャンクは彼ら
の解法においてのこぎり歯衝撃波を前提とすることを示
唆しており、これはＣＣＳ共鳴器についてのみ正当化さ
れるものである。
シャンクの努力は共に管の末端がピストン面と平行にな
っている一定断面積のピストン駆動型シリンダー状共鳴
器（以下、ＣＣＳ共鳴器と称することがある）であるこ
とを前提としている。ＣＣＳ共鳴器はその波の高調波成
分と周波数が一致した高調波モードを有しているので衝
撃波への発展が制限されている。これらの論文では述べ
られていないが、テムキン及びクルークシャンクは彼ら
の解法においてのこぎり歯衝撃波を前提とすることを示
唆しており、これはＣＣＳ共鳴器についてのみ正当化さ
れるものである。
【０００９】非高調波モードの共鳴器については、のこ
ぎり歯衝撃波を単純に前提とする事はもはや当てはまら
ない。これは、衝撃波の形成により共鳴器において制限
音圧振幅の近似方法を開発したウェイナーによって示さ
れていた（米国音響学会誌1966年40,240におけるステフ
ァン・ウェイナー（Stephen Weiner）による「有限振幅
の定在波」）。ウェイナーは衝撃波の存在を前提として
始めており更に基本波によって行われる作業を高調波に
よって計算している。この作業は駆動装置変位の関数と
して音圧振幅を制限するために解かれるエネルギー平衡
式に代入されている。
ぎり歯衝撃波を単純に前提とする事はもはや当てはまら
ない。これは、衝撃波の形成により共鳴器において制限
音圧振幅の近似方法を開発したウェイナーによって示さ
れていた（米国音響学会誌1966年40,240におけるステフ
ァン・ウェイナー（Stephen Weiner）による「有限振幅
の定在波」）。ウェイナーは衝撃波の存在を前提として
始めており更に基本波によって行われる作業を高調波に
よって計算している。この作業は駆動装置変位の関数と
して音圧振幅を制限するために解かれるエネルギー平衡
式に代入されている。
【００１０】ウェイナーは更に、偶数高調波が減衰する
ことによって基本波の音圧振幅制限値がより高いものに
なることを示している。彼は偶数高調波の減衰を引き起
こす共鳴器を例にとって固体推進薬燃焼研究の為に用い
られる「Ｔ型バーナー」と称されるＴ型小室に言及して
いる。このＴ型バーナーは中心に通気孔を有する熱的に
駆動される半波長(1/2波長) 共鳴器として作用する。各
偶数モードではその通気孔において音圧波腹となってお
り、従ってその通気孔を通してエネルギーが放射状に減
衰していくことを経験している。ウェイナーは高調波を
除去するものとして減衰以外にはなんら示唆していな
い。減衰はエネルギーの消失でありエネルギー効率から
は望ましくない。
ことによって基本波の音圧振幅制限値がより高いものに
なることを示している。彼は偶数高調波の減衰を引き起
こす共鳴器を例にとって固体推進薬燃焼研究の為に用い
られる「Ｔ型バーナー」と称されるＴ型小室に言及して
いる。このＴ型バーナーは中心に通気孔を有する熱的に
駆動される半波長(1/2波長) 共鳴器として作用する。各
偶数モードではその通気孔において音圧波腹となってお
り、従ってその通気孔を通してエネルギーが放射状に減
衰していくことを経験している。ウェイナーは高調波を
除去するものとして減衰以外にはなんら示唆していな
い。減衰はエネルギーの消失でありエネルギー効率から
は望ましくない。
【００１１】高調波減衰手法の別の例が気体燃焼加熱の
文献に見ることができる。（例えば、1971年米国エルセ
ビア（Elsevier) 出版社発行のアボット・エイ・プット
ナム（Abbott A. Putnam) による工業上の燃焼駆動型振
動を参照。）減衰手法を用いた一般的な雑音制御の分野
においてはエネルギー損失は重要でないので他の具体例
を見出すことができる。一つの顕著な例はマイクロホン
を較正するための強音を発生しようとしたオバーストの
ものが挙げられる（1940年アクスト・ゼット（Akust.
Z.) 5 ，27におけるハーマン・オバースト（Hermann Ob
erst）による「気中における極めて強力な定在音波の発
生方法」）。オバーストは非高調波共鳴モードを有する
共鳴器によって有限振幅波の高調波成分が減少したこと
を発見している。彼の共鳴器は直径が異なる二つの管を
接続することによって形成されており、小さい方の管は
終端されており、大きい方の管は開放されている。この
共鳴器の開放端は回転する穴の開いたディスクによって
変調されたエアージェットによって駆動されている。
文献に見ることができる。（例えば、1971年米国エルセ
ビア（Elsevier) 出版社発行のアボット・エイ・プット
ナム（Abbott A. Putnam) による工業上の燃焼駆動型振
動を参照。）減衰手法を用いた一般的な雑音制御の分野
においてはエネルギー損失は重要でないので他の具体例
を見出すことができる。一つの顕著な例はマイクロホン
を較正するための強音を発生しようとしたオバーストの
ものが挙げられる（1940年アクスト・ゼット（Akust.
Z.) 5 ，27におけるハーマン・オバースト（Hermann Ob
erst）による「気中における極めて強力な定在音波の発
生方法」）。オバーストは非高調波共鳴モードを有する
共鳴器によって有限振幅波の高調波成分が減少したこと
を発見している。彼の共鳴器は直径が異なる二つの管を
接続することによって形成されており、小さい方の管は
終端されており、大きい方の管は開放されている。この
共鳴器の開放端は回転する穴の開いたディスクによって
変調されたエアージェットによって駆動されている。
【００１２】このような構造によってオバーストは0.02
バール(bar) の駆動音圧振幅を0.10バールの共鳴音圧振
幅にすることが出来、基本波に対して５倍にすることが
出来た。その駆動波形は30％エラー（即ち、正弦波から
の偏差）を有しており、共鳴器によってたったの5 ％エ
ラーの波形に変形されている。しかしながら、彼はもし
より以上の音響パワーが与えられるなら、非線形歪みが
明らかに現れるであろうと予測している。実際、高調波
成分はたったの0.005 バールの共鳴音圧振幅に対応する
オバーストの波形において顕著に見られる。オバースト
はこの様な有限振幅波の作用が共鳴器モードと高調波と
の不一致に起因するものと見ている。但し、共鳴器と高
調波との間の正確な相互作用に付いては何ら説明がなさ
れていない。オバーストの見解は、共鳴波の低下したス
ペクトル密度が駆動用波形高調波に与えられる比較的小
さいＱ増幅度の単なる結果であるということであると思
われる。この説明はオバーストによって得られる控え目
な音圧振幅についてのみ信じ得るものである。オバース
トは彼の方法によって彼が達成した線形音圧振幅よりも
大きいものをもたらすことが出来ることはなんら教示又
は示唆しておらず、それに対する楽観的な見方も何ら示
していない。反対に、オバーストは非線形性はより大き
な音圧振幅において支配的になるであろうと述べてい
る。
バール(bar) の駆動音圧振幅を0.10バールの共鳴音圧振
幅にすることが出来、基本波に対して５倍にすることが
出来た。その駆動波形は30％エラー（即ち、正弦波から
の偏差）を有しており、共鳴器によってたったの5 ％エ
ラーの波形に変形されている。しかしながら、彼はもし
より以上の音響パワーが与えられるなら、非線形歪みが
明らかに現れるであろうと予測している。実際、高調波
成分はたったの0.005 バールの共鳴音圧振幅に対応する
オバーストの波形において顕著に見られる。オバースト
はこの様な有限振幅波の作用が共鳴器モードと高調波と
の不一致に起因するものと見ている。但し、共鳴器と高
調波との間の正確な相互作用に付いては何ら説明がなさ
れていない。オバーストの見解は、共鳴波の低下したス
ペクトル密度が駆動用波形高調波に与えられる比較的小
さいＱ増幅度の単なる結果であるということであると思
われる。この説明はオバーストによって得られる控え目
な音圧振幅についてのみ信じ得るものである。オバース
トは彼の方法によって彼が達成した線形音圧振幅よりも
大きいものをもたらすことが出来ることはなんら教示又
は示唆しておらず、それに対する楽観的な見方も何ら示
していない。反対に、オバーストは非線形性はより大き
な音圧振幅において支配的になるであろうと述べてい
る。
【００１３】音響共鳴器における非線形性の別の原因は
大きな流体速度で生じ得る境界層乱流である。メークリ
及びトーマンは、有限音圧振幅においては振動する層流
が乱流となる臨界点が有ることを実験的に示している
（流体力学誌1975年68，567 におけるピー・メークリ
（P. Merkli)及びエイチ・トーマン(H. Thomann)による
「振動管流における乱流への移行」）。彼らの研究もＣ
ＣＳ共鳴器において実行されたものである。
大きな流体速度で生じ得る境界層乱流である。メークリ
及びトーマンは、有限音圧振幅においては振動する層流
が乱流となる臨界点が有ることを実験的に示している
（流体力学誌1975年68，567 におけるピー・メークリ
（P. Merkli)及びエイチ・トーマン(H. Thomann)による
「振動管流における乱流への移行」）。彼らの研究もＣ
ＣＳ共鳴器において実行されたものである。
【００１４】全体として有限共鳴音響学の文献は、共鳴
器によって課される境界条件とは無関係に流体に元々存
在する非線形性があらゆる共鳴系に最終的に支配的にな
るであろうということを予測しているように思われる。
これらの文献から予測される限界は本発明の実際の性能
