JP4493743B2 - 外面流で洗流される開口を備えた中空室内の周期的な圧力変動を抑える方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外面流で洗流される開口を備えた中空室内における周期的な圧力変動を抑える方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
開口を備えた中空室が外面流よって洗流される際には、しばしば周期的な圧力変動が中空室内に生じるが、この圧力変動はかなりの圧力振幅となる。そのような現象は飛行機や走行装置のコクピットあるいは開口を有した容器で観察される。このような圧力変動は、引き戸式の屋根（サンルーフ）を備えた乗員室内に生じるうなりとして知られている。引き戸式屋根を備えた多くの車両において、屋根が開かれている場合に特に４０〜６０ｋｍ／ｈの速度範囲で乗員室内に周期的な共振状の圧力変動が生じ、この圧力変動は低周波騒音と感じられ、不快で望ましくない。
【０００３】
ドイツ特許第４０３９４８５号明細書によって、自動車の引き戸式屋根のうなりを防止するウィンドブレーカが知られている。このウィンドブレーカは、空気流に対して横に且つ引き戸式屋根の開口の前縁に対して平行に配置され、車両輪郭から外側にないしは斜め後方上向きに突き出ている。
【０００４】
引き戸式屋根のうなりを防止する方法は、ドイツ特許第１９６３３１８８号明細書によっても知られている。その場合、車室内部に設けたマイクロホンでうなり音が検出される。そのマイクロホンの出力信号は、煩わしいうなり音がもはや生じないように引き戸式屋根の開口を狭めるための制御量として利用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の目的は、うなり音の形の周期的な圧力変動を迅速に且つ効果的に抑える方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題は特許請求の範囲の請求項１に記載の手段によって解決される。本発明の有利な実施態様は各従属請求項に記載されている。
【０００７】
本発明者の知識に基づいて、周期的な圧力変動が再生効果によって引き起こされる。以下その振動経過を以下に簡単に述べる。
【０００８】
開口の前縁（ここで「前縁」とは上流側の縁を呼ぶ）における任意の小さな障害例えば乱流の結果、外面流の流れ方向が幾分中空室の中に偏向される。これによって中空室内の圧力が静的な外圧を超えて上昇し、これは開口を介して外に向けて圧力バランスが行われるように作用する。この圧力バランスの際に、外面流に対して横方向（中空室の内側から外側に向く方向）に生ずる流れ成分が開口の前縁における外面流を偏向させ、これはいまや中空室内に負圧が生ずるように作用する。圧力バランスが行われた後で外面流が中空室内に向けて偏向され、これはあらためて圧力上昇を生じさせる。圧力変動の振幅は、各周期において理論的に最大で外面流の動圧に相当する限界値まで上昇する。
【０００９】
本発明によれば、上述の再生過程は、外面流の流れ方向を活動的に同相に変化させることによって中断される。中空室の内部における圧力センサ例えばマイクロホンは、正に圧力上昇が生じているか圧力低下が生じているかを検出する。マイクロホンからの信号で制御されるアクチュエータは、中空室内における実際の圧力変動に対抗する方向の外面流の偏向が行われるように作用する。同相的偏向によって周期的な圧力変動が急速に消滅する。圧力振幅とアクチュエータ信号との同相位置はアクチュエータ形式に左右され、経験的に簡単に求められる。
【００１０】
同じようにして本発明に基づく方法によって、既存の周期的な圧力変動が減少あるいは消滅されるだけでなく、開口における任意に生ずる障害が直ちに補償されることによってその発生が防止される。
【００１１】
本発明に基づく流れ方向の変更は例えば偏向羽根によって直接行われるか、あるいは開口前縁の近くに誘発させた（内側にあるいは外側に向いた）横流れによって間接的に行われる。
【００１２】
本発明の実施形態は、車両における引き戸式屋根に生じるうなりを例にとって図示している。したがって、以下において中空室は乗員室と呼び、開口は引き戸式屋根開口と呼ぶ。
【００１３】
基本的には本発明に基づく方式は例えば飛行機、ロケットおよび船における、開放側が洗流されるすべての中空室に適用することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図に示した一実施形態および第１〜第４参考例を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１５】
