JP4982775B2 - Diffuser gas vibration control device and vibration control method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、ディフューザ内気体振動制御装置およびそれを用いた振動制御方法に関する。 The present invention relates to a diffuser gas vibration control device and a vibration control method using the same.
具体的には、例えば、ジェットエンジンやタービンなどに用いられ、遷音速の圧縮性流体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ内気体振動制御装置およびそれを用いた振動制御方法に関する。 More specifically, the present invention relates to a diffuser gas vibration control device that is used in, for example, a jet engine or a turbine and converts velocity energy of a transonic compressible fluid into pressure energy, and a vibration control method using the same.
ジェットエンジンやタービンなどのダクトやパイプのような閉空間を高速空気が流れると局所的に超音速領域が発生し、それに伴う衝撃波の発生により機器自体の振動や騒音の原因となる。 When high-speed air flows in a closed space such as a duct or pipe of a jet engine or a turbine, a supersonic region is locally generated, which causes vibration and noise of the device itself due to the generation of a shock wave.
これは原理的に不安定で、流れの条件によってはこのような振動が大きくなり、機器の疲労あるいは破壊につながる場合もある。 This is unstable in principle, and depending on the flow conditions, such vibrations may increase, leading to fatigue or destruction of the equipment.
エンジンの圧力変動の低減装置については、従来から、種々の提案がなされており、例えば、特開2004-257311号公報(下記特許文献1)には、航空エンジンの騒音を減少させるために、静翼に圧電素子を設けて動翼伴流の圧力変動を相殺するように圧電素子を作用させる方法が記載されている。 Various proposals have been made for an apparatus for reducing engine pressure fluctuation. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-257311 (Patent Document 1 below) discloses a static device for reducing noise of an aircraft engine. A method is described in which a piezoelectric element is provided on a blade and the piezoelectric element acts so as to cancel pressure fluctuations in the wake of the moving blade.
また、特表2007-513282号公報(下記特許文献2)には、静翼にアクチュエータを設けて動翼伴流の圧力変動を相殺する ようにアクチュエータを作用させることにより、ターボエンジンの騒音を減少させる方法が記載されている。 In Japanese translation of PCT publication No. 2007-513282 (Patent Document 2 below), the noise of the turbo engine is reduced by providing an actuator on the stationary blade to actuate the pressure fluctuation of the wake of the moving blade. Is described.
この特許文献1や特許文献2は、エンジンに特化されており、エンジン内部の多段式翼(動翼と静翼)の間を流れる際に発生する後流を制御するものである。 Patent Document 1 and Patent Document 2 are specialized for an engine and control a wake generated when flowing between multistage blades (moving blades and stationary blades) inside the engine.
すなわち翼の後端から発生する乱れた流れを圧電素子やアクチュエータで制御することを主な手法としている。この場合、流れの中に物体があり、その後流が存在することが前提となっている。 That is, the main method is to control the turbulent flow generated from the rear end of the blade with a piezoelectric element or an actuator. In this case, it is assumed that there is an object in the flow and there is a subsequent flow.
一方、本発明の前提となっている流れ場は、高速の流体が内部流れであるということ以外は特に必要な条件はなく、流れの状態をもっとも支配する臨界状態に着目し、この臨界状態になる位置において、圧電素子を用いて大きなエネルギーを伴う高速流れを制御するものであり、特許文献1や特許文献2とは制御対象、制御理念から全く異なっている。 On the other hand, the flow field that is the premise of the present invention is not particularly necessary except that the high-speed fluid is an internal flow, and focuses on the critical state that dominates the flow state. In this position, a high-speed flow with a large energy is controlled using a piezoelectric element, which is completely different from Patent Document 1 and Patent Document 2 from the controlled object and the control philosophy.
従来、流れに起因する振動や騒音の低減は、流れに存在する渦を人工的に細かくし、エネルギーの散逸を促進することにより実現していた。 Conventionally, the reduction of vibration and noise caused by the flow has been realized by artificially reducing the vortex present in the flow and promoting the dissipation of energy.
