JP3772216B2

JP3772216B2 - Multi-layered material for hull and its method for simultaneously reducing fluid resistance and self-radiated noise level of navigation vehicle

Info

Publication number: JP3772216B2
Application number: JP2003150591A
Authority: JP
Inventors: 重光倉野
Original assignee: 防衛庁技術研究本部長
Priority date: 2003-05-28
Filing date: 2003-05-28
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2023-05-28
Also published as: JP2004352024A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航走体の燃料の節約及び運動性能の向上のための航走体の流体抵抗低減と航走体に設置された音響センサーの目標探知性能向上のための自己放射雑音レベルの低減を同時に行う方法及びその方法を可能にする航走体船殻用多層構造の板材及び円筒形材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の航走体の自己放射雑音低減技術は、「機械工学便覧」（社）日本機械学会編ｐ８８７〜ｐ８９９（以下公知の文献１）で開示された航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音を低減対象としている。
【０００３】
すなわち、航走体の自己放射雑音は、大きく二つに分けられる。一つは、プロペラ雑音で、これは、プロペラの推進作用及び航走体が航走することによって、船殻の外側に生じる流体雑音である。その主なものはプロペラの回転運動によって起こるキャビテイションである。もう一つは、航走体内部の電動機又はエンジンや減速機等の回転に伴う振動と軸受けでの機械的摩擦振動であり、これが機械の据え付け部分から種々の伝搬経路を経て船殻の振動雑音となる機械雑音である。
【０００４】
本発明が低減対象とする航走体の自己放射雑音は、前記放射雑音の内、後者の航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音である。
該機械雑音が自己放射雑音として、音響センサー等の目標探知性能に影響を与える伝搬経路は二つある。一つは、機械振動雑音が船殻を音響センサー部まで直接伝搬して外部雑音となるもの、他は、船殻の振動エネルギーが船殻全体から水中に放射され航走体周囲の水中放射雑音となって、音響センサー部に回り込み外部雑音となるものである。図１に本発明により低減対象となる機械雑音の音響センサー等への伝搬経路を示す。
【０００５】
公知の文献１で開示された従来の機械雑音による自己放射雑音の低減法は、発振源となる電動機又はエンジン等の船体への取り付け部分に空気バネや振動ゴムを挟み込んだ制振装置により振動エネルギーを吸収し低減させる振動伝搬絶縁方式を採用している。図２に従来の振動伝播絶縁装置の一例を示す。
【０００６】
航走体の流体抵抗低減法に関する従来の発明としては、D.W.Bechert and M.Bartenwerfer,1989,"The viscous flow on surfaces with longitudinal ribs ", J.Fluid Mech.vol.206,pp.105-129.（以下、公知文献２）に乱流流れにおいて流体抵抗低減効果を有する、鮫の鱗に由来する多くの種類のリブレットの形状と流体抵抗低減効果の関係が開示され、またK.Choi,1989,"Near-wall structure of a turbulent boundary layer ", J.Fluid.Mech,vol.208,pp.417-458.（以下、公知文献３）に乱流運動モデルを用いたリブレットによる乱流抵抗低減効果の基本原理も開示されている。更に、K,Choi, １９９２、「リブレット−表面粗さによる乱流摩擦抵抗の減少方法−」日本機械学会誌、９５巻、８８８号、ｐｐ１０１３−１０１７、（以下、公知文献４）において実際に流体中を航走する航走体表面に張り付けたフィルム上に加工されたリブレットの形状と乱流摩擦抵抗低減効果の関係についての実験的結果が開示されている。
【０００７】
図３に流線型鮫の鱗の形状を示す。比較のために図４に三角形型と貝殻型リブレットを示す。
【０００８】
図３、４を用いてリブレットによる乱流抵抗低減効果の基本原理を説明する。
水中又は水上を航走する航走体に作用する水の抵抗は、二つの部分から成っている。即ち、摩擦抵抗と形状抵抗である。該摩擦抵抗は、航走体表面に沿った水に作用する剪断応力の結果として発生する。一方の形状抵抗は、航走体の形状によって決まり、その力は、航走体表面に作用する。両者とも流体の粘性によってその値は決定される。
【０００９】
粘性の力が最も大きくなる部分は、航走体表面に隣接した領域で境界層と呼ばれる。この層の厚さは、航走体と流体の相対速度が増加するにつれて減少する。この境界層の厚さは、航走体表面から流速が粘性力の影響を受けない領域の流速の99.0％となる範囲までを言う。境界層の外側に対しては粘性力は弱くなるので理想流体の流動方程式が適用できる。
【００１０】
公知文献２によって鮫肌に分布する鱗状リブレットと呼ばれる突起が境界層内の乱流挙動を抑制して摩擦抵抗低減効果を示すことが開示された。さらに公知文献３によって、縦に並んだリブレット表面上の境界層内粘性流れには、縦に並んだ遅い回転の渦で出来たすじ構造が存在し、このすじ構造がリブレット表面の流体抵抗低減効果と深く関係することが開示された。
【００１１】
さらに、公知文献３によって、リブレットの摩擦抵抗低減効果は、リブレット表面が流れに直角方向の乱流混合長パターンに強く影響して乱流流れの振動運動を抑制し、縦に並んだ遅い回転の渦を生じることによってエネルギーの熱放散率を低下させて摩擦抵抗低減効果を生じるものであることが開示された。これらの低速度すじは、ヘアピン渦に属し既に流体工学の分野で明らかにされている乱流境界層内で起こる混合長パターンであることも開示された。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、三つある。
１番目の問題は、［０００５］で説明した公知文献１で開示された発明が予め対象周波数範囲が決められた振動伝搬絶縁方式であり、振動伝搬絶縁装置取り付け部分において広周波数帯域の振動エネルギーを持つ機械雑音の船殻への伝搬を十分遮断できないこと及び該装置の経年変化による劣化のために振動伝搬絶縁効果が減少する事である。
【００１３】
２番目の問題は、公知文献１で開示された発明が、航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音を遮断するためには電動機等の発振源の取り付け箇所の数だけ振動伝搬絶縁装置を必要とするので保守が困難となる他、個々の振動伝搬絶縁装置の経年変化による性能劣化のばらつきにより航走体の自己放射雑音レベルを同時に所定値まで長期間安定した低減が出来ない事である。
【００１４】
３番目の問題は、［００１０］に記したとおり、公知文献２と３で開示された発明が流れ方向の断面積と形状が一定なリブレット平面上の乱流境界層内の流動理論解析と平行平板内流れに関する実験により、摩擦抵抗低減効果に有効なリブレットの形状と寸法の関係を明示しているのみであり、従って、流体中を航走する航走体の流体抵抗をリブレットにより低減する場合、実際に使用されている航走体は、流れ方向断面積と形状が一定でなく、流れ方向切断部分によって変化するので公知文献２と３等で開示された従来の発明が実際の航走体には、適用出来ない事である。
【００１５】
本発明は、上記の問題に鑑み、エンジン等の発振源から放出され該取り付け部分から船殻に伝搬してくる広周波数帯域の機械振動雑音の振動エネルギーを熱エネルギーに変換して水中に放出し、船殻を伝搬する機械振動雑音及び水中に放出される放射雑音を長時間安定して所定の値まで低減し同時に水中を航走する航走体の船殻表面に沿った水に作用する剪断応力の結果として発生する摩擦抵抗を低減する方法と材料を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願請求項３の発明は、航走体の船殻に２層の低比重量の弾性材であるＣＦＲＰ材で粘弾性新素材であるエラストマー材を挟さみ込みサンドイッチ構造にした板材又は円筒形材の流体接触面にリブレット付フィルムをリブレットの溝方向と流体流れの方向を一致させて張り付けた多層構造の板材又は円筒形材を用いることにより航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能とすることを特徴としている。
【００１７】
本願請求項１の発明は、請求項３の航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能とする方法において、
内部にエンジン等の発振源を有する航走体船殻が水の中で連続時間振動する場合に船殻を伝搬する機械雑音と水中に放出される放射雑音を低減する船殻材料に関するものである。
図５は本発明に係る航走体の流体抵抗と自己放射雑音レベルを同時に低減するための船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態の一例である。すなわち、発振源から２層の弾性体ＣＦＲＰ材と粘弾性体エラストマー材で形成された船殻に伝搬してきた振動エネルギーの大部分は、佐藤泰夫著、「弾性波動論」岩波書店、ｐｐ５９−６６、（以下、公開文献５）で開示されたＳＨ波であり船殻と水面の境界面に垂直方向の剪断応力を持つがこの振動エネルギーの一部は船殻内の粘弾性体エラストマー材により熱エネルギーに変換されて水中に放出される。
また、水中では、振動する物体に流体の粘性力が抵抗力として作用する他、水が非圧縮性流体であることから体積弾性率が存在する。
【００１８】
従って、連続時間振動する航走体船殻に作用する力と船殻弾性力による復元力との関係は、減衰項のある音響場の３次元方程式で表示される。ただし、航走体の内圧と水による水圧が等しく、温度は、一定とする。
【００１９】
【数１】