より遙かに下回るものである。
器によって課される境界条件とは無関係に流体に元々存
在する非線形性があらゆる共鳴系に最終的に支配的にな
るであろうということを予測しているように思われる。
これらの文献から予測される限界は本発明の実際の性能
より遙かに下回るものである。
【００１５】従って、本発明者による上記の米国特許第
5,020,977 号において示された種類の蒸気−圧縮伝熱シ
ステムのための気体圧縮手段として衝撃波のない非常に
大きな音圧振幅を効率良く発生する技術が必要になって
いる。更に、熱音響熱機関のように音響分野において大
きな振幅の正弦波形を生成すれば他の多くの応用例を得
ることも可能となる。
5,020,977 号において示された種類の蒸気−圧縮伝熱シ
ステムのための気体圧縮手段として衝撃波のない非常に
大きな音圧振幅を効率良く発生する技術が必要になって
いる。更に、熱音響熱機関のように音響分野において大
きな振幅の正弦波形を生成すれば他の多くの応用例を得
ることも可能となる。
【００１６】
【発明の概要】本発明の目的は、高調波の破壊的な自己
干渉を助長する事によって衝撃波の形成を排除し以て極
めて大きな振幅の近線形音圧が達成出来る音響共鳴器を
提供する事である。
干渉を助長する事によって衝撃波の形成を排除し以て極
めて大きな振幅の近線形音圧が達成出来る音響共鳴器を
提供する事である。
【００１７】本発明の別の目的は、有限音響波（音波）
の境界層乱流によって引き起こされる非線形エネルギー
消失を最小にした音響共鳴器を提供する事である。
の境界層乱流によって引き起こされる非線形エネルギー
消失を最小にした音響共鳴器を提供する事である。
【００１８】本発明の更に別の目的は、境界粘性エネル
ギー散逸及び境界熱エネルギー散逸を最小にする音響共
鳴器を提供する事である。
ギー散逸及び境界熱エネルギー散逸を最小にする音響共
鳴器を提供する事である。
【００１９】本発明の更に別の目的は大きな音圧振幅を
得るための音響駆動装置を提供する事である。
得るための音響駆動装置を提供する事である。
【００２０】本発明の更に別の目的は高調波の富んだ波
形によって駆動されるとともに近正弦波圧力振動を維持
する音響共鳴器を提供する事である。
形によって駆動されるとともに近正弦波圧力振動を維持
する音響共鳴器を提供する事である。
【００２１】本発明の音響共鳴器は流体を入れる小室を
含んでいる。この小室は有限音圧振幅における衝撃波の
形成を回避するためその流体における少なくとも一つの
高調波の破壊的自己干渉を生じさせる幾何学的形状を有
している。また、この小室は小室に沿って変化する断面
積を有しており、その変化する断面積はその流体の速度
を減少させるため及び／又は境界粘性エネルギー散逸を
減少させるためその小室に沿って位置している。この小
室は伝熱作用のための流体圧縮に用いられる定在波圧縮
器のための共鳴小室でもよい。
含んでいる。この小室は有限音圧振幅における衝撃波の
形成を回避するためその流体における少なくとも一つの
高調波の破壊的自己干渉を生じさせる幾何学的形状を有
している。また、この小室は小室に沿って変化する断面
積を有しており、その変化する断面積はその流体の速度
を減少させるため及び／又は境界粘性エネルギー散逸を
減少させるためその小室に沿って位置している。この小
室は伝熱作用のための流体圧縮に用いられる定在波圧縮
器のための共鳴小室でもよい。
【００２２】本発明の音響共鳴駆動装置は流体を入れる
小室を含み、この小室は音響的に反射する端部を有して
いる。駆動装置がその小室の選択された共鳴モードの周
波数で小室を機械的に振動させる。本発明の音響共鳴器
及び駆動装置は蒸気−圧縮装置のような熱交換システム
を形成するように熱交換装置と接続する事が出来る。
小室を含み、この小室は音響的に反射する端部を有して
いる。駆動装置がその小室の選択された共鳴モードの周
波数で小室を機械的に振動させる。本発明の音響共鳴器
及び駆動装置は蒸気−圧縮装置のような熱交換システム
を形成するように熱交換装置と接続する事が出来る。
【００２３】上記のように、本発明の音響共鳴器及び音
響駆動装置は多くの利点を有しており極めて大きな振幅
の非線形音圧を達成するものである。特に、本発明の実
際の性能は有限共鳴音響学の文献に予測されている結果
を遙かに越えるものである。
響駆動装置は多くの利点を有しており極めて大きな振幅
の非線形音圧を達成するものである。特に、本発明の実
際の性能は有限共鳴音響学の文献に予測されている結果
を遙かに越えるものである。
【００２４】本発明のこれらの目的並びに利点は添付さ
れる明細書及び図面より明らかとなろう。但し、図中、
同一符号は同一又は相当部分を示している。
れる明細書及び図面より明らかとなろう。但し、図中、
同一符号は同一又は相当部分を示している。
【００２５】
【実施例】モード整合相殺高調波（ＭＡＣＨ）による衝撃波除去 大きな音圧振幅で「圧力急上昇」を行うことは衝撃波の
古典的なのこぎり歯波形になってしまうことは良く知ら
れている。また、こののこぎり歯波形はフーリエ解析か
ら高調波の存在を示していることが判っている。
古典的なのこぎり歯波形になってしまうことは良く知ら
れている。また、こののこぎり歯波形はフーリエ解析か
ら高調波の存在を示していることが判っている。
【００２６】ＣＣＳ（一定断面積）共鳴器において有限
振幅音波が発生する場合には、のこぎり歯波形のフーリ
エ解析によって予測される高調波振幅を有する衝撃波が
生ずることになる。まずこの事は驚くべきことではない
が、ＣＣＳ共鳴器は、高調波成分（即ち、基本波の整数
倍）であり且つ基本波の高調波成分と周波数が一致した
モードを有している。ＣＣＳ共鳴器は非高調波のモード
を有するより一般的な共鳴器の特殊なケースと考えるこ
とが出来る。非高調波共鳴器は極めて大きな振幅の線形
波形を作るため予め動力に利用されないポテンシャルを
保持している。このポテンシャルは基本波の高調波の自
滅干渉を助長するように設計された非高調波共鳴器によ
って実現される。
振幅音波が発生する場合には、のこぎり歯波形のフーリ
エ解析によって予測される高調波振幅を有する衝撃波が
生ずることになる。まずこの事は驚くべきことではない
が、ＣＣＳ共鳴器は、高調波成分（即ち、基本波の整数
倍）であり且つ基本波の高調波成分と周波数が一致した
モードを有している。ＣＣＳ共鳴器は非高調波のモード
を有するより一般的な共鳴器の特殊なケースと考えるこ
とが出来る。非高調波共鳴器は極めて大きな振幅の線形
波形を作るため予め動力に利用されないポテンシャルを
保持している。このポテンシャルは基本波の高調波の自
滅干渉を助長するように設計された非高調波共鳴器によ
って実現される。
【００２７】本発明はこの原理を用いて高調波の自己相
殺を最適化するため新しい共鳴器の設計基準を与えるも
のである。モード整合相殺高調波（以下、MACH(Mode-Al
ignment-Canceled Harmonics) と称することがある) の
この新しい設計基準により衝撃波の形成を無くすことが
出来る。ＭＡＣＨ共鳴器はピーク−ピークで100psiであ
り平均値が80psiaの衝撃波が形成されない音圧振幅に達
している。言い換えると、この事は平均音圧の62％に相
当するピーク音圧振幅になっていることになる。
殺を最適化するため新しい共鳴器の設計基準を与えるも
のである。モード整合相殺高調波（以下、MACH(Mode-Al
ignment-Canceled Harmonics) と称することがある) の
この新しい設計基準により衝撃波の形成を無くすことが
出来る。ＭＡＣＨ共鳴器はピーク−ピークで100psiであ
り平均値が80psiaの衝撃波が形成されない音圧振幅に達
している。言い換えると、この事は平均音圧の62％に相
当するピーク音圧振幅になっていることになる。
【００２８】このＭＡＣＨ共鳴器の設計基準が理解され
たところで、共鳴器のより大きな振幅モードを整合して
高調波の自己相殺を助長するために多くの色々な共鳴器
の幾何学的形状を用いることが出来る。このＭＡＣＨ原
理を実行に移すための真っ直ぐな近道は共鳴器モードを
それらの対応する高調波間に来るように整合させる事で
ある。
たところで、共鳴器のより大きな振幅モードを整合して
高調波の自己相殺を助長するために多くの色々な共鳴器
の幾何学的形状を用いることが出来る。このＭＡＣＨ原
理を実行に移すための真っ直ぐな近道は共鳴器モードを
それらの対応する高調波間に来るように整合させる事で
ある。
【００２９】図１の棒グラフは基本波の高調波とＣＣＳ
半波長共鳴器モードとの関係を示している。そして縦軸
は高調波成分を示し、棒グラフの高さが各モードの共鳴
周波数となっている。100Hz の基本周波数では、波形は
200Hz, 300Hz, 400Hz 等の高調波を有することとなる。
図１から判ることは、高調波の周波数は共鳴器のモード
と一致しているということである。別な言い方をすれ
ば、高調波は共鳴器のｎ番目のモードと一致している。
即ち、高調波の殆ど或いは全く自滅干渉が生じておら
ず、衝撃波は制限されずに発展してしまう。非常に発達
した衝撃波の場合には、第２高調波の音圧振幅は基本波
振幅の6dB 以内となる。
半波長共鳴器モードとの関係を示している。そして縦軸
は高調波成分を示し、棒グラフの高さが各モードの共鳴
周波数となっている。100Hz の基本周波数では、波形は
200Hz, 300Hz, 400Hz 等の高調波を有することとなる。