しかしこのような方法はあらゆる流れ場には対応できず、前述のようなアクチュエータを用いた制御方法が用いられるが、制御対象である流れ場エネルギーが大きくなると制御困難となるという問題点があった。
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、ジェットエンジンやタービンなどに用いられ、遷音速の圧縮性流体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ内気体振動制御装置およびそれを用いた振動制御方法を提供することを課題とする。 The present invention solves the problems of the prior art as described above, and is used in a jet engine, a turbine, etc., and a gas vibration control device in a diffuser for converting the velocity energy of a transonic compressible fluid into pressure energy and the same It is an object to provide a vibration control method used.
本発明は、前述の課題を解決すべく鋭意検討の結果なされたものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
(1)遷音速の圧縮性流体が通過するディフューザのスロート部に圧電素子を設置し、該スロート部の下流に設置した圧力計を用いて圧力変動を検出し、該圧力変動に基づいて前記圧電素子を駆動させることにより衝撃波を発生あるいは衝撃波を振動させてディフューザ内の気体の振動を制御することを特徴とするディフューザ内気体振動制御装置。
(2)(1)に記載のディフューザ内気体振動制御装置を用いてディフューザ内を流れる気体の振動が原因となる圧力変動や騒音、および、ディフューザ自体の振動を低減することを特徴とするディフューザ内気体振動制御方法。
(3)(1)に記載の振動制御装置を用いてディフューザ内気体の振動を増幅させてスピーカとして用いることを特徴とするディフューザ内気体振動制御方法。
<作用>
(1)の発明によれば、遷音速の圧縮性流体が通過するディフューザのスロート部に圧電素子を設置し、該スロート部の下流に設置した圧力計を用いて圧力変動を検出し、該圧力変動に基づいて前記圧電素子を駆動させ、圧縮性流体の性質を利用することにより衝撃波による圧力変動を積極的に利用し、スロート下流における圧力変動を監視し、これを圧電素子駆動用の入力信号とすることにより、そのフィードバック時に置いて、演算処理を施すことによりディフューザ内の気体の振動を制御することができる。
(2)の発明によれば、(1)に記載のディフューザ内気体振動制御装置を用いることによりディフューザ内を流れる気体の振動が原因となる圧力変動や騒音、および、ディフューザ自体の振動を低減することができる。
(3)の発明によれば、(1)に記載の振動制御装置を用いてディフューザ内気体振動を流体力学的に直接制御信号を増幅させることによりスピーカとして用いることができる。
The present invention has been made as a result of intensive studies to solve the above-described problems, and the gist of the present invention is the following contents as described in the claims.
(1) A piezoelectric element is installed in a throat portion of a diffuser through which a transonic compressive fluid passes, a pressure gauge is detected using a pressure gauge installed downstream of the throat portion, and the piezoelectric element is detected based on the pressure fluctuation. A gas vibration control device in a diffuser that controls the vibration of a gas in a diffuser by generating a shock wave or driving a shock wave by driving an element.
(2) Pressure diffuser and noise caused by vibration of gas flowing in the diffuser and vibration of the diffuser itself are reduced using the diffuser gas vibration control device according to (1). Gas vibration control method.
(3) A diffuser gas vibration control method, wherein the vibration control device according to (1) is used to amplify vibration of the gas in the diffuser and used as a speaker.
<Action>
According to the invention of (1), the piezoelectric element is installed at the throat portion of the diffuser through which the transonic compressive fluid passes, the pressure fluctuation is detected using the pressure gauge installed downstream of the throat portion, and the pressure The piezoelectric element is driven based on the fluctuation, and the pressure fluctuation due to the shock wave is actively utilized by utilizing the property of the compressible fluid, and the pressure fluctuation downstream of the throat is monitored, and this is used as an input signal for driving the piezoelectric element. By doing so, it is possible to control the vibration of the gas in the diffuser by performing arithmetic processing at the time of the feedback.
According to the invention of (2), the pressure fluctuation and noise caused by the vibration of the gas flowing in the diffuser and the vibration of the diffuser itself are reduced by using the gas vibration control device in the diffuser described in (1). be able to.