【００２０】
ここで、Δ：ラプラスの演算子
ξ：変位（ｍ）（Ｐ＝−ｋ（∂ξ／∂x ））
Ｐ：音波における圧力（Ｎ／ｍ²）
ｋ：弾性率（ｋｇ／ｍｓ²）
ρ：密度（ｋｇ／ｍ³）
μ：粘性による減衰係数（ｋｇ／ｍ³ｓ）（＝S0+S1 ｆ+S2 ｆ²）
ｆ：周波数（Ｈｚ）
S0、S1、S2：粘性による減衰定数
(1) 式は、減衰項を持つ強制振動方程式を表し、バネとダッシュポットモデルで表すと図６となる。
【００２１】
ここで、船殻を形成する２層のＣＦＲＰ材と該ＣＦＲＰ材に挟み込まれた層エラストマー材及び水中における振動方程式の境界条件を求めて振動状況を明らかにし放射雑音の低減手段を説明する。
【００２２】
ＣＦＲＰ船殻内の振動方程式は、ＣＦＲＰ船殻が弾性体であり粘性がないので境界条件ｋ0 ≠０、μ0 ＝０より、次式で表示される。
【００２３】
【数２】

【００２４】
(2) 式は、弾性体内におけるヘルムホルツの波動方程式である。
【００２５】
船殻の中間層エラストマー材内の振動方程式は、エラストマー材が弾性体と粘性体の両特性を有するので境界条件ｋ1 ≠０、μ1 ≠０より、次式で表示される。
【００２６】
【数３】

【００２７】
(3) 式は、減衰のある音響場の３次元方程式である。
【００２８】
水中では、振動する物体に流体の粘性μ2 が抵抗力として作用する他、水が非圧縮性流体であることから体積弾性率 k2 が存在する。
従って、水中の振動方程式は、(2)(3)式で議論される弾性体の縦波及びＳＨ波による変位ξを水中音波の圧力Ｐに対応させることによって、境界条件ｋ2 ≠０、μ2 ≠０より、次の波動方程式が成り立つ。
【００２９】
【数４】

【００３０】
ここで、(1) 式の変位ξと水中音波の圧力Ｐの関係は、次式となる。
【００３１】
【数５】

【００３２】
音波伝搬速度（ｍ／ｓ）（以降、音速と言う。）をＶとすると
ｋ＝ρＶ²なる関係がある。
【００３３】
ここで、Ｐ＝Ａexp(２πftｉ）とすると
【００３４】
【数６】

【００３５】
(6) 式を(1) 式に代入して、次式を得る。
【００３６】
【数７】

【００３７】
(7) 式は、定常の時間項が消去された振動方程式であり、有限要素法により解くことが出来る。
【００３８】
一般の複雑な音響波Ｐは、ＦＦＴ処理により次式で表示される。
【００３９】
【数８】

【００４０】
Ｐの音響パワーは次式で与えられる。
【００４１】
【数９】

【００４２】
海水２０°ｃの粘性をμ＝1.002 ×10^-3 Pa・s(N ・s ・ｍ^-2）とすると、ストークスの理論から計算される減衰係数μは、μ＝1.18×10^-2ｆ²（dB/km)となるが「超音波技術便覧」実吉純一等、日刊工業ｐｐ６１８（以下、公知文献６）で開示された実際の海中実験による係数は海水の熱吸収の他、海面や海底等からの反射波の干渉により遙かに大きな値で吸収係数αと呼ばれ、音波の周波数の関数として次式で表される。
【００４３】
【数１０】

【００４４】
ここで、吸収係数αと減衰係数μとの間には次元解析からα＝μ・Ｖの関係が成り立つ。したがって、粘弾性新素材エラストマー中においても、粘性による熱吸収の他、上下のＣＦＲＰ層からの反射波の干渉の影響により減衰係数が決まるものとする。よって本発明は、発明者の実験による事実を基に減衰係数を周波数の関数として次の２次方程式で表示できるものとした。
μ＝Ｓ0 ＋Ｓ1 ｆ＋Ｓ2 ｆ² (11)
ここで、Ｓ0 、Ｓ1 、Ｓ2 は、実験値から求められる定数である。
図７に数値実験から求めた定数Ｓ0 、Ｓ1 、Ｓ2 の値の一例を示す。
図８に新素材製多層構造船殻の中間層として密度の異なるエラストマー材を用いた場合の放射雑音低減効果の変化を算出した結果の一例を示す。
以上が［００１２］から［００１３］に説明した１番目と２番目の課題を解決するための本発明の手段である。
【００４５】
本願請求項２の発明は、［００１４］で説明した３番目の課題を解決する手段である。ここで、図９に本発明によるリブレット付航走体モデルを示す。すなわち、図９のごとき流れ方向断面積が変化する航走体において図９に示すようにリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けることによって航走体の流体抵抗を低減することを特徴としている。
【００４６】
本願請求項４の発明は、請求項２記載の流れ方向断面積が変化する航走体においてリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けたリブレット付航走体船殻によって航走体の流体抵抗を低減することを可能にした。
【００４７】
すなわち、水中航走体周囲の非圧縮性及び移動座標系の乱流流れに対して、連続の方程式(2) 式は、直交座標系のテンソル形式で表示すると次式となる。ただし、乱流の場合、速度は時間平均値となる。
【００４８】
【数１１】

【００４９】
ナビエストークスの運動方程式(24)式は、次式となる。
【００５０】
【数１２】

【００５１】
【数１３】

【００５２】
応力テンソル成分τijと速度勾配の構成方程式は乱流の場合、次式となる。
【００５３】
【数１４】

【００５４】
本発明では，流れ方向断面積が変化する航走体船殻に設けられたリブレット上の乱流流れの解析に乱流モデルとしてW.Rodi,1991,
"Experience with two-layer models combining theκ−εmodel with a one-equation model near the wall ", AIAA 91-0216（公知文献７) に開示された非線型κ−ε乱流モデルを採用した。一般の標準κ−ε乱流モデルでは、レイノルズ応力は、乱流エネルギー、エネルギー散逸率及び乱流粘性率を用いて次のように表される。
【００５５】
【数１５】

