JP4530117B2 - 構造部分表面における流れ解析をするための装置、並びに構造部分表面における流れ解析をするための方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、構造部分表面における流れ解析をするための装置、並びに、構造部分表面における流れ解析をするための方法に関する。
【０００２】
構造部分表面における流れの特性化は、技術の種々の領域において増々意義を有する。特に飛行機の翼面において、翼面の領域における流れ特性の正確な知識によって、翼面形状の最適化を、それぞれの使用条件に関して行なうことができる。これにより、飛行特性が改善され、燃料需要の低減が可能となる。
【０００３】
これ以外に技術の別の領域においても、空気力学を改善するために、流れメカニズムの測定方法が必要である。例えば自動車技術においては、燃料消費が、例えば吸入系列の領域における構造部材形状の最適化によって低減される。
【０００４】
飛行機の翼面における流れ特性を検出するためには、従来、例えば実験室又は風洞において測定値を検出するために、ピエゾ圧力ホイル及び薄膜圧力センサが翼表面に取り付けられた。論文「Ｓｈｏｃｋ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｐｉｅｚｏｆｏｉｌｓ」Ｗ．Ｎｉｔｓｃｈｅ他著、飛行科学及び宇宙探究のための雑誌１５巻（１９９１年）２２３〜２２６ページ参照、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇにおいては、流体の圧縮衝撃を検出する測定方法が記載されている。その際、薄い圧電式のホイルから成形されているセンサ配列は、調査すべき物体の上に取り付けられる。ピエゾセンサは、圧力、剪断応力及び温度の不安定な変動を検出し、従って、圧縮衝撃の位置にわたる情報を許す。ピエゾホイルは翼面の上に取り付けられ、流れを誘導された局所的な圧力変動が測定される。これより、特有のＲＭＳ値が、圧縮衝撃の位置もしくは衝撃位置を検出するために、翼面プロフィルにわたって設定される。しかしながらこの様式の公知の装置は、センサが高い負荷に、例えば汚染又は凍結による負荷に晒されており、これが、測定結果の侵害に、加えてセンサの破壊に通じてしまうという欠点を有する。更にセンサは、流れる媒体との相互作用によって元の流れを変化させ、従って測定結果を不純にする。加えて、費用のかかる生産作業及び整備作業が必要であるということになる。従って構造部分表面の上に貼り付けられたセンサは、例えば汚染及び鳥による打撃等のような種々の様式の損傷に対して脆弱であり、生産及び整備の際の多大な費用を必要とする。
【０００５】
従って本発明の課題は、強靭かつ安価であり、実際の使用に対して適当もしくは大量生産に有用であり、そして長い寿命における正確な測定結果を提供する、圧力、音及び／又は振動を測定するための装置を提供することである。更に、特に航空機に適用するために適当であり、実際の使用において、構造部分構造における流れ特性を設定可能とする、構造部分表面における流れ解析のための方法が提供されるべきである。
【０００６】
この課題は、請求項１による、構造部分表面における流れ解析をするための装置によって、また、請求項８による、構造部分表面における流れ解析をするための方法によって解決される。本発明の別の有利な特徴、様相及び詳細は、従属請求項、説明及び図面から明らかである。
【０００７】
本発明による装置は、構造部分表面に作用する力を測定するために構造部分構造に連結されている、圧力波又は音波を記録するためのセンサ装置を有し、センサ装置は、完全に構造部分構造の内部に、もしくは構造部分表面の背面に配設されている。これにより装置は、例えば飛行機の翼面において使用する際のような極度の負荷の下にも損傷しないように保護されており、寿命が高められている。
【０００８】
