JP5213751B2

JP5213751B2 - 音響減衰評価装置

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Publication number: JP5213751B2
Application number: JP2009036094A
Authority: JP
Inventors: 慈朗林; 孝之落合; 俊前田; 誠人西口
Original assignee: Chiyoda Corp
Current assignee: Chiyoda Corp
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2009-02-19
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2029-02-19
Also published as: JP2010190762A

Description

本発明は、音響エネルギの減衰を評価する技術に関する。

製油所やＬＮＧ（Liquefied Natural Gas：液化天然ガス）・ガスプラント等において、安全弁等の高差圧機器からの流体の噴き出しによる発生音に伴い、下流の配管系が音響的に励起されて振動し、破損する現象（ＡＩＶ：Acoustically Induced Vibration）が知られている（非特許文献１参照）。ＡＩＶの対策設計においては、配管内の各位置における音響パワーレベル（音響エネルギ）を算出する必要があり、そのためには、音源における発生音の音響エネルギと配管内の音響減衰（距離減衰）を評価する必要がある。

Carucci,V.A. and Mueller,R.T., 1982, "Acoustically Induced Piping Vibrartion in High Capacity Pressure Reducing Systems", ASME Paper No.82-WA/PVP-8 Oil Companies Materials Association、「Acoustic Insulation of Pipes, Valves and Flanges」、Specification No.NWG-5、WILEY HEYDEN LIMITED、November 1982 松田博行および葉山眞治、「往復動圧縮機と配管系の相互干渉を考慮した管内圧力脈動の計算方法（第１報、定式化と簡単な実験）」、日本機械学会論文集（Ｃ編）、５１巻４６３号、ｐ．５１５−５２４、昭６０−３子安勝、騒音・振動（上）、コロナ社

流体が流れる配管内の音響減衰に関しては、例えば以下の式（１）が規格（非特許文献２参照）で用いられているものの、明確な物理モデルに基づいた詳細な評価手法が提案されておらず、流体の物性値や周波数特性、流速などのパラメータの影響は不明である。

したがって、結果として、過大な対策が必要とされることもあり、設備の経済設計ならびに信頼性向上の観点から、より信頼性の高い評価手法の構築が望まれていた。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、配管内の音響エネルギの減衰の予測精度を高めた音響減衰評価装置の提供にある。

本発明のある態様は、音響減衰評価装置に関する。この音響減衰評価装置は、音源と、その音源に接続された配管と、を含む系において、音源の音響エネルギの距離減衰を評価する音響減衰評価装置であって、配管内を流れる流体の物性に関する第１物性パラメータを取得する第１取得部と、流体の物性に関する第２物性パラメータを取得する第２取得部と、流体の物性に関する第３物性パラメータと、配管の構造のパラメータと、配管内の流速と、を取得する第３取得部と、第１取得部で取得した第１物性パラメータを用いて、流体の熱伝導および粘性による音響エネルギの距離減衰を評価するための第１減衰係数を導出する第１減衰係数導出部と、第２取得部で取得した第２物性パラメータを用いて、流体の分子運動による音響エネルギの距離減衰を評価するための第２減衰係数を導出する第２減衰係数導出部と、第３取得部で取得した第３物性パラメータと、配管の構造のパラメータと、配管内の流速と、を用いて、配管内の圧力損失および構造物内の減衰による音響エネルギの距離減衰を評価するための第３減衰係数を導出する第３減衰係数導出部と、第１減衰係数導出部、第２減衰係数導出部および第３減衰係数導出部からそれぞれ導出された第１減衰係数、第２減衰係数および第３減衰係数を用いて全減衰係数を導出する全減衰係数導出部と、全減衰係数導出部によって導出される全減衰係数に基づいて、配管の所定の位置における音響エネルギを計算する減衰計算部と、を備える。

ここで「音響エネルギ」とは、音源で発生する音が有するエネルギであってもよく、特に音源で発生する音の音波が有するエネルギであってもよい。また、「音響エネルギ」は音圧であってもよい。
ここで「距離減衰」とは、エネルギ源からの距離の関数としての減衰であってもよい。

この態様によると、配管内の流速を加味して音響エネルギの距離減衰を評価できる。

音響エネルギに対して、配管の安全性の評価基準データを保持する評価基準保持部と、減衰計算部によって計算された音響エネルギから、評価基準保持部に保持された評価基準データを参照して配管の安全性を評価する評価部と、をさらに備えてもよい。この場合、より精度良く配管の安全性を評価できる。
ここで「配管の安全性」とは、音響エネルギによる振動によって所定の時間内に配管が破損する可能性であってもよい。また、配管の構造のパラメータが与えられたときに経験的に定められた音響エネルギのしきい値との比較であってもよい。

