JP4137375B2 - 画定された空間用の能動型ノイズ制御システム - Google Patents

Description

【０００２】
【技術分野】
本発明は、主に、画定された空間のための能動型ノイズ制御システムに関し、特に、ヘリコプタ機室内の望ましくない音響ノイズを低減させるための能動型ノイズ制御システムに関する。
【０００３】
【発明の背景】
内部音響ノイズは、主に、ヘリコプタの運転に関する。運転中のヘリコプタには、メインロータアッセンブリ、メインギアボックス、エンジン、テールロータアッセンブリ、油圧システム、動的空気力といった、ノイズを発生する多数の振動源が存在するが、メインギアボックスから生じる高振動数の構造−起因振動は、内部の音響ノイズつまり操縦室内および／または機室内に最も影響を及ぼす。
【０００４】
シコルスキーエアクラフトコーポレイション社のＳ−９２^TMヘリコプタ（Ｓ−９２^TMは、シコルスキーエアクラフトコーポレイション社の商標である）では、メインギアボックスは３段の減速ギアを備えている。各エンジンの出力用である第１段は、入力および出力のベベル歯車装置からなり、第２段は、メインベベル・ギアを駆動する２つの駆動用ベベル・ピニオンを備えており、最終段は、積み重ねられて連結された遊星歯車列からなり、この遊星歯車列は、太陽歯車とかみ合う複数の１次遊星歯車と、固定リング歯車とかみ合う２次遊星歯車と、を有する（Ｓ−９２ヘリコプタのメインギアボックスについてのより詳細な説明は、キッシュに付与され、ユナイテッドテクノロジーズコーポレイション社に譲渡された米国特許第５，４７２，３８６号の“ヘリコプタ用の改善されたパワートレーンシステムのための積み重ねられて連結された遊星歯車列”に記載されている）。
【０００５】
メインギアボックスから発生する高振動数の振動は、メインギアボックスの支持部材を介してヘリコプタの機体構造と結合し、機体構造の多数の固有モードの振動出力が発生する。このような振動出力によって操縦室および／または機室の音響空間の音響固有モードが励起され、ヘリコプタの操縦室内および／または機室内の望ましくない音響ノイズレベルが発生する。
【０００６】
通常運転では、Ｓ−９２ヘリコプタの操縦室および／または機室の主要な音響ノイズレベルは、主に、積み重ねられた遊星歯車列の２次遊星歯車と固定リング歯車との間の歯車のかみ合いから発生した高振動数の振動に起因するものである。図１に示されているように、Ｓ−９２ヘリコプタのメインギアボックスの第１減速段および第２減速段から発生する振動、および１次遊星歯車と太陽歯車との間の歯車のかみ合いから生じる振動は、非常に高い振動数２，４Ａ，４Ｂ（１０００Ｈｚ以上）で起こり、機室内および／または操縦室内の音響ノイズを発生させる。この音響ノイズは、２次遊星歯車と固定リング歯車との間の歯車のかみ合いから発生する音響ノイズ（これは基本振動数６である約６８７．７Ｈｚ（Ｎｒ１００％）で起こり、約６１８．９Ｈｚ（Ｎｒ９０％）〜約７２２．１Ｈｚ（Ｎｒ１０５％）の間で変動する）よりも小さい。さらに、２次遊星歯車と固定リング歯車との間の歯車のかみ合いから生じる高振動数の振動によって、機室内および／または操縦室内の音響ノイズが発生する。この音響ノイズは、会話妨害範囲に入るため、望ましくないものとなる。
【０００７】
このような音響ノイズは、操縦室内および／または機室内の受動型音響処置によっては効率的に低減されない。音響パネルまたは音響ブランケットといった受動型処置は、非常に高い振動数の発生音響ノイズに部分的に効果があるが、３００〜１０００Ｈｚの範囲の発生音響ノイズに対しては効果が十分ではない。加えて、このような音響パネルもしくは音響ブランケットの利用による重量の増加は、ヘリコプタの性能に悪影響を及ぼす。
【０００８】
他の受動型技術には、メインロータアッセンブリ／メインギアボックスと機体構造との間のインターフェースに振動絶縁装置を用いるものがある。このような振動絶縁装置は、固有の柔軟性を有するため、音響ノイズを発生する高振動数の振動のうち緩和されたもののみをヘリコプタ機体に伝達する。しかし、このような振動絶縁装置は、ヘリコプタの１次荷重経路内に導入される必要があるため、定常飛行荷重でのギアボックスの振れに起因して、エンジン−トランスミッションドライブシャフトの振れが高速となる可能性がある。このトランスミッションドライブシャフトの振れによって、シャフトの信頼性が悪化し、かつ飛行制御システムに間違ったコマンドが送られる可能性もある。
【０００９】