装置が、更に人工知能による信号評価をするための評価ユニットを有することが有利である。これにより、大変な正確さを有する流れ特性を、構造部分構造の表面の下方で検出された測定値から設定することが可能である。センサ装置が、構造部分構造の外殻の下方もしくは背面に配設されている多数の圧力センサを有することが優れる。センサ装置は、例えば、強固に構造部分構造の外壁部の内側と結合されている、圧電式のホイルとすることができる。特に構造部分構造は、飛行物体の翼面とすることができ、センサ装置は、例えば翼面領域内の翼殻の下方に配設されている。
【０００９】
センサ装置のデータ導線及び／又は供給導線は、完全に構造部分構造の内部に配設されているか、もしくは統合されている。この方法では、導線が、本来の流れに何ら影響を及ぼすことができず、このため、より正確な測定結果が得られる。更に、測定値検出の信頼性が高められる。何故なら導線が損傷しないように保護されているからである。
【００１０】
２５０ｋＨｚよりも小さいか又は等しい周波数が、構造部分表面における流れ特性化のために利用されるように、装置が設定されていることが有利である。これは、特に、乱流開始、圧縮衝撃の位置、打撃及び／又は局所的な表面摩擦を検出するために役立つ。従って表面材料を経ても、高い正確さを有する局所的な流れ特性を検出することができ、その際、横方向の外乱は、構造材料において指数関数的に低下する個体伝播音によって抑制される。
【００１１】
特に、アルミニウム、鋼材又はカーボンファイバ複合材料が、表面材料として使用される。この場合、材料の厚みは、特に最大５ｍｍである。この場合は、処理するために適した信号を得るために、特別な電子式の増幅器が何ら必要でない。
【００１２】
装置が、構造部分構造の構成要素として構成されているセンサモジュールであることが有利である。流れる媒体に晒された表面の修正を行なわないモジュール式に組み込むことによって、安価な生産が達成され、整備可能性が改善される。
【００１３】
装置が、調温可能な、もしくは加熱又は冷却可能な空間セグメント内に配設されており、この空間セグメントが、例えば絶縁可能とすることができるのが有利である。これにより、例えば１０ｋｍの飛行高度において−５０°Ｃの非常に低い外気温においても、損害のない、確実な、そして耐久性のある測定値検出を達成することができる。測定モジュール自身並びに機械的なインターフェイス、例えば接着剤は、この方法で、温度変動のために生じる材料疲労による損傷が生じないように保護されている。
【００１４】
構造部分表面における流れ解析をするための本発明による方法は、特に航空機への適用に適する。この場合、構造部分構造の内側に位置する表面において、圧力、音及び／又は振動の測定が行なわれ、得られた信号から、人工知能により、乱流開始、圧縮衝撃、打撃、局所的な表面摩擦のパラメータの少なくとも１つのパラメータが設定される。人工知能による特別な評価方法によって、推定上のノイズを含めた測定データ列の全情報が、流れ特性を設定するために考慮される。これにより、系統的な外乱を除去するための予備処理段階が必要となることのない高い精度が得られる。
【００１５】
本発明による方法が、更に、信号予備処理、特徴抽出及び／又は分類方法のためのフィルタ方法を有することが優れる。
【００１６】
本発明を、以下に、例として図面により説明する。
【００１７】
図１ａは、本発明の優れた実施形として、翼構造２へと統合されているセンサモジュール１を示す。センサモジュール１は、外殻もしくは翼殻１１から成り、その表面１１ａは、翼もしくは翼構造２の外表面の一部分を形成する。表面１１ａは、的確に、これ隣接する、翼構造２の隣接する領域の表面１２ａでもって終了する。飛行運転において、もしくは翼面への送風が行なわれる際には、全構造部分表面１１ａ，１２ａは、流れに晒されており、また、これにより結果として生じる力に晒されている。
【００１８】
翼殻１１の下方には、本来のセンサ装置としてＰＶＤＦホイルセンサ３が配設されており、強固に翼殻１１と結合されている。ホイルセンサ３は、ポリマーフィルムから製造されており、圧電式の効果を備える。この様式のホイルセンサは、公知であり、また例えば米国特許第４ ８６８ ４４７号に記載されており、この特許にここでは明文をもって引用されている。ＰＶＤＦセンサは、膨張運動もしくは圧力波又は音波を測定し、これらは、流れに基づいて翼構造２に作用し、翼殻１１を経て伝播する。センサモジュール１の外層、即ち、ＰＶＤＦホイルセンサ３の上方の領域における翼殻１１は、増幅器ボード４を担持する。増幅器ボード４の下方には、プラグ５が取り付けられており、このプラグからデータ及び供給導線６が、翼構造２の内部を、電子ユニットもしくは評価ユニットへと案内される。