音源の音響エネルギの周波数特性データを保持する周波数特性保持部と、評価する音響エネルギの周波数を設定する周波数設定部と、周波数特性保持部に保持された周波数特性データを参照し、周波数設定部によって設定された周波数における、音源の音響エネルギを取得して出力する初期値抽出部と、をさらに備えてもよい。第１減衰係数導出部、第２減衰係数導出部、および第３減衰係数導出部のそれぞれは、周波数設定部によって設定された周波数を用いて第１減衰係数、第２減衰係数および第３減衰係数のそれぞれを導出してもよい。減衰計算部は、全減衰係数導出部によって導出される全減衰係数と、初期値抽出部によって出力される音響エネルギと、に基づいて、周波数設定部によって設定された周波数における、配管の所定の位置における音響エネルギを計算してもよい。この場合、音響エネルギの減衰を周波数ごとに評価できる。
ここで「周波数特性」とは、周波数スペクトルに分解した際の周波数成分であってもよい。

周波数設定部は、評価する音響エネルギの周波数を複数設定してもよい。初期値抽出部は、周波数特性保持部に保持された周波数特性データを参照し、周波数設定部によって設定された複数の周波数のそれぞれに対応する、音源の音響エネルギを取得して出力してもよい。第１減衰係数導出部、第２減衰係数導出部、および第３減衰係数導出部のそれぞれは、周波数設定部によって設定された複数の周波数のそれぞれを用いて第１減衰係数、第２減衰係数および第３減衰係数のそれぞれを導出してもよい。減衰計算部は、全減衰係数導出部によって導出される全減衰係数と、初期値抽出部によって出力される音響エネルギと、に基づいて、周波数設定部によって設定された複数の周波数のそれぞれでの、配管の所定の位置における音響エネルギを計算してもよい。

評価部は、減衰計算部によって計算された音響エネルギから、評価基準保持部に保持された評価基準データを参照して配管の安全性を設定された周波数ごとに評価してもよい。

評価部は、安全性が最も低くなる周波数の評価結果を抽出してもよい。

音源は、安全弁、オリフィス、差圧弁などの、流体が流れる差圧機器であってもよい。また音源は、スピーカやその他の音や脈動を発生する機器であってもよい。

第３減衰係数計算部では、

にしたがって第３減衰係数を計算してもよい。

減衰計算部では、

にしたがって配管の所定の位置における音響エネルギを計算してもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を装置、方法、システム、コンピュータプログラム、コンピュータプログラムを格納した記録媒体などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明に係る音響減衰評価装置によれば、音響エネルギの減衰の予測精度を高めることができる。

実施の形態に係る音響減衰評価装置が安全性を評価する系を示す概略図である。実施の形態に係る音響減衰評価装置の機能および構成を示すブロック図である。図２の音響減衰評価装置における一連の処理を示すフローチャートである。音響減衰測定の実験系を示す概念図である。実験データと、図２の音響減衰評価装置によって導かれたデータと、従来の方法によって導かれたデータと、の周波数依存性を示すグラフである。実験データと、図２の音響減衰評価装置によって導かれたデータと、従来の方法によって導かれたデータと、の流速依存性を示すグラフである。図２の音響減衰評価装置によって計算された対策距離と、従来の方法によって計算された対策距離と、の流速依存性を示すグラフである。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において本発明に係る各実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、実施の形態に係る音響減衰評価装置が安全性を評価する系を示す概略図である。実施の形態に係る音響減衰評価装置は、安全弁などの差圧弁２と、それに接続された高圧側配管４および低圧側配管６とを含む系において、空気やメタンなどの気体が高圧側配管４から低圧側配管６の向き８に差圧弁２を通して噴き出す際の音圧ｐ（Ｐａ）の距離減衰を評価する。ここで距離減衰を評価する、とは、差圧弁から離れるにしたがって配管内でどの程度音圧が減衰するかを評価することである。つまり図１を参照すると、低圧側配管６内で差圧弁２から距離ｘだけ離れた位置の音圧ｐ（ｘ）は、差圧弁２での音圧ｐ（０）と比べてどの程度減衰しているかが評価される。
図１に示されるような系は、たとえばプラントで安全弁からガスを噴き出す必要がある場合や、配管内にオリフィスが設置してある場合等に用いられる。
なお、音圧ｐは音響エネルギの大きさを示すので、音圧ｐの減衰は音響エネルギの減衰と等価と見ることができる。またここでは、低圧側配管６はその評価対象範囲に亘って一定の配管径Ｄ（ｍ）を有する場合を想定するが、配管径が変化する場合にも適用可能である。

さらに実施の形態に係る音響減衰評価装置では、差圧弁２に接続された低圧側配管６の音圧ｐの減衰を、配管内の流速を加味して周波数ごとに評価する。その際、差圧弁２から噴き出す気体の熱伝導、粘性および分子運動による減衰だけでなく、圧力損失に起因する減衰を取り入れて計算する。これにより、より正確に音圧ｐの減衰を評価できる。

図２は、実施の形態に係る音響減衰評価装置１００の機能および構成を示すブロック図である。ここに示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