図１は本発明に基づく方法を実施するための制御回路のブロック図を示している。ＲＩは乗員室、ＤＡは乗員室の開口である。乗員室ＲＩ内の圧力は圧力センサ（例えばマイクロホン）によって測定される。そのセンサ信号は適当に処理された後に、外面流を偏向させるアクチュエータに導かれる。その適当な処置とは一般的に信号の増幅、場合によってはフィルタおよび遅延（相変位）を意味する。アクチュエータはこの実施形態の場合、例えば開口ＤＡの前縁の近くに配置されている。
【００１６】
ダイナミックアクチュエータ（例えばスピーカ、スピーカコイル）が駆動装置として設けられたあらゆる装置は、この形式のアクチュエータが必要な相変位を機能上自動的に発生させるので、相変位（遅延）するための装置なしでも実現できる。アクチュエータが正しく接続されている場合に圧力変動の減少に伴って増幅器作動用のマイクロホン信号も減少されるので（安定制御回路）、増幅器の設定変更は不要である。
【００１７】
次に、本実施形態の方法の実施の具体的な流れについて説明する。
【００１８】
圧力センサが任意の時点で乗員室内の圧力が平均圧力に比べて増大していることを検出すると、圧力センサの出力信号は増幅されてアクチュエータに導かれる。そして、アクチュエータは外面流を外側に偏向させて、乗員室内の圧力を低下させる。乗員室における低下した圧力は、圧力センサが低い圧力を検出し、外面流を僅かしか偏向させない小さな信号を送るようにアクチュエータに作用する。理想的な状態においては、平均（安定）内圧が得られるや否や圧力変動は停止している。しかし経過に関与する空気質量の慣性のために、常に幾つかの周期の後ではじめて圧力変動のない、正確には非常に小さな圧力変動をもつ、新たな状態が生ずる。図８は、走行する乗用車における圧力変動を抑制する装置が作動した時点の前後における圧力変動の時間経過を示している。
【００１９】
この方法の機能は多くの数学的考察において次のようにも説明できる。
【００２０】
制御回路内に常に存在する圧力信号の相変位（約９０°）によって、圧力にではなく圧力の変化速度に比例および逆比例する信号が生ずる。類似した信号は、時間経過後に圧力信号を導き出すことからも得られる。変化速度に比例する大きさ（例えば力）の作用は、技術的に一般に減衰として知られている。本発明に基づく方法において、内圧は常に外面流の変化によって影響されるので、これは空力減衰器とも見なせる。
【００２１】
図２は、乗用車の屋根開口ＤＡの前縁ＶＫにおける流れを、同相振動する小さな偏向羽根ＵＦによって制御するための実施形態を示している。自動車の屋根開口ＤＡ（引き戸式屋根ＳＤ）の前縁ＶＫの近くに、一つあるいは並べて配置された複数の羽根ＵＦが、屋根表面における流れを偏向できるように取り付けられている。図示した実施形態においては、全く同じ二つの羽根ＵＦが存在し、上側面あるいは下側面における圧電磁気アクチュエータＰＫ（曲げアクチュエータ）が羽根ＵＦの偏向を生じさせる。
【００２２】
特に次の形状の羽根が適している。
【００２３】
弾性羽根が自動車の屋根に固く取り付けられる。流れの偏向は羽根曲率の変更によって行われる。羽根の運動あるいは曲率変更に適したアクチュエータは、例えばダイナミックアクチュエータ（例えばスピーカコイル）、電動機、圧電磁気アクチュエータ、空気圧式あるいは液圧式ピストンである。
【００２４】
羽根の曲率変更によって、乗員室における流れの偏向を生じさせる。既に上述した制御回路は、外面流の偏向が乗員室における圧力変化に対抗するように作用する。
【００２５】
この方法は、羽根の寸法にほとんど無関係に機能する。ある実施形態において、二つのフラップ（前縁の約５０％にわたって延び開口長さの約１０％の奥行きを有する）が、可撓性の接着テープによって屋根開口の前縁に直接取り付けられている。その作動は、フラップの中心においてその後縁に作用する二本のプランジャによって行われる。これらのプランジャ自体は二つのスピーカコイル（振動板なしスピーカ）によって駆動される。
【００２６】
第１参考例
図３は、屋根開口ＤＡの前縁ＶＫにおける外面流を制御するために、一つあるいは複数のスピーカＬが採用された、本発明の第１参考例を示している。スピーカ振動板は、好適には自動車の屋根表面に対して平行にその数ｍｍ下側に位置し、その振動板面が外向きに作用する。
【００２７】
一つあるいは複数のスピーカＬは、屋根開口ＤＡの前縁ＶＫの前側ならびに直後にも配置できる。屋根切欠き開口ＤＡの前方隅にそれぞれ一つのスピーカＬが配置されるような、図示した配置構造が非常に有効であることが分かっている。複数のスピーカを利用する場合、それらの振動板は同相で振動しなければならない。
【００２８】
