JP5291206B2 - 音線偏向理論に基づく消音方法及び消音器 - Google Patents

音線偏向理論に基づく消音方法及び消音器 Download PDF

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Description

本発明は、消音器に関する。特に音線偏向理論に基づく消音方法及び消音器に関するものである。
ここ数十年来、航空輸送が人々の外出において極めて大きな利便を提供しているが、同時に空港周囲に深刻な騒音公害も発生しており、調査によると、航空機の騒音は主に飛び立ちと降りる時に体現していて、特に飛び立ち（テーク・オフ）の時に最も著しい。通常、空港は都市まで遠くないため、航路もその一部は都市の上空を通るので、航空機騒音がすでに都市の騒音の重要な構成部分になって、人々の正常な生活に深刻に影響している。そのため、航空機の飛行騒音を最大限に下げて、特に飛び立ち、降りる時の騒音を低減することは、すでに目前に迫っていて、早急的に解決すべき課題となっている。
航空機騒音は主に航空エンジンのジェット騒音とファン騒音である。長い間、研究者がずっと努力して広い周波帯に良好な吸音効果、そしてジェット騒音とファン騒音を低減する方法を探しているが、現在は次の通りの方法と設計の準則を採用するのが一般的である。
1、高ダクト（duct）比例のエンジンと噴出口設計を採用して、ジェット騒音を低減する。
2、ファン回転子/静子の羽根設計とスピードを調整して、ファン騒音を低減する。
3、パイプの壁内で音響の裏張りを敷くことにより、エンジンの放射騒音を低減する。
航空機エンジンのパイプ壁内で音響裏張りを敷くことが騒音の軽減にすでに良い効果が現れているが、依然として現在の航空機騒音の制御、空港周囲地区の環境騒音の制御及び航行に適当の騒音の実際的な要求を満足させることができなくて、報道によるとエアバス会社は大量の経費を投じて、ヨーロッパ9国が行った航空機騒音の研究計画に参与して、重点的には航空機騒音の軽減技術を攻略して、目標は8年間でその生産した航空機の騒音を現在と比べて6デシベル下げることである。実際は、航空機騒音の平均的な騒音軽減の幅から見ると、10年間毎の平均の騒音軽減量は8dBに及ばない。
既存の方法と手段を使用して航空機のエンジン騒音を大幅に減らすことが多少やりたいが力不足となっている。音響強度が高い環境で、中度及び低周波数の騒音は有効的な制御を得られないので、その吸収を強めるためには、吸音構造の空洞の深さを大幅に増加しなければならないが、これは実際の騒音軽減でやり遂げることができない。そのため、従来の航空エンジンのパイプ壁の音響裏張りの吸音能力に対して深く突っ込んで潜在力を掘り起こすことが必要となり、基本的に既存の消音器構造を改造しない状況で、努力して更に航空エンジンの既存のパイプ壁の音響裏張りの吸音性能を高める方法と措置を探し出す必要がある。
次に、私達は自然界の温度勾配が大気音波の伝播に対して発生した影響から本発明の啓発を得られている。昼間には、私達は周囲の環境が騒ぎ立てて、騒がしいと感じるが、夜になると、周囲の環境が非常にひっそりと静かになる。それは音波の伝播は温度勾配による影響がとても大きくて、音速は温度と密接に関連して、温度勾配が地面以上の音速を変化させているためである。昼間には、特に晴れた日に、日光照射された午後で、地面から上へ著しいマイナスの温度勾配が現れて、地表の温度を大気の温度より高くさせて、地面の音速が大きくて、上空の音速が小さくて、フェルマーの原理によれば、音線は時間消費が最も短く最も速いパスに沿って伝播する。このような、昼間には、音線を“冷端（cold side低温側）”―空へ向って偏向させて、同時に“音響陰影エリア”が現れるが、上へ偏向した音線がほとんど地面と接触しないので、大地は１つの“吸音構造”とする効果を発揮させないため、昼間は私達が周囲の環境の騒ぎ立てることと騒がしさを感じる。夜になると、状況が異なって、地面から向上するプラスの温度勾配が、地表の温度を大気の温度より低くさせて、地面の音速が小さくて、上空の音速が大きくて、フェルマーの原理によれば、音線を“冷端（cold side低温側）”―地面へ偏向させて、大気中の音波がこのような多孔質地面に入射する時に一部のみが反射されて大気に戻って、大部分のエネルギーは土壌のスリットによって伝播して大地の土壌に吸収されて衰えられ、この夜間の大地を冷端（cold side低温側）の温度勾配とした効果で、大地の“吸音構造”とする効果が十分に発揮され、私達は夜間の周囲環境がひっそりと静かと感じる。
また、雪の日の場合には、大地を冷端（cold side低温側）の温度勾配とした効果で、私達にも大地の“雪を覆う冷端（cold side低温側）の吸音構造”が生じた静かさを感じられる。昼間に温度が高さに従って少しずつ減少、および夜間に温度が高さに従って少しずつ増加する条件での音線偏向状況については、図面2と図面3に示す。
自然界で温度勾配が大気の音響伝播に対する影響の例示から、私達は以下のことを得られる。温度勾配の効果で音線を“冷端（cold side低温側）”の方向へ偏向させる。これで本発明の“コールドトラップ”を利用して騒音をキャッチして低減させて、つまり、上述した方法を採用して温度勾配、音線の偏向に基づく、且つ低温冷却システムを備える消音器を開発して、既存の消音器の消音能力をより一層高めることが可能となる。
現在、消音器の設計研究の面では、温度の影響のみを考慮しているので、消音器内部で形成した温度勾配を利用して音線を偏向させて消音器の消音量を高める影響を考慮に入れていない。例えば、文献：《パンチングパイプ消音器の数値分析》、祝何林、劉正士、騒音と振動制御学報の2008年6月第3号；《エンジン消音器の静態性能テストと分析研究》、王暁軍、李志遠、魏浩征、騒音と振動制御学報の2007年8月第4号。
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、既存の消音方法と設計準則は吸音能力の改善に限界があるという不足点を克服するために、音線偏向理論に基づく消音方法及び消音器を提供する。