図１から判ることは、高調波の周波数は共鳴器のモード
と一致しているということである。別な言い方をすれ
ば、高調波は共鳴器のｎ番目のモードと一致している。
即ち、高調波の殆ど或いは全く自滅干渉が生じておら
ず、衝撃波は制限されずに発展してしまう。非常に発達
した衝撃波の場合には、第２高調波の音圧振幅は基本波
振幅の6dB 以内となる。
【００３０】図２の棒グラフは高調波の自滅干渉を助長
するための多くの可能な配置のうちの一つを示してい
る。この図２において、共鳴器モードは高調波同士の間
に来るように調整されている。この例では、各共鳴器モ
ードでは周波数がシフトダウンしており、ｎ番目のモー
ドは第ｎ高調波と第ｎ−１高調波との間に存在してい
る。この配置では、高調波の大きな破壊的自己干渉が生
じ得る。
するための多くの可能な配置のうちの一つを示してい
る。この図２において、共鳴器モードは高調波同士の間
に来るように調整されている。この例では、各共鳴器モ
ードでは周波数がシフトダウンしており、ｎ番目のモー
ドは第ｎ高調波と第ｎ−１高調波との間に存在してい
る。この配置では、高調波の大きな破壊的自己干渉が生
じ得る。
【００３１】図３は製作され且つ試験され、各モードに
おいて周波数がシフトダウンさせられる共鳴器の断面を
示している。図３の共鳴器は中空のシリンダー状小室
２、端部フランジ４、端部フランジ６、及びテーパーの
付いたロッド・インサート（棒状挿入体）８で構成さ
れ、全部分がアルミニウムで出来ている。テーパーの付
いたロッド・インサート８は小室２に溶接された端部フ
ランジ４に溶接されている。端部フランジ６は小室２に
溶接されており、プロセス管及び圧力変換器を入れるた
めの穴が開けられている。小室２の内径は5.71cmであ
り、内部の長さは27cmである。デーパーの付いたロッド
・インサート８の半角端部テーパー角は 34.98°であ
り、端部フランジ４から測って10cmの長さを有してい
る。このテーパーの付いたロッド・インサート８のシャ
ープな先端は乱流を少なくするために任意の湾曲面にな
っている。
おいて周波数がシフトダウンさせられる共鳴器の断面を
示している。図３の共鳴器は中空のシリンダー状小室
２、端部フランジ４、端部フランジ６、及びテーパーの
付いたロッド・インサート（棒状挿入体）８で構成さ
れ、全部分がアルミニウムで出来ている。テーパーの付
いたロッド・インサート８は小室２に溶接された端部フ
ランジ４に溶接されている。端部フランジ６は小室２に
溶接されており、プロセス管及び圧力変換器を入れるた
めの穴が開けられている。小室２の内径は5.71cmであ
り、内部の長さは27cmである。デーパーの付いたロッド
・インサート８の半角端部テーパー角は 34.98°であ
り、端部フランジ４から測って10cmの長さを有してい
る。このテーパーの付いたロッド・インサート８のシャ
ープな先端は乱流を少なくするために任意の湾曲面にな
っている。
【００３２】ロッド・インサート８は小室２の内側にお
いてその長手方向に徐々に断面積が小さくなっている。
この様にして図３の共鳴器は断面積が異なりそれぞれ独
特の音響的なインピーダンスを有する２つの部分に分割
されている。このインピーダンスの変化は共鳴器モード
を非高調波周波数にシフトする事になる。この共鳴器モ
ードがシフトされる度合はロッド・インサート８の直径
と長さを変えることによって調整する事が出来る。この
場合の共鳴器の駆動の仕方を以下に述べる。
いてその長手方向に徐々に断面積が小さくなっている。
この様にして図３の共鳴器は断面積が異なりそれぞれ独
特の音響的なインピーダンスを有する２つの部分に分割
されている。このインピーダンスの変化は共鳴器モード
を非高調波周波数にシフトする事になる。この共鳴器モ
ードがシフトされる度合はロッド・インサート８の直径
と長さを変えることによって調整する事が出来る。この
場合の共鳴器の駆動の仕方を以下に述べる。
【００３３】図４は図３に示した共鳴器について測定し
たデータの表（テーブル）を示している。この表におい
て一番右側の欄は、ｎ番目のモードの周波数“ fn ”と
ｎ倍の基本周波数“ｎf1”との差を計算することにより
モードシフトの相対的な度合を示したものである。これ
らの共鳴器モードを隣接する高調波間の中間点に位置付
けるための理想的なモードシフトは基本周波数の１／２
に等しい。図３の共鳴器の場合には、理想周波数シフト
はf1/2=166.97Hz である。ＣＣＳ共鳴器の場合には、定
義により各モードに対してモードシフト fn −ｎf1＝０
である。
たデータの表（テーブル）を示している。この表におい
て一番右側の欄は、ｎ番目のモードの周波数“ fn ”と
ｎ倍の基本周波数“ｎf1”との差を計算することにより
モードシフトの相対的な度合を示したものである。これ
らの共鳴器モードを隣接する高調波間の中間点に位置付
けるための理想的なモードシフトは基本周波数の１／２
に等しい。図３の共鳴器の場合には、理想周波数シフト
はf1/2=166.97Hz である。ＣＣＳ共鳴器の場合には、定
義により各モードに対してモードシフト fn −ｎf1＝０
である。
【００３４】図３の共鳴器は理想的なモードシフトを与
えないが意義ある結果を与えるためには充分なものとな
っている。これは、最初のいくつかの高調波をフーリエ
加算したものが衝撃波形成に非常に大きく影響している
ということによるものである。従って、第２、第３、及
び第４高調波を大きく除去する事により衝撃波の形成を
大きく軽減する事が出来る。図３の共鳴器を気体冷媒HF
C-134aによって80psiaまで加圧した時、音響入力パワー
はピーク−ピーク圧力振幅において42psiaを得るために
11.8ワット必要であった（端部フランジ４で測定）。こ
れは、熱及び粘性の境界層損失のみを説明した厳格な線
形理論によって予測される必要な駆動パワーの30% 以内
である。この様な動作状態では、第２高調波の振幅は基
本波から20dB減少し、より高い高調波は30dB以上減少し
ている。
えないが意義ある結果を与えるためには充分なものとな
っている。これは、最初のいくつかの高調波をフーリエ
加算したものが衝撃波形成に非常に大きく影響している
ということによるものである。従って、第２、第３、及
び第４高調波を大きく除去する事により衝撃波の形成を
大きく軽減する事が出来る。図３の共鳴器を気体冷媒HF
C-134aによって80psiaまで加圧した時、音響入力パワー
はピーク−ピーク圧力振幅において42psiaを得るために
11.8ワット必要であった（端部フランジ４で測定）。こ
れは、熱及び粘性の境界層損失のみを説明した厳格な線
形理論によって予測される必要な駆動パワーの30% 以内
である。この様な動作状態では、第２高調波の振幅は基
本波から20dB減少し、より高い高調波は30dB以上減少し
ている。
【００３５】図５は図３の共鳴器に対して発生した理論
的なデータの表を示したものである。理想的には、 fn
−ｎf1は各共鳴器モードの理想的なシフトにほぼ等しく
なるべきである。しかしながら図５に示すように、モー
ドシフトの度合はモード番号と共に増加している。第６
番目のモードでは、モード周波数が第５番目の高調波と
ほぼ一致するように周波数シフトが増加している。より
進んだ共鳴器設計の場合には、多くのモードを高調波間
に存在するように同時に同調する事が出来る。適切に同
調したモードの番号が増加するにつれて、共鳴器の線形
性が増加する。
的なデータの表を示したものである。理想的には、 fn
−ｎf1は各共鳴器モードの理想的なシフトにほぼ等しく
なるべきである。しかしながら図５に示すように、モー
ドシフトの度合はモード番号と共に増加している。第６
番目のモードでは、モード周波数が第５番目の高調波と
ほぼ一致するように周波数シフトが増加している。より
進んだ共鳴器設計の場合には、多くのモードを高調波間
に存在するように同時に同調する事が出来る。適切に同
調したモードの番号が増加するにつれて、共鳴器の線形
性が増加する。
【００３６】図６は製作され且つ試験された他の共鳴器
の断面図を示している。この図６の共鳴器は、小径部１
０、円錐部１２、大径部１４、円錐テーパー端部１６、
及び端部フランジ１８によって構成された小室を有して
いる。小径部１０、円錐部１２、大径部１４、及び円錐
テーパー端部１６で構成されたこの小室は全て単一のア
ルミニウム片で加工されたものである。アルミニウム製
の端部フランジ１８は円錐テーパー端部１６に溶接され
ている。小径部１０は7.28cmの長さを有しその直径は3.
81cmである。円錐部１２の半角は25.63 °であり内側長
は3.72cmである。大径部１４の内側長は13.16cm であり
内径は7.38cmである。円錐テーパー端部１６の半角は2
6.08 °であり内側長は2.84cmである。小径部１０及び
大径部１４は共鳴器を２つの異なる断面積部分に分割し
ており、各部分はそれぞれの固有の音響インピーダンス
を有している。この様な設計値により共鳴器モードを非
高調波周波数まで下げている。
の断面図を示している。この図６の共鳴器は、小径部１
０、円錐部１２、大径部１４、円錐テーパー端部１６、
及び端部フランジ１８によって構成された小室を有して
いる。小径部１０、円錐部１２、大径部１４、及び円錐
テーパー端部１６で構成されたこの小室は全て単一のア
ルミニウム片で加工されたものである。アルミニウム製
の端部フランジ１８は円錐テーパー端部１６に溶接され
ている。小径部１０は7.28cmの長さを有しその直径は3.