【００５６】
【数１６】

【００５７】
【数１７】

【００５８】
ここで、δijは、クロネッカーのデルタ記号
【００５９】
また、乱流エネルギーκ及び乱流粘性率μt は、次式となる。
【００６０】
【数１８】

【００６１】
【数１９】

【００６２】
しかし、流れ方向断面積が変化する航走体船殻上のごとき実際の流れは多くが非等方性であり、レイノルズ応力と歪み速度との間に非線形関係を導入する必要がある。従って、公知文献６に開示された非線型κ−ε乱流モデルを採用すると(19)式は次式となる。
【００６３】
【数２０】

【００６４】
Ａ1,Ａ2 Ｓ, Ａ3,ＣNL1,ＣNL2,ＣNL3,ＣNL6 ＣNL7 は、公知文献７により開示された実験的値で、表１に示す。
Ｓij、Ωijは、それぞれ主応力と速度テンソル成分であり、次式で与えられる。
【００６５】
【数２１】

【００６６】
各定数の値は，公知文献７に開示されており以下のとおりである。
【００６７】
【表１】

【００６８】
乱流エネルギーκ方程式を以下に示す。
【００６９】
【数２２】

【００７０】
エネルギー散逸率εの輸送方程式を以下に示す。
【００７１】
【数２３】

【００７２】
【数２４】

【００７３】
【数２５】

【００７４】
【数２６】

【００７５】
【数２７】

【００７６】
各定数の値は，公知文献７に開示されており以下のとおりである。
【００７７】
【表２】

【００７８】
【数２８】

【００７９】
すなわち，乱流領域内のレイノルズ応力と乱流歪み速度を非線型κ−ε乱流モデルにより決定することが出来る。
【００８０】
次に、乱流境界条件個体壁面の摩擦抵抗を知るためには、流れにおける乱流速度分布を知る必要があるが公知文献７に開示されているとおり、非線型κ−ε乱流モデルは，固体壁面近傍での熱，質量輸送に関し壁面法則を適用し，未知の物体により生じる流れを乱流場における幾つかのアンサンブル平均化された項で表示することができる。それらの項の計算は，微分方程式や代数方程式を用いて行われる。
【００８１】
乱流境界条件
【００８２】
【数２９】

【００８３】
【数３０】

【００８４】
図１０（ａ）に本発明による(24)(31)式より明らかになった流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｕ方向速度分布の一例である。図１０（ｂ）は本発明による(24)(31)式より明らかになった流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｖｗ方向速度分布の一例を示す。
【００８５】
図１１に図１０の結果から推測された流体摩擦抵抗低減現象を示す。すなわち、流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けたリブレットが境界層内の乱流挙動を抑制して摩擦抵抗低減効果を生む現象を表している。それは、縦に並んだリブレット表面上の境界層内粘性流れに、縦に並んだ遅い回転の渦で出来たすじ構造が存在し、このすじ構造がリブレット表面の流体抵抗低減効果を引き起こすことが本発明におけるシュミレーションから明らかになったことを示す。
【００８６】
【発明実施の形態】
以下に、本発明に係る航走体の流体抵抗と自己放射雑音レベルを同時に低減する船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態を図面に従って説明する。
【００８７】
図１は本発明に係る航走体の自己放射雑音レベルを低減する船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態と本発明の低減対象となる機械雑音の音響センサー等への伝搬経路を示している。
この図において、１は水中、２は航走体、３は船殻、４はエンジン等振動発振源、５はエンジン等固定用リブ、６はプロペラ、７はセンサー部である。
【００８８】
本発明に係る船殻用多層構造材料及びその方法は、航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音を低減対象としている。
【００８９】
すなわち、航走体の自己放射雑音は、大きく二つに分けられる。一つは、プロペラ雑音で、これは、プロペラの推進作用及び航走体が航走することによって、船殻の外側に生じる流体雑音である。その主なものはプロペラの回転運動によって起こるキャビテイションである。もう一つは、航走体内部の電動機又はエンジンや減速器等の回転に伴う振動と軸受けでの機械的摩擦振動であり、これが機械の据え付け部分から種々の伝搬経路を経て船殻の振動雑音となる機械雑音である。
【００９０】
本発明が低減対象とする航走体の自己放射雑音は、前記放射雑音の内、後者の航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音である。
該機械雑音が自己放射雑音として、音響センサー等の目標探知性能に影響を与える伝搬経路は二つある。一つは、機械振動雑音が船殻を音響センサー部まで直接伝搬して外部雑音となるもの、他は、船殻の振動エネルギーが船殻全体から水中に放射され航走体周囲の水中放射雑音となって、音響センサー部に回り込み外部雑音となるものである。
【００９１】
図２は公知文献１で開示された従来の振動発振源と船殻との間に設置される振動伝搬絶縁装置の一例である。該発明は予め対象周波数範囲が決められた振動伝搬絶縁方式であり、振動伝搬絶縁装置取り付け部分において広周波数帯域の振動エネルギーを持つ機械雑音の船殻への伝搬を十分遮断できないこと及び該装置の経年変化による劣化のために振動伝搬絶縁効果が減少する問題がある。
【００９２】
さらに、公知文献１で開示された発明が、航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音を遮断するためには電動機等の発振源の取り付け箇所の数だけ振動伝搬絶縁装置を必要とするので保守が困難となる他、個々の振動伝搬絶縁装置の経年変化による性能劣化のばらつきにより航走体全体の自己放射雑音レベルを同時に所定値まで長期間安定した低減が出来ない問題もある。
【００９３】
図３は公知文献２によって開示された鮫肌に分布する鱗状リブレットと呼ばれる突起を示している。
【００９４】
図４は公知文献２によって開示された鱗状リブレットから考案された三角形型リブレットと貝殻型リブレットの一例を示している。
【００９５】
図５は本発明に係る航走体の流体抵抗と自己放射雑音レベルを同時に低減するための船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態の一例である。
この図において８はリブレット付フィルム、９はＣＦＲＰ材、１０はエラストマー材、１１は船殻をつなぐ接続用リブ、１２は耐圧補強用リブ、１３は防水リングである。
【００９６】
この図は本発明による、航走体の船殻に２層の低比重量の弾性材であるＣＦＲＰ材で粘弾性新素材であるエラストマー材を挟さみ込みサンドイッチ構造にした板材又は円筒形材の流体接触面にリブレット付フィルムをリブレットの溝方向と流体流れの方向を一致させて張り付けた多層構造の板材又は円筒形材を用いることにより航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能とする船殻用多層構造材及びその方法を示している。
【００９７】
図６は本発明の、請求項１、２の航走体の自己放射雑音レベルの低減を可能とする船殻用多層構造材及びその方法において生じる物理現象を説明する振動モデル図である。この図において１４はダッシュポット粘性係数μ、１５はバネ弾性係数ｋである。
すなわち、内部にエンジン等の発振源を有する航走体船殻が水の中で連続時間振動する場合に船殻を伝搬する機械雑音と水中に放出される放射雑音を低減する船殻材料に関するものである。すなわち、発振源から２層の弾性体ＣＦＲＰ材と粘弾性体エラストマー材で形成された船殻に伝搬してきた振動エネルギーの大部分は、公開文献５で開示されたＳＨ波であり船殻と水面の境界面に垂直方向の剪断応力を持つがこの振動エネルギーの一部は船殻内の粘弾性体エラストマー材により熱エネルギーに変換されて水中に放出される。また、水中では、振動する物体に流体の粘性力が抵抗力として作用する他、水が非圧縮性流体であることから体積弾性率が存在する。
【００９８】
従って、連続時間振動する航走体船殻に作用する力と船殻弾性力による復元力との関係は、減衰項のある音響場の３次元方程式で表示される。ただし、航走体の内圧と水による水圧が等しく、温度は、一定とする。バネとダッシュポットモデルで表すと図６となる。
ここで、Ｐ：音波における圧力（Ｎ／ｍ²）
ｋ：弾性率（ｋｇ／ｍｓ²）
ρ：密度（ｋｇ／ｍ³）
μ：粘性による減衰係数（ｋｇ／ｍ³ｓ）（＝S0+S1 ｆ+S2 ｆ²）
ｆ：周波数（Ｈｚ）
S0、S1、S2：粘性による減衰定数
【００９９】
図７（ａ）は内部に発振源を有する金属製船殻が海水中で連続時間振動する場合の航走体周囲の音響エネルギー分布を算出した一例である。
ここで、センサー部での放射雑音減衰率を次式で定義して、各種船殻の放射雑音低減効果を評価する。
【０１００】
【数３１】