According to the invention of (3), the gas vibration in the diffuser can be used as a speaker by directly amplifying the control signal hydrodynamically using the vibration control device described in (1).
本発明による振動制御装置を用いることにより、極めて小さな制御量(圧電素子の変位で最大1mm程度)で超音速流れのような非常に大きなエネルギーを制御できる。さらに、圧力変動のもっとも大きい位置で圧力を監視しそれを打ち消すように制御するため、極めて効率的に騒音低減システムの構築が可能となる。 By using the vibration control device according to the present invention, a very large energy such as a supersonic flow can be controlled with a very small control amount (maximum displacement of the piezoelectric element is about 1 mm). Furthermore, since the pressure is monitored at the position where the pressure fluctuation is the largest and the control is performed to cancel the pressure, it is possible to construct a noise reduction system very efficiently.
また、振動・騒音低減の手法が確立されれば、逆に任意の振動や音を発生できる可能性があるため、本装置を使うことにより極めて大きな音を作り出すスピーカとして利用することができる。 In addition, if a vibration / noise reduction method is established, there is a possibility that arbitrary vibrations and sounds can be generated. Therefore, the present apparatus can be used as a loudspeaker that produces extremely loud sounds.
また、圧力測定用の静圧孔より圧力変動を取り出し、さらに大きな流路のスロートに導くことにより、圧力変動を流体力学的に増幅することも可能となるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。 In addition, by taking out the pressure fluctuation from the static pressure hole for pressure measurement and guiding it to the throat of a larger flow path, it is possible to amplify the pressure fluctuation hydrodynamically, and there are significant industrially useful effects. .
本発明を実施するための最良の形態について図1乃至図4を用いて詳細に説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
従来、航空機や高圧プラント等に見られる、高速気体が流れる内部流れでは、内部を流れる気体が容易に音速に達し、超音速領域や衝撃波が発生する。このような流れ場は原理的に不安定で、機器の騒音や振動の原因となっている。 Conventionally, in internal flows through which high-speed gas flows, such as those found in aircraft and high-pressure plants, the gas flowing inside easily reaches the speed of sound, and a supersonic region and shock waves are generated. Such a flow field is unstable in principle and causes noise and vibration of the equipment.
上述の内部流れの場合、バルブや曲がり管等が必ず存在するため、流れの一部に流路が狭くなる部分が存在する。このように狭くなった流路を圧縮性流体の分野では遷音速ディフューザと呼び、そのもっとも狭い部分をスロート部と呼び、その下流に容易に上述の超音速領域や衝撃波発生することが知られている。 In the case of the internal flow described above, since a valve, a bent pipe, and the like always exist, a portion where the flow path becomes narrow exists in a part of the flow. Such a narrow channel is called a transonic diffuser in the field of compressive fluid, its narrowest part is called a throat part, and it is known that the above-mentioned supersonic region and shock waves are easily generated downstream thereof. Yes.
このような流れ場は不安定で振動するが、これを流れ場にもっとも影響を与える位置である上述のスロート部に圧電素子を設置し、極めて小さい変位で、圧縮性流れや衝撃波に関連した振動を制御することが本発明の目的である。 。 Although such a flow field is unstable and vibrates, a piezoelectric element is installed in the throat part, which is the position that most affects the flow field, and vibration associated with compressible flow and shock waves with extremely small displacement. It is an object of the present invention to control. .
本発明の基本的な構成を図1に示す。 A basic configuration of the present invention is shown in FIG.
図1において、1は流路上面、2は流路下面、3は圧電素子、4、5は圧力計、6はアンプ、7はAD変換器、8はCPU、9はDA変換器、10は直流アンプ、11はスロート部を示す。 In FIG. 1, 1 is a flow path upper surface, 2 is a flow path lower surface, 3 is a piezoelectric element, 4 and 5 are pressure gauges, 6 is an amplifier, 7 is an AD converter, 8 is a CPU, 9 is a DA converter, A direct-current amplifier 11 indicates a throat portion.