【００１９】
図１ｂは、拡大された図１ａの部分図を示す。この部分図は、図１ａにおいてはＡで記されている。ＰＶＤＦホイルセンサ３が、接着剤層７によって、翼殻１１と強固に結合されていることが認められる。ホイルセンサ３は、センサ３ａ，３ｂ，３ｃの配設を備え、これらのセンサは、平面的に、翼殻１１の下に、即ち翼殻の背面に配分されている。ホイルセンサ３の直下には、電子式の構造要素４ａ，４ｂ，４ｃを有する増幅器ボード４が存在し、これらの構造要素は、その直下に位置するプラグ５と電気的に結合されている。翼殻、ホイルセンサ、増幅器ボード及びプラグの垂直方向の構造によって、特に短い導線のための経路が生じ、従って僅かな脆弱さしか生じない。
【００２０】
プラグ５を介して、全センサモジュール１が、電気的に、別のユニットもしくは評価ユニットと結合されており、従って容易に交換可能である。センサモジュール１は、翼構造２の統合された構成要素であり、その際、構造部分構造もしくは翼構造２の外表面１１ａ，１２ａの上には、センサ要素もしくは導線が何ら存在しない。
【００２１】
センサモジュール１の領域内の翼殻１１は、２〜３ｍｍの厚みを有し、一方、翼構造２は、ここで図示された実施形にあっては、約５ｍｍの厚みを備える。しかしながら適用する場合に応じて、別のサイズも可能である。
【００２２】
図１ｃは飛行機の翼面を経る横断面図を示し、この翼面は、領域Ｂにおいて、上で図１ａに関して説明したような本発明によるセンサモジュール１を備える。
【００２３】
図２は、構造部分表面における流れ試験の際に検出されたピエゾホイル信号を示す。その際、２ｍｍの厚みを有するカーボンファイバから成るホイル担持体は、圧電式のホイルを備えられ、前面（上側の測定列）もしくは背面（下側の測定列）から送風が行なわれた。測定列の左と右は、異なる時間スケールによって区別される。測定信号は、ホイル担持体の一定の位置で時間にわたって検出された。前面の送風、即ち、ホイルが取り付けられている面の送風においては、背面の送風、即ちホイルを何ら担持しない面の送風におけるよりも、本質的に大きな振幅変動が存在する。
【００２４】
図３は、ホイル担持体としての異なる材料に対する、ｂａｒ当たりの流れ圧力に依存する信号比ＲＳ／ＶＳが提供されているグラフを示す。個々のカーブは、以下のように、種々の材料に分類されており、即ち、Ａ：アルミニウム、厚み０．５ｍｍ；Ｂ：アルミニウム、厚み０．８ｍｍ；Ｃ：鋼材、厚み０．５ｍｍ；Ｄ：カーボンファイバ、厚み２．０ｍｍである。
【００２５】
図４は、送風角度の変化によって層流から乱流へと移行する際のピエゾホイル信号を示す。これらの測定列は試験において検出された。その際、圧力は５ｂａｒであり、送風角度は、測定列に対して、上から下へと順番に、１５°，３０°、４５°，６０°，７５°及び９０°であった。層流から乱流への移行の際、明らかに異なる振動形成が生じることを認めることができる。一方１５°と４５°との間の送風角度にあっては、測定列が平滑に経過するが、即ち、比較的僅かな低周波数の成分で経過するが、６０°の送風角度の場合は、またこれを超える場合は、明らかに低周波数の圧力変動の成分を認めることができる。
【００２６】
図５は、流れ特性を設定するためにセンサ装置３０を備えている飛行機の翼面２０を経る断面を透視図法による図において示す。センサ装置３０は、翼殻の下方に存在し、それらの位置を明らかにするための図５において明らかにされているセンサの連絡網から成る。ここに示された担持翼は、その表面で最適な流れ条件を得るために、その形状を変更可能である。翼面は、その背後の端部部分において、可変のキャンバ２１もしくは可変性の延長フラップを備える。これに、翼面の中心に向かう方向に隣接して、局所的なプロフィル肥大部２２もしくは同様に調節可能であるスポイラ隆起部が存在する。プロフィル肥大部２２を、翼面の中心領域４０が制限する。