【０１０１】
Ｌｒ：発振源音響パワーレベル
Ｌｓ：センサー部音響パワーレベル
図７（ａ）においてＬｒはXXX.XXｄＢ、ＬｓはYY.YY ｄＢ、放射雑音減衰率は、WW％となった。
【０１０２】
図７（ｂ）は内部に発振源を有する新素材製多層構造船殻が海水中で連続時間振動する場合の航走体周囲の音響エネルギー分布を算出した一例である。ここで、ＬｒはXXX.XXｄＢ、ＬｓはZZ.ZZ ｄＢ、放射雑音減衰率は、VV％となった。（ここで、VV＞WW）
【０１０３】
図８は新素材製多層構造船殻の中間層として密度の異なるエラストマー材を用いた場合の放射雑音低減効果の変化を算出した結果の一例である。
図７（ａ）と図７（ｂ）及び図８の結果から本発明による新素材製多層構造船殻及びその方法による放射雑音低減効果が明らかなことが判る。
【０１０４】
図９は本発明による流れ方向断面積が変化する航走体においてリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けた流体摩擦抵抗低減のためのリブレット付航走体船殻及び方法を示している。
【０１０５】
図１０（ａ）は本発明による流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｕ方向速度分布の一例である。
図１０（ｂ）は本発明による流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｖｗ方向速度分布の一例である。
【０１０６】
図１１は図１０の結果から推測された流体摩擦抵抗低減現象である。
すなわち、流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けたリブレットが境界層内の乱流挙動を抑制して摩擦抵抗低減効果を生む現象を表している。図中のすじ構造がリブレット表面の流体抵抗低減効果を引き起こすことが本発明におけるシュミレーションから明らかになったことを示す。
【０１０７】
表３に本発明により流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けたリブレットの流体抵抗低減効果を求めた結果の一例を示す。
【０１０８】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、これに限定されることなく請求項記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【０１０９】
【表３】