本発明は、遷音速の圧縮性流体が通過するディフューザのスロート部11に圧電素子3を設置し、該スロート部11の下流に設置した圧力計4,5を用いて圧力変動を検出し、該圧力変動に基づいて前記圧電素子3を駆動させることにより衝撃波を発生あるいは衝撃波を振動させてディフューザ内の気体の振動を制御することを特徴とする。
In the present invention, a piezoelectric element 3 is installed in a throat portion 11 of a diffuser through which a transonic compressive fluid passes, and pressure fluctuations are detected using
すなわち、本発明の基本的構成は、高速で流れる内部流れのもっとも狭い位置であるスロート部11に圧電素子3を設置し、その変位により大流量が流れる流路内の圧力変動や騒音を低減するものである。 That is, in the basic configuration of the present invention, the piezoelectric element 3 is installed in the throat portion 11 which is the narrowest position of the internal flow flowing at high speed, and the pressure fluctuation and noise in the flow path through which a large flow rate flows are reduced by the displacement. Is.
ここに、ディフューザとは、ジェットエンジンやタービンに用いられる高圧ガス等の圧縮性流体を高圧域から低圧域に送って速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する装置をいい、遷音速とは、亜音速と超音速が混在する流れ場をいう。 Here, a diffuser is a device that sends a compressive fluid such as high-pressure gas used in jet engines and turbines from a high-pressure region to a low-pressure region to convert velocity energy into pressure energy. Transonic is a subsonic velocity. A flow field where supersonic speeds are mixed.
ジェットエンジンやタービンなどのダクトやパイプのような閉空間を高速の圧縮性流体(ガス)が流れると局所的に超音速領域が発生し、それに伴う衝撃波の発生により機器自体の振動や騒音の原因となる。 When a high-speed compressible fluid (gas) flows in a closed space such as a duct or pipe of a jet engine or a turbine, a supersonic region is locally generated, and the accompanying shock wave is generated to cause vibration and noise of the equipment itself. It becomes.
これは原理的に不安定で、流れの条件によってはこのような振動が大きくなり、機器の疲労あるいは破壊につながる場合もある。 This is unstable in principle, and depending on the flow conditions, such vibrations may increase, leading to fatigue or destruction of the equipment.
図1において流路上面1と流路下面2で囲まれた内部流れの金属製流路で側面は観察のために透明なアクリル板で密閉されている。この流路に対し、圧電素子3をスロート部11に設置してある。本発明の制御装置で用いた圧電素子3は電圧に比例して平板が曲がり先端でもっとも大きな変位を得ることができるアクチュエータで、変位は波線で示すような形状で実現する。 In FIG. 1, a metal flow channel surrounded by a flow channel upper surface 1 and a flow channel lower surface 2 is sealed with a transparent acrylic plate for observation. The piezoelectric element 3 is installed in the throat portion 11 with respect to this flow path. The piezoelectric element 3 used in the control device of the present invention is an actuator that can obtain the largest displacement at the tip, with the flat plate being bent in proportion to the voltage, and the displacement is realized in the shape shown by the wavy line.
ここに、圧電素子とは、電圧とかけるとひずみ(伸び・縮み)が発生する素子をいい、電圧変化に対する応答が早く大きな力が発生するうえ、電圧にほぼ比例したひずみを発生させることができ制御性がよい。 Here, a piezoelectric element refers to an element that generates strain (elongation / contraction) when applied with voltage. It generates a large force with a quick response to a voltage change, and can generate a strain approximately proportional to the voltage. Good controllability.
このような構成において、図1に示すように図の左側から右側に圧縮性流体(ガス)が流れると、スロート下流に圧縮波や衝撃波等が発生あるいは振動するため、圧力変動がおこる。 In such a configuration, as shown in FIG. 1, when a compressive fluid (gas) flows from the left side to the right side of the drawing, a pressure wave or shock wave or the like is generated or vibrated downstream of the throat, resulting in a pressure fluctuation.