流れ特性を設定するため、圧力測定は、翼面の種々の領域において行なわれる。これらの領域は、図５においては、ハッチングをされた面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄによって概略的に記されている。翼面（測定面Ａ）の中心領域４０における圧力波もしくは音波を測定することによって、推移設定が可能となる。これにより、翼面プロフィルにおけるいずれの位置で乱流開始が行なわれるかが認識可能である。プロフィル肥大部２２の領域における測定領域Ｂは、衝撃位置及び打撃、即ち衝撃振動の設定を可能にする。可変のキャンバ２１の領域において存在する測定領域Ｃは、打撃、即ち剥離の局所化を可能にし、また、翼面の後方の終縁部における測定領域Ｄは、後縁部圧力を介する情報を可能にする。
【００２７】
図６は、ピエゾホイル原理試験のためのセンサ−アクチュエータ−モジュールを示す。ホイル３は、１５０×３０ｍｍの全面積を有し、１６個のセンサ領域３１を装備されている。ピエゾホイル３の下方には、センサ領域３１に付属する電荷増幅器３２０が存在する。プラグ５００は、電気的な供給もしくは測定信号の伝達をするために使用される。ピエゾアクチュエータ６００は、ピエゾホイル３に連結されている。
【００２８】
本発明において提案するような、構造部分の表面の下にピエゾホイルを取り付けることによって、測定装置は、汚染、雨、雪、氷及び温度の影響を受けないように保護される。損傷、それどころかホイルの剥離も回避され、複雑な配線もしくは電気的な増幅器のない簡単なアッセンブリが必要となる。この装置によって、流れの特性化の際に、乱流開始もしくは推移、圧縮衝撃、打撃及び局所的な表面摩擦が検出される。これらの測定課題は、構造部分構造の内部での、もしくは構造部分表面の背面への、本発明によるセンサ装置の配設によって実施可能である。このため、２５０ｋＨｚまでの周波数が利用される。これらは、表面材料を経る局所的な流れ特性の検出を可能にする。横方向の外乱は、指数関数的に低下する個体伝播音によって抑制される。言い換えれば、超音波領域における高い周波数では、波動伝播の替わりに図を形成する拡散が行なわれる。高い走査周波数によって適当な信号処理装置と組み合わせて、低周波数の構造の固有振動の完全な除去が達成される。加えて、本発明によるセンサ領域によって、経過時間測定が、流れの非線形の圧力変調及び密度変調によっても、例えば衝撃波前線の移動のような、固体伝播音を介して実施可能となる。
【００２９】
本発明を実現する際は、アルミニウム、鋼材又はカーボンファイバ複合材料のような、実施に即した表面材料が実験室試験で使用される。約５ｍｍの材料の厚みまでは、別の処理に適した信号を得るために、特別な電子式の増幅器は何ら必要でない。例えば金属又は合成物質のような、適当な強度を有する全ての物質が使用可能であることが明らかである。
【００３０】
固体伝播音を生じさせるための能動的かつ受動的な種々の方法が利用できることが有利であり、この固体伝播音は、一方では、圧力変動が生じた際に、表面に関する垂直力によって生じさせられ、他方では、表面摩擦を介して剪断力によって励起される。
【００３１】
本発明によれば、流れに晒される構造部分表面が、センサ装置もしくはセンサホイルによって覆われていないので、例えば活動的な局所的な表面変形部、ミニフラップ及びミニスリット等による能動的な影響のような、別の有利な可能性が生じる。また受動的な影響も、同様に異方性の効果が孔及び溝等によって達成することができるように、例えば定義された粗さによって等方性を達成することができる。従って競合する効果は、信号技術で分離可能であり、即ち例えば方向に依存した流れ特性が分離可能である。
【００３２】
材料の選択及びその組込みによって、例えば外乱に対するノイズ絶縁措置によって、生じる固体伝播音信号に影響を与えることができ、これらの外乱は、例えばエンジン及び駆動装置等によって引き起こされる。
【００３３】