【０１１０】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明によれば航走体の船殻に２層の低比重量の弾性材であるＣＦＲＰ材で粘弾性エラストマー材を挟さみ込みサンドイッチ構造にした板材又は円筒形材の流体接触面にリブレット付フィルムをリブレットの溝方向と流体流れの方向を一致させて張り付けた多層構造の板材又は円筒形材を用いることにより航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能とすることができる。
また、流れ方向断面積が変化する航走体においてはリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けることによって航走体の流体摩擦抵抗を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る航走体の自己放射雑音レベルを低減する船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態と本発明の低減対象となる機械雑音の音響センサー等への伝搬経路図である。
【図２】公知文献４で開示された従来の振動発振源と船殻との間に設置される振動伝搬絶縁装置の一例である。
【図３】公知文献２によって開示された鮫肌に分布する鱗状リブレットと呼ばれる突起を示している。
【図４】公知文献２によって開示された鱗状リブレットから考案された三角形型リブレットと貝殻型リブレットの一例を示している。
【図５】航走体の流体抵抗と自己放射雑音レベルを同時に低減するための船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態の一例である。
【図６】本発明の、請求項１、２の航走体の自己放射雑音レベルの低減を可能とする船殻用多層構造材及びその方法において生じる物理現象を説明する振動モデル図である。
【図７】（ａ）内部に発振源を有する金属製船殻が海水中で連続時間振動する場合の航走体周囲の音響エネルギー分布を算出した一例である。
（ｂ）内部に発振源を有する新素材製多層構造船殻が海水中で連続時間振動する場合の航走体周囲の音響エネルギー分布を算出した一例である。
【図８】新素材製多層構造船殻の中間層として密度の異なるエラストマー材を用いた場合の放射雑音低減効果の変化を算出した結果の一例である。
【図９】本発明による流れ方向断面積が変化する航走体においてリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けた流体摩擦抵抗低減のためのリブレット付航走体船殻及び方法を示している。
【図１０】（ａ）本発明による流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｕ方向速度分布の一例である。
（ｂ）本発明による流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｖｗ方向速度分布の一例である。
【図１１】流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けたリブレットが境界層内の乱流挙動を抑制して摩擦抵抗低減効果を生む現象を表している。
【符号の説明】
１水中
２航走体
３船殻
４エンジン等振動発振源
５エンジン等固定用リブ
６プロペラ
７センサー部
８リブレット付フィルム
９ＣＦＲＰ材
10 エラストマー材
11 接続用リブ
12 耐圧補強用リブ
13 防水リング
14 ダッシュポット（粘性係数μ）
15 バネ（弾性係数ｋ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention reduces the fluid resistance of the navigation body for saving fuel and improving the performance of the navigation body, and reducing the self-radiated noise level for improving the target detection performance of the acoustic sensor installed on the navigation body. In particular, the present invention relates to a multi-layer plate material and a cylindrical material for a ship hull that enables the method.
[0002]
[Prior art]
The conventional self-radiation noise reduction technology of a navigation body is generated inside a navigation body disclosed in “Mechanical Engineering Handbook” edited by the Japan Society of Mechanical Engineers, p887 to p899 (hereinafter, known document 1), and various propagations. The machine noise that becomes hull vibration through the route is targeted for reduction.
[0003]
That is, the self-radiated noise of the navigation body can be roughly divided into two. One is propeller noise, which is fluid noise generated outside the hull as a result of propeller propulsion and navigation. The main thing is cavitation caused by the rotational movement of the propeller. The other is the vibration caused by the rotation of the motor or engine or speed reducer in the navigation body and the mechanical frictional vibration at the bearing. This is the vibration noise of the hull through various propagation paths from the installation part of the machine. This is a mechanical noise.
[0004]
The self-radiated noise of the navigation body to be reduced by the present invention is mechanical noise that is generated inside the latter navigation body among the radiated noises and becomes hull vibrations through various propagation paths.
The mechanical noise is self-radiated noise, and there are two propagation paths that affect the target detection performance of an acoustic sensor or the like. One is that mechanical vibration noise propagates directly through the hull to the acoustic sensor and becomes external noise, and the other is that the vibration energy of the hull is radiated from the entire hull into the water and the underwater radiated noise around the navigation body. Thus, the noise goes around the acoustic sensor unit and becomes external noise. FIG. 1 shows a propagation path of a mechanical noise to be reduced by the present invention to an acoustic sensor or the like.
[0005]
The conventional method for reducing self-radiated noise due to mechanical noise disclosed in Document 1 is that vibration energy is generated by a vibration damping device in which an air spring or vibration rubber is sandwiched between a motor or an engine as a vibration source attached to a hull. It adopts a vibration propagation insulation system that absorbs and reduces noise. FIG. 2 shows an example of a conventional vibration propagation insulating device.
[0006]
DWBechert and M. Bartenwerfer, 1989, “The viscous flow on surfaces with longitudinal ribs”, J. Fluid Mech. Vol. 206, pp. 105-129. In the following, known literature 2) discloses the relationship between the shape of many kinds of riblets derived from the scales of cocoons and the effect of reducing fluid resistance in turbulent flow, and K. Choi, 1989, " Near-wall structure of a turbulent boundary layer ", J. Fluid. Mech, vol. 208, pp. 417-458. The basic principle is also disclosed. Furthermore, in K, Choi, 1992, “Riblet-Method for reducing turbulent frictional resistance due to surface roughness”, Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 95, No. 888, pp 1013-1017 (hereinafter, known document 4) Experimental results have been disclosed regarding the relationship between the shape of riblets processed on a film attached to the surface of a traveling body traveling inside and the effect of reducing turbulent frictional resistance.
[0007]
FIG. 3 shows the shape of streamlined cocoon scales. For comparison, FIG. 4 shows a triangle type and a shell type riblet.
[0008]
The basic principle of the effect of reducing turbulent resistance by riblets will be described with reference to FIGS.
The resistance of water acting on a traveling body that travels in or on water consists of two parts. That is, friction resistance and shape resistance. The frictional resistance is generated as a result of shear stress acting on water along the surface of the vehicle. One shape resistance is determined by the shape of the traveling body, and the force acts on the surface of the traveling body. In both cases, the value is determined by the viscosity of the fluid.
[0009]
The portion where the viscous force is the largest is called the boundary layer in the region adjacent to the surface of the vehicle. The thickness of this layer decreases as the relative velocity between the vehicle and the fluid increases. The thickness of this boundary layer refers to the range from the surface of the vehicle to 99.0% of the velocity in the region where the velocity is not affected by the viscous force. Since the viscous force becomes weaker outside the boundary layer, the ideal fluid flow equation can be applied.
[0010]
According to the known document 2, it has been disclosed that protrusions called scaly riblets distributed on the skin surface suppress the turbulent flow behavior in the boundary layer and show a frictional resistance reduction effect. Further, according to the known document 3, the viscous flow in the boundary layer on the surface of the riblets arranged vertically has a streak structure made of slow rotating vortices arranged vertically, and this streak structure reduces the fluid resistance on the riblet surface. It is disclosed that it is deeply related to.
[0011]
Further, according to the known document 3, the effect of reducing the frictional resistance of the riblet is that the riblet surface strongly influences the turbulent mixing length pattern in the direction perpendicular to the flow and suppresses the oscillating motion of the turbulent flow. It has been disclosed that the effect of reducing frictional resistance is produced by reducing the heat dissipation rate of energy by generating vortices. It has also been disclosed that these low velocity streaks are mixed length patterns that occur in the turbulent boundary layer belonging to the hairpin vortex and have already been revealed in the field of fluid engineering.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
There are three problems to be solved by the present invention.
The first problem is the vibration propagation insulation method in which the target frequency range is determined in advance in the invention disclosed in the known document 1 described in [0005], and vibration energy in a wide frequency band is applied to the vibration propagation insulation device mounting portion. In other words, the propagation of mechanical noise to the hull cannot be sufficiently blocked, and the vibration propagation insulation effect is reduced due to deterioration of the device due to aging.
[0013]
The second problem is that the invention disclosed in the publicly known document 1 is attached to an oscillation source such as an electric motor in order to cut off mechanical noise that occurs inside the cruising body and becomes hull vibration through various propagation paths. Maintenance is difficult because it requires as many vibration propagation insulation devices as the number of locations, and the self-radiation noise level of the navigation body is simultaneously increased to a predetermined value due to variations in performance deterioration due to aging of each vibration propagation insulation device. This means that stable reduction is not possible.
[0014]
The third problem is that, as described in [0010], the inventions disclosed in the known documents 2 and 3 are parallel to the theoretical flow analysis in the turbulent boundary layer on the riblet plane having a constant cross-sectional area and shape in the flow direction. The experiment on the flow in the flat plate only shows the relationship between the riblet shape and size effective for reducing frictional resistance, and therefore the riblet reduces the fluid resistance of a traveling body that travels in the fluid. In actual use, the cross-sectional area and the shape of the traveling body are not constant, and change depending on the cutting portion in the flow direction. Therefore, the conventional invention disclosed in the known documents 2 and 3 is an actual traveling body. Is not applicable.
[0015]
In view of the above problems, the present invention converts vibration energy of a wide frequency band of mechanical vibration noise that is emitted from an oscillation source such as an engine and propagates from the mounting portion to the hull into heat energy, and is released into water. , Mechanical vibration noise propagating in the hull and radiation noise emitted into the water are reduced to a predetermined value stably for a long time, and at the same time, the shear acting on the water along the hull surface of the ship's hull It is an object of the present invention to provide a method and material for reducing the frictional resistance generated as a result of stress.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the invention of claim 3 of the present application inserts an elastomer material, which is a new viscoelastic material, into a two-layer CFRP material, which is an elastic material with a low specific weight, in the hull of the navigation body. The fluid of the navigation body is obtained by using a multi-layered plate or cylindrical material in which a film with riblets is attached to the fluid contact surface of a plate or cylindrical material having a sandwich structure so that the groove direction of the riblet matches the direction of fluid flow. It is characterized by being able to reduce resistance and self-radiation noise level simultaneously.
[0017]
The invention of claim 1 of the present application provides a method for simultaneously reducing the fluid resistance and the self-radiated noise level of the vehicle of claim 3.
The present invention relates to a hull material that reduces mechanical noise propagating in the hull and radiation noise emitted into the water when a traveling hull with an oscillation source such as an engine vibrates in water for a continuous time. .
FIG. 5 is an example of an embodiment of a multilayered structure material for a hull and its method for simultaneously reducing the fluid resistance and the self-radiating noise level of a navigation body according to the present invention. That is, most of the vibration energy propagated from the oscillation source to the hull formed of the two-layer elastic CFRP material and the viscoelastic elastomer material is written by Yasuo Sato, “The Elastic Wave Theory”, Iwanami Shoten, pp 59-66. (Hereinafter referred to as “Publication 5”), which is an SH wave and has shear stress in the vertical direction at the interface between the hull and the water surface, but part of this vibration energy is heated by the viscoelastic elastomer material in the hull. It is converted into energy and released into the water.
In water, the viscous force of the fluid acts on the vibrating object as a resistance force, and there is a volume modulus of elasticity because water is an incompressible fluid.
[0018]
Therefore, the relationship between the force acting on the navigator hull that vibrates continuously and the restoring force due to the hull elastic force is expressed by a three-dimensional equation of an acoustic field having a damping term. However, the internal pressure of the vehicle and the water pressure are the same, and the temperature is constant.
[0019]
[Expression 1]