上記の目的を実現するために、本発明は音線偏向理論に基づく消音方法を提供する。該方法はフェルマーの原理によって、消音器パイプの外壁に低温冷却システムを配置することにより、消音器ハウジングの内外に壁内温度を壁外温度より高い温度勾配を形成して、温度勾配を利用して壁内の音線を低温の消音器パイプの外壁方向に偏向させて、より多くの音線を斜め入射する形式で消音器の裏張りされた吸音構造に入り、すれすれ入射（grazing incidence）された音波の入射角が大きくなって、吸音構造の吸音係数を高めて、パイプ内騒音の有効的な吸収を強めて、消音器の消音量を増やして、放射騒音を低減させる。ここで、前記低温冷却システムは少なくとも消音器パイプの外壁面積の5%を覆うべきである。
さらに、本発明は音線偏向理論に基づく消音器を提供する。該消音器は消音器シェルを備え、前記消音器シェル1の内壁には吸音構造4を敷設している。前記消音器シェル1の外壁に吸音構造4と対応して低温冷却システム2を配置し、該低温冷却システム2は少なくとも消音器シェル1の外壁面積の5%を覆うべきである。前記消音器シェル1の横断面は円形、楕円形または長方形である。
また、本発明の改造案として、前記低温冷却システム2は温度制御装置3と接続して、温度制御装置3によって温度勾配の定量制御を実現する。前記温度勾配の定量制御範囲は1〜2000℃であって、つまり消音器シェル1のパイプ内の温度が消音器シェル1のパイプ外壁の冷端（cold side低温側）の温度より1〜2000℃高い。
また、上記技術案の前記吸音構造4は、多孔質吸音材料、板振動型吸音構造、膜振動型吸音構造、穴あき板吸音構造、微細穿孔板吸音構造、微細スリット吸音構造のいずれかであり、そして、前記吸音構造4の厚さは1〜1000mmである。
また、上記技術案の前記低温冷却システム2は、コンプレッサー冷却、半導体冷却、液体窒素冷却、ドライ・アイス冷却、熱音響冷却、化学冷却、磁気冷却、吸着式冷却、パルス管冷却または太陽エネルギー冷却を採用してもよいし、また、パイプ内の温度より低い気体または冷却液体を輸送する、或いは消音器シェル1のパイプの外壁に氷層で形成された冷端（cold side低温側）を覆うことを採用してもよい。
なお、前記各低温冷却システムはそれぞれの構造については、以下のとおりである：
前記コンプレッサー冷却を採用した前記低温冷却システムは、コンプレッサー10、凝縮器11、蒸発器12とレシーバー・ドライヤー（receiver drier）5を備え、ここで、蒸発器12のパイプは消音器パイプの外壁に巻き付けられ、コンプレッサー冷却を採用した前記低温冷却システムは温度制御装置3と接続され、前記温度制御装置は膨張弁6と毛細管バルブ（capillary pipe bulb）7を備える。
前記半導体冷却を採用した前記低温冷却システムは、セラミック絶縁板13、金属導体14、N型とP型半導体15及び直流電源16を備え、接続された後にそれぞれ冷端（cold side低温側）17と熱端（hot side高温側）（18）を形成し、ここで、冷端（cold side低温側）17が消音器シェル1の外壁に貼り付けられて、温度制御装置（3）はヒートシンクによる放熱、扇風機による放熱、空冷または水冷の方法を採用して放熱を制御し、半導体冷却ピース（semiconductor refrigeration piece）を消音器パイプの外壁に貼り付けて、半導体冷却ピース（semiconductor refrigeration piece）の熱端（hot side高温側）の放熱状況を制御することによって消音器シェル1の外壁の温度を制御する。
前記液体窒素冷却を採用した前記低温冷却システムは、液体窒素用デュワー瓶19、常温の窒素瓶39とパイプクーラー20を備え、液体窒素と常温窒素をパイプクーラー20の中に入れて混合し、消音器シェル1の外壁に前記パイプクーラー20を覆って、温度制御装置3の流量計に電源を入れて、液体窒素と常温窒素の流量を制御することによってシェル1の外壁の温度を制御する。
前記磁気冷却を採用した前記低温冷却システムは、磁気作業物質27、磁気のN極25、磁気のS極26、放熱器28とパイプクーラー20を備え、前記磁気作業物質27は高温区23で等温磁化して放熱して、放熱器28により熱量を導き出して、低温区24で断熱消磁して、熱量を吸収し、パイプクーラー20が磁気作業物質27の低温区に配置されて、磁気作業物質27の断熱消磁により熱量を吸収して、冷端（cold side低温側）を形成して消音器シェル1の外壁に覆う。
前記熱音響冷却を採用した前記低温冷却システムは定在波型熱音響冷凍機、進行波型熱音響冷凍機、スターリング（Stirling）冷凍機またはパルス管冷凍機であり、熱音響冷却の原理によって高温の熱交換器30で放熱して、低温の熱交換器31で熱量を吸収して、冷端（cold side低温側）を形成して、低温の熱交換器31をパイプクーラー20と連通して、前記パイプクーラー20を消音器シェル1の外壁に覆う；前記定在波型熱音響冷凍機は、音響発生器29、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32、空洞共振器33とパイプクーラー20を備え；前記進行波型熱音響冷凍機は、音響発生器29、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32、進行波型音導管34とパイプクーラー20を備え；前記スターリング（Stirling）冷凍機は、音響発生器29、音響吸収器35、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32とパイプクーラー20を備え；前記パルス管冷凍機は、音響発生器29、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32、ガスタンク36、バルブ（valve）37、パルス管38とパイプクーラー20を備える。