音響減衰評価装置１００は、記憶装置１０と、第１取得部２０と、第２取得部２２と、第３取得部２４と、第１減衰係数導出部２６と、第２減衰係数導出部２８と、第３減衰係数導出部３０と、全減衰係数導出部３２と、周波数設定部３４と、初期値抽出部３６と、減衰計算部３８と、評価部４０と、を備える。

記憶装置１０は、周波数特性保持部１２と、評価基準保持部１４と、数式保持部１６と、を含む。周波数特性保持部１２は、差圧弁２から噴き出す気体の音圧ｐの周波数特性データを保持する。特に周波数特性データは、差圧弁２での音圧ｐ（０）の各周波数成分ｐ（０，ｆ）を含む。

評価基準保持部１４は、音圧ｐに対する低圧側配管６の安全性の評価基準のデータを保持する。安全性の評価基準とは、低圧側配管６が音響エネルギによる振動に耐えられるかの基準であり、ここでは特に所定の径と肉厚を有する配管が耐えうる音圧のしきい値ｐＴを経験的に設定することで安全性を評価する。したがって、評価基準保持部１４に保持される評価基準のデータは、配管径Ｄと肉厚ｔの組み合わせごとにひとつ音圧のしきい値ｐＴ（Ｄ，ｔ）を保持する。
なお、安全性の評価基準としては、音響系−構造系の連成解析によって得られる評価基準などの他の評価基準を用いてもよい。

数式保持部１６は、後述する式（５）、式（６）、式（７）、式（８）、式（１７）を保持する。

第１取得部２０は、第１減衰係数Ａ_１を導出するための第１物性パラメータを取得する。第１物性パラメータは、差圧弁２から噴き出す気体の物性に関するパラメータであり、音速ｃ（ｍ／ｓ）と、定圧比熱ｃ_ｐ（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）と、比熱比γと、熱伝導度ｋ（Ｗ／ｍ・Ｋ）と、密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）と、粘性係数η（Ｐａ・ｓ）と、を含む。

第２取得部２２は、第２減衰係数Ａ_２を導出するための第２物性パラメータを取得する。第２物性パラメータは、差圧弁２から噴き出す気体の物性に関するパラメータであり、分子の緩和周波数ｆ_ｒ（１／ｓ）を含む。

第３取得部２４は、第３減衰係数Ａ_３を導出するための第３物性パラメータと、配管の構造のパラメータと、配管内の流速Ｖ（ｍ／ｓ）と、を取得する。第３物性パラメータは、差圧弁２から噴き出す気体の物性に関するパラメータであり、音速ｃ（ｍ／ｓ）と、密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）と、その他等価線形質量流量μ（ｋｇ／ｓ）を導くために必要なパラメータを含む。等価線形質量流量μについては、非特許文献３を参照されたい。配管の構造のパラメータは、低圧側配管６の構造に関するパラメータであり、配管断面積Ａ（ｍ^２）と、配管径Ｄと、管摩擦係数λと、を含む。
なお、それぞれの取得部は対応するパラメータを記憶装置１０の所定の場所から取得してもよいし、音響減衰評価装置１００の外部から図示しない入力装置を経て取得してもよい。

周波数設定部３４は、評価する音圧ｐの周波数ｆを設定する。音響減衰評価装置１００のユーザは、あるひとつの周波数での音響エネルギの減衰を評価したい場合は、その周波数を周波数設定部３４に登録する。すると周波数設定部３４は、その周波数を後述する第１減衰係数導出部２６、第２減衰係数導出部２８、第３減衰係数導出部３０および初期値抽出部３６に対して設定する。ユーザが複数の周波数での音響エネルギの減衰を評価したい場合は、その複数の周波数を周波数設定部３４に登録する。すると周波数設定部３４は、後述する減衰計算部３８からの周波数変更信号に基づいて複数の周波数をひとつひとつ設定してゆく。

第１減衰係数導出部２６は、第１取得部２０で取得した第１物性パラメータおよび周波数設定部３４で設定された周波数ｆを用いて、気体の熱伝導および粘性による音圧ｐの距離減衰に対応する第１減衰係数Ａ_１を導出する。第１減衰係数Ａ_１は、

で表現される数式に基づき導出してもよい。この数式の導出については非特許文献４を参照されたい。また、第１減衰係数導出部２６は第１減衰係数Ａ_１のルックアップテーブルを有し、そこから第１減衰係数Ａ_１を導出してもよい。第１減衰係数導出部２６は数式保持部１６から式（５）を読み込む。

第１減衰係数導出部２６は図示しない第１演算手段と、図示しない第２演算手段と、を含む。第１演算手段は、式（５）のうちｆ^２以外の部分を演算してその結果を第２演算手段へ出力する。第２演算手段は、第１演算手段の出力と、ｆ^２とを掛け合わせて第１減衰係数Ａ_１として出力する。この場合、一度ある周波数において第１演算手段がｆ^２以外の部分を演算してしまえば、その結果を他の周波数での第１減衰係数Ａ_１を導出する際にも再利用することができ、第１減衰係数Ａ_１の導出を高速化できる。