81cmである。円錐部１２の半角は25.63 °であり内側長
は3.72cmである。大径部１４の内側長は13.16cm であり
内径は7.38cmである。円錐テーパー端部１６の半角は2
6.08 °であり内側長は2.84cmである。小径部１０及び
大径部１４は共鳴器を２つの異なる断面積部分に分割し
ており、各部分はそれぞれの固有の音響インピーダンス
を有している。この様な設計値により共鳴器モードを非
高調波周波数まで下げている。
【００３７】図６の共鳴器は図３のテーパー付ロッド・
インサートを除いたものであり、これによって共鳴器の
内部表面積を減少させ、延いては熱及び粘性の境界層損
失を減少させている。共鳴器モードがシフトされる程度
は小径部１０、大径部１４、円錐部１２、及びテーパー
端部１６の寸法を変える事によって制御する事が出来
る。テーパー端部１６は主により高い共鳴器モードの周
波数を高い方にシフトする事によりそのより高い共鳴器
モードが過度に低くシフトしないように補償している。
この共鳴器を駆動する仕方を以下に述べる。
インサートを除いたものであり、これによって共鳴器の
内部表面積を減少させ、延いては熱及び粘性の境界層損
失を減少させている。共鳴器モードがシフトされる程度
は小径部１０、大径部１４、円錐部１２、及びテーパー
端部１６の寸法を変える事によって制御する事が出来
る。テーパー端部１６は主により高い共鳴器モードの周
波数を高い方にシフトする事によりそのより高い共鳴器
モードが過度に低くシフトしないように補償している。
この共鳴器を駆動する仕方を以下に述べる。
【００３８】図７及び図８はそれぞれ図６の共鳴器につ
いて測定したデータ及び理論的なデータの表を示したも
のである。図３に示した共鳴器と比較して、図６の共鳴
器は第２、第３、及び第４のモードの同調を改良してい
ると共に、より高いモードの過度の周波数シフトを減少
させている。図６の共鳴器は第２、第３、及び第４のモ
ードをより理想的な周波数シフトに近づけており、より
改良された性能となっている。
いて測定したデータ及び理論的なデータの表を示したも
のである。図３に示した共鳴器と比較して、図６の共鳴
器は第２、第３、及び第４のモードの同調を改良してい
ると共に、より高いモードの過度の周波数シフトを減少
させている。図６の共鳴器は第２、第３、及び第４のモ
ードをより理想的な周波数シフトに近づけており、より
改良された性能となっている。
【００３９】図６の共鳴器を気体冷媒HFC-134aを用いて
80psiaまで加圧すると、（小径部１０の端部１０ａで測
定した時の）ピーク−ピークで100psiまでの音圧振幅が
衝撃波の形成無しに得られた。しかしながら、流体速度
が非層流を引き起こす程充分に大きなものであったこと
を示しており乱流があることが明らかであった。以下に
示すように、共鳴器の幾何学的形状は流体速度を大幅に
軽減するように変形することが出来る。（小径部１０の
端部１０ａで測定した時の）ピーク−ピークで60psi の
時、全ての高調波は図６の共鳴器については基本波の振
幅より25dB以上低いものであった。
80psiaまで加圧すると、（小径部１０の端部１０ａで測
定した時の）ピーク−ピークで100psiまでの音圧振幅が
衝撃波の形成無しに得られた。しかしながら、流体速度
が非層流を引き起こす程充分に大きなものであったこと
を示しており乱流があることが明らかであった。以下に
示すように、共鳴器の幾何学的形状は流体速度を大幅に
軽減するように変形することが出来る。（小径部１０の
端部１０ａで測定した時の）ピーク−ピークで60psi の
時、全ての高調波は図６の共鳴器については基本波の振
幅より25dB以上低いものであった。
【００４０】一般に、与えられた共鳴器の幾何学的形状
のモードは圧力及び速度の双方について下記のように示
される波形式の一般的な解法から計算することが出来
る。 P(x)＝Acos(kx)＋Bsin(kx) V(x)＝ i/(ρc)(Acos(kx) ＋Bsin(kx)) ここで、i ＝(-1)1/2 ，ρ＝平均流体密度，c ＝流体速
度である。任意の複素数定数Ａ及びＢは共鳴器の境界条
件を上記の式P(x)及びV(x)に適用することによって見つ
け出される。本発明による共鳴器は、その端部において
流体速度が０になるまで共鳴器の有限な素子について周
波数領域において P(x) 及びV(x)を繰り返すことにより
設計することが出来る。上述したように、各共鳴器モー
ドの中間高調波配置は上記のＭＡＣＨ原理を実行に移す
ための多くの方法の内の一つを与えている。高調波の打
ち消しをより正確に予測するためには、高調波を共鳴器
の境界内での進行波として扱うことが出来ると共にそれ
らの自己干渉として説明することが出来る。これの目標
は、共鳴器の幾何学的形状における変化の関数として高
調波自己干渉を示すことである。
のモードは圧力及び速度の双方について下記のように示
される波形式の一般的な解法から計算することが出来
る。 P(x)＝Acos(kx)＋Bsin(kx) V(x)＝ i/(ρc)(Acos(kx) ＋Bsin(kx)) ここで、i ＝(-1)1/2 ，ρ＝平均流体密度，c ＝流体速
度である。任意の複素数定数Ａ及びＢは共鳴器の境界条
件を上記の式P(x)及びV(x)に適用することによって見つ
け出される。本発明による共鳴器は、その端部において
流体速度が０になるまで共鳴器の有限な素子について周
波数領域において P(x) 及びV(x)を繰り返すことにより
設計することが出来る。上述したように、各共鳴器モー
ドの中間高調波配置は上記のＭＡＣＨ原理を実行に移す
ための多くの方法の内の一つを与えている。高調波の打
ち消しをより正確に予測するためには、高調波を共鳴器
の境界内での進行波として扱うことが出来ると共にそれ
らの自己干渉として説明することが出来る。これの目標
は、共鳴器の幾何学的形状における変化の関数として高
調波自己干渉を示すことである。
【００４１】ＭＡＣＨ原理の重要性 ＭＡＣＨ共鳴器の性能と衝撃波形成を制限しないＣＣＳ
共鳴器の性能とを比較することは意味深いことである。
比較のため、有限振幅波形伝播として生ずる衝撃波形成
に通常発展する場合を考える。ピアスの方法を用いる
と、ピーク−ピークで60psi の音圧波が充分発達した衝
撃波となるために進行しなければならない距離を計算す
ることが出来る（米国音響学会誌1989年第571 頁のアラ
ン・ディー・ピアス（Allan D. Pierce ）による音響
学）。80psia（気体冷媒HFC-134a）の平均圧力に対して
は、波形は図６の共鳴器を横切る長さ27cmより短いたっ
たの22cmを進行するだけで正弦波から衝撃波に発展して
しまう。このことから、極めて大きな振幅においては、
気体の固有の非線形性があらゆる共鳴器の設計を考慮す
る上で重要なものになるという長年の仮定を評価するこ
とは易しいことである。
共鳴器の性能とを比較することは意味深いことである。
比較のため、有限振幅波形伝播として生ずる衝撃波形成
に通常発展する場合を考える。ピアスの方法を用いる
と、ピーク−ピークで60psi の音圧波が充分発達した衝
撃波となるために進行しなければならない距離を計算す
ることが出来る（米国音響学会誌1989年第571 頁のアラ
ン・ディー・ピアス（Allan D. Pierce ）による音響
学）。80psia（気体冷媒HFC-134a）の平均圧力に対して
は、波形は図６の共鳴器を横切る長さ27cmより短いたっ
たの22cmを進行するだけで正弦波から衝撃波に発展して
しまう。このことから、極めて大きな振幅においては、
気体の固有の非線形性があらゆる共鳴器の設計を考慮す
る上で重要なものになるという長年の仮定を評価するこ
とは易しいことである。
【００４２】他の共鳴器設計パラメータ 大きな振幅の共鳴器音波を効率良く生成するために重要
なことは、共鳴器の境界層粘性・熱損失を出来るだけ小
さく保つことである。また、望ましい圧力振幅に伴う流
体速度は過度の乱流を避けるために最小にすべきであ
る。
なことは、共鳴器の境界層粘性・熱損失を出来るだけ小
さく保つことである。また、望ましい圧力振幅に伴う流
体速度は過度の乱流を避けるために最小にすべきであ
る。
【００４３】一定の断面積（ＣＣＳ）の共鳴器において
純粋の正弦波定在波を得るためには、ピーク流体速度は
P/(ρc)に等しい。但し、P はピーク音圧振幅、ρは平
均流体密度、c は平均音圧の速度を示している。実際に
は、ピーク流体速度は適切な共鳴器の幾何学的形状によ
って減少させることが出来る。例えば図６の共鳴器は、
円錐部１２によって形成された小室の真ん中で広がって
いる（膨張している）ことにより0.82(P/(ρc))(Ｐは小
径部１０の端部１０ａで測定したものである）に等しい
ピーク流体速度を有している。この断面積の増加は小室
の中央において速度が最大になる直前に生じ、以て流体
速度を低下させている。
純粋の正弦波定在波を得るためには、ピーク流体速度は
P/(ρc)に等しい。但し、P はピーク音圧振幅、ρは平