前記熱音響冷却システムは定在波型熱音響冷凍機、進行波型熱音響冷凍機、スターリング（Stirling）冷凍機またはパルス管冷凍機であり、熱音響冷却の原理によって高温の熱交換器30で放熱して、低温の熱交換器31で熱量を吸収して、冷端（cold side低温側）を形成して、低温の熱交換器31をパイプクーラー20と連通して、前記パイプクーラー20を消音器シェル1の外壁に覆う；前記定在波型熱音響冷凍機は、音響発生器29、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32、空洞共振器33とパイプクーラー20を備え；前記進行波型熱音響冷凍機は、音響発生器29、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32、進行波型音導管34とパイプクーラー20を備え；前記スターリング（Stirling）冷凍機は、音響発生器29、音響吸収器35、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32とパイプクーラー20を備え；前記パルス管冷凍機は、音響発生器29、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32、ガスタンク36、バルブ（valve）37、パルス管38とパイプクーラー20を備える。
前記パイプ内の温度より低い気体または冷却された液体をパイプクーラー20に入れて、パイプクーラーを消音器シェル1の外壁に覆って冷端（cold side低温側）を形成する。
前記氷層は、氷またはドライ・アイスをパイプクーラー20の中に充填して形成され、該パイプクーラーを消音器シェル1の外壁に覆って、氷とドライ・アイス自身の物理特性を利用して冷端（cold side低温側）を提供する。
本発明は、既存の消音器パイプの外壁に低温冷却システムを配置することにより、消音器パイプ壁の内外に温度勾配を形成して、壁内温度を壁外温度より高くさせる。フェルマーの原理によって、温度勾配を利用してパイプ壁内の音線を低温冷却システムが配置された消音器パイプの外壁方向に偏向させて、より多くの音線をすれすれ入射形式でなくて、斜め入射する形式で消音器の裏張りされた吸音構造に入れて、消音器の吸音能力をより一層発揮されて、消音器の内部で励起された音響学的固有振動モードの幅を下げて、そして音線偏向理論に基づく消音器を提供する。
本発明の音線偏向理論に基づく消音器は、ダクト消音器を採用し、消音器シェルの内壁に所定厚さの吸音構造を敷設する。消音器シェルの外壁に低温冷却システムを配置する。低温冷却システムは、コンプレッサー冷却、半導体冷却、液体窒素冷却、ドライ・アイス冷却、熱音響冷却、化学冷却、磁気冷却、吸着式冷却、パルス管冷却または太陽エネルギー冷却を採用してもよいし、また、周囲環境で既存の冷却システムを利用して、パイプ内の温度より低い気体または冷却液体を輸送して、或いは、消音器シェルのパイプの外壁に氷層を覆うことで冷端（cold side低温側）を形成する方法を採用してもよい。低温冷却システムにコンプレッサー冷却を採用する場合には、蒸発器のパイプを消音器パイプの外壁に巻き付けることができる。半導体冷却を採用する場合には、半導体冷却ピース（semiconductor refrigeration piece）を消音器パイプの外壁に貼り付けることができる。液体窒素とドライ・アイス冷却を採用する場合には、液体窒素とドライ・アイスを熱交換器の中に充填して、そして消音器パイプの外壁に覆うことができる。温度制御装置により低温冷却システムの温度を調節して、消音器の内外の温度勾配を設定する。消音器パイプ壁の内部温度を壁外部より高くさせる。消音器パイプ壁の内外に温度勾配を形成して、音線を消音器内壁の吸音構造に偏向させて、吸音構造の吸音性能を有効に発揮させて、吸音構造の吸音量を増加させ、吸音構造を前の“欠飽和”状態から“飽和、過飽和”状態になるようにする。同時に、音線が偏向しているので、すれすれ入射された音波の入射角が大きくなって、吸音構造の吸音係数を高めて、吸音量を増加させる。
そして、本発明は、“コールドトラップ”を採用して騒音をキャッチして騒音を低減させる方法、つまり、温度勾配、音線の偏向に基づく低温冷却システムを有する消音器を提供する。該新しい消音器はダクト消音器、低温冷却システムと温度制御装置を備え、ダクト消音器の内壁に吸音構造を敷設して、ダクト消音器の外壁に低温冷却システムを配置し、冷却システムは吸音構造の裏板の壁面温度を下げて、消音器の吸音構造内で比較的に高温から比較的に低温までの温度勾配を形成して、低温冷却システムの冷端（cold side低温側）が生成した温度勾配を利用して、パイプ内で音線を偏向させて、より多くの音波の成分を斜めに吸音構造内に入射させるので、吸音構造は、低温冷却システムの冷端（cold side低温側）により、より多くの騒音を“キャッチ”することができて、騒音をその表面からさっと過ぎさせることではなくて、このように、吸音構造の潜在能力を十分に利用することができるので、その吸音能力を充実に発揮させて、吸音性能を高めて、消音器の消音能力を“欠飽和”状態から“飽和、過飽和”状態にして、吸音構造の吸音効果をより一層高めて、既定消音器の元消音量を基に、超過量の消音量を発生させる。
本発明の音線偏向理論に基づく消音器は、航空機ターボファンエンジンのナセルの消音設計に用いても良いし、ヘリコプターのターボシャフトエンジンのダクト（duct）の吸音処理および低温冷却システムと冷端（cold side低温側）を容易に配置されるパイプ消音に用いてもいい。音線偏向理論に基づく低温冷却システムを有する消音器が航空機ターボファンエンジンのナセルの消音設計に応用した場合に、エネルギーを節約するために、航空機の飛び立ち、降りる段階のみで低温冷却システムをスタートさせてもいいし（巡航段階では低温冷却システムを閉める）、これにより、航空機ターボファンエンジンのナセルの消音構造の消音量を著しく増大させて、いっそう効果的に空港の周囲環境の騒音を制御することに期待されて、航行の要求を満足させる。
本発明の効果：音線偏向理論に基づいて既存のダクト消音器の消音量をさらに高める。また、本発明は既存のダクト消音器に対して改造したものであるので、既存の消音器パイプの外壁に低温冷却システムのみを配置する方法であるため、配置が簡単で、普及に有利である。つまり、本発明は既存の消音器の構造に低温冷却システムのみを配置し、消音器の全体的な構造をあまり変えないので、改造の難度とコストを低減することができる。
