JP3434830B2 - ジェットエンジンのための騒音低減システムおよび騒音制御方法 - Google Patents

ジェットエンジンのための騒音低減システムおよび騒音制御方法

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明はジェットエンジンファンの騒音低減に関し、
より特定的には、エンジン抽気システムから得られる高
圧力の空気によって駆動される電空トランスデューサを
起動するために能動騒音制御を用いて、ジェットエンジ
ンファンの騒音を低減するための装置および方法に関す
る。
発明の背景 特許文献の技術における先行技術の例は、航空機バイ
パスエンジンにおける騒音の低減に関するスウィンバン
ク（Swinbank）への米国特許第4,044,203号である。能
動騒音制御（ANC）は破壊音響減衰を用いて適用され、
これはファンの前方の入口流域および出口ノズル流域に
適用される。エンジン入口には、米国特許第4,044,203
号は、音検出器（マイクロフォン）の３つの周囲アレイ
の前方に配置される音源（スピーカ）の最低３つの周囲
アレイと、出口ノズルセクションの３つの音源アレイの
前方の３つの検出器アレイとを必要とする。米国特許第
4,044,203号のシステムは、エンジン圧縮機段から電空
的に打消源に電力を与える本発明の好ましい実施例とは
対照的で、比較すると重量の点で不都合のある電磁デバ
イスを含む。
カラーギス（Kallergis）への米国特許第4,934,483号
は、破壊音響減衰をプロペラ駆動式４ストロークピスト
ンエンジン飛行機に適用する。制御システムは必要でな
く、プロペラ羽根からの破壊音響圧力の位相調整は、エ
ンジン速度、シリンダの数、およびプロペラ羽根の数の
関数である。ポポビク（Popovich）への米国特許第5,21
6,722号は、複雑な相関音場を減衰するためのマルチチ
ャネル能動音響減衰システム用の制御システムに関す
る。ゲデス（Geddes）への米国特許第5,119,902号は、
ユアン（Yuan）への米国特許第5,222,148号に示される
システムと同様にANCを自動車の排気騒音を低減するた
めに適合しているが、ユアンのシステムは、エンジンの
振動にも応答し、適応フィルタリングを有する制御シス
テムを示している。プラ（Pla）他への米国特許第5,22
1,185号は、プロペラ駆動式飛行機におけるツインエン
ジンのような２つ以上の回転システムの同期に関する。
文献にある先行技術の騒音制御システムの例には以下
のものがある。
（１） 「能動騒音制御は航空機の排気音を削減する
（Active Noise Control Cuts Aircraft Emission
s）」、Michael Mecham/Bonn、Aviation Week ＆ Space
Technology、1992年11月２日 （２） 「Jt15dターボファンエンジンからのファン騒
音の能動制御に関する予備実験（Preliminary Experime
nts on Active Control of Fan Noise From a Jt15d Tu
rbofan Engine）」、R.H.Thomas、R.A.Burdisso、C.R.F
uller、W.F.O'Brien、バージニア・ポリテクニック・イ
ンスティテュート・アンド・ステート・ユニバーシティ
（Virginia Polytechnic Institute and State Univers
ity）機械工学部、ブラックスバーグ（Blacksburg）、
バージニア州、編集者への日付なしの書簡 （３） 「適応信号処理（Adaptive Signal Processin
g）」、Bernard Widrow/Samuel D.Sterns、プレンティ
スホール（Prentice−Hall）、1985年（第６章） したがって、本発明の目的は、拡声器の代わりに高圧
力の空気によって駆動される電空音響トランスデューサ
を起動する制御システム出力信号を用いた、ファンのト
ーン騒音の音響打消を提供することである。
発明の概要 現在製造されている飛行機はFARステージIII騒音レベ
ルの要件は満たしているが、予期されるステージIVの規
則および地方空港夜間騒音禁止法（local airport nois
e curfew legislation）には恐らく騒音低減技術のさら
なる開発が必要であろう。本発明の騒音制御システム
は、入口および排気領域において音吸収材の使用は続け
ているが、飛行機の低空飛行の際の騒音シグネチャーの
主要な源となり得るファンのトーン騒音を抑制するため
