JP3711387B2 - 超音速噴流用騒音低減方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音速噴流から発生する騒音を低減する方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
産業上の多くの分野において使用されている配管系や緊急開放バルブから蒸気等の流体が噴出する際の噴流騒音は、その騒音の周辺で作業する人に対して精神的および肉体的付加を与える。
【０００３】
噴流騒音を低減するための技術は、これまでにも幾つか提案され、使用されてきている。従来の噴流騒音低減装置の例としては、多くの出口から出る噴流間の干渉を利用するデイジーノズルや多管式ノズルが知られており、近年では、ノズルの出口に小さなタブ（爪）を取り付けてノズル出口からの乱流渦から生ずる騒音を低減することが提案されている。
【０００４】
しかしながらこれらの装置は、構造が複雑で余分な装置を付加する必要があるとともにガス消費量を増加させるという問題がある。
【０００５】
ところで、超音速噴流の騒音を効果的に低減するには騒音発生のメカニズムの理解が必要であり、騒音発生のメカニズムとしては、非定常衝撃波の位置変動、乱流渦の生成および大規模乱流構造が挙げられる。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
この発明は、上記の知見に鑑みて先に述べた課題を有利に解決した方法および装置を提供することを目的とするものであり、この発明の超音速噴流用騒音低減方法は、ノズルから出る超音速噴流内に、その噴流を横切って延在する調流ワイヤまたは、その噴流の方向に軸線が延在する調流物を配置することを特徴とするものである。
【０００７】
また、この発明の超音速噴流用騒音低減装置は、ノズルから出る超音速噴流内にその噴流を横切って延在するように配置される調流ワイヤと、前記ノズルから出る超音速噴流内にその噴流を横切って延在するように前記調流ワイヤを支持するワイヤ支持手段とを具えてなるかまたは、ノズルから出る超音速噴流内にその噴流の方向に軸線が延在するように配置される調流筒と、前記ノズルから出る超音速噴流内にその噴流の方向に軸線が延在するように前記調流筒を支持する筒支持手段と、を具えてなるものである。
【０００８】
かかる方法および装置によれば、ノズルから出る超音速噴流内に配置された、噴流を横切って延在する調流ワイヤや、噴流の方向に軸線が延在する調流筒が、衝撃波の軸対称方向への位置変動と軸線方向への位置変動とを小さくして、非定常衝撃波の位置変動による騒音発生を減少させ、またノズル出口近傍の流れを非一様化してフィードバック経路を遮断することで、ノズル出口から放出される乱流渦で構成される大規模乱流と衝撃波との相互干渉に音響的フィードバックが加わることによる騒音発生を減少させ、さらに噴流の混合作用を大きくして、下流方向へ流れる混合乱流と衝撃波との干渉による騒音発生を減少させることから、簡易な構造で、しかも噴流に対する抵抗が小さいためガス消費量を増加させることなく、超音速噴流の騒音を効果的に低減することができる。
【０００９】
なお、この発明においては、前記調流ワイヤの形状は、一字状、Ｉ字状、十字状、放射線状およびリング状のうち少なくとも一つ、すなわちそれらの一つもしくは二つ以上の組合せであっても良く、リング状のものは、円環状でも、三角形や四角形等の多角形の環状でも良い。
【００１０】
またこの発明においては、前記調流筒の断面形状は、円形および、三角形や四角形等の多角形の少なくとも一つ、すなわちそれらの一つもしくは二つ以上の組合せであっても良い。そして、前記調流ワイヤと前記調流筒とを組み合わせることもできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１は、この発明の超音速噴流用騒音低減方法の一実施例の実施のための、この発明の超音速噴流用騒音低減装置の一実施例を示す説明図であり、図２（ａ）〜（ｇ）は、その実施例の装置で用いる調流ワイヤの形状例を示す正面図である。
【００１２】
この実施例の装置は、図１に示すように、ノズル１の出口１ａからその前方に出る超音速噴流２内にその噴流２を横切って延在するように配置される調流ワイヤ３（図示例では円環状の調流ワイヤ）と、ノズル１から出る超音速噴流２内にその噴流２を横切って延在するようにその調流ワイヤ３を支持するワイヤ支持手段としての、図示例では三本の支持ワイヤ４とを具えてなるものである。
【００１３】
ここにおける調流ワイヤ３は、例えばピアノ線等の高強度の金属線で形成することができ、調流ワイヤ３の形状としては、図２（ａ）に示す如き一字状、図２（ｂ）に示す如きＩ字状、図２（ｃ）に示す如き十字状、図２（ｄ）に示す如き十字状と円環状との組合せ、図２（ｅ）に示す如き円環状、図２（ｆ）に示す如き菱形状、そして図２（ｇ）に示す如き放射線状と同軸五角形状との組合せ等の形状から適宜選択することができる。この調流ワイヤ３は、Ｉ字状や十字状や放射線状の場合は、ノズル１の中心軸線Ｃと直交するように配置され、またリング状の場合はノズル１の中心軸線Ｃと同軸に配置される。なお、図３は、Ｉ字状と十字状との調流ワイヤ３の等価直径（寸法）ＤＥを示す。