本発明に係わる低温冷却システムを有する消音器の概略図である。 昼間温度が高さにより少しずつ下がる状況での音線偏向の説明図である。 夜間温度が高さにより少しずつ上がる状況での音線偏向の説明図である。 本発明に係わる消音器の外で100mm厚氷を覆う、管束穴あき板複合共振吸音構造の概略図である。 本発明に係わる消音器の外で100mm厚氷を覆っていると氷を覆っていない状況で挿入損失を測量した結果である。 本発明に係わる軸流ファン入口に高温の煙を入れて、消音器の外で100mm厚氷を覆っていると氷を覆っていない状況で挿入損失を測量した結果である。 本発明において、コンプレッサーを冷却システムとした消音器の一実施例の構造概略図である。 本発明において、半導体冷却システムを利用して製作された消音器の実施例の構造概略図である。 本発明に係わる液体窒素冷却システムを有する消音器の実施例の構造概略図である。 本発明において、周囲の環境に既存の冷却システムを利用して消音器シェルの外壁にパイプ内の温度より低い気体を輸送する説明図である。 本発明に係わる磁気冷却システムを有する消音器の実施例の構造概略図である。 本発明に係わる定在波型熱音響冷凍機の冷却システムを有する消音器の実施例の構造概略図である。 本発明に係わる進行波型熱音響冷凍機の冷却システムを有する消音器の実施例の構造概略図である。 本発明に係わるStirling熱音響冷凍機の冷却システムを有する消音器の実施例の構造概略図である。 本発明に係わるパルス管熱音響冷凍機の冷却システムを有する消音器の実施例の構造概略図である。 本発明に係わる微細スリット吸音構造の底部に氷が張る構造の概略図である。 本発明に係わる微細スリット吸音構造の底部に氷が張っている状況での定在波型パイプの吸音特性を測量した結果である。 本発明に係わる冷却システムを有する消音器における、その冷却システムの覆う面積が100%の状況の説明図である。 本発明に係わる冷却システムを有する消音器における、その冷却システムの覆う面積が5%の状況の説明図である。
以下、図面及び実施例を参照して本発明について詳しく説明する。
本発明は音線偏向理論に基づく消音器を提供する。図面1に示すように、該消音器は消音器シェル1、低温冷却システム2及び温度制御装置3を備え、消音器シェル1の内壁には、ある程度厚さ（1-1000 mm）の吸音構造4を敷設して、消音器シェル1の外壁に低温冷却システム2を配置する。低温冷却システム2は、コンプレッサー冷却、半導体冷却、液体窒素冷却、ドライ・アイス冷却、熱音響冷却、化学冷却、磁気冷却、吸着式冷却、パルス管冷却または太陽エネルギー冷却を採用し、また、周囲環境に既存の冷却システムを利用してパイプ内の温度より低い気体を輸送する、或いは、消音器シェル1のパイプの外壁に氷層を覆うことによって冷端（cold side低温側）を提供することを採用してもよい。低温冷却システム2のパイプは少なくとも気流パイプの外壁面積の5%を覆うべきである。本発明における低温冷却システム2が消音器に配置されて、気流パイプ内の高温に対して比較的に大きい（1〜2000℃）温度勾配を形成して、フェルマーの原理によって、音線を時間消費が最も短く最も速いパスに沿って伝播させて、音線を冷端（cold side低温側）に向かってつまり気流パイプ内壁の吸音構造で偏向させ、消音器パイプ内で消音器の吸音構造と接触しなくてすれすれの音線が少なくなって、より多くの音線を斜め入射する形式で吸音構造に入れるので、吸音構造の吸音能力をより一層有効的に発揮されて、パイプ内の騒音の有効的な吸収を強めて、パイプ内で励起された音響学的固有振動モードの幅を下げて、消音器の消音量を増やして、放射騒音を低減させる。気流パイプ内の温度は常温または高温でも良い。温度が高いほど、相対的に温度勾配が大きくなり、音線が偏向される量も多くなり、これにより、既存の吸音構造の吸音能力をより一層有効的に発揮させる。
実施例１
図面4に示すように、本実施例に製作された音線偏向理論に基づく低温冷却システムを有する消音器は、消音器シェル1、吸音構造4及び低温冷却システム２から構成される。本実施例では、吸音構造4は、表面に吸音綿が積層された管束微細スリット穴あき板共振型吸音装置を採用する。該消音器シェル1の外壁に一層の100mm厚い氷層2’を塗って低温冷却システム2としている。さらに消音器シェル1の内壁に前記管束穴あき板複合共振吸音構造4’を敷設する。軸流ファンの出口の消音器シェル1に100mm厚さの氷層2’を覆う処理を行った後に、100mm厚さの氷層2’を覆う処理による挿入損失に対して実際的な測定を行った。実験のパラメーターは次の通りである：
実験のパラメーター：環境温度12℃、ファンの風量8000m3/h、風圧200Pa、風速12.7m/s、消音器内部ダクトのサイズ0.7m＊0.25m、長さ1m。消音器1は管束穴あき板複合共振吸音構造を採用し、ここで：吸音綿の厚さ100mm、単位重量32Kg/m3、管束長さ10mm、管径1.6mm、パンチング率3.6%、スリットの長さ3.6mm、スリットの幅0.04mm、ハウジングの深さ100mm。
測定の結果は図面5及び表1に示す。
図面5と表1の結果から：冷端（cold side低温側）で形成された温度勾配が音線の偏向を生じて、そしてこの音線の偏向による挿入損失は、315Hz-20KHz周波数の範囲で1.5-6.7dBであり、100Hz-200Hz周波数の範囲で0.5-2.2dBである。従って、100mm厚さの氷層を覆う処理による挿入損失は3.1dBAである。
それ以外に、軸流ファンの入り口で煙を発生した場合に、消音器内部の煙温度は65℃まで上昇して、この状況で、消音器の外壁に100mm厚さの氷層を覆う処理を行って、そして100mm厚さの氷層を覆う処理による挿入損失に対して実際的な測定を行って、環境温度は12℃であり、測定の結果は図面6及び表2に示す。
図面6と表2の結果を見ると：軸流ファンの入口で煙を発生した場合は、100mm厚さの氷層の冷端（cold side低温側）で形成された温度勾配が音線を偏向させて、そしてこの音線の偏向による挿入損失は、20Hz-400Hz周波数の範囲で7.1-18.3dBであり、500Hz-800Hz周波数の範囲で2.4-6.7dBであり、1KHz周波数の範囲以上は-2.4-0.4dBある程度の増加がある。この結果から、軸流ファンの入口で煙を発生した場合に、100mm厚さの氷層を覆う処理による挿入損失は5.2dBAである。従って、消音器の中心と外壁の間の温度勾配が高くなるので、より多くの音線を消音器の内壁の吸音構造に偏向させて、消音器の消音潜在エネルギーがさらに発揮されて、消音量を高める。
