JP3699731B2 - 同調振動ノイズ低減方法および同調振動ノイズ低減装置 - Google Patents
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Description
1.本発明の技術分野
本発明は、振動絶縁技術に関し、さらに具体的には、運動質量体を装着する基板に誘起される振動による構造的ノイズを低減するための装置に関する。
2.従来技術の説明
いわゆるリングレーザジャイロスコープ(RLG)は、閉鎖ループに関して反対方向に伝播する2本の単色レーザビームを利用する。ループ軸線に関するこのRLG装置の回転は、一方向におけるビーム進路の長さを効果的に増長させ、他方向の進路長さを短縮させる。2本の対向回転するビームのレーザ周波数は、レーザ進路長さの関数であるから、RLGの回転によりもたらされる進路長さの差は、2本のビームの間に周波数の差をもたらす。この周波数差の大きさおよび符号(正か負か)は、RLGの回転速度および方向を表わし、この技術分野において周知の態様で監視され得る。低い回転速度においては、対向回転ビーム間の周波数の差は小さく、両ビームは同じ周波数で共振(ロックイン)する傾向を示し、従ってRLGは停止しているように見える。このロックインは、ロックイン速度またはそれ以下の速度における回転のRLGによる感知を妨げる。このロックイン速度を低減させるためには、RLGをその軸線に関して機械的に振動、揺動させ、まず一方向に、次いで他方向に回転させる。このような揺動は、両方向における明白な回転を維持するが、機械的振動とは実質上無関係である信号を出力端子にもたらし、従ってロックイン速度を低減させる。
揺動はRLGを装着している構造体を振動させ、これにより構造的ノイズを生起させるが、このノイズは装着構造体に機械的に結合されている諸設備に悪影響を及ぼす。このような構造的ノイズを低減させるための公知方法が、発明者、チャールズ、M.アドキンスらから本願出願人に譲渡された米国特許5012174号明細書に記載されている。このアドキンスらによる装置は、RLGを装着する基板に直接的に取付けられ、電子的に基板に対抗的振動を生起させて、揺動RLGにより誘起される振動を相殺する。しかしながら、このアドキンスらの装置は、機械的、電気的に複雑であり、従って比較的廉価なRLGを使用する場合にくらべて、著しくコストが高い。
構造的ノイズを低減させるための他の方法が、ジェイムズ、R.ブラゼルらに附与され、他者に譲渡された米国特許5267720号明細書に記載されている。ブラゼルらによれば、相互に直交する回転軸に沿って配置されている1対のノイズ減衰装置を使用するべきことが教示されている。各ノイズ減衰装置は、それぞれ、機械的に構成された機枠に型成形装着された高減衰性エラストマー材料に保持されている精密なバルブスプリングを有する。両ノイズ減衰装置の整合および両回転軸の斉合は、必要な基板の安定性をもたらすように、僅少の公差を以て行なわれねばならない。センサ支持構造体の機械的共振の抑制は、外表面の90%に粘弾性の押圧された層を施こすことにより行なわれる。衝撃、振動、構造的ノイズの絶縁に適応するためには、高精密機械工作、型成形エラストマーの僅少の公差、整合せしめられた予備負荷ノイズ減衰装置、および高コストの検査が必要とされる。従って、この公知装置は、製造、組立てが困難であり、高コストを要する。
(本発明の要約)
本発明の原理により、構造的ノイズは、例えば、リングレーザジャイロ(RLG)のような振動装置の機枠に、補助質量体を装着することにより、所望の周波数範囲において抑止される。この補助質量体は、可撓性(強靱性)を以て構成され、発条様作様を示し、支持枠、機枠の好ましくない周波数応答によりもたらされるその振動の最大振幅位置に波節(零運動)をもたらすような態様で、この機枠に装着される。この装着の構造、方法により、補助質量体が、RLGの好ましくない強制周波数で振動せしめられ、その結果として支持構造体の振動を最少限度にする。すなわち、結合された構造体、支持枠および補助質量体の固有周波数が、振動装置の強制周波数からシフトされる。これらの諸特徴およびその他の諸特徴は、添附図面およびこれに関してなされる以下の詳細な説明からさらに明らかになされる。
【図面の簡単な説明】
図1は、振動発生装置、その機枠および本発明の好ましい実施態様による装置から成る集合体の分解斜視図、
図2A、2B、2Cは、図1に示される機枠/カバー集合体の共振周波数およびこれに伴なうモード形態を示す図面、