【００１４】
そして、ここにおける支持ワイヤ４は、これも例えばピアノ線等の高強度の金属線で形成することができ、両端部をノズル１の外表面と調流ワイヤ３とにそれぞれ半田付け等で固着されて、調流ワイヤ３をノズル１に対し上記所定位置に維持する。
【００１５】
また、図４は、この発明の超音速噴流用騒音低減方法の他の一実施例の実施のための、この発明の超音速噴流用騒音低減装置の他の一実施例を示す説明図であり、図５（ａ）〜（ｃ）は、その実施例の装置で用いる調流筒の形状例を示す斜視図である。
【００１６】
この実施例の装置は、図４に示すように、ノズル１の出口１ａからその前方に出る超音速噴流２内にその噴流２を横切って延在するように配置される調流筒５（図示例では断面形状円形の円筒状の調流筒）と、ノズル１から出る超音速噴流２内にその噴流２を横切って延在するようにその調流筒５を支持する筒支持手段としての、図示例では三本の支持ワイヤ４とを具えてなるものである。
【００１７】
ここにおける調流筒５は、例えば鋼板等の高強度の金属板で形成することができ、調流筒５の断面形状としては、図５（ａ）に示す如き正方形、図５（ｂ）に示す如き円形、図５（ｃ）に示す如き多角形としての三角形等の形状から適宜選択することができる。この調流筒５は、ノズル１の中心軸線Ｃと同軸に配置される。
【００１８】
そして、ここにおける支持ワイヤ４は、先の実施例と同様例えばピアノ線等の高強度の金属線で形成することができ、両端部をノズル１の外表面と調流筒５の外表面とにそれぞれ半田付け等で固着されて、調流筒５をノズル１に対し上記所定位置に維持する。
【００１９】
上記各実施例の装置を用いた上記実施例の方法によれば、ノズル１の出口１ａから出る超音速噴流２内に配置された、噴流２を横切って延在する調流ワイヤ３や、噴流２の方向に軸線が延在する調流筒５が、衝撃波の軸対称方向への位置変動と軸線方向への位置変動とを小さくして、非定常衝撃波の位置変動による騒音発生を減少させ、また、ノズル出口１ａ近傍の流れを非一様化してフィードバック経路を遮断することで、ノズル出口１ａから放出される乱流渦で構成される大規模乱流と衝撃波との相互干渉に音響的フィードバックが加わることによる騒音発生を減少させ、さらに噴流２の混合作用を大きくして、下流方向へ流れる混合乱流と衝撃波との干渉による騒音発生を減少させることから、簡易な構造で、しかも噴流２に対する抵抗が小さいためガス消費量を増加させることなく、超音速噴流２の騒音を効果的に低減することができる。
【００２０】
図６は、先の実施例の装置を用いてノズル１の出口１ａと調流ワイヤ３との間の距離Ｘとノズル断面直径（内径）Ｄｅとの比（Ｘ／Ｄｅ）と音響強度との関係を試験した結果を示す特性線図であり、図中○印を繋ぐ実線は図１に示す如き中央部が括れた鼓型であるＣ−Ｄ型のノズル１と十字状（＋型）の調流ワイヤ３との組合せ、△印を繋ぐ実線は上記Ｃ−Ｄ型のノズル１とＩ字状（｜型）の調流ワイヤ３との組合せ、□印を繋ぐ実線は断面積一定の直管型であるソニック（Ｓｏｎｉｃ）型のノズル１と十字状（＋型）の調流ワイヤ３との組合せ、◇印を繋ぐ実線は上記ソニック型のノズル１とＩ字状（｜型）の調流ワイヤ３との組合せ、そして破線は調流ワイヤなしでの測定データをそれぞれ示す。ここで、Ｃ−Ｄ型のノズル１およびソニック型のノズル１は何れも出口断面直径（内径）Ｄｅが３．６ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲のものを複数本交換して用い、各ノズル１での噴流２の出口マッハ数は約１．８とし、調流ワイヤ３の太さ（直径）は約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ、調流ワイヤ３の図３に示す等価直径（寸法）ＤＥは約１０ｍｍとしてある。
【００２１】
図６から明らかなように、ノズル１の出口１ａから出る超音速噴流２内に噴流２を横切って延在するように調流ワイヤ３を配置した場合には、調流ワイヤなしの場合と比較して、Ｃ−Ｄ型のノズル１ではＸ／Ｄｅが０以上で５以下の範囲、またソニック型のノズル１ではＸ／Ｄｅが０以上で８以下の範囲で騒音が低減しており、特に、Ｃ−Ｄ型のノズル１ではＸ／Ｄｅが０以上で３以下の範囲、またソニック型のノズル１ではＸ／Ｄｅが０以上で５以下の範囲で騒音が大幅に低減している。そして何れのノズル１でも、Ｉ字状（｜型）の調流ワイヤ３より十字状（＋型）の調流ワイヤ３の方が騒音低減効果が著しい。なお、Ｄｅが３．６ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲ではＤｅの相違による結果の差は見られなかった。また、調流筒を含む他の組合せについても同様の結果であった。