スピーカは、ピストンポンプのように空気を外面流の流れ方向に対して横方向に（直角方向に）吹き込む作用ないし吸い出す作用をする。外面流の速度ベクトルとスピーカによって引き起こされた横流れの速度ベクトルとが重なり合うことによって、必要な外面流の方向変化（偏向）が生じる（明瞭にするために速度三角形も示されている）。既に上述した制御回路は、外面流の偏向が乗員室における圧力変化に対抗するように作用する。
【００２９】
ある参考例の場合、自動車に振動板直径が約６ｃｍの二つのスピーカが首尾よく採用され、これらは屋根開口の両側前方隅に取り付けられる。
【００３０】
第２参考例
図４は、本発明の第２参考例を示している。ここでは図３に示した実施形態と異なり、外面流の制御はガス状あるいは液状媒体の吹き出しあるいは吸い出しによって達成される。そのために屋根開口ＤＡの前縁ＶＫの近くには複数の開口ＯＦが設けられ、かつこれらの開口ＯＦによって媒体例えば空気が外面流に対して横方向に吹き込まれ若しくは吸い出される。この開口ＯＦは、図示したように前縁の全長にわたって分布して配置されている。しかしその開口は、前縁に沿った個々の部分範囲に配置することもできる。図示した実施形態においては、ポンプとして二つのスピーカＬＡが存在し、これらはそれぞれ横方向に、好適には前縁ＶＫから離して配置されている。同様に振動ポンプ例えばピストンポンプが適用される。
【００３１】
外面流の速度ベクトルと、吹き出しあるいは吸い出しによって生ずる横流れの速度ベクトルとの合成によって、必要な外面流の方向変化（偏向）が生ずる。既に上述した制御回路は、外面流の偏向が乗員室における圧力変化に対抗するように作用する。
【００３２】
第３参考例
図５は本発明の第３参考例を示している。ここでは外面流の制御は一つあるいは複数のスピーカによって、乗員室内に圧力変化を発生することによって行われる。そのようなスピーカＬＳは、振動板面が乗員室ＲＩの中に自由に作用することができ、かつ振動板面の背面が好適には乗員室ＲＩに対して密封されたできるだけ大きな中空空間ＨＯの中に作用するように配置されている。代表的な例は、図５に詳細に示されているように、車体の内張りＶＥと外側壁ＡＫ（例えば側壁、屋根、床）との間にスピーカＬＳを組み込むことにある。スピーカＬＳは、ここでは自動車のトランク室における予備車輪のカバーＶＥに組み込まれている。
【００３３】
スピーカは、乗員室内に圧力変化を生じさせるポンプとして作用する。引き戸式屋根開口によって圧力を調整する場合、外面流の流れ方向に対して直角な流れが生ずる。流れベクトルの重なり合いは、特に屋根開口の前縁において、上述したように外面流の方向を所望通りに変化させる。上述した制御回路は、外面流の偏向が乗員室における圧力変化に対抗するように作用する。車両内の既存のスピーカ、例えば車両特有のラジオ用のスピーカを利用することが特に有利である。スピーカの代わりに振動ポンプ例えばピストンポンプも採用できる。
【００３４】
市販の乗用車において所望の結果を得るために、振動板直径約２５ｃｍの唯一のスピーカを採用することが有利であることが分かっている。しかし小形スピーカによる方式も実現できる。既に存在する引き戸式屋根のうなり音を減少するために必要な増幅器の出力は、一時的に約２０Ｗになる。うなりが一度中断すると、不足入力信号（うなりレベル）のために増幅器の出力も減少する。うなりを阻止するために新たに振動するのに数ｍＷで十分である。
【００３５】
第４参考例
乗員室内における同相的な圧力変動の発生によって外面流を制御する別の方式は、乗員室を境界づける面の部分範囲を制御して振動させることにある。このために二つの例が図６ａ、図６ｂに示されている。
【００３６】
その場合、振動の発生はシェーカ（発振器）あるいは圧電磁気アクチュエータによって行われる。
【００３７】
振動部分として特に車体の壁、屋根、床あるいは窓ガラス、並びにこれらの部品の部分範囲が問題となる。
【００３８】
シェーカは代表的に、時間的に大きく変化する所定の設定信号に応じて力を発生させる機器の総称である。通常の実施形態においては、例えば原理的にはスピーカコイルのように作動するダイナミックシェーカである。その場合、振動板の力が振動させるべき試験体に伝達される。
【００３９】
他の参考例は、圧電磁気アクチュエータによって振動させられる大きな質量、例えば数１００ｇの質量から成っている。質量と加速度とから生ずる力はシェーカの脚から試験バンドに伝達される。
【００４０】
自動車の屋根を振動させるために、特に上述した両参考例の組合せが適用される。大きな質量は、振動板の代わりにスピーカコイルによって振動させられる。合成物体力が車体に伝達され、これを振動させる。
【００４１】
液圧式あるいは空気圧式のピストンも、急速に変化する力を設定信号に応じて発生するように制御されるときにシェーカと見なせる。