図3A、3Bは、本発明装置を具備しない、および具備する図1に示される集合体の強制振動第一軸に沿った振動マグニチュード対振動周波数の関係を示すグラフ、
図4A、4Bは、本発明装置を具備しない、および具備する図1に示される集合体の強制振動第一軸に直交する第二軸に沿った振動マグニチュード対振動周波数の関係を示すグラフ、
図5A、5Bは、本発明装置を具備しない、および具備する図1に示される集合体の強制振動第一軸および第二軸に直交する第三軸に沿った振動マグニチュード対振動周波数の関係を示すグラフである。
(好ましい実施態様の説明)
まず図1において、例えば揺動RLGのような振動装置11は、RLGを操作するための、カバー15により閉鎖される連体13内に配置されている。この連体13は中心線14aを有するトップウォール13aと、中心線14bを有するボトムウォール13bとを備えている。この質量体に作用する外力は、これにより生起される強制周波数で、質量体を振動させる。RLGの揺動のような装置11の振動は、単量体として作用する連体/カバー集合体13、15の強制振動を生起させる。この強制振動は、振動装置11によりもたらされる強制周波数ωで振動する。この強制周波数に応答する連体/カバー集合体13、15の振動振幅を低減させるために、連体/カバー集合体は、最低強制周波数よりも低い固有周波数ω0をもたらすようになされる。質量体の固有周波数が、式ω0 2=k/m(kは質量体の強靱性、mは質量を表わす)により決定されることは周知の通りである。従って、固有周波数ω0は、構造体材料、壁厚および連体周辺の拘束点を選定して、適当なk/m比をもたらし、最低強制周波数以下に位置され得る。連体/カバー集合体13、15の強制振動は、適切に設計された補助質量体を適当にこれと結合することにより、強制周波数範囲内で最少限になされ得る。不減衰振動系の強制振動振幅x0は、周知のように下式により決定される。
ただし、式中の
P0は励振力の振幅、
k0=m0ω0 2、
m0は連体/カバー集合体の質量、
ωは強制周波数、
ω0は連体/カバー集合体13、15の固有周波数、
P0/k0は理論的スプリングの静的偏向である。
偏向振幅x0は、連体/カバー集合体の質量を増大させることにより減少させ得る。これは補助質量体17を、連体/カバー集合体13、15と結合させることにより達成され得る。この結合により、質量meqが装置系全体に附加される。
ただし、式中の
meqは補助質量体17により附加されるのと同等の質量、
mamは補助質量体17の実際の質量、
ωamは補助質量体17の固有周波数である。
補助質量体17の同等質量は、強制周波数比βam=ω/ωam、質量割合(μ=mam/m)、連体/カバー集合体13、15の静的偏向の関数である結合装置の振動振幅をもたらし、これは下式により決定される。
ただし、β=ω/ω0である。
上述したところから明らかなように、強制周波数ωにおける振動振幅x0は、補助質量体共振周波数を強制周波数に同調させるとき、すなわちωam=ωまたはβam=1とするとき、実質的に零である。
前述したように、振動を抑制するため、連体/カバー集合体13、15は、第一の基礎周波数を、振動装置11の強制周波数帯の範囲外とするように構成される。振動装置が揺動RLGである場合、強制周波数帯は、450Hzから650Hzの範囲である。集合体13、15の固有周波数における振動の抑制を確実にするために、この強制周波数帯の最低周波数により低い固有周波数が選択され、集合体13、15はこれに対応して構成される。
連体/カバー集合体13、15の数学的モデルを、集合体13、15の固有周波数を決定し、強制周波数範囲内の共振数を最少限とするための数学的モデルが作成された。この理想的な数学的モデルは、450HzのRLG最低周波数以下の第一共振周波数405Hzをもたらした。この第一共振のための連体/カバー集合体13、15上の各位置における相対的偏向振幅が、図2Aに示されている。534Hzの第二共振は、RLGの強制周波数範囲、450Hzから650Hzの間に在る。この第二共振のための集合体13、15上の各位置における相対的偏向振幅が図2Bに示されている。990Hzにおける第三共振のための相対的振幅が図2Cに示されているが、これは強制周波数帯より高い。第二モードの534Hzにおける共振のみが、RLGの好ましくない強制周波数の範囲内に在る。図2Aから、振動節ライン(この節すなわちノードの線に沿って偏向は零である)は、図1に示した連体13のトップウォール13a上の中心線14a上に在ることは明らかである。また図2Aから、最大の偏向が図1の位置27a、27cの近くに在ることも明らかである。従って、特定の連体集合体の振動節線、すなわち中心線14aは、補助質量体17を連体集合体と位置29、27bにおいて結合することにより補助質量体を固定、拘束するために使用される。さらに、補助質量体の偶角部24a、24bは、それぞれ、最大限の振動抑制が要求される連体の偶角部27a、27cに結合される。連体/カバー集合体13、15の固有周波数における振動の抑制を確実にするために、補助質量体は530Hz近傍の強制周波数で振動するように構成され得る。