【００２２】
図７は、先の実施例の装置を用いて上記ソニック型のノズル１と組み合わせた場合の調流ワイヤ３の形状の相違による騒音の周波数と音響強度との関係を試験した結果を示す特性線図であり、図中□印を繋ぐ実線は十字状（＋型）の調流ワイヤ３、△印を繋ぐ実線はＩ字状（｜型）の調流ワイヤ３、○印を繋ぐ実線は調流ワイヤなしでの測定データをそれぞれ示す。ここで、ソニック型のノズル１は出口断面直径（内径）Ｄｅが３．６ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲のものを複数本交換して用い、ノズル１での噴流２の出口マッハ数は約１．８とし、調流ワイヤ３の太さ（直径）は約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ、調流ワイヤ３の図３に示す等価直径（寸法）ＤＥは約１０ｍｍ、Ｘ／Ｄｅは２．０としてある。
【００２３】
図７から明らかなように、何れの形状の調流ワイヤ３も、５００Ｈｚ付近から測定範囲上限の約２００００Ｈｚまで騒音が低減しており、特に十字状（＋型）の調流ワイヤ３が騒音低減効果が著しい。なお、Ｄｅが３．６ｍｍ〜５．０ｍｍの範囲ではＤｅの相違による結果の差は見られなかった。また、調流筒を含む他の組合せについても同様の結果であった。これら図６および図７に示す試験結果からも、上記実施例の方法および装置の騒音低減効果が裏付けられた。
【００２４】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、例えば、調流ワイヤと調流筒とを組み合わせても良い。また、ワイヤ支持手段や筒支持手段は、支持ワイヤ４に変えて噴流の流れに沿う板状物で構成しても良く、支持ワイヤ４やその板状物は、ノズル１でなく他の固定箇所に固定するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の超音速噴流用騒音低減方法の一実施例の実施のための、この発明の超音速噴流用騒音低減装置の一実施例を示す説明図である。
【図２】 （ａ）〜（ｇ）は、上記実施例の装置で用いる調流ワイヤの形状例を示す正面図である。
【図３】 上記実施例の装置におけるＩ字状と十字状との調流ワイヤの等価直径（寸法）ＤＥを示す説明図である。
【図４】 この発明の超音速噴流用騒音低減方法の他の一実施例の実施のための、この発明の超音速噴流用騒音低減装置の他の一実施例を示す説明図である。
【図５】 （ａ）〜（ｃ）は、上記実施例の装置で用いる調流筒の形状例を示す斜視図である。
【図６】 先の実施例の装置を用いてノズル出口と調流ワイヤとの間の距離Ｘとノズル断面積直径Ｄｅとの比と音響強度との関係を試験した結果を示す特性線図である。
【図７】 先の実施例の装置を用いてソニック型のノズルと組み合わせた場合の調流ワイヤの形状の相違による騒音の周波数と音響強度との関係を試験した結果を示す特性線図である。
【符号の説明】
１ ノズル
１ａ 出口
２ 超音速噴流
３ 調流ワイヤ
４ 支持ワイヤ
５ 調流筒
Ｃ ノズル中心軸線
ＤＥ 等価直径（寸法）
Ｄｅ ノズル断面積直径
Ｘ ノズル出口と調流ワイヤまたは調流筒との間の距離

Claims (8)

1. ノズルから出る超音速噴流内に、その噴流を横切って延在する調流ワイヤを配置することを特徴とする、超音速噴流用騒音低減方法。
2. 前記調流ワイヤの形状は、一字状、Ｉ字状、十字状、放射線状およびリング状のうち少なくとも一つであることを特徴とする、請求項１記載の超音速噴流用騒音低減方法。
3. ノズルから出る超音速噴流内に、その噴流の方向に軸線が延在する調流筒を配置することを特徴とする、超音速噴流用騒音低減方法。
4. 前記調流筒の断面形状は、円形および多角形のうち少なくとも一つであることを特徴とする、請求項３記載の超音速噴流用騒音低減方法。
5. ノズルから出る超音速噴流内にその噴流を横切って延在するように配置される調流ワイヤと、
   前記ノズルから出る超音速噴流内にその噴流を横切って延在するように前記調流ワイヤを支持するワイヤ支持手段と、
   を具えてなる、超音速噴流用騒音低減装置。
6. 前記調流ワイヤの形状は、一字状、Ｉ字状、十字状、放射線状およびリング状のうち少なくとも一つであることを特徴とする、請求項５記載の超音速噴流用騒音低減装置。
7. ノズルから出る超音速噴流内にその噴流の方向に軸線が延在するように配置される調流筒と、
   前記ノズルから出る超音速噴流内にその噴流の方向に軸線が延在するように前記調流筒を支持する筒支持手段と、
   を具えてなる、超音速噴流用騒音低減装置。
8. 前記調流筒の断面形状は、円形および多角形のうち少なくとも一つであることを特徴とする、請求項７記載の超音速噴流用騒音低減装置。

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