100mm厚さの氷層を覆う処理の冷端（cold side低温側）で形成された温度勾配（0-12℃と0-65℃）が大きくないが、それによる付加の消音量は3.1-5.2dBAまでに達する。理論の分析により：温度勾配が大きくなるほど、音線の偏向程度も高くなり、消音器の吸音構造に斜めに入射された音波の成分も多くなって、このように消音器の吸音潜在エネルギーがさらに発揮される。
本発明の消音器はダクト消音器、低温冷却システム及び温度制御装置を備え、ダクト消音器の内壁に吸音構造を敷設して、ダクト消音器の外壁に低温冷却システムを配置して、消音器の吸音構造内で比較的に高温から比較的に低温までの温度勾配を形成させて、低温冷却システムの冷端（cold side低温側）で形成された温度勾配を利用して、パイプ内で音線を偏向させて、より多くの音波の成分を斜めに吸音構造内に入射させるので、吸音構造は、低温冷却システムの冷端（cold side低温側）により、より多くの騒音を“キャッチ”することができて、騒音をその表面からさっと過ぎさせることがなくて、このように、吸音構造の潜在能力を十分に利用されるので、その吸音能力を充実に発揮させて、吸音性能を高めて、消音器の消音能力を“欠飽和”状態から“飽和、過飽和”状態にならせて、吸音構造の吸音効果をより一層高めて、既定消音器の元消音量をもとに、超過量の消音量を発生させる。この技術を温度勾配が千度以上に達する航空機エンジンの消音ナセルの設計に応用すれば、それによる騒音の軽減量は決して3-5デシベルのみではなく、その時、航空機エンジンの騒音軽減技術を新しいレベルに達成される。
実施例2
図面7に示すように、本実施例に製作された音線偏向理論に基づく低温冷却システムを有する消音器は、消音器シェル1、低温冷却システム2、温度制御装置3及び吸音構造4から構成され、消音器シェル1の外壁に低温冷却システム2を配置して、この冷却システムはコンプレッサー冷却を採用し、ここで、冷却システムがコンプレッサー10、凝縮器11、蒸発器12、低圧パイプ8、高圧パイプ9、レシーバー・ドライヤー（receiver drier）5から構成される。温度制御装置3は本領域で通用の温度制御装置であり、つまり温度制御装置3は膨張弁6、毛細管バルブ（capillary pipe bulb）7から構成される。蒸発器12は消音器パイプの外壁に巻き付いて熱量を吸収して、冷却システム2と温度制御装置3により温度勾配の定量制御を実現する。
消音器シェル1の内壁に吸音構造4を敷設する。本実施例の消音器パイプの内壁の吸音構造は、多孔質吸音材料でいいし、板振動型吸音構造、膜振動型吸音構造、穴あき板吸音構造、微細穿孔板吸音構造、微細スリット吸音構造、また、本発明の発明者が有する中国の特許番号：ZL00100641.Xの管束型穴あき板共振吸音装置および複合吸音構造であってもいい。
低温冷却システムの温度制御装置は消音器パイプの内壁と外壁の間に1-2000℃の温度勾配を有することに用いて、しかもパイプ内の温度をパイプの外壁の冷端（cold side低温側）の温度より高いであるべき。低温冷却システムは少なくとも消音器シェルの外壁の面積の5%を覆うべきである。
実施例3
図面8に示すように、本実施例に製作された音線偏向理論に基づく低温冷却システムを有する消音器は、消音器シェル1、低温冷却システム2"、温度制御装置3及び吸音構造4から構成され、消音器シェル1の外壁に低温冷却システム2"を配置して、この冷却システムは半導体冷却を採用して、ここで、半導体冷却システムは、セラミック絶縁板13、金属導体14、N型とP型半導体15、直流電源16から構成され、それぞれ冷端（cold side低温側）17と熱端（hot side高温側）18を形成する。
温度制御装置3は、一般的なヒートシンクによる放熱、扇風機による放熱を採用してよいし、また空冷、水冷などの方法を採用して放熱を制御することもできる。半導体冷却ピース（semiconductor refrigeration piece）を消音器パイプの外壁に貼り付けて、冷却システムと温度制御装置により温度勾配の定量制御を実現する。消音器シェル1の内壁に吸音構造4を敷設する。本実施例の低温冷却システムは半導体冷却を採用して、半導体冷却ピース（semiconductor refrigeration piece）、つまり冷端（cold side低温側）17を消音器パイプの外壁に貼り付けることができる。その他は実施例2と同様である。
実施例4
図面9に示すように、本実施例に製作された音線偏向理論に基づく低温冷却システムを有する消音器は、消音器シェル1、低温冷却システム2、温度制御装置3及び吸音構造4から構成され、消音器シェル1の外壁に低温冷却システム2を配置して、この冷却システムは液体窒素冷却を採用する。ここで、低温冷却システムは液体窒素用デュワー瓶19、パイプクーラー20から構成され、温度制御装置は制御弁を採用して、バルブ（valve）を利用して液体窒素用デュワー瓶19と窒素瓶39内の窒素の圧力およびパイプクーラー20に流入された液体窒素と常温窒素の流量を制御して温度の定量制御を実現する。消音器シェル1の内壁に吸音構造4を敷設する。
本実施例の冷却システムは液体窒素冷却を採用して、前記液体窒素と常温窒素をパイプクーラー20の中に通して、パイプクーラー20の中で混合して、そして前記消音器シェル1の外壁に前記パイプクーラー20を覆う；温度制御装置3は、液体窒素用デュワー瓶19と常温窒素の窒素瓶39の流量を制御することにより、消音器シェル1の外壁の温度を制御する。その他は実施例2と同様である。
実施例5
図面10に示すように、本実施例に製作された音線偏向理論に基づく低温冷却システムを有する消音器は、消音器シェル1、低温冷却システム2、温度制御装置3及び吸音構造4から構成され、消音器シェル1の外壁に低温冷却システム2を配置して、本実施例の冷却システムは周囲環境に既存の冷却システムを利用して、消音器シェルの外壁にパイプ内の温度より低い気体または冷却する液体を輸送し、温度制御装置は制御弁を採用して、バルブ（valve）を利用してパイプクーラー20に流入されるパイプ内の温度より低い気体または冷却液体の流量を制御することによって、温度の定量制御が実現される。その他は実施例2と同様である。
実施例6