この圧力変動を圧力計4および圧力計5で測定し、その信号をアンプ6、AD変換器7を通してCPU8で演算することにより、時間遅れを考慮して、圧力変動が減少するような信号をDA変換器9に送りデジタル信号からアナログ信号に変換される。その信号を圧電素子駆動用直流アンプ10に送り、アクチュエータとしての圧電素子3に変位を与え、流れ場全体の制御が実現できる。このように流路内での圧力変動や騒音を制御することにより、その下流における変動を低減できるため、振動の原因に近いところで制御することが極めて有効である。
The pressure fluctuation is measured by the
本発明はトランジスタの動作原理と類似しているものである。すなわちベース電圧を制御することによりコレクタからエミッタに流れる大電流を制御するものと似ており、基本的なフィードバック回路を構成できる。したがってフィードバックの過程で図1に示すCPU8における演算を操作することにより、圧電素子駆動のための電圧を任意に変化させることができることから、スロートを流れる気体を周波数の制限はあるもののほぼ任意に制御することが可能となる。さらに、CPU8における演算の過程で、例えば遺伝的アルゴリズムを用いたりニューラルネットを用いることによりほとんどの圧力変動に対し、柔軟に制御できるシステムを構築できる。 The present invention is similar to the operating principle of a transistor. That is, it is similar to controlling a large current flowing from the collector to the emitter by controlling the base voltage, and a basic feedback circuit can be configured. Therefore, by operating the calculation in the CPU 8 shown in FIG. 1 during the feedback process, the voltage for driving the piezoelectric element can be arbitrarily changed, so that the gas flowing through the throat is almost arbitrarily controlled although the frequency is limited. It becomes possible to do. Furthermore, a system capable of flexibly controlling most pressure fluctuations can be constructed by using, for example, a genetic algorithm or a neural network during the calculation process in the CPU 8.
圧電素子3は変位が流れのスケールに比べて比較的小さく応答周波数も高くないが、流れ場にとって問題となる数百Hz程度制御に最適であると考える。この圧電素子3をスロート部11に設置し、その下流で捉えた圧力変動をCPUあるいはDSP(Digital Signal Processor)への入力とすることにより、この圧力変動の逆位相を圧電素子の駆動電圧を利用したアクティブコントロールで圧力変動や騒音を低減することができる。また騒音の特性,装置の小型化あるいは音波に対する制御の必要性によりさらに高周波の制御が要求される場合は,本装置で用いたバイモルフ型ではなく、積層型圧電素子が有効である。これはバイモルフ型の変位が比較的大きいが応答周波数は約1kHzと比較的小さいのに対して、積層型圧電素子の場合、数百kHzは容易に対応できるためである。ただし積層型圧電素子は変位が小さく、これを解決する手段としても流体力学的増幅が有効である。
図2は、本発明における遷音速ディフューザと圧電素子の設置方法を例示する図である。
The piezoelectric element 3 has a relatively small displacement compared to the flow scale and does not have a high response frequency. However, it is considered that the piezoelectric element 3 is optimal for control of about several hundreds of Hz, which is a problem for the flow field. The piezoelectric element 3 is installed in the throat section 11 and the pressure fluctuation captured downstream is used as an input to a CPU or DSP (Digital Signal Processor), so that the reverse phase of the pressure fluctuation is used by the driving voltage of the piezoelectric element. The active control can reduce pressure fluctuation and noise. When higher frequency control is required due to noise characteristics, downsizing of the device, or necessity of control over sound waves, a stacked piezoelectric element is effective instead of the bimorph type used in this device. This is because the bimorph type displacement is comparatively large but the response frequency is comparatively small at about 1 kHz, whereas in the case of a laminated piezoelectric element, several hundred kHz can be easily handled. However, the multilayer piezoelectric element has a small displacement, and hydrodynamic amplification is effective as a means for solving this.
FIG. 2 is a diagram illustrating an installation method of a transonic diffuser and a piezoelectric element in the present invention.