に能動騒音制御を含んでいる。本発明の能動騒音制御
は、ファンおよびファン出口案内翼段の上流および下流
において、制御システムエラーを検知するための先行技
術のアプローチとはかなり異なっている。本発明のシス
テムは、ファン角速度または羽根通過周波数から得られ
る基準信号と、入口に配置される音響トランスデューサ
によって排気ダクトから検知されるエラー信号とで動作
する。出力信号は、ファンのトーン騒音の音響打消を与
えるために、冷却された高圧力の気流を送る、ファン段
の各側の空気制御弁を起動する。電空トランスデューサ
は、信号増幅器および電磁デバイスの重量に関する不都
合を解消する。さらに、「羽根通過周波数」トーン低減
のため、ファン出口案内翼の数を減らすことによって潜
在的にさらなる重量低減および性能利得がある（現在、
ファン出口案内翼の数はファンと出口案内翼との間の相
互作用騒音を最小にするように選択されている）。
図面の簡単な説明 図１は、ジェットエンジンおよびナセルの断面図を、
コンポーネントの場所を含むシステムブロック図ととも
に示した図である。
好ましい実施例の説明 上で引用したように（先行技術引用文献（１）および
（２）参照）、能動騒音打消技術を用いて飛行機のエン
ジンから発する音を打消すいくつかの成功した応用を示
したが、以下に説明する本発明の好ましい実施例は、ジ
ェットエンジンファンの騒音を打消そうとする従来の試
みの欠点を克服するために、証明された騒音打消の概念
を用いる。
課題解決のための従来の試み；この試みの失敗の理由 ドイツ研究組織（Garman Research establishment）D
LRは、プロペラ飛行機の排気音を用いて推進剤から発す
る音を打消すことが可能であることを立証した（文献
（１）参照）。これは、プロペラクランク軸上に装着さ
れた調節可能なフランジによってエンジン排気に関する
プロペラの位相を変えることによって達成された。この
方法は、ジェットエンジンへの応用に関しては、入口フ
ァンの音と結合するための調和的に関連する排気音がな
いため失敗している。
NASA出資のC.R.フュラー（C.R.Fuller）他による研究
で、ジェットエンジンの入口に装着されたいくつかの拡
声器によって発生された協調しない位相の音が、JT15D
エンジンの入口ファンによる音の放射を打消すことがで
きることが立証されている（文献（２）参照）。製造の
観点から見ると、この方法は以下に示す２つの主な理由
のため失敗している。
（１） 必要なサウンドパワーレベルを達成するのに必
要とされる、12個の電磁的に駆動される拡声器および電
力増幅器の大きさおよび重量が、この方法を実現困難に
している。
（２） 拡声器制御源の指向性が羽根通過周波数（BP
F）トーンの指向性と異なるため、制御マイクロフォン
付近の音低減の幾何学的な大きさは非常に小さい。さら
に、制御システムが「オン」の場合のサウンドレベル
は、制御マイクロフォンから僅かな距離離れた所で増加
した。
これらの欠点は以下に説明する本発明のシステムを用い
ることにより克服され得る 本発明のシステムは、文献（１）および（２）で証明
された以下に示す２つの概念を用いる。
（１） 航空機エンジンの排気を用いて、打消音源を得
るための手段を与えること。
（２） 複数の打消源を用いて、ジェットエンジンの入
口ファンから発する音を低減すること。
従来の適応順方向供給システムを用いて能動騒音制御
を行なうためには、以下の３つのことが起こらなければ
ならない。
（１） 「基準」信号ｘ（ｔ）が検知されなければなら
ない。
（２） 「エラー」信号ｅ（ｔ）が検知されなければな
らない。
（３） 絶えずエラー信号ｅ（ｔ）を最小にするため
に、制御出力信号ｙ（ｔ）が得られかつアクチュエータ
に出力されなければならない。
本発明のシステムは、文献（３）に詳細に説明される
そのようなシステムを以下に示す態様で用いる。
基準信号ｘ（ｔ）は、打消すべき不快な騒音源と非常
に相関する制御システムへの入力信号である。この場
合、基準信号は、ファンケーシングに装着される軽量の
羽根通過センサから得られ得る。基準信号はエンジン回
転計信号からも得られ得る。
エラー信号ｅ（ｔ）も制御システムへの入力であり、
最小にされるべき量の測定値である。この場合、エラー
信号は、エンジンの入口および／または出口ダクトに配
置される１つまたは複数のマイクロフォンからの電圧信
号である。
制御出力信号ｙ（ｔ）は、最小平均二乗法（LMS）ア
ルゴリズムのものを用いてエラー信号および基準信号か
ら得ることができる。この制御出力信号は、ハイレベル