均流体密度、c は平均音圧の速度を示している。実際に
は、ピーク流体速度は適切な共鳴器の幾何学的形状によ
って減少させることが出来る。例えば図６の共鳴器は、
円錐部１２によって形成された小室の真ん中で広がって
いる（膨張している）ことにより0.82(P/(ρc))(Ｐは小
径部１０の端部１０ａで測定したものである）に等しい
ピーク流体速度を有している。この断面積の増加は小室
の中央において速度が最大になる直前に生じ、以て流体
速度を低下させている。
【００４４】図６の共鳴器のように膨張すると他の利点
もある。流体速度が低下すると、境界層粘性損失が低下
する。また、その膨張により端部フランジ１８における
ピーク音圧振幅が小さくなり、これにより共鳴器の端部
における境界層熱損失を減少させる。同様に、図６の端
部テーパー端部１６によって与えられる膨張により境界
層熱損失が更に減少することとなる。図６の円錐部１２
のように膨張の位置が共鳴器の長さに沿って変わると、
境界層熱損失及び境界層粘性損失は変化する。これらの
損失を加え合わせると共鳴器の長さのほぼ0.3 の所に膨
張が集中した時、最小となることが理論的に分かってい
る。
もある。流体速度が低下すると、境界層粘性損失が低下
する。また、その膨張により端部フランジ１８における
ピーク音圧振幅が小さくなり、これにより共鳴器の端部
における境界層熱損失を減少させる。同様に、図６の端
部テーパー端部１６によって与えられる膨張により境界
層熱損失が更に減少することとなる。図６の円錐部１２
のように膨張の位置が共鳴器の長さに沿って変わると、
境界層熱損失及び境界層粘性損失は変化する。これらの
損失を加え合わせると共鳴器の長さのほぼ0.3 の所に膨
張が集中した時、最小となることが理論的に分かってい
る。
【００４５】一般に、実用的なエネルギー効率の共鳴器
の設計では高調波の打ち消しに対する同調モードと流体
速度を最小にするモードと熱・粘性損失を最小にするモ
ードとの妥協が必要である。図９にはこれらの設計上の
パラメータにおいて膨大な数の可能性のある値の一例に
よる共鳴器の断面図が示されている。
の設計では高調波の打ち消しに対する同調モードと流体
速度を最小にするモードと熱・粘性損失を最小にするモ
ードとの妥協が必要である。図９にはこれらの設計上の
パラメータにおいて膨大な数の可能性のある値の一例に
よる共鳴器の断面図が示されている。
【００４６】図９の共鳴器は、円錐拡大（膨張）部２
０、湾曲拡大部２２、湾曲テーパー端部２４、及び端部
フランジ２８を有する小室を有している。入口弁又は出
口弁のようなポート２１ａ，２１ｂが共鳴器の端部２０
ａに設けられている。図示されていないが、これらのポ
ートは図３及び図６の共鳴器にも設けられている。この
共鳴器の小室は境界層熱損失を軽減するので、ファイバ
ーガラス等の低熱伝導率材料によって形成することが好
ましい。しかしながら、好ましい形状に作れるものであ
ればアルミニウム等のどのような材料を用いても良い。
図９の共鳴器は、より大きなモード同調選択性を与える
湾曲部分を除いて、モード同調の方法においては図６の
共鳴器と基本的に同様である。この選択性は以下に述べ
るように湾曲部分によって与えられる断面積の変化の割
合によるものである。与えられた断面積の変化によって
生ずる共鳴器モードの周波数シフトの大きさは定在波波
形のどの部分が断面積変化に遭遇したかによって異な
る。共鳴器において多くの重畳される定在波波形の各々
はその波形パターンに沿った異なった点において一定の
断面積変化に遭遇することになる。従って、一つのモー
ドを正しく同調する断面積変化は他のモードに対しては
好ましくない同調を起こさせることがある。湾曲部は、
異なったモードを異なった断面積変化率に晒すことによ
りその好ましくない同調を補償することが出来る。この
「湾曲部」と言う用語は特別な数学的な面について言及
することを意図したものではない。むしろ、この「湾曲
部」という用語は長さの関数としてその微分値が０でな
い断面積変化率を与えるどのような部分をも一般に意味
するものと理解されるものである。どのような数学的な
面数も用いることが出来る。湾曲拡大部２２と湾曲テー
パー端部２４に対する一組の可能な式は次のように考え
ることが出来る。
０、湾曲拡大部２２、湾曲テーパー端部２４、及び端部
フランジ２８を有する小室を有している。入口弁又は出
口弁のようなポート２１ａ，２１ｂが共鳴器の端部２０
ａに設けられている。図示されていないが、これらのポ
ートは図３及び図６の共鳴器にも設けられている。この
共鳴器の小室は境界層熱損失を軽減するので、ファイバ
ーガラス等の低熱伝導率材料によって形成することが好
ましい。しかしながら、好ましい形状に作れるものであ
ればアルミニウム等のどのような材料を用いても良い。
図９の共鳴器は、より大きなモード同調選択性を与える
湾曲部分を除いて、モード同調の方法においては図６の
共鳴器と基本的に同様である。この選択性は以下に述べ
るように湾曲部分によって与えられる断面積の変化の割
合によるものである。与えられた断面積の変化によって
生ずる共鳴器モードの周波数シフトの大きさは定在波波
形のどの部分が断面積変化に遭遇したかによって異な
る。共鳴器において多くの重畳される定在波波形の各々
はその波形パターンに沿った異なった点において一定の
断面積変化に遭遇することになる。従って、一つのモー
ドを正しく同調する断面積変化は他のモードに対しては
好ましくない同調を起こさせることがある。湾曲部は、
異なったモードを異なった断面積変化率に晒すことによ
りその好ましくない同調を補償することが出来る。この
「湾曲部」と言う用語は特別な数学的な面について言及
することを意図したものではない。むしろ、この「湾曲
部」という用語は長さの関数としてその微分値が０でな
い断面積変化率を与えるどのような部分をも一般に意味
するものと理解されるものである。どのような数学的な
面数も用いることが出来る。湾曲拡大部２２と湾曲テー
パー端部２４に対する一組の可能な式は次のように考え
ることが出来る。
【００４７】図９において、共鳴器の端部２０ａにおけ
る一定直径の部分は内径が2.54cmであり、長さが4.86cm
である。円錐拡大部２０の長さは4.1cm でありその半角
は5.8 °である。湾曲拡大部２２の長さは3.68cmであ
る。この湾曲拡大部２２の右側の直径は5.77cmと一定で
あり11.34cm の長さだけ続いている。湾曲テーパー端部
２４の長さは2.16cmである。この湾曲テーパー端部２４
の右側の直径は0.86cmの長さに渡って13cmと一定になっ
ている。湾曲拡大部２２は式Ｄn ＝Ｄn-1 ＋0.00003(7+
n)によって有限要素プログラムで記述されるものであ
り、湾曲テーパー端部２４は式Ｄn ＝Ｄn-1 ＋0.00038
(n)によって記述される。但し、Ｄn は現在の要素の直
径を示し、Ｄn-1 は前の要素の直径を示している。各要
素の長さは0.00108mである。
る一定直径の部分は内径が2.54cmであり、長さが4.86cm
である。円錐拡大部２０の長さは4.1cm でありその半角
は5.8 °である。湾曲拡大部２２の長さは3.68cmであ
る。この湾曲拡大部２２の右側の直径は5.77cmと一定で
あり11.34cm の長さだけ続いている。湾曲テーパー端部
２４の長さは2.16cmである。この湾曲テーパー端部２４
の右側の直径は0.86cmの長さに渡って13cmと一定になっ
ている。湾曲拡大部２２は式Ｄn ＝Ｄn-1 ＋0.00003(7+
n)によって有限要素プログラムで記述されるものであ
り、湾曲テーパー端部２４は式Ｄn ＝Ｄn-1 ＋0.00038
(n)によって記述される。但し、Ｄn は現在の要素の直
径を示し、Ｄn-1 は前の要素の直径を示している。各要
素の長さは0.00108mである。
【００４８】図１０は図９の共鳴器に対する理論的なデ
ータを表で示したもので、共鳴器モードと高調波が周波
数においてオーバーラップしている点はより高い周波数
に広げられている。
ータを表で示したもので、共鳴器モードと高調波が周波
数においてオーバーラップしている点はより高い周波数
に広げられている。
【００４９】図９の共鳴器は流体速度を0.58(P/(ρc))
(Pは共鳴器の小径部の端部２０ａで測定したものであ
る）の値まで減少させており、これは流体速度が望まし
い圧力振幅に対して充分減少していることを示してい
る。加えて図９の共鳴器では、図６の共鳴器の全熱・粘
性エネルギー散逸を1.5 倍だけ減少させている。乱流損
失を無視すると、与えられた圧力振幅において全熱・粘
性エネルギー損失率はその音圧振幅を維持するのに必要
な音響入力パワーに等しい。従って、熱・粘性エネルギ
ー損失を減少させればエネルギー効率は良くなることと
なる。
(Pは共鳴器の小径部の端部２０ａで測定したものであ
る）の値まで減少させており、これは流体速度が望まし
い圧力振幅に対して充分減少していることを示してい
る。加えて図９の共鳴器では、図６の共鳴器の全熱・粘
性エネルギー散逸を1.5 倍だけ減少させている。乱流損
