JP3943396B2 - 構造的な共振を緩衝することに係る改良 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
この発明はある構造物（structure）についての選択性のあるダンパ（緩衝器、制御器）システムに係り、とくに海洋におけるベッセル（marine vessel）すなわち船艇についての選択性のあるダンパに関する。
【０００２】
従来の技術
海洋工学（マリンエンジニアリング）のある分野では、機械装置、例えば推進（プロパルジョン）ユニットの部品を船艇のハル（艇体、船体、hull）部分にスラストブロックを介してマウントすることが普通考えられていて、これによって推進ユニットによって生成されたスラスト力がハル部分にスラストボックスを介して作用して、船艇をスラスト力が作動しているのと反対方向に駆動するようにしている。
【０００３】
しかしながら、推進ユニットのプロペラでスラスト力を生成するために使用されるものは、船艇のハルの周りを流れている水の乱流（turbulent water flow）に対してそれ自体が作用しているので、生成されたスラスト力は定常状態ではなく、スラスト力の大きさにゆらぎ（フラクチュエーション）を含んでいる。こういったゆらぎの周波数が船艇における構造的な共振と一致すると、この共振が励振されることになり、スラスト力のゆらぎが大きく増幅され、著しいノイズレベルが発生されて船艇の構造はかなりの応力（ストレス）を受けることになる。
【０００４】
これに加えて、船艇内の機械装置はゆらいでいる力も発生でき、またここでも、こういったゆらいでいる力の周波数が船艇の構造的な共振と一致すると、共振が励振（励起）されて、力のゆらぎを大きく増幅して、これにより著しいノイズレベルを生成して、船艇の構造がかなりのストレスを蒙ることになる。
【０００５】
発明が解決しようとする課題
船艇のハルを通って力のゆらぎが伝搬することは、ときに、その船艇によって運ばれている乗客が居心地よく船艇内部のある領域を占有できないことを意味する。これは価値ある空間が船艇のハルの内部で損なわれていることを意味する。
【０００６】
共振を打消すための一つの技術は、正確に等しくかつ反対の力を生成することである。すなわち、共振を励振している力に対して１８０゜位相のずれた力を生成して、この生成した力を構造物に加えて、励振力を直接打消して、共振の励振を妨げるようにすることである。
【０００７】
課題を解決するための手段
この発明が生れたのは、こういった共振をダンプする（制動あるいは緩衝する）ための手段を考えているときであり、この共振はダンプしないとすると、励起されることになるものであり、船艇の構造での関係するノイズとストレス（応力）レベルとを減らすことを考えているときのことである。
【０００８】
この発明によると、構造物についての選択性ダンパシステムは、該構造物にマウントされた少くとも一つの加速度計を備え、各加速度計はマウントされている位置での該構造物の局所的な動きを示しているデータ信号を生成するようにされており、また、各加速度計から該データ信号を受領し、かつ該構造物で生成されている少くとも一つの共振に応答して制御信号を生成するように動作可能とされている検出器と、該構造物に機械的に固定され、かつ該制御信号を受領して、該構造物の共振を緩衝するための力を生成するようにされている少くとも一つのマスダンパとを備えている。
【０００９】
このようなやり方で、あるソース（源）により生成された共振振動が構造物にマウントされた加速度計によって検知できて、また検出器は構造物内の特定の共振を選択的にダンプするために、マスダンパが作り出されるべき力を判断し決めるようにでき、それによってこのシステムが振動している構造からエネルギーを抽出して共振の振幅を減らすようにする。これは実際には構造物が共振の励振に感応しないようにするのであって、先行技術のシステムのように共振を励振している力を正確に打消すように試みるというのではない。したがって、先行技術のように励振に必要とされる力よりは共振をダンプするのにより少い力が必要ということになり、ここでは励振用の力を打消すのに必要とされる力は励振用の力と正確に等しくかつ反対のものであらねばならない。このシステムでは、可能とされる共振振動が検出されて、適切な力が加えられて、それにより真の共振が実際に展開できないようにしており、言い換えると、共振の開始すなわち兆候（オンセット）が検出されて、その振幅が生長しない前に抑制され、これに対して、先行技術のシステムでは、真の共振が発生しなければならず、その後に、適切とされる等しくかつ反対方向の方が加えられるようにできて、発展した共振を正しく打消すこととなっている。
【００１０】
実施の形態