図面11に示すように、本実施例に製作された音線偏向理論に基づく低温冷却システムを有する消音器は、消音器シェル1、低温冷却システム2、温度制御装置3及び吸音構造4から構成され、消音器シェル1の外壁に低温冷却システム2を配置して、本実施例の冷却システムは磁気冷却を採用して、磁気作業物質27、磁気のN極25、磁気のS極26、放熱器28とパイプクーラー20などから構成され、磁気作業物質27が高温区23で等温磁気されて、放熱して、放熱器28により熱量を導き出して、低温区24で断熱消磁されて、熱量を吸収して、熱交換器を磁気作業物質27の低温区に配置して、磁気作業物質27の断熱消磁により熱量を吸収して、冷端（cold side低温側）を形成して、パイプクーラー20により消音器の外壁の温度を下げる。その他は実施例2と同様である。
実施例7
図面12、図面13、図面14と図面15に示すように、本実施例に製作された音線偏向理論に基づく低温冷却システムを有する消音器は、消音器シェル1、低温冷却システム2、温度制御装置3及び吸音構造4から構成され、消音器シェル1の外壁に低温冷却システム2を配置して、本実施例の冷却システムは熱音響冷却を採用して、それぞれは定在波型熱音響冷凍機、進行波型熱音響冷凍機、スターリング（Stirling）冷凍機、パルス管冷凍機を採用する。図面12に示すように、定在波型熱音響冷凍機は、音響発生器29、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32、空洞共振器33とパイプクーラー20から構成される。図面13に示すように、進行波型熱音響冷凍機は、音響発生器29、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32、進行波型音響の導管34とパイプクーラー20から構成される。図面14に示すように、スターリング（Stirling）冷凍機は、音響発生器29、音響吸収器35、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32とパイプクーラー20から構成される。図面15に示すように、パルス管冷凍機は、音響発生器29、高温の熱交換器30、低温の熱交換器31、復熱器32、ガスタンク36、バルブ（valve）37、パルス管38とパイプクーラー20から構成される。
熱音響冷却の原理によって高温の熱交換器30で放熱して、低温の熱交換器31で熱量を吸収して、冷端（cold side低温側）を形成して、パイプクーラー20により消音器の外壁の温度を下げる。その他は実施例2と同様である。
実施例8
図面16に示すように、微細スリット吸音構造の底部に氷を張る処理を行う。底部に氷塊22を有する微細スリット吸音構造21を冷凍室に放置して10時間以上冷凍し、氷塊22が凍結されて微細スリット吸音構造21の底部に固定され、氷を張った状況での微細スリット吸音構造21が製造される。
微細スリット吸音構造21の構造パラメーターは、スリットの長さ：1.8mm、スリットの幅：0.03 mm、スリットの間隔：5mm、板の厚さ：0.8mm、ハウジングの深さ298mm、氷の厚さ42mmである。氷塊は微細スリット吸音構造の底部に凍結されて固定され、底部に氷を張った微細スリット吸音構造を定在波型パイプのテストサイドに固定する。
本実施例は底部に氷が張る微細スリット吸音構造を製造して、定在波型パイプで微細スリット吸音構造に対して正入射吸音性能のテストを行った。微細スリット吸音構造の底部に氷を張る処理の前後に、微細スリット吸音構造の正入射吸音係数は、図面17に示した。125Hz、160Hzと200Hzで、底部に氷を張る処理をした後の微細スリット吸音構造の吸音係数は、それぞれ前の0.410、0.400、0.420から0.685、0.720と0.620に上がって、そして125Hz〜400Hzの低い周波数の段内で、底部に氷を張る処理をした後の微細スリット吸音構造の吸音係数は、それぞれ氷を張る処理をしない場合より0.1〜0.3高くて、そして800Hz〜1600Hz周波数で、底部に氷を張る状況での吸音係数も氷を張っていない状況と比べて、ある程度高まる。
本実施例は微細スリット吸音構造の底部に氷を張る処理の前後に吸音係数の比較から容易に得る。微細スリット吸音構造に対して底部に氷を張る処理をした後に、低い周波数の吸音係数だけが明らかに高まるのではなくて、中間周波数の吸音係数もある程度高まって、ブロードバンドの騒音を有効に抑えて、全体の周波帯の吸音量を高めた。
実施例9
図面18と19に示すように、本実施例に製作された音線偏向理論に基づく低温冷却システムを有する消音器は、それぞれ消音器シェルの外壁に低温冷却システムを配置して、それらは消音器の表面面積の5%と100%を占めている。実際の利用には、必要によって5%-100%の範囲内でカバー面積を選択することができる。
上述したことにより、本発明の音線偏向理論に基づく消音器は、その本質は、温度勾配によって生じた“コールドトラップ”に発生した音線偏向を利用して最大限度に騒音をキャッチして低減させる。同時に既存の消音器の吸音構造の吸音潜在エネルギーを十分に発揮して、温度勾配、音線偏向に基づく低温冷却システムを有する騒音の軽減技術である。
その特徴は温度勾配を１つの設計パラメーターとして人為的に消音器の構造設計に取り入れて、既存の消音器の消音能力がすでに飽和していた状況で、消音器の外壁に低温冷却システムを配置することにより、それが低温冷却システムを有する冷端（cold side低温側）の消音器となって、新たの温度勾配を発生させ、そして温度勾配を利用して壁内の音線を冷端（cold side低温側）に偏向させ、つまり気流パイプの内壁の吸音構造で偏向させて、消音器パイプ内で消音器の吸音構造と接触しないでさっと過ぎる音波の成分を減らし、より多くの音波の成分を消音器の裏張りされた吸音構造内へ斜め入射させて、それによって消音器の吸音構造の吸音潜在エネルギーを更に有効に発揮させて、パイプ内で騒音の有効的な吸収を強めて、パイプ内で励起された音響学的固有振動モードの幅を下げて、消音器の消音量を増大して、パイプ内から外に放射する騒音を低減させる。
気流パイプ内の温度が高いほど、相対の温度勾配が大きくなって、音線を偏向している成分も多くなる、このように既存の吸音構造の吸音潜在エネルギーを十分に発揮させることに有利である。この消音器は低温冷却システムの冷端（cold side低温側）の温度を調節することによって、温度勾配の定量制御を実現し、消音器の消音量をさらに高めて、吸音周波帯をより合理化する。同時にこの方法は既存のダクト消音器を改良したものであるので、基本的に既存の消音器の構造を変更しない状況で、消音器パイプの外壁に低温冷却システムを配置する方法により、超過量の消音量を提供する。