失を無視すると、与えられた圧力振幅において全熱・粘
性エネルギー損失率はその音圧振幅を維持するのに必要
な音響入力パワーに等しい。従って、熱・粘性エネルギ
ー損失を減少させればエネルギー効率は良くなることと
なる。
【００５０】半ピーク全共鳴器（ＨＰＥＲ）駆動 共鳴器の奇数モードはその縦軸に沿って共鳴器全体を機
械的に振動させる事により効率的に駆動する事が出来
る。これは本発明の共鳴器に使用される好ましい方法で
ある。図３、図６、及び図９の共鳴器は開放端型の共鳴
器に可動ピストンを結合する事により駆動できるが、こ
の方法は全共鳴器駆動方法によって回避される或るいく
つかの欠点を有している。
械的に振動させる事により効率的に駆動する事が出来
る。これは本発明の共鳴器に使用される好ましい方法で
ある。図３、図６、及び図９の共鳴器は開放端型の共鳴
器に可動ピストンを結合する事により駆動できるが、こ
の方法は全共鳴器駆動方法によって回避される或るいく
つかの欠点を有している。
【００５１】全共鳴器駆動は次の様に理解することが出
来る。もし全共鳴器がその縦軸に沿って振動させられる
場合には、両端キャップはピストンの様に動作する。両
終端型共鳴器の二つの対向する端部における奇数モード
の音圧振動は互いに位相が 180°ずれている。この結
果、全共鳴器を振動させると、その両端キャップ、即ち
終端部分は共鳴器の各端部における適当な位相の奇数モ
ードを駆動する為に用いることが出来る。この様にし
て、基本波モードは効率的に駆動することが出来る。
来る。もし全共鳴器がその縦軸に沿って振動させられる
場合には、両端キャップはピストンの様に動作する。両
終端型共鳴器の二つの対向する端部における奇数モード
の音圧振動は互いに位相が 180°ずれている。この結
果、全共鳴器を振動させると、その両端キャップ、即ち
終端部分は共鳴器の各端部における適当な位相の奇数モ
ードを駆動する為に用いることが出来る。この様にし
て、基本波モードは効率的に駆動することが出来る。
【００５２】図１１は全共鳴器を駆動する為に用いるこ
とが出来る多くの構成の内の一つの断面図を示したもの
である。図１１には、共鳴器３４の端部フランジ２８に
堅固に取り付けられた通電用コイル２６と磁石３２の占
有エアキャップ３０とを有する電気力学的シェーカー、
即ち駆動装置（ドライバー）２９が設けられている。磁
石３２はフレキシブルなベロー３６によって端部フラン
ジ２８に取り付けられている。
とが出来る多くの構成の内の一つの断面図を示したもの
である。図１１には、共鳴器３４の端部フランジ２８に
堅固に取り付けられた通電用コイル２６と磁石３２の占
有エアキャップ３０とを有する電気力学的シェーカー、
即ち駆動装置（ドライバー）２９が設けられている。磁
石３２はフレキシブルなベロー３６によって端部フラン
ジ２８に取り付けられている。
【００５３】コイル２６が振動電流によって励磁される
と、それによって生じる電磁力により共鳴器３４はその
縦軸に沿って機械的に振動する。磁石３２は共鳴器３４
に対して無限質量を有するように堅固に拘束しても良
い。好ましい実施例としては、磁石３２は左方向に拘束
されないようにしておき共鳴器３４と対向して自由に動
けるようにしておく。いずれの場合でも、適当なバネ定
数をベロー３６の為に選んで音響共鳴に相当する機械共
鳴を起こさせ、より高い電気音響効率をもたらすように
する事が出来る。ベロー３６はフレキシブルなダイアフ
ラム、磁気スプリング、或いは適当な材料から成るより
一般的なスプリング等の他の部品で置き換えても良い。
と、それによって生じる電磁力により共鳴器３４はその
縦軸に沿って機械的に振動する。磁石３２は共鳴器３４
に対して無限質量を有するように堅固に拘束しても良
い。好ましい実施例としては、磁石３２は左方向に拘束
されないようにしておき共鳴器３４と対向して自由に動
けるようにしておく。いずれの場合でも、適当なバネ定
数をベロー３６の為に選んで音響共鳴に相当する機械共
鳴を起こさせ、より高い電気音響効率をもたらすように
する事が出来る。ベロー３６はフレキシブルなダイアフ
ラム、磁気スプリング、或いは適当な材料から成るより
一般的なスプリング等の他の部品で置き換えても良い。
【００５４】全共鳴器を駆動する事により、与えられた
音圧振幅を得るために必要な機械的変位が減少する。全
共鳴器を駆動すると、共鳴器の両端はピストンの様に働
く。多くの場合、全共鳴器駆動は単一の連結されたピス
トン構造に必要なピーク機械変位のほぼ半分を必要とす
る。
音圧振幅を得るために必要な機械的変位が減少する。全
共鳴器を駆動すると、共鳴器の両端はピストンの様に働
く。多くの場合、全共鳴器駆動は単一の連結されたピス
トン構造に必要なピーク機械変位のほぼ半分を必要とす
る。
【００５５】半ピーク全共鳴器（以下、HPER(Half-Peak
Entire-Resonator)と称することがある) 駆動は次の様
な利点を与える。上述した様に、小室のモードを適切に
同調させることは高い音圧振幅を効率良く達成する為に
重要な事である。従って、この同調動作は一定のままで
なければならない事になる。両端が終端された共鳴器は
動作中及び共鳴器の寿命を通じて正確な同調状態を維持
する事になる。
Entire-Resonator)と称することがある) 駆動は次の様
な利点を与える。上述した様に、小室のモードを適切に
同調させることは高い音圧振幅を効率良く達成する為に
重要な事である。従って、この同調動作は一定のままで
なければならない事になる。両端が終端された共鳴器は
動作中及び共鳴器の寿命を通じて正確な同調状態を維持
する事になる。
【００５６】別の利点は音響圧縮器の為のＨＰＥＲ駆動
を用いる事に関係している。ＨＰＥＲ駆動される小室は
封止されているので、圧縮されている流体と接触するオ
イル依存可動部材は全く無く、本質的にオイルから開放
された圧縮器となっている。音響圧縮器に必要な吸入弁
及び放出弁は共鳴器の狭い端部に通常配置され、ここで
は音圧振幅は最大となる。例えば、図９の共鳴器の弁配
置は端部２０ａにおいてポート２１ａ，２１ｂに位置付
けられている。図９の共鳴器の二つの端部における音圧
振幅の比はほぼ３対１（左対右）である。
を用いる事に関係している。ＨＰＥＲ駆動される小室は
封止されているので、圧縮されている流体と接触するオ
イル依存可動部材は全く無く、本質的にオイルから開放
された圧縮器となっている。音響圧縮器に必要な吸入弁
及び放出弁は共鳴器の狭い端部に通常配置され、ここで
は音圧振幅は最大となる。例えば、図９の共鳴器の弁配
置は端部２０ａにおいてポート２１ａ，２１ｂに位置付
けられている。図９の共鳴器の二つの端部における音圧
振幅の比はほぼ３対１（左対右）である。
【００５７】非正弦波駆動 上述の如く、適切に設計されたＭＡＣＨ小室によりその
基本波のより高い高調波は自己相殺することになる。同
じ理由により、ＭＡＣＨ小室は駆動装置の変位波形に存
在し得る高調波を相殺しようとするであろう。従って、
ＭＡＣＨ小室は非正弦波駆動変位を正弦波圧力振動に変
換する事が出来る。更に、図１１の駆動装置の様に、駆
動装置に存在するあらゆる機械的な共鳴は非正弦波駆動
信号を正弦波変位波形に変換しようとすることになる。
基本波のより高い高調波は自己相殺することになる。同
じ理由により、ＭＡＣＨ小室は駆動装置の変位波形に存
在し得る高調波を相殺しようとするであろう。従って、
ＭＡＣＨ小室は非正弦波駆動変位を正弦波圧力振動に変
換する事が出来る。更に、図１１の駆動装置の様に、駆
動装置に存在するあらゆる機械的な共鳴は非正弦波駆動
信号を正弦波変位波形に変換しようとすることになる。
【００５８】幾つかの用途においては、非正弦波駆動信
号を用いる事により全体の効率をより高くする事が出来
る。例えば、リニアモーターを駆動する為に必要な電力
増幅器はパルス状の出力モードにおいて非常に効率よく
動作する様に設計する事が出来る。電流パルスは各音響
サイクルに一回生ずるように、或いは幾つかの音響サイ
クルを飛ばすように時期を合わせることが出来る。
号を用いる事により全体の効率をより高くする事が出来
る。例えば、リニアモーターを駆動する為に必要な電力
増幅器はパルス状の出力モードにおいて非常に効率よく
動作する様に設計する事が出来る。電流パルスは各音響
サイクルに一回生ずるように、或いは幾つかの音響サイ
クルを飛ばすように時期を合わせることが出来る。
【００５９】ＭＡＣＨ小室が助長する事が出来る他の種
類の非正弦波駆動は米国特許第5,020,977 号に開示され
ている様に電磁エネルギーの流体による直接的な吸収で
ある。パルス状のマイクロ波及び赤外線エネルギーは吸
収性のある流体を通過する時、その流体中に音響波を発
生させる。この電磁−音響変換は非常に高調波が豊富な
音波に生じ勝ちである。ＭＡＣＨ小室はこの様に結果と
して生じる高調波を打ち消そうとし、以て正弦波音圧振
動を促進する。電磁パルスは各音響サイクルに一回生じ
るか或いは幾つかの音響サイクルを飛ばすように時期を
合わせることが出来る。
類の非正弦波駆動は米国特許第5,020,977 号に開示され