分析モデルから推測される最適の壁厚、選択された材料および拘束点を有する連体/カバー集合体を衝撃ハンマーテストに附した。図3A、4Aおよび5Aに示されるように、この装置の周波数応答は、計算された最初の3共振モードに対応した。
さらに、これら図3A、4Aおよび5Aには、典型的な連体/カバー集合体の連体13の、図1中のx、yおよびzの各軸線に沿う位置16における、零近傍から1600Hzまでの強制周波数に関する周波数応答が示されている。この位置16における共振は、350Hz、548Hzおよび960Hzで現われる。これら周波数応答のうち、548Hzにおける共振のみが強制周波数帯中に在る。
共振周波数帯内の振動振幅を減少させるために、補助質量体17が連体/カバー集合体13、15に附加され、複合構造体を構成するが、この補助質量体は、4個の区劃(これら各区劃内にはスチールショット21(BB)が配置される)底板19と、蓋板23とを有する。蓋板23に穿設された透孔24a、24b、24c、および底板19に穿設された透孔22a、22b、および22cをそれぞれ貫通して延びるねじ25a、25b、および25cを、蓋板上のスペーサ27a、27b、および27c下方のねじ孔にねじ込むことにより、補助質量体17は、集合体13、15に結合、固定される。連体13と補助質量体17との間の、あらかじめ定められた均斉な空隙は、スペーサ27a、27b、27cを利用し、補助質量体17を連体13上のパッド29に着座させることによりもたらされる。スチール製BB21の寸法は、底板19の各区劃に充填され、それぞれの運動不能の接触状態を維持するように決定される。図面を簡略化するため、スチールショットの一部を装填した状態で図示されている。このスチールショット21は、任意所望の質量と、補助質量体17の剛性をもたらすために使用される。
補助質量体の全質量は、所望の同調周波数をもたらし、結合された装置全体が強制周波数帯外で共振するように算定される。結合された連体/カバー集合体13、15と、補助質量体17との特徴的等式は、前述した等式の分母
(1−βam 2)(1−β2)−β2μ
を零とすることによりもたらされ得る。ωn=ωとし、分母をωn、ω0、ωamおよびμの関数として書直せば、以下の結合された装置の特徴的等式が得られる。
(ωn 2−ωam 2)(ωn 2−ω0 2)−ωn 2ωa 2μ=0
これから結合された装置の共振周波数ωnが下式により算出される。
これから、選定された質量割合における、結合された装置の共振周波数が算出される。種々の質量比における共振周波数を算出することにより、強制周波数帯外に在る共振周波数の選定が可能となる。
連体/カバー集合体13、15の質量が、約9kg(20ポンド)、選定される質量比が0.1、0.2および0.25とした場合、結合合体装置が、これらの質量比で、好ましくない534Hzの共振をもたらすか否かが判定され得る。
(μm=0.1の場合)
ωn1=1.18ωam=630.1Hz
ωn2=0.88ωam=469.9Hz
ωn1は強制周波数帯内に在るから、この質量比は適当でない。
(μ=0.2の場合)
ωn1=1.25ωam=667.5Hz
ωn2=0.80ωam=427.2Hz
これも強制周波数帯内に在るから不適当である。
(μ=0.25の場合)
ωn1=1.13ωam=694.2Hz
ωn2=0.78ωam=416.5Hz
この質量(比)は、連体/カバー集合体と、補助質量体との結合合体装置の共振周波数を強制周波数帯の範囲外に置くものであるから、適当である。この質量比は、上記の連体/カバー集合体13、15の共振を抑制するのに最適である。これより高い質量比は、全体の重量を増大させ、同じωmを維持するための補助質量体の剛性を増大させると共に、無用の周波数帯(dead frequency band)の拡大をもたらすだけであって、有益ではない。従って、補助質量体の全重量、mamは、約2.27kg(=5ポンド=0.25×20ポンド)となる。また、重量は、質量・時間・重力加速度(w=mg、g=386in/s2)であるから、補助質量体17の全質量は0.01295lbs・s2/inである。また、補助質量体の剛性kam=ωam 2mmであるから、これは(534×2p)2×0.01295=145785lbs/inであり、これが全発条強靱性である。