好ましいのは、構造（物）が船艇のハル（船体、艇体）であってよいことである。このやり方では、船艇によって運ばれる推進ユニットによって、別なふうに、生成されることになる共振が、著しいノイズ発生源を構築することから選択的に阻止されるようにできる。このことは船艇にとってはとくに有用であり、船艇のある領域は、過剰な共振が作り出すノイズが原因となって旅客により使用されるのに適していないとされているのであり、したがって船艇をもっと使用できるようにするのである。
【００１１】
複数の加速度計を採用するシステムでは、加速度計が該構造物の各種の場所に分散されている。加速度計は他の目的で構造物上にすでにあるものでもよく、その場合は、こういった加速度計の使用は、電気的な接続についてのルート設定を用意する必要性を減らすことになる。
【００１２】
検出器は前記構造物の共振の少くとも一つのモードを判断し決定するようにされていてよく、またその共振モードが検出されたときには制御信号を生成するようにされていてよい。このやり方では、検出器はどの共振モードが構造物中で立ち上りつつあるかを判断できて、適切な制御信号を加えて各マスダンパを動作するようにし、それによってこの特定の共振モードを選択的ダンプするようにする。各マスダンパが各共振モードを実質的に緩衝するための力を生成するようにされていてよい。
【００１３】
検出器は、データ信号から構造物の少くとも一つの共振モードを識別するようにされたモードマトリックス分解機能（modal matrix decomposition function）と、各識別された共振モードに依存している適切な制御信号を生成するための逆モードマトリックス機能（inverse modal matrix function）とを備えている。
【００１４】
前記マスダンパは、前記構造物に固定されているハウジングから支持された質量塊（mass）と、該質量塊を軸方向に移動して該構造物の振動に実質的に対抗する反作用力を生成するよう動作可能な一対の電磁石とを備えているのがよい。ダイアフラム構成が該ハウジングから該質量塊を支持している。
【００１５】
各加速度計は各選ばれた共振の開始を検出するための位置で該構造物にマウントされていて、また各マスダンパは各選ばれた共振モードの動きを実質的に緩衝（ダンプ）するための位置で該構造物にマウントされている。この位置は各デバイスの位置決めに先行して判断して決めることができ、その際には解析か経験的プロセスを使用するか、現場にある各デバイスについて一度決めるようにしてもよい。
【００１６】
実施例
以下例をあげて添付の図面を参照して、この発明を記述して行く。
【００１７】
図１では、船艇１０はハル（hull）１１を備えていて、そこには推進（プロパルジョン）ユニット１２を収容していて、ユニット１２にはドライブ手段１３があって、カップリング１５を介してプロペラ軸１４を回転するために動力を提供するようにされているので、これによって船艇１０のハル１１の周りの水１７の中でプロペラ１６を回転させている。水１７を介したプロペラ１６の動作により生成された力は、プロペラ軸１４を介してスラストブロック１８に作用するようにされており、スラストブロック１８はバルクヘッド（船体内の隔壁）１９によってハル１１の一部にしっかりとマウントされている。こうして、プロペラ１６によって作り出された力は生成された力の方向とは反対の方向にハル（船体）を移動させるように作用する。
【００１８】
図２では、図１で使用したのと同様な完全体（物のこと）を示すために同じ参照番号が使用されている。図２はハル１１を示し、そこには多数の加速度計２０がマウントされていて、それがそれぞれの加速度計が固定されているハル１１の動きもしくは振動に対応しているデータ信号を用意している。加速度計２０という用語は、いずれかのセンサが関係していて、このセンサが、それが取付けられている構造（物）、ここではハル１１、の動きまたは接近の程度のいずれかを検出するようにしていて、センサがマウントされている構造物の動きあるいは接近の程度、または動きあるいは接近の程度の変化に対応しているデータ信号を作る。
【００１９】
ハル１１及び／又はスラストブロック１８、あるいは何らかの他の適当な表面は、その上に多数のマスダンパ（mass damper）２１をマウントしていて、これについては以下に詳細に記述されているが、これが電磁的シェーカ（加震器）であってもよい。しかしながら、一般的な記述として、各マスダンパ２１は質量塊（マス、塊体の意、当然に質量がある）を備えていて、それが検出器２３によって作られた制御信号に応答して横方向に移動されるようになっており、検出器２３は各加速度計２０と各質量塊ダンパ（マスダンパ）２１との間に接続されている。検出器２３は各加速度計２０によって生成されたデータ信号から制御信号を作るようにされている。このやり方では、プロペラシャフト（軸）１４もしくはこの推進ユニット１２の他の部分によって作られたか伝えられた共振は、各質量塊２２を動かすことによって制動をかける（ダンプする）ことができて、その動きがプロペラシャフト１４もしくは推進ユニット１２の他の何らかの部分によってハル１１及び／又はスラストブロック１８に対して作られた共振をダンプするようにしている。