ヨーキー等に付与され、ユナイテッドテクノロジーコーポレイション社に譲受された米国特許第５、３１０，１３７号の“ヘリコプタ能動型ノイズ制御システム”（以下で“‘１３７特許”とする）には、ヘリコプタ用の能動型ノイズ制御システムが開示されている。この能動型ノイズ制御システムは、ギアボックス／機体インターフェースでギアボックスから発生する１つあるいは複数の高い振動数の振動を除去し、これによってヘリコプタの内部のノイズレベルを著しく低減させるものである。この能動型ノイズ制御システムは、必要となるアクチュエータの数を減少させるように設計上最適化されているとともに、システムのアクチュエータの運転から生じる有害な力を減少させるように設計上最適化されている。この能動型ノイズ制御システムは、機械的に強化されていることによって１つあるいは複数の高振動数の振動に対して剛体として機能する改善されたトランスミッション梁と、この改善されたトランスミッション梁と組み合わせて配置された複数のアクチュエータと、この改善されたトランスミッション梁と組み合わせて同一直線上で離間されるとともに各アクチュエータと機能上相関した複数のセンサと、個々のアクチュエータをそれぞれ機能上相関したセンサに接続するコントローラと、を備えている。
【００１０】
‘１３７特許に開示された能動型ノイズ制御システムの欠点は、トランスミッション梁上のアクチュエータおよびセンサの配置によってセンサ位置での高振動数の振動が局部的に除去されるが、センサおよびアクチュエータの位置がギアボックス／機体インターフェースから離れていることにより、ギアボックス／機体インターフェースとセンサ位置との間の間隙を通って高振動数の振動がヘリコプタ機体に“リーク”する恐れがあることである。従って、センサからコントローラにデータが送られ、コントローラにより除去された高振動数の振動が示されるようになっているが、それでもなお、望ましくない音響ノイズが機室内に発生する可能性がある。
【００１１】
【発明の開示】
従って、本発明の目的は、画定された空間内の望ましくない音響ノイズを効率的に低減させる、画定された空間のための能動型ノイズ制御システムを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、画定された空間内の望ましくない音響ノイズを低減させるための画定された空間用の能動型ノイズ制御システムを提供することであり、この画定された空間では、望ましくない音響ノイズは、振動源から起こる高振動数の構造的振動によって発生する。
【００１３】
これらの目的および他の目的は、本発明では、画定された空間内の望ましくない音響ノイズを低減させるための能動型ノイズ制御システムによって達成される。この画定された空間では、望ましくない音響ノイズは、高振動数の構造的振動によって発生し、この構造的振動は、画定された空間に構造的インターフェースで構造的に連結された振動源から起こる。
【００１４】
この能動型ノイズ制御システムは、画定された空間内の望ましくない音響ノイズを感知するために画定された空間に関連して配置されたセンササブシステムと、構造的インターフェースに近接して配置されたアクチュエータサブシステムと、センササブシステムをアクチュエータサブシステムに機能的に接続するコントローラと、を備えており、コントローラは、センササブシステムからの入力を受信し、これに応答して、選択された高い振動数の逆振動を発生させるために命令信号をアクチュエータサブシステムに送ることが可能なものである。この逆振動は高振動数の構造的振動と干渉し、これによって画定された空間内の望ましくない音響ノイズが減少するようになっている。
【００１５】
本発明の更に他の目的および利点は、以下の詳細な説明により、当業者にとって容易に理解されるだろう。詳細な説明では、本発明を遂行するための最適な形態を単に図示することによって、本発明の好適な実施例が示されるとともに説明されている。認識されるように、本発明から逸脱することなく、本発明に様々な形態での変更が可能である。従って、図および説明は、制限的なものではなく、全く例示的なものとみなされるべきである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
ここで、図を参照する。これらの図で、同一の参照符号は、いくつかの図を通して、対応する部材つまり同一の部材を示している。図２は、シコルスキーエアクラフトコーポレイション社のＳ−９２^TMヘリコプタ１０（Ｓ−９２^TMはシコルスキーエアクラフトコーポレイション社の商標である）の概略図である。ヘリコプタ１０は、ヘリコプタ１０の機室１４内の望ましくない音響ノイズを低減させるために、本発明の特徴を有する能動型ノイズ制御システム１２を備えている。本願では、機室１４は、ヘリコプタ１０の操縦室１５および他の内部区画（図示せず）を有することも可能である。