補助質量体17およびねじ25a、25b、25cの構造は、ねじのトルクの調整により、好ましくない強制周波に微細に同調され得る同調質量/発条装置を形成し、連体/カバー集合体の強制振動に対抗作用する。結合ねじ25a、25b、25cがねじ込まれる連体13上の結合位置27a、27bは、それぞれ、結合合併装置の共振周波数における、外部誘起されたランダム環境的シヌソイド振動の間、連体/カバー集合体13、15の振動抑制を最大限ならしめ、かつ補助質量体の安定性を増大させるように選定される。補助質量体の反作用力挙動は、図1に示されるような三角形配置結合位置27a、27b、27cにより著しく増大される。このような結合点の配置により、位置27aおよび27cにおける振動節、すなわちノードは、強制振動周波数的になされる。好ましい同調は、ねじ25a、25cのトルクを調整し、位置24a、24cを水平面上に移動させることにより行われる。
補助質量体17は、これが強制周波数帯における好ましくない周波数と実質的に等しい固有周波数を持つように、またこれが集合体13、15の曲げモードと実質的に同じ曲げモードを持つように構成され、配置される。その底板19および蓋板23の材料、スチールショット21の重量およびねじ25a、25b、25cのトルクは、比kam/mam=ωamが強制周波数により励起された場合の集合体13、15の振動周波数とほぼ等しくなるような強靱性kamおよび質量mamをもたらすように選定される。従って、集合体13、15の振動は、補助質量体17の結合合体により対抗され、結合された装置全体の振動は著しく低減される。
上述したように補助質量体17の装着は、連体13の位置27a、27cにそれぞれ結合された補助質量体の位置24a、24cにおいて、零運動部分(振動節)を形成する。これは、連体13の両位置29と27bにより決定される節線(ノーダルライン)14aに、補助質量体に固有の節線26を平行に置くことにより達成される。そして、節線26は蓋板23の中心線であり、節線(ノーダルライン)14aは、トップウォール13aの中心線である。補助質量体17は、これを連体上方壁面上のパッドないしボス29と接触させ、ねじ25a、25b、25cにトルクを及ぼすときに作動される。この場合、パッド29というスペーサを設けずに、補助質量体17と連体13とを直接的に接触させることにより、全体的に完全な面対面接触が達成されることに留意すべきである。これにより補助質量体質量mamの、連体/カバー集合体の質量m0への附加、従って結合合併装置全体の質量mtotal=mam+m0がもたらされ、好ましくない振動振幅
x0=(P0/k)/[(1−ω2/(k/mtotal)]
をもたらすωam<<ωおよびβam〜0のような無視可能のkamの関与をもたらさない。
図3B、4Bおよび5Bは、補助質量体17を結合、装着した状態において、それぞれx、y、z軸線に沿っている連体13の位置16における放射線応答を示す。この図3Bにおける周波数応答を図3Aの周波数応答と対比すれば、450Hzから650Hzの周波数帯において、x軸に沿う振動振幅の著しい低減が明白である。補助質量体を結合、装着しない状態で、共振をもたらす548Hzにおける振動振幅マグニチュードは、周波数帯全体にわたる振動振幅の減少と共に、20dB以上低減された。同様にして、図4Bを図4Aと、図5Bを図5Aと対比した場合、y軸およびz軸に沿う振動振幅の減少は明白である。
以上において本発明の好ましい実施態様を例示的に説明したが、これらは本発明範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に属しながら、なお上記実施例と相違する場合は多々あり得る。
Claims (11)
- 周波数帯第一末端および周波数帯第二末端を有する強制周波数帯の範囲内において、連体(13)とカバー(15)とを有する振動体(13、15)の発生するノイズを減少させるための方法において、
複数区劃を有する区分板体(19)を形成すること、
前記板体の各区劃に複数のスチールショット(21)を充填すること、