実施例1と実施例8の実験結果からすでに、“コールドトラップ”を利用して騒音をキャッチして低減させる方法、つまり、温度勾配、音線偏向に基づく低温冷却システムを有する騒音の軽減技術の実行可能性と騒音軽減の有効性が明らかになった。
一方で、冷端（cold side低温側）で形成された温度勾配により、音線を偏向させて付加の消音量を引き起こされるので、既存の消音器がまだ一定の消音潜在能力を備えていると証明され、冷端（cold side低温側）で形成された温度勾配によって、パイプ内の音線を偏向させて、これらの騒音軽減の潜在能力を発揮された；もう一方で、たとえ垂直に入射された場合にしても、冷端（cold side低温側）の吸音構造の吸音性能も一定程度に高める。温度勾配の効果で、冷端（cold side低温側）の温度により一部の垂直に入射された音波が反射されて“逃避”しにくくて、再び吸音構造に入れて、再度吸音処理を受けられる。
低温冷却システムの冷端（cold side低温側）の形成方式(低温冷却システムは専用のコンプレッサー冷却、半導体冷却、液体窒素冷却、ドライ・アイス冷却、熱音響冷却、化学冷却、磁気冷却、吸着式冷却、パルス管冷却、太陽エネルギー冷却を採用していいし、周囲の環境に既存の冷却システムによって輸送されたパイプ内の温度より低い気体または冷却する液体を利用してもよい、また消音器シェルの外壁に氷層を覆って冷端（cold side低温側）を提供する方法などを採用しても良い）と配置方式を合理化的に選択と変更することによって、大幅に騒音を減らす需要に満足する及び使用環境が許可の冷端（cold side低温側）の温度勾配を形成して、異なる騒音制御場所の要求を満足させることができる。
本発明は航空機エンジンナセルの消音、ヘリコプターのターボシャフトエンジンの消音ダクト（duct）、ガスタービンなどの排気管システム、及び、その他の冷端（cold side低温側）の低温冷却システムを提供される環境条件に応用することができる。
本発明は航空機エンジンナセルの消音、ヘリコプターのターボシャフトエンジンの消音ダクト（duct）、ガスタービンなどの排気管システム、及び、その他の冷端（cold side低温側）の低温冷却システムを提供される環境条件に応用することができる。
最後に説明するべきのは、以上の実施例が本発明の技術案を説明するために用いられるものであり、制限したものではない。実施例を参照して本発明に対して詳しい説明を行ったが、本領域の普通の技術者は理解するべきで、本発明の技術案に対して行った改正および入れ替えは、すべて本発明技術案の精神と範囲から離れなく、それがすべて本発明の権利の請求範囲内であるべき。
1 消音器シェル 2 低温冷却システム
2' 100mm厚さの氷層
2'' 半導体冷却システム
3 温度制御装置 4 吸音構造
4' 管束穴あき板共振吸音構造
5 レシーバー・ドライヤー（receiver drier） 6 膨張弁
7 毛細管バルブ（capillary pipe bulb） 8 低圧パイプ
9 高圧パイプ 10 コンプレッサー
11 凝縮器 12 蒸発器
13 セラミック絶縁板 14 金属導体
15 N型とP型半導体 16 直流電源
17 冷端（cold side低温側） 18 熱端（hot side高温側）
19 液体窒素用デュワー瓶 20 パイプクーラー
21 微細スリット吸音構造 22 氷
23 高温区 24 低温区
25 磁気のN極 26 磁気のS極
27 磁気作業物質 28 放熱器
29 音響発生器 30 高温の熱交換器
31 低温の熱交換器 32 復熱器
33 空洞共振器 34 進行波型音響の導管
35 音響吸収器 36 ガスタンク
37 バルブ（valve） 38 パルス管
39 窒素瓶

Claims (16)

  1. 音線偏向理論に基づく消音方法であって、
    フェルマーの原理によって、消音器パイプの外壁に低温冷却システムを配置することにより、消音器ハウジングの内外で壁内温度が壁外温度より高い温度勾配を形成して、温度勾配を利用して壁内の音線を低温の消音器パイプの外壁方向に偏向させて、より多くの音線を消音器の裏張りされた吸音構造に斜め入射させて、すれすれ入射された音波の入射角を大きくして、吸音構造の吸音係数を高めて、パイプ内騒音の有効吸収を強めて、消音器の消音量を増やして放射騒音を低減させることを特徴とする消音方法。
  2. 前記低温冷却システムは、少なくとも消音器パイプの外壁面積の5%を覆うべきである、
    ことを特徴とする請求項１に記載の音線偏向理論に基づく消音方法。
  3. 音線偏向理論に基づく消音器であって、
    消音器シェルを備え、
    前記消音器シェル（1）の内壁には吸音構造（4）を敷設している、
    前記消音器シェル（1）の外壁に吸音構造（4）と対応して低温冷却システム（2）を配置し、該低温冷却システム（2）は少なくとも消音器シェル（1）の外壁面積の5%を覆うべきである、
    ことを特徴とする音線偏向理論に基づく消音器。
  4. 前記低温冷却システム（2）は温度制御装置（3）と接続して温度勾配の定量制御を実現する、
    ことを特徴とする請求項３に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  5. 前記温度勾配の定量制御範囲は1〜2000℃であって、つまり消音器シェル（1）のパイプ内温度が消音器シェル（1）のパイプ外壁の冷端（cold side低温側）の温度より1〜2000℃高い、
    ことを特徴とする請求項４に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  6. 前記吸音構造（4）は、多孔質吸音材、板振動型吸音構造、膜振動型吸音構造、穴あき板吸音構造、微細穿孔板吸音構造、微細スリット吸音構造のいずれかである、
    ことを特徴とする請求項３に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  7. 前記消音器シェル（1）の横断面は、円形、楕円形または長方形である、