[0020]
Where Δ: Laplace operator
ξ: Displacement (m) (P = −k (∂ξ / ∂x))
P: Pressure in sound waves (N / m ² )
k: elastic modulus (kg / ms ² )
ρ: Density (kg / m ^Three )
μ: Damping coefficient due to viscosity (kg / m ^Three s) (= S0 + S1 f + S2 f ² )
f: Frequency (Hz)
S0, S1, S2: Damping constant due to viscosity
Equation (1) represents a forced vibration equation having a damping term, and is represented by a spring and dashpot model as shown in FIG.
[0021]
Here, the two-layer CFRP material forming the hull, the layer elastomer material sandwiched between the CFRP material, and the boundary condition of the vibration equation in water are determined to clarify the vibration state and to explain the means for reducing radiation noise.
[0022]
The vibration equation in the CFRP hull is expressed by the following equation from the boundary conditions k0 ≠ 0 and μ0 = 0 because the CFRP hull is an elastic body and has no viscosity.
[0023]
[Expression 2]

[0024]
Equation (2) is the Helmholtz wave equation in an elastic body.
[0025]
The vibration equation in the mid-layer elastomer material of the hull is expressed by the following equation from the boundary conditions k1 ≠ 0 and μ1 ≠ 0 because the elastomer material has both elastic and viscous characteristics.
[0026]
[Equation 3]

[0027]
Equation (3) is a three-dimensional equation of an acoustic field with attenuation.
[0028]
In water, the viscosity μ2 of the fluid acts on the vibrating body as a resistance force, and there is a bulk modulus k2 because water is an incompressible fluid.
Therefore, the vibration equation in water is expressed by the boundary condition k2 ≠ 0, μ2 ≠ by making the displacement ξ of the elastic body, which is discussed in Equations (2) and (3), correspond to the pressure P of the underwater sound wave. From 0, the following wave equation holds.
[0029]
[Expression 4]

[0030]
Here, the relationship between the displacement ξ in the equation (1) and the pressure P of the underwater acoustic wave is as follows.
[0031]
[Equation 5]

[0032]
When the sound wave propagation velocity (m / s) (hereinafter referred to as sound velocity) is V.
k = ρV ² There is a relationship.
[0033]
Here, if P = Aexp (2πfti)
[0034]
[Formula 6]

[0035]
Substituting equation (6) into equation (1), we obtain
[0036]
[Expression 7]

[0037]
Equation (7) is a vibration equation with the steady time term eliminated, and can be solved by the finite element method.
[0038]
A general complex acoustic wave P is displayed by the following equation by FFT processing.
[0039]
[Equation 8]

[0040]
The acoustic power of P is given by
[0041]
[Equation 9]

[0042]
The viscosity of seawater 20 ° c is μ = 1.002 × 10 ^-3 Pa · s (N · s · m ^-2 ), The attenuation coefficient μ calculated from Stokes' theory is μ = 1.18 × 10 ^-2 f ² (DB / km), but the coefficients from actual underwater experiments disclosed in “Ultrasonic Technology Handbook” Junichi Miyoshi, Nikkan Kogyo pp 618 (hereinafter referred to as “publicly known document 6”) are the heat absorption of seawater, the sea surface, the seabed, etc. The absorption coefficient α is a much larger value due to the interference of the reflected wave from the sound wave, and is expressed by the following equation as a function of the sound wave frequency.
[0043]
[Expression 10]

[0044]
Here, a relationship of α = μ · V is established between the absorption coefficient α and the attenuation coefficient μ from the dimension analysis. Therefore, in the new viscoelastic material elastomer, the attenuation coefficient is determined by the influence of interference of reflected waves from the upper and lower CFRP layers in addition to heat absorption due to viscosity. Therefore, the present invention can display the attenuation coefficient as a function of frequency by the following quadratic equation based on the facts obtained from the experiment by the inventors.
μ = S0 + S1 f + S2 f ² (11)
Here, S0, S1, and S2 are constants obtained from experimental values.
FIG. 7 shows an example of values of constants S0, S1, and S2 obtained from a numerical experiment.
FIG. 8 shows an example of the result of calculating the change in the radiation noise reduction effect when elastomer materials having different densities are used as the intermediate layer of the new structure multilayered hull.
The above is the means of the present invention for solving the first and second problems described in [0012] to [0013].
[0045]
The invention of claim 2 of the present application is means for solving the third problem described in [0014]. Here, FIG. 9 shows a vehicle model with riblets according to the present invention. That is, as shown in FIG. 9, in a traveling body whose flow direction cross-sectional area changes as shown in FIG. 9, the ratio of the groove spacing of the riblets and the circumference of the flow direction cross section of the traveling body hull is made constant. It is characterized in that the fluid resistance of the navigation body is reduced by providing riblets on the entire fluid contact surface of the body hull without changing the number of grooves of the riblets.
[0046]
The invention according to claim 4 of the present application is such that the ratio of the groove spacing of the riblets and the circumferential length of the cross section in the flow direction of the hull hull is made constant in the navigation body in which the flow direction cross-sectional area changes. It was made possible to reduce the fluid resistance of the navigation body by the riblet-equipped ship hull with riblets provided without changing the number of grooves of the riblets on the entire fluid contact surface of the ship's hull.
[0047]
That is, for the incompressibility and turbulent flow in the moving coordinate system around the underwater vehicle, the continuous equation (2) is expressed in the tensor form of the Cartesian coordinate system as follows: However, in the case of turbulent flow, the velocity is a time average value.
[0048]
[Expression 11]

[0049]
Navi Estoke's equation of motion (24) is:
[0050]
[Expression 12]

[0051]
[Formula 13]

[0052]
In the case of turbulent flow, the constitutive equation of the stress tensor component τij and the velocity gradient is as follows.
[0053]
[Expression 14]

[0054]
In the present invention, as a turbulent flow model, W. Rodi, 1991,
The nonlinear κ-ε turbulence model disclosed in “Experience with two-layer models combining the κ-ε model with a one-equation model near the wall”, AIAA 91-0216 (Publication 7) was adopted. In a general standard κ-ε turbulent model, Reynolds stress is expressed as follows using turbulent energy, energy dissipation rate, and turbulent viscosity.
[0055]
[Expression 15]

[0056]
[Expression 16]

[0057]
[Expression 17]

[0058]
Where δij is the Kronecker delta symbol
[0059]
The turbulent energy κ and the turbulent viscosity μt are expressed by the following equations.
[0060]
[Formula 18]

[0061]
[Equation 19]

[0062]
However, the actual flow, such as on a navigator hull with varying cross-sectional area in the flow direction, is often anisotropic and it is necessary to introduce a non-linear relationship between Reynolds stress and strain rate. Therefore, when the nonlinear κ-ε turbulence model disclosed in the known document 6 is adopted, the equation (19) becomes the following equation.
[0063]
[Expression 20]

[0064]
A1, A2 S, A3, CNL1, CNL2, CNL3, CNL6, CNL6 are experimental values disclosed in the known document 7, and are shown in Table 1.
Sij and Ωij are principal stress and velocity tensor components, respectively, and are given by the following equations.
[0065]
[Expression 21]

[0066]
The value of each constant is disclosed in publicly known document 7 and is as follows.
[0067]
[Table 1]

[0068]
The turbulent energy κ equation is shown below.
[0069]
[Expression 22]

[0070]
The transport equation for the energy dissipation rate ε is shown below.
[0071]
[Expression 23]

[0072]
[Expression 24]

[0073]
[Expression 25]

[0074]
[Equation 26]

[0075]
[Expression 27]