本発明は、特に優れた実施形におけるセンサモジュールもしくはセンサ−電子機器−モジュールとして、ボードの上に空間的な分離が行なわれることなく表面材料を経て実現されている。別の変形例にあっては、測定モジュール及び機械的なインターフェイス、即ち合成物質は、絶縁可能な、即ち加熱可能及び冷却可能な空間セグメントにおいて移設することによって調温可能である。これにより、極度の温度状況もしくは温度変動による損傷が回避される。
【００３４】
更に、表面係合部のない組込み技術が可能である。従って、装置の完全な予備製造及びテスト可能性が組み込む前に可能である。整備費用は、明らかに低減される。
【００３５】
以下に、補足的に信号処置方法に関して説明する。この信号処理方法は、信号予備処理、特徴抽出及び分類方法のためのフィルタ方法を有する。人工知能を適用することによって、著しく改善された評価結果が得られる。この付加にあっては、流れの物理学の詳細な知識は何ら介在しない。ＲＭＳ値の公知の評価は、高い限界周波数の際に十分でない。むしろ、系統的な外乱、先ず第一に低周波数の信号成分を除去するための予備処理段階が、変動する効果の検出確率を増大させるために必要である。
【００３６】
本発明によって、調整されたシステムのために、効果に対する早期警告の可能性が生じ、その際これらの効果は活動的に回避することができる。これは、例えば打撃監視のために必要である。巨視的な泡を介した層流の剥離が、打撃の原因となるので、巨視的な流れの揺動から、剥離に通じる巨視的な揺動の前に生じる高周波数の信号成分を介して、早期警告を検出することができる。打撃が局所化されて生じるので、本発明あっては、特徴が、空間的かつ時間的な信号の相関関係から抽出される。人工知能の付加に対応して、個々の場合のそれぞれの要求による必要なアルゴリズムが生じ、その際、それぞれの特別な適用のための学習ランダムサンプリングは、最適なパラメータセットへと通じる。最も簡単な場合は、これらのパラメータが、超過されなければならない限界値であり、従って効果は、検出されたものとみなされる。
【００３７】
本発明は、個々の効果の予報の可能性を有する系統的な解析を可能にし、これは、特に、評価方法へと人工知能を組み込むことによって達成される。
【００３８】
本発明は、今までは主として航空機への適用に基づいて説明された。しかしながらまた他の使用の可能性も、即ち例えば自動車技術における使用の可能性も存在し、その際、類似した流れメカニズムによる測定方法が必要である。その際一方では、車両の空気力学が重要な使用領域であり、他方では、エンジン技術が重要な使用領域である。
【００３９】
図７ａ，７ｂ及び７ｃは、本発明による装置によって記録された種々の信号列を示す。その際、それぞれ、ミリ秒あたりの時間ｔに対するボルトあたりの圧力信号が提供されている。
【００４０】
図７ａは、１２８個の測定点を有するグラフを示し、その際、上側の曲線は、９０°の送風角度を再現し、乱流を示し、一方、下側の曲線は、１５°の送風角度の際に記録され、層流を示す。
【００４１】
図７ｂは、２５６個の測定点を有する乱流に対する別のグラフを示し、図７ｃは、５１２個の測定点を有する更に別のグラフを示す。
【００４２】
図７ｃにおいて示されており、その前半が乱流対する図７ｂのグラフに示されている混沌とした信号列は、分類のために必要な特徴を含む。図７ａにおいて示されたグラフには、最初の２５６個の測定点に対し、対応する層流との比較が含まれている。その際、以下の差別化された特徴が決定的であることを認めることができる。
ａ）比較的大きな振幅の差
ｂ）比較的大きな中央の変動
ｃ）幅広の局所的なピーク及び周期的でない二重ピークの発生
【００４３】
その際最後の特徴（特徴ｃ）は、減衰及びノイズに対するその不変性のために、特に識別するために適している。特徴抽出は、予め学習させられた１つ又は複数のテストマスターとの相関関係によって実施される。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 翼構造として形成されており、本発明の優れた実施形を具現するセンサモジュールを示す。
【図１ｂ】 拡大された図１ａのセンサモジュールの部分図を示す。
【図１ｃ】 翼面内のセンサモジュールの位置を示す。
【図２】 送風が、一方ではホイル担持体の前面から、また他方ではホイル担持体の背面から行なわれた際の、ピエゾホイルによって記録された測定値信号を示す。