    ことを特徴とする請求項３に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  8. 前記吸音構造（4）の厚さは1〜1000mmである、
    ことを特徴とする請求項３に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  9. 前記低温冷却システム（2）は、コンプレッサー冷却、半導体冷却、液体窒素冷却、ドライ・アイス冷却、熱音響冷却、化学冷却、磁気冷却、吸着式冷却、パルス管冷却または太陽エネルギー冷却を採用してもよい、また、パイプ内の温度より低い気体または冷却液体を輸送、或いは氷層で形成された冷端（cold side低温側）を消音器シェル（1）のパイプの外壁を覆うことを採用してもよい、
    ことを特徴とする請求項３に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  10. 前記コンプレッサー冷却を採用した前記低温冷却システムは、コンプレッサー（10）、凝縮器（11）、蒸発器（12）とレシーバー・ドライヤー（receiver drier）（5）を備え、
    ここで、蒸発器（12）のパイプは消音器パイプの外壁に巻き付けられ、前記コンプレッサー冷却を採用した前記低温冷却システムは温度制御装置（3）と接続されており、前記温度制御装置は膨張弁（6）と毛細管バルブ（capillary pipe bulb）（7）を備える、
    ことを特徴とする請求項９に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  11. 前記半導体冷却を採用した前記低温冷却システムは、セラミック絶縁板（13）、金属導体（14）、N型とP型半導体（15）及び直流電源（16）を備え、接続された後にそれぞれ冷端（cold side低温側）（17）と熱端（hot side高温側）（18）を形成して、
    ここで、冷端（cold side低温側）（17）を消音器シェル（1）の外壁に貼り付けて、温度制御装置（3）がヒートシンクによる放熱、扇風機による放熱、空冷または水冷の方法を採用して放熱を制御し、半導体冷却ピース（semiconductor refrigeration piece）を消音器パイプの外壁に貼り付けて、半導体冷却ピースの熱端（hot side高温側）の放熱状況を制御することによって消音器シェル（1）の外壁温度を制御する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  12. 前記液体窒素冷却を採用した前記低温冷却システムは、液体窒素用デュワー瓶（19）、常温窒素瓶（39）とパイプクーラー（20）を備え、液体窒素と常温窒素をパイプクーラー（20）の中に入れて混合し、前記パイプクーラー（20）を消音器シェル（1）の外壁に覆って、温度制御装置（3）の流量計に電源を入れて、液体窒素と常温窒素の流量を制御することによってシェル（1）の外壁温度を制御する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  13. 前記磁気冷却を採用した前記低温冷却システムは、磁気作業物質（27）、磁気のN極（25）、磁気のS極（26）、放熱器（28）とパイプクーラー（20）を備え、前記磁気作業物質（27）が高温区（23）で等温磁化されて、放熱して、そして放熱器（28）により熱量を導き出して、低温区（24）で断熱消磁されて、熱量を吸収し、パイプクーラー（20）を磁気作業物質（27）の低温区に配置して、磁気作業物質（27）の断熱消磁により熱量を吸収して、冷端（cold side低温側）を形成して消音器シェル（1）の外壁に覆う、
    ことを特徴とする請求項９に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  14. 前記熱音響冷却を採用した前記低温冷却システムは、定在波型熱音響冷凍機、進行波型熱音響冷凍機、スターリング（Stirling）冷凍機またはパルス管冷凍機であり、熱音響冷却の原理によって高温の熱交換器（30）で放熱して、低温の熱交換器（31）で熱量を吸収して、冷端（cold side低温側）を形成して、低温の熱交換器（31）をパイプクーラー（20）と連通させて、消音器シェル（1）の外壁に前記パイプクーラー（20）を覆う、
    前記定在波型熱音響冷凍機は、音響発生器（29）、高温の熱交換器（30）、低温の熱交換器（31）、復熱器（32）、空洞共振器（33）とパイプクーラー（20）を備え、
    前記進行波型熱音響冷凍機は、音響発生器（29）、高温の熱交換器（30）、低温の熱交換器（31）、復熱器（32）、進行波型音導管（34）とパイプクーラー（20）を備え、
    前記スターリング（Stirling）冷凍機は、音響発生器（29）、音響吸収器（35）、高温の熱交換器（30）、低温の熱交換器（31）、復熱器（32）とパイプクーラー（20）を備え、
    前記パルス管冷凍機は、音響発生器（29）、高温の熱交換器（30）、低温の熱交換器（31）、復熱器（32）、ガスタンク（36）、バルブ（valve）（37）、パルス管（38）とパイプクーラー（20）を備える、
    ことを特徴とする請求項９に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  15. 前記パイプ内の温度より低い気体または冷却された液体をパイプクーラー（20）に入れて、消音器シェル（1）の外壁にパイプクーラーを覆って冷端（cold side低温側）を形成する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
  16. 前記氷層が、氷またはドライ・アイスをパイプクーラー（20）の中に充填して形成され、消音器シェル（1）の外壁に該パイプクーラーを覆って、氷とドライ・アイス自身の物理特性を利用して冷端（cold side低温側）を提供する、
    ことを特徴とする請求項９に記載の音線偏向理論に基づく消音器。
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