JP6822999B2 - 動翼騒音低減システム、飛行体、騒音低減システム - Google Patents
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Description
さらに、実施形態の騒音低減システムは、動翼平面の一方の面に対向する第1円周上に等間隔で配置された複数の第1スピーカと、前記動翼平面の他方の面に対向する第2円周上に等間隔で配置された複数の第2スピーカと、回転する複数の動翼から発生する騒音と、前記複数の第1スピーカおよび前記複数の第2スピーカから発せられる制御音と、を取得する1以上の評価マイクと、前記複数の第1スピーカにこれらに対応する複数の第1遅れ制御信号を入力するとともに、複数の第2スピーカにこれらに対応する複数の第2遅れ制御信号を入力する能動消音処理部と、を備える。
本実施形態の動翼騒音低減システム11では、例えば、飛行体12の軸流ファンやプロペラの近傍に設置される。本実施形態の動翼騒音低減システム11では、軸流ファンやプロペラにおいて、設置場所の制限等によって、動翼半径aに対してスピーカ半径bを近づけることができない場合、すなわち、動翼半径aとスピーカ半径bとの距離差b−aが大きくなってしまう場合を想定している。図2にこの状況をケース1_1として示す。
以下では、動翼13が回転軸14回りに回転することで動翼平面15が規定される。また、動翼平面15から第1スピーカ1が配置される第1円周16までの距離をh、動翼平面15から第2スピーカ2が配置される第2円周17までの距離をhとする。したがって、ケース1_1では、動翼平面15から第1円周16までの距離は、動翼平面15から第2円周17まで距離と等しい。ケース1_1では、b−aを一定として以下に検証を行った。
M=B×x+V×k・・・(*)
ここで、Bは動翼の羽根の枚数、xは対象とする騒音低減次数、Vは静翼の羽根の枚数、kは任意の整数である。上述の「Mmin」は、式(*)の最小値である。ケース1_1では、動翼半径をa、スピーカ半径をbとしたとき、b>aの関係となっている。図3では、基準となる1番目の第1スピーカを基準第1スピーカ1_1と表記し、基準第1スピーカ1_1に対して方位角が動翼13の回転方向(図3中の矢印)と同方向に所定角度ずれたものを第1スピーカ1_2とし、第1スピーカ1_2に対して方位角が動翼13の回転方向と同方向に所定角度ずれたものを第1スピーカ1_3とし、以下同様に、第1スピーカ1_4、第1スピーカ1_5、・・・と表記している。
M=B×x+V×k・・・(*)
ここで、Bは動翼の羽根の枚数、xは対象とする騒音低減次数、Vは静翼の羽根の枚数、kは任意の整数である。上述の「Mmin」は、式(*)の最小値である。第2スピーカ2の数は、第1スピーカ1の数と同数である。第2円周17においても、b>aの関係となっている。図3では、基準となる1番目の第2スピーカを基準第2スピーカ2_1と表記し、基準第2スピーカ2_1に対して方位角が動翼13の回転方向と同方向に所定角度ずれたものを第2スピーカ2_2とし、第2スピーカ2_2に対して方位角が動翼13の回転方向と同方向に所定角度ずれたものを第2スピーカ2_3とし、以下同様に、第2スピーカ2_4、第1スピーカ2_5、・・・と表記している。本実施形態では、複数の第2スピーカ2のそれぞれの方位角は、複数の第1スピーカ1のそれぞれの方位角と一致している。このため、回転軸14の延長方向(Z軸上の遠位の点)から見たときに、第2スピーカ2は、第1スピーカ1と重なる位置に設けられる。また、図3に示すように、所定の位置に評価マイクmを設置してもよい。
動翼枚数を2枚、動翼半径aを0.4m、動翼回転周期を40Hzとしたときにおける二重リング構成の動翼騒音低減システム11(騒音低減システム11´)の制御効果向上結果を示す(対象次数xは1)。なお、実施例1では、上記実施形態の基本性能を評価するために評価マイクmを用いずに、最適制御時の音響パワーの低減量を示す。
動翼枚数を3枚、動翼半径aを0.3m、動翼回転周期を60Hzとしたときにおける二重リング構成の動翼騒音低減システム11(騒音低減システム11´)の制御効果を示す(対象次数xは1)。なお、実施例2でも実施例1と同様に、上記実施形態の基本性能を評価するため評価マイクmを用いず、最適制御時の音響パワーの低減量を示す。
実施例1を一部変形した実施例1_2として、最適なhの設定に関する評価方法を示す。図7や図8の結果から最適なhを設定すれば一重リング(従来)の制御効果と比較し、低減効果向上が見られる。一方、hの設定によっては一重リングの結果よりも制御効果が悪化することがある。発明者らは、鋭意検討した結果、最適なhの導出するための方法を見出した。この方法では、評価関数J[dB]を最大にするhを求めることで、最適なhの値を求めることができる。評価関数Jは、