図2に示すように例えばバイモルフ型の圧電素子のもっとも振幅が大きくなる部分に、ちょうどスロート部が位置するように設置する。 As shown in FIG. 2, for example, the bimorph type piezoelectric element is installed so that the throat portion is located at the portion where the amplitude is the largest.
図3にスロート部に設置した圧電素子を示す。 FIG. 3 shows the piezoelectric element installed in the throat portion.
図3(a)は、3つの配線が伸びている素子で、これを直流アンプに接続して図では紙面に垂直方向に曲がるようになっている。また図3(b)は厚みが分かるようになっており、厚みが1mmでその先端で約0.8mmの変位が実現できる。 FIG. 3A shows an element in which three wirings are extended, and this is connected to a DC amplifier so that it bends in a direction perpendicular to the paper surface in the figure. FIG. 3 (b) shows the thickness. A thickness of 1 mm can achieve a displacement of about 0.8 mm at the tip.
また、図3(c)は金属に設置後、下流側から撮影したもので図3(c)は上下方向に変位する方向から撮影している。本発明で用いた圧電素子は先端のもっとも変位が大きくなる部分でも約0.8mm程度であるが、これをスロート部に設置することが本発明の独創的な着想である。 FIG. 3 (c) is taken from the downstream side after being installed on a metal, and FIG. 3 (c) is taken from the direction of displacement in the vertical direction. The piezoelectric element used in the present invention is about 0.8 mm even at the portion where the displacement of the tip is the largest, but it is the original idea of the present invention to install this at the throat portion.
図4は、本発明のディフューザ内気体振動制御装置を用いたスピーカを例示する図である。
図4に示すように、本発明の振動制御装置を用いてディフューザ内気体振動を流体力学的に直接制御信号を増幅させることによりスピーカとして用いることができる。
FIG. 4 is a diagram illustrating a speaker using the diffuser gas vibration control device of the present invention.
As shown in FIG. 4, the gas vibration in the diffuser can be used as a speaker by directly amplifying a control signal hydrodynamically using the vibration control device of the present invention.
図5に示す実験装置を用いて、左側から高速流れをディフューザに流すとスロート部より右側において衝撃波が発生する。 When a high-speed flow is caused to flow from the left side to the diffuser using the experimental apparatus shown in FIG. 5, a shock wave is generated on the right side from the throat portion.
本実験では,衝撃波の不規則な振動を制御するため,スロート部にピエゾ素子を設置し,ピエゾ素子を振動させ,スロート高さを周期的に変化させた。 In this experiment, in order to control the irregular vibration of the shock wave, a piezo element was installed in the throat part, the piezo element was vibrated, and the throat height was changed periodically.
まず、コンプレッサーで圧縮した空気をタンクにため,一旦集合洞内でよどみ点状態に回復したあと、ディフューザーに流した。このとき集合洞内の圧力をp0とし大気圧pbで無次元化した値を風洞圧力比とし、この風洞圧力比をあらかじめ設定しておき、設定した風洞圧力比になった時にコンピュータから信号を送り,スパークをとばしてシュリーレン法を用いて流れ場を可視化した。 First, the air compressed by the compressor was turned into a tank, and after returning to the stagnation point in the collecting cave, it was passed through the diffuser. At this time, the pressure in the collective tunnel is set to p0, and the value obtained by non-dimensionalization at the atmospheric pressure pb is set as the wind tunnel pressure ratio. This wind tunnel pressure ratio is set in advance, and a signal is sent from the computer when the set wind tunnel pressure ratio is reached. The flow field was visualized using the Schlieren method, skipping the spark.
この実験の結果、図6に示すように流れ場に与える圧電素子の顕著な効果を確認した。すなわち、圧電素子を設置しない場合の流れ場の様子を示した図6(a)では、x/hが約42の位置に衝撃波が発生している。これに対し圧電素子を設置した図6(b)では、まず衝撃波の形状と発生位置が変わっており、特にその位置は、圧電素子の変位に連動して変化していることが確認できた。 As a result of this experiment, the remarkable effect of the piezoelectric element on the flow field was confirmed as shown in FIG. That is, in FIG. 6A showing the state of the flow field when the piezoelectric element is not installed, a shock wave is generated at a position where x / h is about 42. On the other hand, in FIG. 6B in which the piezoelectric element was installed, it was confirmed that the shape and generation position of the shock wave were changed, and in particular, the position was changed in conjunction with the displacement of the piezoelectric element.