[0076]
The value of each constant is disclosed in publicly known document 7 and is as follows.
[0077]
[Table 2]

[0078]
[Expression 28]

[0079]
That is, the Reynolds stress and turbulent strain rate in the turbulent region can be determined by a nonlinear κ-ε turbulent model.
[0080]
Next, in order to know the frictional resistance of the individual wall surface of the turbulent boundary condition, it is necessary to know the turbulent velocity distribution in the flow, but as disclosed in the known document 7, the nonlinear κ-ε turbulent model is By applying the wall law to heat and mass transport near the solid wall, the flow caused by an unknown object can be displayed with several ensemble averaged terms in the turbulent flow field. These terms are calculated using differential equations and algebraic equations.
[0081]
Turbulent boundary conditions
[0082]
[Expression 29]

[0083]
[30]

[0084]
FIG. 10 (a) shows an example of the u-direction velocity distribution in the triangular riblet provided on the fluid contact surface of the hull where the cross-sectional area in the flow direction is changed according to the equations (24) and (31) according to the present invention. FIG. 10B shows an example of the velocity distribution in the vw direction in the triangular riblet provided on the fluid contact surface of the hull where the cross-sectional area in the flow direction is changed, which is clarified from the equations (24) and (31) according to the present invention.
[0085]
FIG. 11 shows the fluid frictional resistance reduction phenomenon estimated from the results of FIG. That is, a riblet provided on the fluid contact surface of the hull whose flow direction cross-sectional area changes represents a phenomenon in which the turbulent flow behavior in the boundary layer is suppressed to produce a frictional resistance reduction effect. This is because there is a streak structure made up of slow rotating vortices in the boundary layer on the viscous flow in the boundary layer on the surface of the riblet that is lined up vertically, and this line structure causes the effect of reducing the fluid resistance on the surface of the riblet. It shows what became clear from the simulation in the invention.
[0086]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a multi-layer structure material for a hull and its method for simultaneously reducing the fluid resistance and the self-radiation noise level of a navigation body according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0087]
FIG. 1 shows an embodiment of a hull multilayer structure material and method for reducing the self-radiation noise level of a navigation body according to the present invention, and a propagation path to an acoustic sensor or the like of mechanical noise to be reduced by the present invention. ing.
In this figure, 1 is underwater, 2 is a traveling body, 3 is a hull, 4 is a vibration oscillation source such as an engine, 5 is a rib for fixing the engine, 6 is a propeller, and 7 is a sensor unit.
[0088]
The hull multi-layer structure material and the method thereof according to the present invention are intended to reduce mechanical noise that is generated inside the navigation body and becomes hull vibration through various propagation paths.
[0089]
That is, the self-radiated noise of the navigation body can be roughly divided into two. One is propeller noise, which is fluid noise generated outside the hull as a result of propeller propulsion and navigation. The main thing is cavitation caused by the rotational movement of the propeller. The other is the vibration caused by the rotation of the electric motor or engine or speed reducer in the navigation body and the mechanical frictional vibration at the bearing. This is a mechanical noise.
[0090]
The self-radiated noise of the navigation body to be reduced by the present invention is mechanical noise that is generated inside the latter navigation body among the radiated noises and becomes hull vibrations through various propagation paths.
The mechanical noise is self-radiated noise, and there are two propagation paths that affect the target detection performance of an acoustic sensor or the like. One is that mechanical vibration noise propagates directly through the hull to the acoustic sensor and becomes external noise, and the other is that the vibration energy of the hull is radiated from the entire hull into the water and the underwater radiated noise around the navigation body. Thus, the noise goes around the acoustic sensor unit and becomes external noise.
[0091]
FIG. 2 is an example of a vibration propagation insulating device installed between the conventional vibration oscillation source disclosed in the known document 1 and the hull. The present invention is a vibration propagation insulation system in which a target frequency range is determined in advance, and it is not possible to sufficiently block propagation of mechanical noise having vibration energy in a wide frequency band to a hull at a vibration propagation insulation device mounting portion. There is a problem that the vibration propagation insulation effect decreases due to deterioration due to aging.
[0092]
Furthermore, the invention disclosed in the publicly known document 1 is the same as the number of places where an oscillation source such as an electric motor is attached in order to cut off the mechanical noise that occurs inside the navigation body and becomes a hull vibration through various propagation paths. Maintenance is difficult due to the need for vibration-propagating insulation, and the self-radiated noise level of the entire vehicle is simultaneously reduced to a predetermined value for a long period of time due to variations in performance deterioration due to aging of each vibration-propagating insulation. There is also a problem that cannot be done.
[0093]
FIG. 3 shows protrusions called scaly riblets distributed on the shark skin disclosed in the known document 2.
[0094]
FIG. 4 shows an example of a triangular riblet and a shell-type riblet devised from the scaly riblet disclosed by the known document 2.
[0095]
FIG. 5 is an example of an embodiment of a multilayered structure material for a hull and its method for simultaneously reducing the fluid resistance and the self-radiating noise level of a navigation body according to the present invention.
In this figure, 8 is a film with riblets, 9 is a CFRP material, 10 is an elastomer material, 11 is a connecting rib that connects the hull, 12 is a pressure-proof reinforcing rib, and 13 is a waterproof ring.
[0096]
This figure shows a plate or cylindrical material having a sandwich structure in which an elastomer material, a new viscoelastic material, is sandwiched between two layers of CFRP material, which is an elastic material having a low specific weight, in the hull of the navigation body according to the present invention. Reducing the flow resistance and self-radiated noise level of the navigation body by using a multi-layered plate or cylindrical material with a riblet film attached to the fluid contact surface of the plate with the groove direction of the riblet aligned with the direction of fluid flow Shows a multi-layer structural material for a hull and a method for the same.
[0097]
FIG. 6 is a vibration model diagram for explaining the physical phenomenon occurring in the multi-layer structural material for hulls and the method capable of reducing the self-radiating noise level of the traveling body of claims 1 and 2 according to the present invention. In this figure, 14 is a dashpot viscosity coefficient μ, and 15 is a spring elastic coefficient k.
That is, it relates to a hull material that reduces mechanical noise propagating through the hull and radiation noise released into the water when a traveling hull with an oscillation source such as an engine vibrates in water for a continuous time. It is. That is, most of the vibration energy that has propagated from the oscillation source to the hull formed of the two-layer elastic CFRP material and the viscoelastic elastomer material is the SH wave disclosed in the publication 5, and the hull and the water surface. A part of this vibration energy is converted into thermal energy by the viscoelastic elastomer material in the hull and released into water. In water, the viscous force of the fluid acts on the vibrating object as a resistance force, and there is a volume modulus of elasticity because water is an incompressible fluid.
[0098]
Therefore, the relationship between the force acting on the navigator hull that vibrates continuously and the restoring force due to the hull elastic force is expressed by a three-dimensional equation of an acoustic field having a damping term. However, the internal pressure of the vehicle and the water pressure are the same, and the temperature is constant. FIG. 6 shows a spring and a dashpot model.
Where P: pressure in sound waves (N / m ² )
k: elastic modulus (kg / ms ² )
ρ: Density (kg / m ^Three )
μ: Damping coefficient due to viscosity (kg / m ^Three s) (= S0 + S1 f + S2 f ² )
f: Frequency (Hz)
S0, S1, S2: Damping constant due to viscosity
[0099]
FIG. 7A shows an example of calculating the acoustic energy distribution around the traveling body when a metal hull having an oscillation source inside vibrates continuously in seawater.
Here, the radiation noise attenuation rate at the sensor part is defined by the following equation to evaluate the radiation noise reduction effect of various hulls.
[0100]
[31]