【００２０】
図３では、図１と２とに示したのと同じような完全体（物）を示すために同じ参照番号が使用されている。図３は検出器２３を示し、これが各加速度計と各マスダンパ２１との間に置かれている。この場合には、七つの加速度計２０のアレイがハル１１及び／又はスラストブロック１８の周りに分散されていて、三つの異なるモードの共振を計算するようにし、それによって五つのマスダンパ２１を制御するようにしており、マスダンパ２１はまたハル１１もしくはスラストブロック１８の周りに分散されている。各加速度計２０はデータ信号２４を作り、これがモード変化マトリックス２５によって受領され、そこでは共振の異なるモードについての振幅を計算する。モード変換マトリックス２５は、検出されるべき共振の各モードについての励振出力を作るようにされている。実際には、このモード変換マトリックス２５はハル１１の特定の自然（ナチュラル）共振モードを空間的にフィルタにかけてとり出すものであり、ハル１１の性質のモデルを備えている。各励振出力２６はダンピングアルゴリズム２７を供給するために使用され、検出されるべき共振の各モードについて一つを供給し、これがモード制御に必要な力２８を生成するようにされている。
【００２１】
各モード制御に必要な力（modal control demand force）２８は逆モード変換マトリックス２９によって実際のマスダンパに必要とされる力の制御信号３０に変換され、この信号がマスダンパ２１の制御に使用される。実際には、逆モード変換マトリックス２９は選ばれた共振を緩衝（制動）するために最良の構成を選ぶ。七つの加速度計が使用されて、六つのマスダンパ２１を制御するためにデータ信号２４を用意してあるが、加速度計２０もしくはマスダンパ２１の数は応用により変えられること、またこれが今度はモード変換マトリックス２５の大きさと、逆モード変換マトリックス２９の大きさと、ダンピング用アルゴリズム２７の数で必要とされるものの数とに影響を与えていることは理解されよう。
【００２２】
モード変換マトリックス２５と、アルゴリズム２７と、逆モード変換マトリックス２９の構造と、そういったものの係数とは応用に依存し、また解析か経験的な方法によって決めることができ、それが加速度計２０とマスダンパ２１を船艇１０の内部にマウントするのに先行して、あるいは加速度計２０とマスダンパ２１とが船艇１０内部に一旦マウントされてから行なわれる。
【００２３】
加速度計２０はハル１１に固定されてよいし、あるいは共振による振動が発生できるいずれかの表面に固定されてよいことは理解されたい。また、マスダンパ２１はスラストブロック１８上にマウントされてよいし、あるいは振動の伝達が緩衝されることが求められているいずれかの表面に対してマウントされてよいことも理解されよう。船艇がすでに加速度計２０を有し、それが別の目的でハル１１の周りに分散されているという場合には、これらの加速度計を用いて共振の異なるモードを判断することができ、それによって節約が行なわれ、加速度計２０をハル１１に対して用意してマウントすること、及び加速度計２０と検出器２４との間の電気的接続についての経路設定を用意することについての節約ができる。
【００２４】
選択性ダンピングを用いると、特定の共振モードの励起の開始兆候が検出できて、力が直ちに作り出されて、その共振モードを緩衝すること（ダンピング）を選択的に始められる。この動作は選ばれたモードの振動増大を抑制できる。
【００２５】
制御力の位相はその共振モードの励振に関して制御できるのであるから、ダンピング（緩衝、制動）は、そのモードの自然共振周波数に減らされたすなわち無視できるシフトが存在するといった方法で達成される。
【００２６】
図４は典型的なマスダンパ４０を示し、そこには質量塊４１があって一対のダイアフラム４２によりハウジング４４の固定用部分４３の間でサンペンド（懸架）されている。電磁石４５，４６が質量塊４１の両端にあって、制御手段（図示せず）によって動作されていて、電磁石４５，４６の間で横方向に質量塊４１を動かしている。電磁石４５，４６はまたハウジング４４にマウントされている。動作の際には、各電磁石４５，４６が質量塊４１に吸引力を作用し、また各電磁石が及ぼす力を、制御手段を用いて、変えることによって、質量塊４１は横方向に移動されるようにできる。
【００２７】