【図３】 ｂａｒ当たりの流れ圧力に対する信号比ＲＳ／ＶＳを提供することにより、鋼材、アルミニウム及びカーボンファイバを経るＰＦ信号減衰をグラフで示す。
【図４】 送風角度の変化によって層流から乱流へと移行する際のピエゾホイル信号を示す。
【図５】 センサ装置を有する翼面の透視図法による部分図を示す。
【図６】 センサ−アクチュエータ−モジュールを、上面図及び縦断面図に示す。
【符号の説明】
１ センサモジュール
２ 翼構造
３ ＰＶＤＦホイルセンサ
４ 増幅器ボード
５ プラグ
６ 供給導線
７ 接着剤層
１１ 翼殻
１１ａ 表面
１２ａ 表面
２０ 翼面
２１ キャンバ
２２ 肥大部
３０ センサ装置
３１ センサ領域
３２０ 電荷増幅器
５００ プラグ
６００ ピエゾアクチュエータ

Claims (9)

1. 評価ユニットと、構造部分表面（１２ａ）に作用する力を測定するために、構造部分構造（２；２０）に連結されている、圧力波又は音波を記録するためのセンサ装置（３；３０）を有する、構造部分表面における流れ解析をするための装置において、
   表面材料を経て流れ特性を検出するために、センサ装置（３；３０）が、このセンサ装置と共にセンサモジュール（１）を構成し、構造部分構造（２；２０）に統合され、これによりその表面（１１ａ）が構造部分構造（２；２０）の外表面を構成する外殻（１１）の背面に配設されており、外殻（１１）の厚みが、構造部分構造（２；２０）の厚み以下であり、外殻（１１）を構造部分構造（２；２０）に組み込んだときに、外殻（１１）の表面（１１ａ）が、これ隣接する、構造部分構造（２；２０）の隣接する領域の表面（１２ａ）と同じ高さとなるように、外殻（１１）が形成されていること、
   評価ユニットが人工知能を有し、この人工知能が、センサ装置（３；３０）によって測定された圧力、音及び／又は振動の信号に基づいて、自動的に、乱流開始、圧縮衝撃、打撃及び局所的な表面摩擦を検出するための必要なパラメータと必要なアルゴリズムを選択することを特徴とする装置。
2. センサ装置（３）が、圧電式のホイル又はホイルセンサを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 構造部分構造（２）が飛行物体の翼面であり、センサ装置（３）が、翼面領域における翼殻の下方に配設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. センサ装置（３）のデータ導線及び／又は供給導線（６）が、完全に構造部分構造（２）の内部に配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置。
5. ２５０ｋＨｚより小さいか又は等しい周波数が、構造部分表面（１１ａ，１２ａ）における流れ特性化のために、即ち、乱流開始、圧縮衝撃、打撃、及び／又は局所的な表面摩擦を検出するために利用されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置。
6. アルミニウム、鋼材又はカーボンファイバ複合材料が、表面材料として使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の装置。
7. 装置が、温度調節可能な空間セグメント内に配設されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置により構造部分表面における流れ解析をするための方法において、
   構造部分構造（２）の内側に位置する表面において、圧力、音及び／又は振動の測定がセンサ装置（３；３０）によって行なわれ、得られた信号から、評価ユニットの人工知能によって、必要なパラメータと必要なアルゴリズムが自動的に選択され、これにより、乱流開始、圧縮衝撃、打撃及び局所的な表面摩擦が検出されることを特徴とする方法。
9. この方法が、信号予備処理、特徴抽出及び／又は分類方法のためのフィルタ方法を有することを特徴とする請求項８に記載の方法。

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