【００１７】
図３は、Ｓ−９２ヘリコプタ１０用のメインギアボックス１６を示している。当該技術分野で周知なように、メインギアボックス１６によって、タービンエンジン（図示せず）がヘリコプタ１０のメインロータ駆動軸１１およびテールロータ駆動軸（図示せず）に機械的に連結されており、タービンエンジンから各駆動軸へとトルクが伝えられるようになっている。メインギアボックス１６が複数のメインギアボックス支持部材２０に固定されるように、メインギアボックス１６は複数の取付脚部１８を備えており、このために複数の構造的インターフェース２２が固定位置で画定される。図２および図３を参照すると、複数のメインギアボックス支持部材２０は、機室１４を画定している機室構造２４に構造的に連結されている。
【００１８】
能動型ノイズ制御システム１２は、機室１４内に関連した状態で配置されたセンササブシステム２６と、構造的インターフェース２２に隣接したアクチュエータサブシステム２８と、センササブシステム２６をアクチュエータサブシステム２８に機能上接続するコントローラ３０と、を備えている。
【００１９】
開示する実施例では、センササブシステム２６は複数の一般的なマイクロフォン３２を備えており、これらのマイクロフォン３２は機室１４内に配置されている。機室１４内に望まれる全体的な音響ノイズ低減の程度、特定数のマイクロフォン３２を配備することに伴うコスト、および選択した数のマイクロフォン３２から発生した信号を処理するのに必要あるいは用いられる計算能力、を含めたいくつかの要素に依存して、マイクロフォンの数および位置は変えられる。代わりの実施例として、図２Ａに示されるように、センササブシステム２６は、機室構造２４と組み合わせて複数の一般的な加速度計３３を備えることも可能である。さらに他の代わりの実施例として、センササブシステム２６は、機室１４内に配置されたマイクロフォン３２と、機室構造２４と連結された加速度計３３と、を組み合わせて備えることも可能である。
【００２０】
図２〜５を参照すると、開示された実施例のアクチュエータサブシステム２８は、複数の慣性質量アクチュエータ３４を備えており、これらの慣性質量アクチュエータ３４は、メインギアボックス１６の取付脚部１８に関連して配置されている。各取付脚部１８は、複数のフランジ３６，３７，３８を備えており、これらのフランジ３６，３７，３８は取付脚部１８から延びている。複数のフランジ３６，３７，３８は構造的インターフェース２２から僅かに離間されており、各フランジ３６，３７，３８は少なくとも１つのアクチュエータ３４を受容するように構成されている。さらに詳細には、図４および図５に示されているように、フランジ３６は、２つの係合面３６ａ，３６ｂを有しており、各係合面３６ａ，３６ｂには、ねじ付き孔４０が各係合面３６ａ，３６ｂの平面に対して垂直に設けられている。各ねじ付き孔４０は、アクチュエータ３４内を延びるねじ付きボルト２を受容するように構成されている。フランジ３６では、ねじ付きボルト４２がねじ付き孔４０内に固定された状態でアクチュエータ３４が垂直軸に沿って整列するように、係合面３６ａ，３６ｂが方向付けされている。開示された実施例では、フランジ３７は１つの係合面３７ａを有しており、フランジ３８は３つの係合面３８ａ，３８ｂ，３８ｃを有しており、これによって互いに垂直な軸に沿ってアクチュエータが取り付けられるようになっている。この実施例の累積的な効果は、様々なフランジ３６，３７，３８に取り付けられたアクチュエータ３４が平行軸および垂直軸に沿って整列することである。
【００２１】
代わりの実施例として、アクチュエータ３４が非平行軸および／または非垂直軸に沿って取り付けられるように、フランジ３６，３７，３８の各係合面が構成／方向付けされることも可能である。
【００２２】
当業者にとって明らかなように、フランジ３６，３７，３８に連結されたアクチュエータ３４の数および向きによって、各構造的インターフェース２２においてアクチュエータ３４から発生する力および／またはモーメント（すなわち自由度）が決まる。従って、代わりの実施例として、特定用途への動作上の要求に適合するように、アクチュエータ３４およびフランジ３６，３７，３８の数および向きを、述べられた実施例とは異なるようにすることも可能である。上述された実施例では、慣性質量アクチュエータ３４がねじ付きボルト４２によって係合面３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３８ａ，３８ｂ，３８ｃに固定されているが、代わりの実施例として、一般的な取付技術によって他の一般的なアクチュエータを構造的インターフェース２２の付近に配置し、これによって機室１４内の望ましくない音響ノイズを低減させるための高振動数の逆振動を発生させることも可能である。