第２減衰係数導出部２８は、第２取得部２２で取得した第２物性パラメータおよび周波数設定部３４で設定された周波数ｆを用いて、気体の分子運動による音圧ｐの距離減衰に対応する第２減衰係数Ａ_２を導出する。第２減衰係数Ａ_２は、

で表現される数式に基づき導出してもよい。なお、この数式の導出については非特許文献４を参照されたい。第２減衰係数導出部２８は数式保持部１６から式（６）を読み込む。

第２減衰係数導出部２８は図示しない第３演算手段と、図示しない第４演算手段と、を含む。第３演算手段は、式（６）の分子を演算してその結果を第４演算手段へ出力する。第４演算手段は、式（６）の分母を演算し、その結果で第３演算手段の出力を除して第２減衰係数Ａ_２として出力する。この場合、一度ある周波数において第３演算手段が式（６）の分子を演算してしまえば、その結果を他の周波数での第２減衰係数Ａ_２を導出する際にも再利用することができ、第２減衰係数Ａ_２の導出を高速化できる。

第３減衰係数導出部３０は、第３取得部２４で取得した第３物性パラメータと、配管の構造のパラメータと、配管内の流速Ｖと、周波数設定部３４で設定された周波数ｆと、を用いて、低圧側配管６内の圧力損失による音圧ｐの距離減衰に対応する第３減衰係数Ａ_３を導出する。第３減衰係数Ａ_３は、

で表現される数式に基づき導出される。第３減衰係数導出部３０は数式保持部１６から式（７）および式（８）を読み込む。

第３減衰係数導出部３０は図示しない第５演算手段と、図示しない第６演算手段と、を含む。第５演算手段は、式（８）を演算してＲを求め、それを第６演算手段へ出力する。第６演算手段は、第５演算手段が出力するＲを用いて式（７）を演算し、その結果を第３減衰係数Ａ_３として出力する。

以下式（７）および式（８）の導出方法を説明する。
低圧側配管６内の圧力損失に起因した第３減衰係数Ａ_３は、音波の支配方程式から導出される。低圧側配管６内を伝搬する音波（圧力脈動）は以下に示す支配方程式によって記述される。

式（９）は流体の運動方程式であり、式（１０）は連続の式である。式（９）右辺第二項が低圧側配管６内の圧力損失による減衰を表す。Ｒは等価線形質量流量μを用いて式（８）により与えられる。
式（９）および式（１０）より、変動質量流量ｍを消去し、変動圧力ｐ’の関数として整理すると、低圧側配管６内の圧力脈動は以下の式で記述される。

式（１１）において圧力の時間変化をｅ^−ｊωｔで表すと、式（１１）の解は以下の式で与えられる。

したがって低圧側配管６内をｘ方向に伝搬する音波の距離減衰はβによって評価できることが判る。即ち、第３減衰係数Ａ_３＝βと評価できる。なお、式（８）、式（１４）よりβは低圧側配管６内の摩擦による損失によって評価することができる。

ここで、流速Ｖが０でない、つまり低圧側配管６内を気体が流れることを考慮すればより正確に音圧ｐの減衰を評価できる、という本発明者の気付きに基づき第３減衰係数Ａ_３が導入されたという点に注意すべきである。

全減衰係数導出部３２は、第１減衰係数導出部２６、第２減衰係数導出部２８および第３減衰係数導出部３０からそれぞれ導出された第１減衰係数Ａ_１、第２減衰係数Ａ_２および第３減衰係数Ａ_３を足し合わせて全減衰係数Ａ_Ｔを導出する。つまりＡ_Ｔ＝Ａ_１＋Ａ_２＋Ａ_３によって全減衰係数Ａ_Ｔを導出する。

初期値抽出部３６は、周波数特性保持部１２に保持された、差圧弁２での音圧ｐ（０）の各周波数成分を参照し、周波数設定部３４によって設定された周波数ｆに対応する周波数成分ｐ（０，ｆ）を取得して出力する。ここで周波数設定部３４によって設定された周波数ｆに対応する周波数成分が周波数特性保持部１２に保持されていればそれを取得して出力する。

また周波数設定部３４によって設定された周波数ｆに対応する周波数成分がない場合は、周波数成分が周波数特性保持部１２に保持されている周波数のうちから、周波数設定部３４によって設定された周波数ｆの前後２つの周波数、たとえばｆ_１とｆ_２（ｆ_１＜ｆ＜ｆ_２）を決定する。そしてその２つの周波数ｆ_１、ｆ_２に対応する周波数成分ｐ（０，ｆ_１）、ｐ（０，ｆ_２）を取得し、それを基に周波数設定部３４によって設定された周波数ｆに対応する周波数成分ｐ（０，ｆ）を導出して出力する。これはたとえばその２つの周波数ｆ_１、ｆ_２に対応する２つの周波数成分ｐ（０，ｆ_１）、ｐ（０，ｆ_２）間を線形近似することで実現されてもよい。これは数式を用いると、