区分板体(19)上に前記スチールショット(21)を保持するように蓋板(23)を載置することを含み、
加えられた外力により生起さる強制周波数で振動するように補助質量体(17)を構成する工程、および
補助質量体(17)と振動体(13、15)を結合することにより、振動体(13、15)による外力を受けたときに、前記振動体の振動振幅よりも小さい振動振幅を以て、かつ前記強制周波数帯内の周波数において、振動する複合構造体(13、15、17)を形成する工程を包含することを特徴とする同調振動ノイズ低減方法。 - 振動体(13、15)が、前記第一末端近傍で、前記強制周波数帯範囲外に固有周波数を持つように振動体(13、15)を構成する工程、および、
補助質量体(17)が前記強制周波数帯の範囲内に固有周波数を持ち、
複合構造体(13、15、17)が、前記強制周波数帯の範囲外に固有周波数を持つように、補助質量体(17)を構成する工程とを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 連体(13)のあらかじめ決定された複数の位置にねじ山を付けた孔を形成すること、
区分板体(19)の前記あらかじめ定められた各位置に対応する位置に透孔(22a、22b、22c)を形成すること、および蓋板(23)の前記あらかじめ定められた各位置に対応する位置に透孔(24a、24b、24c)を形成すること、
およびねじボルト(25a、25b、25c)を前記透孔に貫通させて前記ねじ山を付けた孔に係合させ、さらにねじボルト(25a、25b、25c)をねじ込むことにより、質量体(17)の振動周波数を同調させることの各工程をさらに包含することを特徴とする、請求項1の同調振動ノイズ低減方法。 - 前記ねじ山を付けた孔および透孔(22a、22b、22c;24a、24b、24c)を連体(13)および蓋板(23)の中心線(14a、26)上にある頂点を有するそれぞれの三角形状に配置することを特徴とする、請求項3の同調振動ノイズ低減方法。
- 連体(13)上にスペーサ(27a、27b、27c)を配置し、連体(13)と質量体(17)の間のあらかじめ定められた間隔を維持し得るようにする工程をさらに包含することを特徴とする、請求項4の同調振動ノイズ低減方法。
- 質量体(17)を作動せる連体(13)の中心線(14a)にパッド(29)を形成する工程をさらに包含することを特徴とする、請求項5の同調振動ノイズ低減方法。
- 周波数帯第一末端および周波数帯第二末端を有する振動周波数帯内の振動周波数を発生させる強制振動に服せしめられる、振動体(13、15)の振動を減少させるノイズ低減装置であって、
複数の区劃を有する区分板体(19)と、
前記複数の各区劃内に納められ、充填された複数のスチールショット(21)と、
スチールショット(21)を被覆するよう区分板体(19)上に載置された蓋板(23)と、から構成され、加えられた外力により生起さる強制周波数で振動する補助質量体(17)と、
該補助質量体(17)と、振動体(13、15)とが結合されて構成され、振動体(13、15)の外力を受けたときに、前記振動体の振動振幅よりも小さい振動振幅を以て、かつ前記強制周波数帯内の周波数において、振動する複合構造体(13、15、17)と、
を含むことを特徴とする同調振動ノイズ低減装置。 - スチールショット(21)が、前記区劃内において運動不能に配置されていることを特徴とする、請求項7の同調振動ノイズ低減装置。
- 各スチールショット(21)が、すべて等しい直径を有することを特徴とする、請求項8の同調振動ノイズ低減装置。
- 連体(13)が、複数の前記ねじ山を付けた孔を持っており、補助質量体(17)が、前記ねじ山を付けた孔に対応して複数の透孔(22a、22b、22c;24a、24b、24c)を持っており、
ねじボルト(25a、25b、25c)を透孔(22a、22b、22c;24a、24b、24c)を貫通させ前記ねじ山を付けた孔に係合させることにより補助質量体(17)を振動体(13、15)に結合させることを特徴とする、請求項7の同調振動ノイズ低減装置。 - 前記ねじ山を付けた孔および透孔(22a、22b、22c;24a、24b、24c)が、連体(13)および補助質量体(17)の中心線(14a、26)上に在る頂点を有するそれぞれの三角形状に穿孔配置されることを特徴とする、請求項10の同調振動ノイズ低減装置。
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