の音響打消信号を生成する気流制御弁（高圧力の空気を
調節する）を起動するために用いられる。制御用電空ト
ランスデューサに供給されている空気は、使用可能な量
の圧力が確実に電空トランスデューサに供給されるよう
にするために圧力調整弁によって調整される。
仮定： 音は、入口ダクトを介して前方向に発しエンジンを介
して機尾に向かい排気ダクトから出ていく。したがっ
て、最も大きい２つの騒音源は以下のとおりである。
（１） ファンの直接的な騒音 （２） ファンからの後流がファンの出口案内翼に当た
るときのその後流からの騒音 図１に示す本発明のシステムは、従来の拡声器の代わ
りに、高圧力の空気によって駆動される電空トランスデ
ューサを用いて打消源を与える。打消源を駆動するため
のこの高圧力の空気は、高圧力または低圧力圧縮機から
離れたエンジン抽気システムから得られる。
検知のためにこの戦略を用いることは以下に示す理由
のため有利である。
（１） 羽根通過周波数（BPF）トーンが低減される。
（２） この技術を用いる結果、ファンの出口案内翼の
数が低減され得る。
システム設計の考察： （ａ） 本発明のシステムは、ファンの各羽根に関して
これらのポート対のうちの１つを必要とし得る（図１に
はそのような対を１つしか示していない）。これらのポ
ートはファンの周囲に等間隔で配置されるであろう。
（ｂ） 電子コントローラ２を省いて文献（１）に示さ
れるような機械的なタイプの構成を用いることが可能と
なるであろう。
（ｃ） 本発明のシステムは制御出力トランスデューサ
を２つではなく１つしか用いなくてもよい。実際には、
１つの制御出力トランスデューサで最初の伝搬波および
ファンの出口案内翼による波の両方を十分に低減するこ
とができるであろう。
（ｄ） 音低減の指向性を最適化するために、ダクト
（E1およびE2）の各々に１つのエラーマイクロフォンで
はなく複数のエラーマイクロフォンを用いることが有利
であろう。
図１に示すような本発明のシステムの構成を見てきた
が、以下に示すコンポーネントリストを、システムにお
けるコンポーネントの関連する機能的関係とともに読め
ば、本発明の好ましい実施例の構造および動作を明確に
理解することができるであろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オーゼコーフスキー，ジェフリー・エム カナダ、エヌ・８・ダブリュ ５・シ ィ・３ オンタリオ州、ウィンザー、ア ザリア・クレセント、1315 (56)参考文献 特開 昭50−73014（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−346792（ＪＰ，Ａ) 米国特許4255083（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G10K 11/178 F02K 1/00 - 3/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ジェットエンジンファンの騒音低減のため
    のシステムであって、 ジェットエンジンのファンの上流および下流にある複数
    のマイクロフォンおよび電空トランスデューサを含む能
    動騒音制御システムを備え、 前記マイクロフォンは制御システムのエラーを検知し、 さらに、前記能動騒音制御システムは基準センサにより
    ファンから基準信号を得るとともに、前記マイクロフォ
    ンによって検知されたエラー信号を得て制御出力信号を
    出し、 前記制御出力信号はファンの両側にある電空トランスデ
    ューサを動作させ、これにより高圧力の空気流を調節し
    て、波案内部を介してファンの両側に送る、 前記波案内部は調節された高圧力の空気をファンの先端
    の領域に向けるもので、これによりファン騒音の音響打
    ち消しをもたらす、システム。
  2. 【請求項２】ファンを有するジェットエンジンにおい
    て、ジェットエンジンファンの騒音を制御するための方
    法であって、 羽根通過周波数を表わす信号に応答して複数の出力制御
    信号を与えるステップと、 前記複数の出力制御信号を用いて前記ファンの両側にあ
    る電空トランスデューサを動作させ、波案内部を介し
    て、調節された高圧力の空気をファンの上流側および下
    流側の両方においてファン羽根先端の領域に向けるステ
    ップとを含む、方法。
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