ている様に電磁エネルギーの流体による直接的な吸収で
ある。パルス状のマイクロ波及び赤外線エネルギーは吸
収性のある流体を通過する時、その流体中に音響波を発
生させる。この電磁−音響変換は非常に高調波が豊富な
音波に生じ勝ちである。ＭＡＣＨ小室はこの様に結果と
して生じる高調波を打ち消そうとし、以て正弦波音圧振
動を促進する。電磁パルスは各音響サイクルに一回生じ
るか或いは幾つかの音響サイクルを飛ばすように時期を
合わせることが出来る。
【００６０】多孔材料 焼結された材料、セラミックス、及びワイヤーメッシュ
スクリーンの様な多孔材料は通常雑音制御の分野におい
て用いられる。これらの多孔材料は、周波数と音速の関
数として変化する音響伝達・反射係数を与えることが出
来る。共鳴器内に正しく配置されると、これらの材料は
モード同調に対する促進剤として使用する事が出来る。
スクリーンの様な多孔材料は通常雑音制御の分野におい
て用いられる。これらの多孔材料は、周波数と音速の関
数として変化する音響伝達・反射係数を与えることが出
来る。共鳴器内に正しく配置されると、これらの材料は
モード同調に対する促進剤として使用する事が出来る。
【００６１】図１２は多くの多孔材料を用いた例の内の
一つを示した共鳴器３４の断面図を示している。図１２
において、多孔材料３８は共鳴器３４の端部フランジ２
８の近くに堅固に取り付けられている。この多孔材料３
８は共鳴器の基本波に極僅かな影響を与え、その音速は
端部フランジ２８の表面近くにおいて小さくなる。共鳴
器のより高いモードでは、多孔材料３８の位置の近くに
おいて速度が最大となる。従って、より高い高調波は多
孔材料においてより大きな反射係数を経験することが出
来、破壊的な自己干渉を促進するように反射されるよう
になっている。同調は共鳴器３４の縦軸に沿って多孔材
料３８の位置を変えることにより行うことが出来る。
一つを示した共鳴器３４の断面図を示している。図１２
において、多孔材料３８は共鳴器３４の端部フランジ２
８の近くに堅固に取り付けられている。この多孔材料３
８は共鳴器の基本波に極僅かな影響を与え、その音速は
端部フランジ２８の表面近くにおいて小さくなる。共鳴
器のより高いモードでは、多孔材料３８の位置の近くに
おいて速度が最大となる。従って、より高い高調波は多
孔材料においてより大きな反射係数を経験することが出
来、破壊的な自己干渉を促進するように反射されるよう
になっている。同調は共鳴器３４の縦軸に沿って多孔材
料３８の位置を変えることにより行うことが出来る。
【００６２】この様にして、多孔材料は高調波の破壊的
な自己干渉を最適化する上での促進剤として使用する事
が出来る。多孔材料によって与えられる設計上の柔軟性
により、望ましいモード同調を失うことなく基本波の音
速を減少させるような特殊な共鳴器パラメータのより積
極的な最適化が可能となる。
な自己干渉を最適化する上での促進剤として使用する事
が出来る。多孔材料によって与えられる設計上の柔軟性
により、望ましいモード同調を失うことなく基本波の音
速を減少させるような特殊な共鳴器パラメータのより積
極的な最適化が可能となる。
【００６３】マイクロ波駆動型共鳴器の場合には、多孔
材料３８はマイクロ波エネルギーを共鳴器３４に導くた
めのマイクロ波キャビティを形成するため端部フランジ
２８と一緒に作用する。図１２は、多孔材料３８と端部
フランジ２８との間の領域において共鳴器３４の内側で
ループ端部４１ａを有する同軸ケーブル４１によって共
鳴器３４に結合された電磁駆動装置３９を示している。
このマイクロ波エネルギーは多孔材料３８と端部フラン
ジ２８との間の領域に制限される。
材料３８はマイクロ波エネルギーを共鳴器３４に導くた
めのマイクロ波キャビティを形成するため端部フランジ
２８と一緒に作用する。図１２は、多孔材料３８と端部
フランジ２８との間の領域において共鳴器３４の内側で
ループ端部４１ａを有する同軸ケーブル４１によって共
鳴器３４に結合された電磁駆動装置３９を示している。
このマイクロ波エネルギーは多孔材料３８と端部フラン
ジ２８との間の領域に制限される。
【００６４】図１３は熱交換システムに用いられる共鳴
器３４と駆動装置２９の断面図を示したものである。こ
の場合には、共鳴器３４のポート３４ａと３４ｂは導管
４７及び４９を介して熱交換装置４５に接続されてい
る。ポート３４ａには放出弁５２が設けられており、ポ
ート３４ｂには吸入弁５４が設けられている。放出弁５
２及び吸入弁５４は共鳴器３４内の振動圧力を熱交換装
置４５を流れる正味の流体に変換する事となる。この熱
交換装置は例えば通常の凝縮器及び蒸発器を含むことが
出来るものであり、図１３の熱交換システムは蒸気−圧
縮システムを形成することが出来る。
器３４と駆動装置２９の断面図を示したものである。こ
の場合には、共鳴器３４のポート３４ａと３４ｂは導管
４７及び４９を介して熱交換装置４５に接続されてい
る。ポート３４ａには放出弁５２が設けられており、ポ
ート３４ｂには吸入弁５４が設けられている。放出弁５
２及び吸入弁５４は共鳴器３４内の振動圧力を熱交換装
置４５を流れる正味の流体に変換する事となる。この熱
交換装置は例えば通常の凝縮器及び蒸発器を含むことが
出来るものであり、図１３の熱交換システムは蒸気−圧
縮システムを形成することが出来る。
【００６５】上記の説明は多くの仕様を含んでいるが、
これらは本発明の範囲を限定するものとして解釈すべき
ではなくむしろ一つの好ましい実施例の例示であると考
えるべきである。この好ましい実施例は音響共鳴器が高
調波の重要な自己相殺を行うことができ、以て衝撃波形
成のない極めて高い振幅の音波を形成することが出来る
という認識に基づいている。また本発明は乱流や境界層
損失の様な有限振幅波と関連している他の非線形性が適
当な共鳴器設計によって減少させることが出来るという
認識にも基づいている。
これらは本発明の範囲を限定するものとして解釈すべき
ではなくむしろ一つの好ましい実施例の例示であると考
えるべきである。この好ましい実施例は音響共鳴器が高
調波の重要な自己相殺を行うことができ、以て衝撃波形
成のない極めて高い振幅の音波を形成することが出来る
という認識に基づいている。また本発明は乱流や境界層
損失の様な有限振幅波と関連している他の非線形性が適
当な共鳴器設計によって減少させることが出来るという
認識にも基づいている。
【００６６】ＭＡＣＨ原理を適用する事により高調波を
ほぼ完全に打ち消す事が出来る。しかしながら、本発明
は完全な打ち消しが可能な共鳴器に限定されるものでは
ない。上記の説明で述べたように、高調波の打ち消しは
衝撃波の無い高い振幅の音波を得るためには完全である
必要は無い。全ての高調波を打ち消す必要も無い。実施
可能な部分的な高調波の打ち消しの連続的な範囲があ
る。高調波はその振幅が充分小さい限り衝撃波の形成無
しに存在し得る。一つの、二つの、又は多くの高調波を
打ち消す共鳴器は特殊な用途の要件によっては全て満足
出来るものと考えることが出来る。従って、本発明の範
囲はいかなる一つの特別な共鳴器設計に限定されるもの
ではない。
ほぼ完全に打ち消す事が出来る。しかしながら、本発明
は完全な打ち消しが可能な共鳴器に限定されるものでは
ない。上記の説明で述べたように、高調波の打ち消しは
衝撃波の無い高い振幅の音波を得るためには完全である
必要は無い。全ての高調波を打ち消す必要も無い。実施
可能な部分的な高調波の打ち消しの連続的な範囲があ
る。高調波はその振幅が充分小さい限り衝撃波の形成無
しに存在し得る。一つの、二つの、又は多くの高調波を
打ち消す共鳴器は特殊な用途の要件によっては全て満足
出来るものと考えることが出来る。従って、本発明の範
囲はいかなる一つの特別な共鳴器設計に限定されるもの
ではない。
【００６７】本発明の基本的な特徴を実施する為には当
業者にとって容易に思いつく多くの方法がある。例え
ば、隣接した高調波間の中間点に共鳴器モードをシフト
させることはＭＡＣＨ原理を活用する為の多くの方法の
一つに過ぎない。共鳴器モードは適当な自滅干渉が一定
の用途について与えられる限りどの様な程度にもシフト
することが出来る。
業者にとって容易に思いつく多くの方法がある。例え
ば、隣接した高調波間の中間点に共鳴器モードをシフト
させることはＭＡＣＨ原理を活用する為の多くの方法の
一つに過ぎない。共鳴器モードは適当な自滅干渉が一定
の用途について与えられる限りどの様な程度にもシフト
することが出来る。
【００６８】更に、多くの異なった共鳴器幾何学形状は
定在波を維持することが出来且つＭＡＣＨ原理を活用す
る為に同調する事が出来る。例えば、トロイダル共鳴器
では本発明の実施例に同様の方法を用いて調整すること
が出来る。この詳細な説明では共鳴器の周波数がシフト
ダウンされることを述べているが、同様の共鳴器設計に
より周波数をシフトアップすることが出来る。例えば、
図６における小径部１０及び大径部１４の直径を入れ替
えれば、共鳴器のモードはシフトダウンではなくシフト
アップする事になる。更に、ＭＡＣＨ原理を依然活用す