【００２３】
開示された実施例で、コントローラ３０は、入力信号をマイクロフォン３２から受信し、これに応答して、コントローラ３０のプログラミングに従って命令信号をアクチュエータ３４に送信する一般的なタイプのものである。開示された実施例では、電気式増幅器３１がコントローラ３０とアクチュエータ３４との間に配置されており、これによってアクチュエータ３４に送信された命令信号が増幅されるようになっている。
【００２４】
図１および図２を参照する。ヘリコプタの運転中、メインギアボックス１６から高振動数の振動が発生する。この振動は、取付脚部１８から構造的インターフェース２２を通って複数のメインギアボックス支持部材２０に伝わり、続いてメインギアボックス支持部材２０から機室構造２４に伝わり、続いて音響ノイズとして機室１４内に伝わる。Ｓ−９２ヘリコプタ１０についての実施例では、２次遊星小歯車（図示せず）と固定リング歯車（図示せず）との間の歯車のかみ合いによりメインギアボックス１６から生じる、６８７．７Ｈｚ（Ｎｒ１００％）の基本振動数（図１の６）を有する高振動数の振動が機室１４に伝わると、音響ノイズが発生する。このために、開示された実施例では、メインギアボックス１６から発生する高振動数の構造的振動が約６１８．９Ｈｚ（Ｎｒ９０％）から約７２２．１Ｈｚ（Ｎｒ１０５％）の範囲で低減するように、能動型ノイズ制御システム１２が最適化されるため、機室１４内の音響ノイズはこれらの周波数の間で低減される。しかし、代わりの実施例として、特定のヘリコプタあるいは他の装置の動作特性に依存して、他の振動数を有する高振動数の構造的振動および音響ノイズ、もしくは組み合わせられた振動数が低減するように、能動型ノイズ制御システム１２を最適化することも可能である。
【００２５】
図２〜５を参照する。運転中、高振動数の構造的振動により機室１４内に生じる望ましくない音響ノイズはマイクロフォン３２によって検知され、マイクロフォン３２からコントローラ３０に信号が送られる。コントローラ３０によって、望ましくない音響ノイズの振動数および大きさが示される。コントローラ３０によって、マイクロフォン３２から受信された信号がフィルターに通され、これによって低減する対象とされた周波数（つまり望ましくない音響ノイズ周波数）が特定される。マイクロフォン３２からコントローラ３０への信号の入力に平行して、コントローラ３０は、メインギアボックス１６内の回転歯車（図示せず）と関連して配置されたタコメータ（図示せず）から入力２９を受ける。これによって能動型ノイズ制御システム１２の基準位相が規定される。続いて、マイクロフォン３２およびタコメータから受信された信号に一般的な最小分散制御アルゴリズムを組み合わせて利用することによって、コントローラ３０から命令信号が電気式増幅器３１を通して複数のアクチュエータ３４のそれぞれに送られ、これによって高周波数の構造的逆振動が構造的インターフェース２２に発生する。これらの高振動数の構造的逆振動は、コントローラ３０によって大きさ、振動数および位相が最適化されることによって高振動数の構造的振動と干渉するものとなり、これによって構造的インターフェース２２を通過する高振動数の構造的振動の伝達が低減し、機室１４内の望ましくない音響ノイズが低減する。
【００２６】
上述した実施例の能動型ノイズ音響システム１２は、ヘリコプタ１０のギアボックス１６および機室１４に関連して配置されているが、代わりの実施例として、本発明は、振動源と構造的に連結されている画定された空間（例えば、ヘリコプタの機室およびテールのギアボックス、自動車内部およびエンジン）に組み合わせて配置することも可能である。加えて、代わりの実施例として、その画定された空間は完全に囲まれる必要はなく、１つの構造もしくは複数の構造によって少なくとも一部分が画定された空間を備えるようにすることも可能である。
【００２７】