と表現される。

減衰計算部３８は、全減衰係数導出部３２によって導出される全減衰係数Ａ_Ｔと、初期値抽出部３６によって出力される音圧の周波数成分ｐ（０，ｆ）と、に基づいて、周波数設定部３４によって設定された周波数ｆでの、低圧側配管６の音圧を差圧弁２からの距離ｘの関数として計算する。そしてその計算結果を評価部４０に出力する。音圧ｐ（ｘ，ｆ）は、

で表現される数式に基づいて計算される。減衰計算部３８は数式保持部１６から式（１７）を読み込む。

また、減衰を計算したい周波数が複数ある場合は、減衰計算部３８は周波数設定部３４に対して、別の周波数を選ばせるための周波数変更信号を送出する。そして複数の周波数の全てが選択され、最後の周波数での減衰の計算が終了すると、減衰計算部３８は評価部４０にその計算結果を出力する。

評価部４０は、減衰計算部３８によって計算された音圧ｐ（ｘ，ｆ）から、評価基準保持部１４に保持された評価基準のデータを参照して低圧側配管６の安全性を評価する。ユーザはあらかじめ評価部４０に対して低圧側配管６の配管径Ｄおよび肉厚ｔを登録しておく。評価部４０はその配管径Ｄおよび肉厚ｔに対応する音圧のしきい値ｐＴ（Ｄ，ｔ）を評価基準のデータから抽出する。

まず、周波数設定部３４がひとつの周波数を設定する場合を説明する。評価部４０は、周波数設定部３４によって設定された周波数ｆでの音圧ｐ（ｘ，ｆ）を適切に規格化した後に、抽出した音圧のしきい値ｐＴ（Ｄ，ｔ）と比較する。そしてｐＴ（Ｄ，ｔ）と規格化後のｐ（ｘ，ｆ）とが等しくなる距離を対策距離ｘ_ｔ（ｍ）として図示しない表示装置に出力する。式（１７）から音圧ｐ（ｘ，ｆ）はｘの単調減少関数であるので、対策距離ｘ_ｔは、差圧弁２から対策距離ｘ_ｔまでの低圧側配管６には補強が必要であることを示す。

次に、周波数設定部３４が複数の周波数を設定する場合は、その複数の周波数のそれぞれについて上述のようにして対策距離ｘ_ｔを導出する。そしてその中から最も長い対策距離ｘ_ｔｍａｘを抽出し、図示しない表示装置に出力する。

以上の構成による音響減衰評価装置１００の動作を説明する。図３は、音響減衰評価装置１００における一連の処理を示すフローチャートである。
第１取得部２０、第２取得部２２および第３取得部２４はそれぞれ取得すべきパラメータを取得する（Ｓ２０２）。周波数設定部３４は評価する音圧の周波数ｆを設定する（Ｓ２０４）。第１減衰係数導出部２６は第１減衰係数Ａ_１を導出する（Ｓ２０６）。第２減衰係数導出部２８は第２減衰係数Ａ_２を導出する（Ｓ２０８）。第３減衰係数導出部３０は第３減衰係数Ａ_３を導出する（Ｓ２１０）。全減衰係数導出部３２は全減衰係数Ａ_Ｔを導出する（Ｓ２１２）。初期値抽出部３６は設定された周波数ｆに対応する周波数成分ｐ（０，ｆ）を音圧の初期値として取得する（Ｓ２１４）。減衰計算部３８は、全減衰係数Ａ_Ｔと、音圧の初期値ｐ（０，ｆ）と、に基づいて、音圧ｐの減衰を計算する（Ｓ２１６）。減衰計算部３８は、周波数を変更する必要がある場合（Ｓ２１８のＹ）は、周波数設定部３４に対して別の周波数を設定するよう指令を出すと共に処理を周波数設定ステップ（Ｓ２０４）に返す。周波数を変更する必要がない場合（Ｓ２１８のＮ）は、評価部４０は音圧ｐの減衰の計算結果に基づいて、配管の安全性を評価する（Ｓ２２０）。

以下に本実施の形態に係る音響減衰評価装置１００を用いた評価結果と、実験データとの比較を示す。

図４は、音響減衰測定の実験系３００を示す概念図である。実験系３００は、タンク３０２と、仕切弁３０４と、オリフィス３０６と、低圧側配管３０８と、複数のセンサ３１０と、を備える。タンク３０２には所定の圧力で気体が充填される。仕切弁３０４が開くと、タンク３０２に充填された気体がオリフィス３０６を通過する。この際オリフィス３０６から音が発生する。また、オリフィス３０６を通過する気体の流速はタンク３０２の圧力および低圧側配管３０８に取り付けられた図示しない複数の流量計によって制御される。したがってオリフィス３０６は開いた状態の差圧弁をシミュレートしている。
低圧側配管３０８の複数の位置に取り付けられた音圧センサ３１０により、オリフィス３０６が発する音の音圧を測定する。この測定された音圧から音圧の減衰を計算して実験データとした。