また、このような圧電素子の効果を定量的に評価するため、下流に圧力センサーを設置し、圧電素子の駆動周波数による影響を確認した。その結果を図7に示す。図7(a)及び(b)はそれぞれ圧電素子の駆動周波数をそれぞれ正弦波で100Hzと300Hzに設定した場合の、下流の圧力変動の周波数解析結果である。 In addition, in order to quantitatively evaluate the effect of such a piezoelectric element, a pressure sensor was installed downstream, and the influence of the driving frequency of the piezoelectric element was confirmed. The result is shown in FIG. FIGS. 7A and 7B are frequency analysis results of downstream pressure fluctuations when the driving frequency of the piezoelectric element is set to 100 Hz and 300 Hz as sine waves, respectively.
図7に示すように、圧電素子の駆動周波数において卓越した周波数分布を示しており、それ以外の周波数は極めて小さいことがわかる。この応答を利用すれば、下流の圧力変動を低減するような圧電素子への入力信号を計算で求め、これを印可することにより変動の低減効果が十分に期待でき、本発明の効果が確認された。 As shown in FIG. 7, it shows an excellent frequency distribution in the driving frequency of the piezoelectric element, and it can be seen that the other frequencies are extremely small. If this response is used, the input signal to the piezoelectric element that reduces the downstream pressure fluctuation can be obtained by calculation, and by applying this, the fluctuation reducing effect can be sufficiently expected, and the effect of the present invention has been confirmed. It was.
図8および図9に風洞圧力比を徐々に増加させて行った場合の、スロート下流からの距離x=20mmの位置における圧力変動の大きさを示す自乗平均値(rms)および衝撃波の位置をそれぞれ示す。 8 and 9 show the mean square value (rms) indicating the magnitude of pressure fluctuation at the position of distance x = 20 mm from the throat downstream when the wind tunnel pressure ratio is gradually increased and the position of the shock wave, respectively. Show.
図8より、x=20mmにおける圧力変動は,横軸に示す風洞圧力が約1.2の時に最も大きくなっていることがわかる。またこれより大きくなると急激に減少していることから、前述のフィードバック系を構築する上で、圧力変動を監視する位置は本装置の場合圧力比が1.2で動作させるとするとスロート下流20mmであることがわかる。この様に風洞圧力比が1.2の時に圧力変動が最大となることは、図9に示す衝撃波の位置より明らかである。すなわち衝撃波は風洞圧力の増加に伴い下流に移動すること知られているが、本発明の装置の場合、図9より風洞圧力比が約1.2の時に衝撃波が約20mmの位置に存在していることが分かる。このとき衝撃波は常に振動しており、圧力測定位置が相対的に衝撃波上流と下流をよぎる状態となるため、衝撃波前後の圧力よって急激な圧力変動が発生する。 FIG. 8 shows that the pressure fluctuation at x = 20 mm is the largest when the wind tunnel pressure shown on the horizontal axis is about 1.2. In addition, since it decreases sharply when it becomes larger than this, when constructing the feedback system described above, the position where pressure fluctuation is monitored is 20 mm downstream of the throat if the pressure ratio is operated at 1.2. I understand. It is clear from the shock wave position shown in FIG. 9 that the pressure fluctuation becomes maximum when the wind tunnel pressure ratio is 1.2. That is, it is known that the shock wave moves downstream as the wind tunnel pressure increases, but in the case of the apparatus of the present invention, the shock wave exists at a position of about 20 mm when the wind tunnel pressure ratio is about 1.2 from FIG. I understand. At this time, the shock wave is constantly oscillating, and the pressure measurement position relatively crosses the upstream and downstream of the shock wave, so that a sudden pressure fluctuation occurs due to the pressure before and after the shock wave.