[0101]
Lr: Oscillation source acoustic power level
Ls: Sensor unit sound power level
In FIG. 7A, Lr is XXX.XX dB, Ls is YY.YY dB, and the radiation noise attenuation rate is WW%.
[0102]
FIG. 7B is an example in which the acoustic energy distribution around the traveling body is calculated when a new material multilayered hull having an oscillation source inside vibrates continuously in seawater. Here, Lr was XXX.XX dB, Ls was ZZ.ZZ dB, and the radiation noise attenuation rate was VV%. (Where VV> WW)
[0103]
FIG. 8 shows an example of the calculation result of the change in the radiation noise reduction effect when elastomer materials having different densities are used as the intermediate layer of the multilayer hull made of a new material.
It can be seen from the results of FIGS. 7A, 7B and 8 that the new material multi-layered hull according to the present invention and the radiation noise reduction effect by the method are obvious.
[0104]
FIG. 9 shows the total flow rate of the hull hull by making the ratio of the riblet groove interval and the circumference of the hull hull flow direction cross section constant in the moving hull with varying flow direction cross section according to the present invention. 2 shows a riblet-equipped marine hull and method for reducing fluid frictional resistance by providing riblets without changing the number of riblets on the contact surface.
[0105]
FIG. 10A is an example of the u-direction velocity distribution in the triangular riblet provided on the fluid contact surface of the hull of which the cross-sectional area in the flow direction varies according to the present invention.
FIG. 10B is an example of the velocity distribution in the vw direction in the triangular riblet provided on the fluid contact surface of the hull where the cross-sectional area in the flow direction varies according to the present invention.
[0106]
FIG. 11 shows the fluid frictional resistance reduction phenomenon estimated from the results of FIG.
That is, a riblet provided on the fluid contact surface of the hull whose flow direction cross-sectional area changes represents a phenomenon in which the turbulent flow behavior in the boundary layer is suppressed to produce a frictional resistance reduction effect. It is shown from the simulation in the present invention that the streak structure in the figure causes the effect of reducing the fluid resistance on the riblet surface.
[0107]
Table 3 shows an example of the result of obtaining the fluid resistance reduction effect of riblets provided on the fluid contact surface of the hull whose flow direction cross-sectional area changes according to the present invention.
[0108]
Although the embodiments of the present invention have been described above, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention is not limited thereto and can be variously modified and changed within the scope of the claims.
[0109]
[Table 3]

[0110]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a plate material or a cylindrical material having a sandwich structure in which a viscoelastic elastomer material is sandwiched between two layers of CFRP material, which is an elastic material having a low specific weight, in a hull of a traveling body. By using a multi-layered plate or cylindrical material with a riblet film attached to the fluid contact surface so that the groove flow direction of the riblet and the fluid flow direction coincide with each other, fluid resistance of the navigation body and self-radiated noise level are reduced. It can be possible at the same time.
In the case of a moving body where the cross-sectional area in the flow direction changes, the ratio of the riblet groove spacing and the circumference of the cross-section in the flow direction of the ship's hull is kept constant so that the total fluid contact surface of the ship's hull is fixed. By providing the riblets without changing the number of grooves of the riblets, the fluid friction resistance of the traveling body can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an embodiment of a hull multi-layer structure material and method for reducing the self-radiation noise level of a navigation body according to the present invention and a propagation path diagram of mechanical noise to be reduced by the present invention to an acoustic sensor or the like. It is.
FIG. 2 is an example of a vibration propagation insulating device installed between a conventional vibration oscillation source disclosed in the known document 4 and a hull.
FIG. 3 shows protrusions called scaly riblets distributed on the shark skin disclosed by the known document 2;
FIG. 4 shows an example of a triangular riblet and a shell-type riblet devised from the scaly riblet disclosed by the known document 2;
FIG. 5 is an example of an embodiment of a hull multilayer material and method for simultaneously reducing the vehicle's fluid resistance and self-radiating noise level.
FIG. 6 is a vibration model diagram for explaining a physical phenomenon occurring in a multilayer structure material for a hull capable of reducing the self-radiation noise level of a traveling body according to claims 1 and 2 and the method thereof according to the present invention.
FIG. 7 (a) is an example of calculation of acoustic energy distribution around a traveling body when a metal hull having an oscillation source inside vibrates continuously in seawater.
(B) It is an example which calculated the acoustic energy distribution around a navigation body in case the multilayer structure hull made from a new material which has an oscillation source inside vibrates continuously in seawater.
FIG. 8 is an example of a calculation result of a change in a radiation noise reduction effect when elastomer materials having different densities are used as an intermediate layer of a multilayer hull made of a new material.
FIG. 9 is a diagram of a navigation body with a variable cross-sectional area in the flow direction according to the present invention, in which the ratio of the groove spacing between riblets and the circumference of the cross-section in the flow direction of the navigation body hull is made constant. 2 shows a riblet-equipped marine hull and method for reducing fluid frictional resistance by providing riblets without changing the number of riblet grooves on the fluid contact surface.
FIG. 10A is an example of a u-direction velocity distribution in a triangular riblet provided on a fluid contact surface of a hull with a change in cross-sectional area in the flow direction according to the present invention.
(B) It is an example of the vw direction velocity distribution in the triangle type riblet provided in the fluid contact surface of the hull where the flow direction cross-sectional area changes by this invention.
FIG. 11 shows a phenomenon in which riblets provided on a fluid contact surface of a hull with a changing cross-sectional area in the flow direction suppress a turbulent flow behavior in a boundary layer and produce a frictional resistance reduction effect.
[Explanation of symbols]
1 Underwater
2 navigator
3 hull
4 Vibration oscillation sources such as engines
5 Engine fixing ribs
6 Propeller
7 Sensor part
8 Film with riblet
9 CFRP material
10 Elastomer material
11 Connecting rib
12 Pressure reinforcement ribs
13 Waterproof ring
14 Dashpot (viscosity coefficient μ)
15 Spring (elastic coefficient k)

Claims

Two-layer low specific weight carbon fiber reinforcement plastic material (hereinafter referred to as CFRP material), which is a new viscoelastic material, that enables reduction of the flow resistance and self-radiation noise level at the same time. A film with riblets was pasted on the fluid contact surface of a plate or cylindrical material sandwiched between polymer alloy mold materials (hereinafter referred to as elastomer materials) with the groove direction of the riblets aligned with the fluid flow direction. Multi-layer structural material for ship hulls.

The riblet groove is formed on the entire fluid contact surface of the ship hull by making the ratio of the riblet groove spacing and the circumference of the ship hull flow direction cross-section constant in a moving ship with varying flow cross-sectional area. A ship hull with riblets for reducing fluid frictional resistance with riblets without changing the number.

A film with riblets is placed on the fluid contact surface of a plate or cylindrical material sandwiched between two layers of CFRP material, which is an elastic material of low specific weight, in the hull of the navigation body, and the riblet groove direction And a self-radiated noise level can be reduced at the same time by using a multi-layered plate or cylindrical material pasted in the same direction as the fluid flow.

The riblet groove is formed on the entire fluid contact surface of the ship hull by making the ratio of the riblet groove spacing and the circumference of the ship hull flow direction cross-section constant in a moving ship with varying flow cross-sectional area. A fluid frictional resistance reduction method in which riblets are provided without changing the number.