本実施の形態に係る音響減衰評価装置１００では、実験系３００で使用された気体の物性パラメータおよび配管の構造のパラメータを用いて音圧の減衰を評価した。

図５は、実験データと、本実施の形態に係る音響減衰評価装置１００によって導かれたデータと、従来の方法によって導かれたデータと、の周波数依存性を示すグラフである。ここで気体の流速は一定の値に固定される。図５の実線は実験データをフィットして得られたフィット曲線である。縦軸は配管の長さ１（ｍ）あたりの減衰（ｄＢ／ｍ）を示す。横軸は１／３オクターブバンドの中心周波数（Ｈｚ）を示す。

実験データのデータ点を求める際には、まず周波数を１／３オクターブバンドに分割する。そして実験データを基にひとつの１／３オクターブバンド内で減衰を計算し、その計算結果を平均化して１／３オクターブバンドの中心周波数に割り当てる。この処理を全ての１／３オクターブバンドについて繰り返すことでデータ点が得られる。本実施の形態に係る音響減衰評価装置１００によって導かれたデータ、および従来の方法によって導かれたデータについても同様である。
なお、従来の方法とは、上述の非特許文献２による計算である。

図５から分かるとおり、低周波数領域（＜１２５０Ｈｚ）においては音響減衰評価装置１００は従来の方法と比較して精度良く音圧、つまり音響エネルギの減衰が予測できることが分かる。また、高周波数領域（＞１２５０Ｈｚ）においては音響減衰評価装置１００は周波数が高くなるにつれて減衰が大きくなるという傾向を予測している。これに対して実験データもまたそのような傾向を示している。したがって、音響減衰評価装置１００は高周波数領域においても音響エネルギの減衰の周波数特性が評価できていると言える。

また、従来の方法では実験データと比べてより高い減衰を予測している。つまり、従来の方法で計算された減衰の値を採用して配管を設計した場合、予測していたほどには音響エネルギの減衰がおこらず、配管が音響振動に耐えきれない可能性がある。しかしながら本実施の形態に係る音響減衰評価装置１００を用いると実験データと遜色ない予測値が得られるので、より安全性を高めた配管設計が可能となる。

図６は、実験データと、本実施の形態に係る音響減衰評価装置１００によって導かれたデータと、従来の方法によって導かれたデータと、の流速依存性を示すグラフである。縦軸は配管の長さ１（ｍ）あたりの減衰（ｄＢ／ｍ）を示す。横軸は平均マッハ数を示す。平均マッハ数とは、平均流速を音速で除した値である。実験においては低圧側配管３０８の複数の位置で計測される流速の平均値を平均流速としている。音響減衰評価装置１００および従来の方法では流速の設定値を平均流速としている。実験、音響減衰評価装置１００および従来の方法のいずれにおいても周波数に関しては、流速がある値のときに１００（Ｈｚ）−２０００（Ｈｚ）で得られる周波数ごとの減衰の計算結果を平均化し、その平均化された減衰を流速に割り当てた。

従来の方法ではそもそも流速を加味していないので、減衰は平均マッハ数によらず一定となる。それに対して図６から分かるとおり、音響減衰評価装置１００は減衰の流速依存性を精度良く予測できる。特に実験データでは、流速の増加に伴い減衰が増加することが示されているが、音響減衰評価装置１００はこの特性を再現している。

図７は、本実施の形態に係る音響減衰評価装置１００によって計算された対策距離と、従来の方法によって計算された対策距離と、の流速依存性を示すグラフである。縦軸は対策距離（ｍ）を示す。横軸は平均マッハ数を示す。音響減衰評価装置１００での計算では気体としてメタンを用いた。

従来の方法では流速を加味していないので、対策距離は平均マッハ数によらず一定となる。それに対して本実施の形態に係る音響減衰評価装置１００では、図６でも示されたとおり、減衰の流速依存性が予測できる。したがって、図７に示されるとおり流速によって異なる対策距離を提案することができる。プラントの緊急脱圧系配管における平均マッハ数は通常０．３から０．４程度であるが、この平均マッハ数の範囲では、音響減衰評価装置１００を用いれば対策距離を従来の方法の場合と比べておよそ２０％削減できることが分かる。つまりより正確に音響エネルギの減衰を予測することができるので、補強の過剰部分を削減することができる。

このように本実施の形態に係る音響減衰評価装置１００によれば、図５および図６からも分かるとおり、従来の方法と比べて配管内の音響エネルギの減衰をより精度良く予測できる。これにより配管の設計技術がより高度化される。

また、評価部４０は音響エネルギの減衰の計算結果から対策距離を決定して出力する。したがって、音響減衰評価装置１００のユーザは、従来の方法と比べてより精度の高い減衰の予測に基づいた配管の補強範囲を知ることができる。これにより無駄な補強を減らすことができる。