一対のダイアフラム４２は質量塊４１を固定部分４３の間でサスペンドし、また質量塊４１を中央位置に戻すことを助け、あるいは電磁石４５，４６が動作していないときには質量塊を中央位置に保持することを助けるように働いている。マスダンパ４０についての別の実施形態が存在することは理解されるであろう。例えば、電磁石４５，４６は永久磁石によって代替可能であるし、質量塊（マス）４１は電磁石構成を備えることもできる。この構成では、制御手段は電磁石を励起して質量塊４１を永久磁石間で横方向に移動させるようになっている。
【００２８】
マスダンパ２１はこのような配向とされていることが、それが取付けられている構造物における共振振動に対抗するのに、必要とされていることは理解できよう。横方向形式のマスダンパ２１について記述してきたのであるが、マスダンパは複数の方向でのハル１１内の共振振動をダンプ（制動）するために採用されていることに考えを及ぼすことが行なわれている。
【００２９】
発明の効果
この発明は海洋で使用されるベッセル１０について記述されてきたが、この発明は、また、制動（ダンプ）される必要がある共振振動がその中にあるいずれもの構造（物）に応用できることは理解されなければならない。大形構造（物）内でこの発明を用いることの利点は、共振振動をダンプするのに必要とされる力がこの共振を励起する力よりも小さくでき、それによって、より小形のデバイスが大形構造（物）における共振振動の制動（緩衝）に使用できるということである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明を組込んだ海洋ベッセル（通常はボートより大きいとされる船）の船体（ハル）と推進機構（プロパルジョンメカニズム）との模式的な平面図。
【図２】 図１の詳細を示す立面図。
【図３】 七個の加速度計入力を三つの共振出力に変換するためのモード変換装置を備えた検出器のブロック図。
【図４】 マスダンパの模式図。

Claims (5)

1. 多数の共振振動モードを有する構造物についての選択的ダンパシステムであって、
   隔離された取り付け位置で前記構造物に取り付けられている多数の動作センサを備え、各動作センサは取り付けられている位置での前記構造物の局所的な動きを示しているデータ信号を生成するようにされており、また、
   複数の前記データ信号から前記構造物の多数の共振モードを識別するようにされたモードマトリックス分解機能と、前記構造物で生成された共振振動モードの兆候に応答する適切な制御信号を生成する逆モードマトリックス機能とを備えている多数の前記センサの各々からのデータ信号に反応する検出器と、
   前記構造物に機械的に固定され、かつ前記制御信号を受領して、前記構造物の前記共振振動モードを緩衝するための力を生成するようにされており、共振振動の展開を禁止するための多数のマスダンパと、
   を備えた選択的ダンパシステム。
2. 前記モードマトリックス分解機能と前記逆モードマトリックス機能との間に結合されている多数のダンピングアルゴリズム手段を備え、各ダンピングアルゴリズム手段は各共振振動モードに関連している請求項１記載の選択的ダンパシステム。
3. 前記構造物は船艇の推進手段が取り付けられている船体を備えており、前記多数の動作センサが船体の外面近傍に離隔した位置に取り付けられており、前記多数のマスダンパが船体内に機械的に取り付けられ、前記多数の共振を緩衝するための力を生成するために複数の制御信号を受け取るようにされている請求項１または請求項２に記載の選択的ダンパシステム。
4. 構造物の選択的振動ダンパ方法であって、
   前記構造物に固定された多数の動作センサを準備し、各動作センサから、前記各センサの局所的な動きを示しているデータ信号を生成する工程と、
   前記構造物の多数の共振振動信号を識別する複数の励起信号を供給するモードマトリックス分解機能へ前記データ信号を提示する工程と、
   モード制御に必要な力を生成するために各前記励起信号をそれぞれのダンピングアルゴリズムに適用し、適切な制御信号を生成するために複数の前記必要な力を逆モードマトリックス機能に適用する工程と、
   前記多数の共振の共振振動の展開を禁止するように、前記構造物の多数の共振振動モードを緩衝するために前記構造物に固定されている多数のマスダンパに前記制御信号を適用する工程と、
   を備えた選択的振動ダンパ方法。
5. 前記構造物は船艇の船体を備え、推進手段を含んでおり、前記多数の動作センサが船体の外面近傍に離隔した位置に取り付けられており、前記多数のマスダンパが船体内に機械的に取り付けられている請求項４記載の選択的振動ダンパ方法。

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