なお衝撃波前後の圧力は圧縮性流体力学の理論(ランキンーユゴニオの関係)より,不連続的に変化することが知られており、衝撃波発生位置より理論的に求めることができる。したがって衝撃波の発生位置,圧力測定位置,および動作圧力比の最適な組み合わせは,基本的に圧力測定位置に衝撃波が位置するように動作圧力比を設定するのみであり、装置の形状や衝撃波強さを考慮して設定できるため任意の動作条件に対応できる。 The pressure before and after the shock wave is known to change discontinuously from the theory of compressible fluid dynamics (Rankyn-Yugonio relationship), and can be theoretically determined from the position where the shock wave is generated. Therefore, the optimal combination of the shock wave generation position, pressure measurement position, and operating pressure ratio is basically to set the operating pressure ratio so that the shock wave is located at the pressure measurement position. Can be set in consideration of any operating condition.
従って例えば, x=30mmにおける位置で圧力を監視する場合は,圧力変動が最大となる動作条件は図9より、衝撃波が30mmに位置する圧力比である1.4であることが分かる。なお図にはパラメータとして同様な実験を周波数を変えて行ったが、いずれの周波数においてもほぼ同じ結果となっており、動作状態は周波数に依存しないことから、本発明の制御装置は周波数特性も良好であると言える。 Therefore, for example, when the pressure is monitored at a position at x = 30 mm, it can be seen from FIG. 9 that the operating condition at which the pressure fluctuation is maximum is 1.4, which is the pressure ratio where the shock wave is located at 30 mm. In the figure, the same experiment as a parameter was performed by changing the frequency, but almost the same result was obtained at any frequency, and the operation state does not depend on the frequency. Therefore, the control device of the present invention has a frequency characteristic. It can be said that it is good.
本発明を用いて製品化できる可能性としてはまずジェットエンジン等の極めて高速で大流量の中で発生する振動及び騒音に対する低減である。このような流れ場は、高温で高圧の燃焼ガスがジェットエンジンの噴射口から噴出されるため、流れを直接制御できず間接的に制御するしかない。そのための制御装置として本発明は極めて有効で、しかも圧電素子という非常に軽くて小さい部品の追加であり、重量の増加はほとんど考える必要がない。 The possibility of commercialization using the present invention is first to reduce vibration and noise generated in a large flow rate at a very high speed, such as a jet engine. In such a flow field, high-temperature and high-pressure combustion gas is ejected from the injection port of the jet engine, so the flow cannot be directly controlled but must be controlled indirectly. For this purpose, the present invention is extremely effective as a control device, and furthermore, a very light and small component such as a piezoelectric element is added, and it is hardly necessary to consider an increase in weight.
次に本発明の振動制御装置は要素自体は極めて小さいため、小型化が可能であり、高圧プラントのおける応用を考えた場合は、いかなる規模にも対応した騒音・振動低減装置が適用可能である。 Next, the vibration control device of the present invention can be miniaturized because the elements themselves are extremely small. When considering application in a high-pressure plant, a noise / vibration reduction device corresponding to any scale is applicable. .
さらに、アクチュエータの動作速度を考慮すれば極めて広い範囲の周波数帯域に応用できることから、圧縮空気を用いたコーンの無い大出力スピーカを作成することも可能であり、野外コンサート等の大出力の音量を可能にする。あるいは流れの向きによる音波の伝播特性を考慮すると、指向性の高いスピーカを実現することが可能である。 Furthermore, considering the operating speed of the actuator, it can be applied to a very wide frequency band, so it is also possible to create a large output speaker without cones using compressed air. enable. Alternatively, in consideration of the propagation characteristics of sound waves depending on the direction of flow, it is possible to realize a speaker with high directivity.
1 流路上面
2 流路下面
3 圧電素子
4 圧力計
5 圧力計
6 アンプ
7 AD変換器
8 CPU
9 DA変換器
10 直流アンプ
11 スロート部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Flow path upper surface 2 Flow path lower surface 3
9 DA
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