また、音圧ｐの減衰を導出するに当たり、低圧側配管６内の圧力損失による音圧ｐの距離減衰に対応する第３減衰係数Ａ_３を導入する。ここで第３減衰係数Ａ_３の式（７）からも分かるとおり第３減衰係数Ａ_３は流速Ｖに依存する量である。したがって、図６および図７からも分かるとおり、音響減衰評価装置１００は音響エネルギ減衰の流速依存性を評価でき、予測の精度が高まる。

また、音響減衰評価装置１００は周波数ごとに音響エネルギの減衰を導出する。したがって、減衰の度合いは周波数によって異なるという点を考慮した減衰の予測が可能となる。これにより図５に示されるとおり予測の精度が高まる。特に図５で説明したとおり、配管設計の安全性が高まる。

また、評価部４０は対策距離を周波数ごとに求めてその中から最も長い対策距離を出力する。したがって差圧弁での音響エネルギの周波数特性や減衰の周波数特性に応じた対策距離を提案できる。これはたとえば音響エネルギのオーバーオール値が同じで周波数特性が異なる２つの差圧弁がある場合に、従来の方法ではどちらに対しても同じ対策距離しか提案できなかった。しかしながら本実施の形態に係る音響減衰評価装置１００では、それぞれの周波数特性に基づいてそれぞれにより適した異なる対策距離を提案できる。

以上、実施の形態に係る音響減衰評価装置１００の構成と動作について説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
すなわち、減衰モデルは噴き出し音のみでなく、スピーカやその他のあらゆる音源に適用可能である。ガスが流れる配管内で音を伝える際の減衰を評価したりするだけでなく、流量計などから発生する圧力脈動の減衰の評価にも適用可能である。

実施の形態では、周波数設定部３４はユーザによって登録された周波数を設定する場合について説明したが、これに限られず、たとえば記憶装置１０に保持された、設定すべき周波数の表に基づいて周波数を設定してもよい。

実施の形態では、差圧弁２での音圧ｐ（０）の各周波数成分が与えられる場合について説明したが、これに限られない。たとえば初期値抽出部３６は音圧ｐの初期値として差圧弁２での音圧ｐ（０）を出力してもよい。また、減衰計算部３８は全減衰係数Ａ_Ｔを複数の周波数で平均してもよい。そして音圧ｐ（０）および平均化された全減衰係数Ａ_Ｔと、に基づいて、低圧側配管６の音圧を差圧弁２からの距離ｘの関数として計算してもよい。この場合、周波数で平均化された全減衰係数Ａ_Ｔは周波数に依存しないので、差圧弁２での音圧ｐの周波数成分が不明でオーバーオール値としての音圧ｐ（０）しか分からない場合でも音圧の減衰を評価できる。

実施の形態では、音響エネルギの周波数成分や減衰係数を周波数ごとに求めたが、これに限られない。たとえば、それらを周波数のバンドごとに求めてもよい。

実施の形態では差圧弁２から気体が噴き出す場合について説明したが、これに限られず、液体や、広くは流体であってもよい。

実施の形態では、低圧側配管６が直管である場合について説明したが、これに限られない。実施の形態に係る音響減衰評価装置１００で説明された減衰の評価手法は、たとえば低圧側配管にエルボ等の折曲部やティー等の分岐部がある場合にも応用できる。

以上、実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎないことはいうまでもなく、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能であることはいうまでもない。

１０記憶装置、１２周波数特性保持部、１４評価基準保持部、２０第１取得部、２２第２取得部、２４第３取得部、２６第１減衰係数導出部、２８第２減衰係数導出部、３０第３減衰係数導出部、３２全減衰係数導出部、３４周波数設定部、３６初期値抽出部、３８減衰計算部、４０評価部、１００音響減衰評価装置、３００実験系、Ａ_１第１減衰係数、Ａ_２第２減衰係数、Ａ_３第３減衰係数、Ａ_Ｔ全減衰係数、Ｖ流速、ｆ周波数、ｘ_ｔ対策距離、ｐ音圧。