【００４２】
図６ａは、自動車の屋根ＤがシェーカＳＨによって振動させられる参考例を示している。ここでシェーカＳＨは、屋根Ｄの内側に詳しくは屋根の中央に配置されている。ＤＮは通常状態にある屋根Ｄを、ＤＭは最大振幅位置にある屋根Ｄを示している。
【００４３】
図６ｂは、自動車の屋根Ｄが二つの圧電磁気アクチュエータＰＡによって振動させられる参考例を示している。これらの両アクチュエータＰＡは屋根Ｄの両側に配置されている。
【００４４】
図７に示した振動数スペクトルは、図５に応じたスピーカ組物で、約５５ｋｍ／ｈの走行速度において測定した振動数スペクトルである。その上側線は、本発明に基づく方法を採用しない場合のスペクトルを示している。約１７Ｈｚに際立ったピークがあることが分かり、これは引き戸式屋根のうなりの典型的な形である。本発明に基づく方法が採用されたとき、下側線に示したように、このピークは消滅する。
【００４５】
図８は、図７と同じ経過に対する乗員室内における時間に関係して測定した圧力を示している。本発明に基づく方法が実施されたとき、圧力振幅はそれが短時間でほぼ安定した新たな状態となるまで低下する。
【００４６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の方法は、外面流に対して横方向の流れを発生させることにより外面流を偏向させ、外面流が中空室の中に偏向したことによって生じる中空室内の圧力上昇を抑制する構成としたので、外面流で洗流される開口を備えた中空室内の周期的な圧力変動を迅速に且つ効果的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく方法を実施するための制御回路のブロック図。
【図２】 外面流の制御が屋根開口の前縁における同相振動する偏向羽根によって行われる、本発明の方法の一実施形態の説明図。
【図３】 外面流の制御が、詳しくは屋根開口の前縁の直ぐ後ろに配置されたスピーカが生じさせる横流れ成分の同相的発生によって行われる、本発明の第１参考例の説明図。
【図４】 横流れ成分の同相的発生が屋根開口の前縁におけるガスの吹き出しないし吸い出しによって行われる、本発明の方法の第２参考例の説明図。
【図５】 外面流の制御が、一つあるいは複数のスピーカによって達成される乗員室内の圧力変動の同相的発生によって行われる、本発明に基づく方法の第３参考例の説明図。
【図６】 外面流の制御が、乗員室を境界づける面の振動によって乗用車の乗員室内における圧力変動の同相的発生によって行われる、本発明の方法の第４参考例の説明図。
【図７】 本発明の方法を採用しない場合と採用した場合に測定された振動数スペクトルの線図（横軸：振動数（Ｈｚ）、縦軸：５×１０-5Ｎ／ｍ2 に関する音圧（ｄＢ））。
【図８】 本発明の方法を採用する場合の圧力振幅の経過の例を示す線図（横軸：時間（秒）、縦軸：圧力（パスカル））。
【符号の説明】
ＤＡ 開口
ＲＩ 乗員室
ＵＦ 偏向羽根
ＶＫ 前縁
Ｌ スピーカ
ＬＡ スピーカ
ＰＫ アクチュエータ
ＳＨ シェーカ

Claims (4)

1. 外面流で洗流される開口（ＤＡ）を備えた中空室（ＲＩ）内の周期的な圧力変動を抑える方法であって、
   中空室（ＲＩ）の中における実際の圧力変動に対抗する方向の外面流の流れ方向の変化を周期的に且つ同相的に生じさせるとともに、
   前記外面流の流れ方向の変化を、前記開口（ＤＡ）の前縁（ＶＫ）に設けた少なくとも一つの偏向羽根（ＵＦ）によって生じさせるために、
   前記偏向羽根（ＵＦ）を弾性材料から形成し、かつその曲率を変更させることを特徴とする外面流で洗流される開口（ＤＡ）を備えた中空室（ＲＩ）内の周期的な圧力変動を抑える方法。
2. 偏向羽根（ＵＦ）の曲率を変化させるために電動機、圧電磁気アクチュエータ（ＰＫ）、空気圧式あるいは液圧式ピストンあるいはスピーカコイルであるダイナミックアクチュエータを用いることを特徴とする請求項１に記載の外面流で洗流される開口（ＤＡ）を備えた中空室（ＲＩ）内の周期的な圧力変動を抑える方法。
3. 前記中空室が飛行機、ロケットあるいは船における外に向って開口した任意の空間であることを特徴とする請求項１または２に記載の外面流で洗流される開口（ＤＡ）を備えた中空室（ＲＩ）内の周期的な圧力変動を抑える方法。
4. 前記中空室内の実際の圧力変動に対抗する外面流の流れ方向の変化を、ダイナミックアクチュエータによって生じさせ、その制御のために相変位を遅延させる装置を採用しないことを特徴とする請求項２に記載の外面流で洗流される開口（ＤＡ）を備えた中空室（ＲＩ）内の周期的な圧力変動を抑える方法。

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