本発明によって、上述した目的が全て達成されることは、当業者にとって容易に理解されるだろう。以上の明細書を読んだ後で、本願で広く開示したように、様々な変更、等価物の代用および本発明の様々な他形態を生み出すことが当業者にとって可能であるだろう。従って、本願で認められた保護は、付随の請求項に含まれる限定によってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 シコルスキーエアクラフトコーポレイション社のＳ−９２ヘリコプタから発生する振動の振動スペクトルを示すグラフ。
【図２】 本発明の能動型ノイズ制御システムの概略図。
【図２Ａ】 図２の代わりの実施例の能動型ノイズ制御システムを備えたヘリコプタの概略図。
【図３】 Ｓ−９２ヘリコプタのメインギアボックスの斜視図であり、図２の能動型ノイズ制御システムの部材を示している。
【図４】 図３のメインギアボックスの一部切欠上面図。
【図５】 図３のメインギアボックスの一部切欠上面図であり、明確に目視できるように能動ノイズ制御システムの部材が取り除かれている。

Claims (9)

1. 機室を構成する機室構造と、この機室構造に構造的に結合されたギアボックス支持部材と、前記ギアボックス支持部材に取り付けられる複数の取付脚部を備えた振動発生源となるギアボックスと、前記ギアボックスから前記機室構造に伝達された構造的振動により生じる機室内の望ましくない音響ノイズを低減する能動ノイズ制御システムと、を備えてなるヘリコプタであって、前記能動ノイズ制御システムが、複数のセンサと、コントローラと、複数の慣性質量アクチュエータと、を含んでなるものにおいて、
   前記複数のセンサは、機室内の望ましくない音響ノイズを検出するために機室内に配置されたセンササブシステムを構成し、
   前記複数の取付脚部の各々が、複数のフランジを備え、各フランジが前記アクチュエータの少なくとも一つを受けるように構成され、
   複数の前記アクチュエータがアクチュエータサブシステムを構成し、
   前記コントローラは、前記センササブシステムおよび前記アクチュエータサブシステムに接続され、かつこのコントローラは、前記センササブシステムから入力を受信し、該センササブシステムからの入力に応答して、選択された逆振動を発生させる命令信号を前記アクチュエータサブシステムに送るように構成されており、前記逆振動は、前記ギアボックスの前記取付脚部に加えられ、この逆振動が前記構造的振動と干渉し、これによって前記取付脚部から前記機室構造へ伝わる構造的振動が減少して、前記機室内の望ましくない音響ノイズが低減することを特徴とするヘリコプタ。
2. 前記センササブシステムは複数のマイクロフォンを備えており、該マイクロフォンは、前記機室内に配置されていることを特徴とする請求項１記載のヘリコプタ。
3. 前記センササブシステムは前記機室内に配置された複数の加速度計を備えていることを特徴とする請求項１または２記載のヘリコプタ。
4. さらに、前記ギアボックスの作動周波数の関数となる出力信号を出力するために、前記ギアボックス内にタコメータが取り付けられており、さらに、前記コントローラは、前記タコメータの信号を受信することによって前記アクチュエータサブシステムに送られる前記命令信号のために位相基準を規定することが可能なものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヘリコプタ。
5. 前記タコメータによってギアボックス内の回転ギアの動作がモニタされることを特徴とする請求項４記載のヘリコプタ。
6. 前記コントローラによって前記センササブシステムからの信号にフィルタがかけられ、これによって少なくとも１つの所定周波数が分離されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のヘリコプタ。
7. 前記能動ノイズ制御システムによって逆振動が発生され、これによって約６１８．９Ｈｚ〜約７２２．１Ｈｚの範囲の振動数を有する構造的振動が低減されるようになっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のヘリコプタ。
8. 前記能動ノイズ制御システムによって逆振動が発生され、これによって約６８７．７Ｈｚの振動数を有する構造的振動が低減されるようになっていることを特徴とする請求項７に記載のヘリコプタ。
9. 前記アクチュエータから前記フランジの面に垂直な方向に逆力が発生するように、各アクチュエータは前記フランジにボルト止めされていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のヘリコプタ。

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