Claims

音源と、その音源に接続された配管と、を含む系において、前記音源の音響エネルギの距離減衰を評価する音響減衰評価装置であって、
前記配管内を流れる流体の物性に関する第１物性パラメータを取得する第１取得部と、
当該流体の物性に関する第２物性パラメータを取得する第２取得部と、
当該流体の物性に関する第３物性パラメータと、前記配管の構造のパラメータと、前記配管内の流速と、を取得する第３取得部と、
前記第１取得部で取得した前記第１物性パラメータを用いて、前記流体の熱伝導および粘性による音響エネルギの距離減衰を評価するための第１減衰係数を導出する第１減衰係数導出部と、
前記第２取得部で取得した前記第２物性パラメータを用いて、前記流体の分子運動による音響エネルギの距離減衰を評価するための第２減衰係数を導出する第２減衰係数導出部と、
前記第３取得部で取得した前記第３物性パラメータと、前記配管の構造のパラメータと、前記配管内の流速と、を用いて、前記配管内の圧力損失および構造物内の減衰による音響エネルギの距離減衰を評価するための第３減衰係数を導出する第３減衰係数導出部と、
前記第１減衰係数導出部、前記第２減衰係数導出部および前記第３減衰係数導出部からそれぞれ導出された前記第１減衰係数、前記第２減衰係数および前記第３減衰係数を用いて全減衰係数を導出する全減衰係数導出部と、
前記全減衰係数導出部によって導出される前記全減衰係数に基づいて、前記配管の所定の位置における音響エネルギを計算する減衰計算部と、を備えることを特徴とする音響減衰評価装置。
音響エネルギに対して、前記配管の安全性の評価基準データを保持する評価基準保持部と、
前記減衰計算部によって計算された音響エネルギから、前記評価基準保持部に保持された評価基準データを参照して前記配管の安全性を評価する評価部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の音響減衰評価装置。
前記音源の音響エネルギの周波数特性データを保持する周波数特性保持部と、
評価する音響エネルギの周波数を設定する周波数設定部と、
前記周波数特性保持部に保持された周波数特性データを参照し、前記周波数設定部によって設定された周波数における、前記音源の音響エネルギを取得して出力する初期値抽出部と、をさらに備え、
前記第１減衰係数導出部、前記第２減衰係数導出部、および前記第３減衰係数導出部のそれぞれは、前記周波数設定部によって設定された周波数を用いて前記第１減衰係数、前記第２減衰係数および前記第３減衰係数のそれぞれを導出し、
前記減衰計算部は、前記全減衰係数導出部によって導出される全減衰係数と、前記初期値抽出部によって出力される音響エネルギと、に基づいて、前記周波数設定部によって設定された周波数における、前記配管の所定の位置における音響エネルギを計算することを特徴とする請求項１に記載の音響減衰評価装置。
前記周波数設定部は、評価する音響エネルギの周波数を複数設定し、
前記初期値抽出部は、前記周波数特性保持部に保持された周波数特性データを参照し、前記周波数設定部によって設定された複数の周波数のそれぞれに対応する、前記音源の音響エネルギを取得して出力し、
前記第１減衰係数導出部、前記第２減衰係数導出部、および前記第３減衰係数導出部のそれぞれは、前記周波数設定部によって設定された複数の周波数のそれぞれを用いて前記第１減衰係数、前記第２減衰係数および前記第３減衰係数のそれぞれを導出し、
前記減衰計算部は、前記全減衰係数導出部によって導出される全減衰係数と、前記初期値抽出部によって出力される音響エネルギと、に基づいて、前記周波数設定部によって設定された複数の周波数のそれぞれでの、前記配管の所定の位置における音響エネルギを計算することを特徴とする請求項３に記載の音響減衰評価装置。
音響エネルギに対して、前記配管の安全性の評価基準データを保持する評価基準保持部と、
前記減衰計算部によって計算された音響エネルギから、前記評価基準保持部に保持された評価基準データを参照して前記配管の安全性を設定された周波数ごとに評価する評価部と、をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の音響減衰評価装置。
前記評価部は、安全性が最も低くなる周波数の評価結果を抽出することを特徴とする請求項５に記載の音響減衰評価装置。
前記音源は、流体が噴き出す噴出口であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の音響減衰評価装置。
前記第３減衰係数導出部では、

にしたがって前記第３減衰係数を計算することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の音響減衰評価装置。
前記減衰計算部では、

にしたがって前記配管の所定の位置における音響エネルギを計算することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の音響減衰評価装置。
音源と、その音源に接続された配管と、を含む系において、前記音源の音響エネルギの距離減衰を評価するコンピュータプログラムであって、
前記配管内を流れる流体の物性に関する第１物性パラメータを取得する機能と、
当該流体の物性に関する第２物性パラメータを取得する機能と、
当該流体の物性に関する第３物性パラメータと、前記配管の構造のパラメータと、前記配管内の流速と、を取得する機能と、
前記第１物性パラメータを用いて、前記流体の熱伝導および粘性による音響エネルギの距離減衰を評価するための第１減衰係数を導出する機能と、
前記第２物性パラメータを用いて、前記流体の分子運動による音響エネルギの距離減衰を評価するための第２減衰係数を導出する機能と、
前記第３物性パラメータと、前記配管の構造のパラメータと、前記配管内の流速と、を用いて、前記配管内の圧力損失および構造物内の減衰による音響エネルギの距離減衰を評価するための第３減衰係数を導出する機能と、
前記第１減衰係数、前記第２減衰係数および前記第３減衰係数を用いて全減衰係数を導出する機能と、
前記全減衰係数に基づいて、前記配管の所定の位置における音響エネルギを計算する機能と、をコンピュータに実現させることを特徴とするコンピュータプログラム。