るが、共鳴器は基本波以外の共鳴器モードで動作するよ
うに設計することが出来る。更に、ＭＡＣＨ共鳴器によ
って与えられる衝撃波の制限は液体及び気体の双方に生
じるものである。
定在波を維持することが出来且つＭＡＣＨ原理を活用す
る為に同調する事が出来る。例えば、トロイダル共鳴器
では本発明の実施例に同様の方法を用いて調整すること
が出来る。この詳細な説明では共鳴器の周波数がシフト
ダウンされることを述べているが、同様の共鳴器設計に
より周波数をシフトアップすることが出来る。例えば、
図６における小径部１０及び大径部１４の直径を入れ替
えれば、共鳴器のモードはシフトダウンではなくシフト
アップする事になる。更に、ＭＡＣＨ原理を依然活用す
るが、共鳴器は基本波以外の共鳴器モードで動作するよ
うに設計することが出来る。更に、ＭＡＣＨ共鳴器によ
って与えられる衝撃波の制限は液体及び気体の双方に生
じるものである。
【００６９】また、ＭＡＣＨ共鳴器を音響圧縮器に適用
することは蒸気−圧縮伝熱システムに限定されるもので
はなく、流体を圧縮しなければならない一般的な用途全
てに適用できるものである。例えば、流体の汚れを防ぐ
為にオイルの無い圧縮器が必要な多くの工業上の用途が
ある。最後に、多くの異なった駆動装置をＨＰＥＲ駆動
型共鳴器と共に用いることが出来る。例えば、電磁駆動
装置及びピエゾセラミック駆動装置も全共鳴器駆動に必
要な力を与えることが出来る。端的に言えば、全共鳴器
を機械的に振動させ且つ必要な力を与えるあらゆる駆動
装置を使用することが出来る。
することは蒸気−圧縮伝熱システムに限定されるもので
はなく、流体を圧縮しなければならない一般的な用途全
てに適用できるものである。例えば、流体の汚れを防ぐ
為にオイルの無い圧縮器が必要な多くの工業上の用途が
ある。最後に、多くの異なった駆動装置をＨＰＥＲ駆動
型共鳴器と共に用いることが出来る。例えば、電磁駆動
装置及びピエゾセラミック駆動装置も全共鳴器駆動に必
要な力を与えることが出来る。端的に言えば、全共鳴器
を機械的に振動させ且つ必要な力を与えるあらゆる駆動
装置を使用することが出来る。
【００７０】この様に、本発明の範囲は示された実施例
に限定されるものではなくその均等物を含むものであ
る。
に限定されるものではなくその均等物を含むものであ
る。
【００７１】
【図１】基本波の高調波（即ち、整数倍）の高いモード
を有する共鳴器のグラフ図である。
を有する共鳴器のグラフ図である。
【図２】基本波の高調波でない高いモードを有する共鳴
器のグラフ図である。
器のグラフ図である。
【図３】モード同調手段としてのインサート（挿入体）
を用いた本発明に係る音響共鳴器の実施例の断面図であ
る。
を用いた本発明に係る音響共鳴器の実施例の断面図であ
る。
【図４】図３に示す共鳴器の測定データのテーブル図で
ある。
ある。
【図５】図３に示す共鳴器の理論的データのテーブル図
である。
である。
【図６】モード同調手段として異なった直径の部分を用
いた本発明に係る共鳴器の実施例の断面図である。
いた本発明に係る共鳴器の実施例の断面図である。
【図７】図６に示す共鳴器の測定データのテーブル図で
ある。
ある。
【図８】図６に示す共鳴器の理論的データのテーブル図
である。
である。
【図９】共鳴器の幾何学的形状において別の最適なもの
を示した本発明に係る共鳴器の実施例の断面図である。
を示した本発明に係る共鳴器の実施例の断面図である。
【図１０】図９に示す共鳴器の理論的データのテーブル
図である。
図である。
【図１１】全共鳴器がその縦軸に沿って振動させられる
本発明に係る共鳴器駆動システムに用いられる装置の断
面図である。
本発明に係る共鳴器駆動システムに用いられる装置の断
面図である。
【図１２】より高い高調波を大きく消去するための多孔
材料を用いた図９に示す共鳴器の断面図である。
材料を用いた図９に示す共鳴器の断面図である。
【図１３】熱交換システムを形成するように熱交換装置
に接続された図１１に示す共鳴器と駆動装置の断面図で
ある。
に接続された図１１に示す共鳴器と駆動装置の断面図で
ある。
２ シリンダー状小室 ４，６，１８，２８ 端部フランジ ８ ロッド・インサート １０ 小径部 １２ 円錐部 １４ 大径部 １６ 円錐テーパー端部 ２０ 円錐拡大部 ２２，２４ 湾曲テーパー端部 ２９ 駆動装置 ３２ 磁石 ３４ 共鳴器 ３８ 多孔材料 ３９ 電磁駆動装置 ４５ 熱交換装置 図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
Claims (20)
- 【請求項１】 流体を入れる小室であって衝撃波の形成
を回避する為に該流体に少なくとも一つの高調波の破壊
的自己干渉を生じさせる幾何学的形状を有するもので構
成された事を特徴とする音響共鳴器。 - 【請求項２】 請求項１に記載の音響共鳴器において、
該小室が定在波圧縮器の為の共鳴小室であることを特徴
とした音響共鳴器。 - 【請求項３】 請求項１に記載の音響共鳴器において、
該小室が伝熱作用の為の流体圧縮に用いられる定在波圧
縮器の為の共鳴小室であることを特徴とした音響共鳴
器。 - 【請求項４】 請求項１に記載の音響共鳴器において、
更に、該少なくとも一つの高調波の破壊的自己干渉を増
加させる為に該小室内に配置した多孔材料を含んでいる
事を特徴とした音響共鳴器。 - 【請求項５】 請求項１に記載の音響共鳴器において、
該小室が端部を有し該端部が反射性終端部であり、更に
該小室の選択された共鳴モードの周波数で該小室を機械
的に振動させる手段を含んでいる事を特徴とした音響共
鳴器。 - 【請求項６】 請求項１に記載の音響共鳴器において、
該小室が開放端部と反射性終端部とを有しており、更
に、該小室の開放端部に結合された可動ピストンを含
み、該可動ピストンが該小室の選択された共鳴モードの
周波数で振動する事を特徴とした音響共鳴器。 - 【請求項７】 請求項１に記載の音響共鳴器において、
該小室の該小室に沿って変化する断面積を有し、該断面
積の変化が該流体の速度を減少させる為に該小室に沿っ
て配置されている事を特徴とした音響共鳴器。 - 【請求項８】 請求項１に記載の音響共鳴器において、
該小室が該小室に沿って変化する断面積を有し、該断面
積の変化が境界層粘性エネルギー散逸を減少させる為に
該小室に沿って配置されている事を特徴とした音響共鳴
器。 - 【請求項９】 請求項１に記載の音響共鳴器において、
該小室が該小室に沿って変化する断面積を有し、該断面
積の変化が境界層熱エネルギー散逸を減少させる為に該
小室に沿って配置されている事を特徴とした音響共鳴
器。 - 【請求項１０】 請求項１に記載の音響共鳴器におい
て、該流体が気体である事を特徴とした音響共鳴器。 - 【請求項１１】 請求項１に記載の音響共鳴器におい
て、該流体が液体である事を特徴とした音響共鳴器。 - 【請求項１２】 流体を入れる小室であって反射性終端
部を有するものと、該小室の選択された共鳴モードの周
波数で該小室を機械的に振動させる駆動手段と、を備え
た事を特徴とする音響共鳴器駆動システム。 - 【請求項１３】 請求項１２に記載の音響共鳴器駆動シ
ステムにおいて、該小室が定在波圧縮器の為の共鳴小室
となっている事を特徴とした音響共鳴器駆動システム。 - 【請求項１４】 請求項１２に記載の音響共鳴器駆動シ
ステムにおいて、該小室が伝熱作用の為の流体圧縮を行
う定在波圧縮器の為の共鳴小室である事を特徴とした音
響共鳴器駆動システム。 - 【請求項１５】 請求項１２に記載の音響共鳴器駆動シ
ステムにおいて、該駆動手段が周期的な非正弦波力を該
小室に与えるものである事を特徴とした音響共鳴器駆動
システム。 - 【請求項１６】 請求項１２に記載の音響共鳴器駆動シ
ステムにおいて、該小室が円錐部を含んでいる事を特徴
とした音響共鳴器駆動システム。 - 【請求項１７】 請求項１２に記載の音響共鳴器駆動シ
ステムにおいて、前記小室が湾曲拡大部を含んでいる事
を特徴とした音響共鳴器駆動システム。 - 【請求項１８】 流体を入れる小室であって該流体にお
いて少なくとも一つの高調波の破壊的自己干渉を起こさ
せるように該小室に沿って少なくとも第１及び第２の位
置にそれぞれ少なくとも第１及び第２の異なった断面積
を有するもので構成された事を特徴とする音響共鳴器。 - 【請求項１９】 請求項１に記載の音響共鳴器に、更に
該小室に流体での定在波を電磁気的に生じさせる為の手
段を設けた事を特徴とした音響共鳴器駆動システム。 - 【請求項２０】 流体を入れる小室であって該流体にお
いて少なくとも一つの高調波の破壊的自己干渉を起こさ
せるように該小室に沿って少なくとも第１及び第２の位
置にそれぞれ少なくとも第１及び第２の異なった断面積
を有するものと、 該小室において音波が形成されるようにする為該小室に
結合されて該流体が該小室内で圧縮されるようにする駆
動装置と、 該小室に接続された熱交換装置と、 を備えた事を特徴とする熱交換システム。
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