以下では、図11に示すように、動翼13が回転軸14回りに回転することで規定される動翼平面15から第1スピーカ1が配置される第1円周16までの距離をh、動翼平面15から第2スピーカ2が配置される第2円周17までの距離をhとする。動翼端22からスピーカ(第1スピーカ1、第2スピーカ2)までの距離をlとし、lを一定として以下に検証を行った。
動翼枚数を2枚、動翼半径aを0.4m、動翼回転周期を40Hzとしたときにおける二重リング構成の動翼騒音低減システム11(騒音低減システム11´)の制御効果を示す(対象次数xは1)。なお、実施例3では、上記実施形態の基本性能を評価するため評価マイクmは用いず、最適制御時の音響パワーの低減量を示す。
実施例3の変形として、実施例3における最適なhの設定方法を示す。図7などと異なりケース1_2では、制御効果が一重リング構成と比べ、悪化することはない。しかしながら、制御効果を最大限上げる最適なhを設定することが望まれる。一方、発明者らは、鋭意検討した結果、実施例1_2と同様の評価関数Jを用いて最適なhの導出できることを見出した。
以下の各実施例では、スピーカ(第1スピーカ、第2スピーカ)を動翼平面上に設置できない場合を扱う。実施形態の二重リング構成の動翼騒音低減システム11(騒音低減システム11´)の制御効果は、一重リング構成の制御効果との差から検証する。
動翼枚数を2枚、動翼半径aを0.4m、動翼回転周期を40Hzとしたときにおける二重リング構成の動翼騒音低減システム11(騒音低減システム11´)の制御効果向上結果を示す(対象次数xは1)。なお、実施例4では、本提案構成の基本性能を評価するため評価マイクmは用いず、最適制御時の音響パワーの低減量を示す。
上記{ケース1_1}、{ケース1_2}、{ケース2}を実際に実行するためには、(1)主音源体積速度を複数の評価マイクを用いて推定し、制御スピーカ(第1スピーカ、第2スピーカ)への出力を決定する方法と、(2)評価マイク(評価点)を設置しマイク信号を低減させることにより間接的に音響パワーを低減させる方法と、がある。以下の実施例5では、後者の適切な評価マイク(評価点)設置位置を設定した例を示す。実施例6では、前者の複数の評価マイクを用いる方法を示す。
図15に、本実施例の二重リング構成の動翼騒音低減システム11(騒音低減システム11´)の動翼13(リング音源)、第1スピーカ1、第2スピーカ2、および評価マイクmの位置関係を示す。本実施例では、動翼枚数を2枚とし、動翼半径aを0.4mとし、動翼回転周期を40Hzとした。評価マイクmは、1個である。また、上記実施例で動翼騒音低減システム11(二重リング構成)の制御効果が高かったスピーカ(第1スピーカ1、第2スピーカ2)半径b:0.56m、リング間距離をh(hは適当な定数)、動翼13の中心(主音源リングモデルの中心)からスピーカ(第1スピーカ1、第2スピーカ2)までの距離をrcとした。そして、動翼13の中心(主音源リングモデルの中心)から評価マイクmまで距離をrcよりも大きく、すなわち、rc+0.1m、rc+0.2m、rc+0.3m、・・・とした。また、本実施例では、評価マイクmの方位角φは、第1基準スピーカ1_1の方位角と同じに設定した。この場合の、評価マイクmの位置による制御効果の変動を図16に示す。なお、横軸は仰角θである。
ここで、
また、A、C、E、αi、βi、Lp、Lcは、上記評価関数J中のそれらと同じである。また、rは、2点間の距離であり、rpiは、i番目の音源(騒音源)から評価マイクmまでの距離であり、rs1iは、i番目の第1スピーカ1から評価マイクmまでの距離であり、rs2iは、i番目の第2スピーカ2から評価マイクmまでの距離である。kは波数である。
ここで、rtは評価半径であり、例えば遠方3mなどと設定する。φtは評価方位角であり、評価マイクmの設置方位角などとする。
これらの評価式の原理は下記となる。評価マイクmの位置(lm,θm,φm)にて動翼13から到来する音波と、制御スピーカつまり複数の第1スピーカ1と第2スピーカ2から到来する音波を一致させる上記式(4)が達成される比率k(θm)を決定する。上記比率を用いて、空間全体の騒音低減効果を現す、各評価位置(rt,θ,φt)(0 <= θ <= π/2 )における動翼13から到来する音圧と制御スピーカから到来する音圧に上記比率を乗じた値との差を加算した上記式(1)を最小化するθmを求めることにより、空間全体の騒音低減効果を達成可能となる。ここで、評価位置0 <= θ <= π/2 としているのは軸対称のためである。
(実施例5_2)
図18が、J2bのプロットであり、最小値が図16のピークと略一致しており、J2bが最小値を取る場合の仰角θが、適切な仰角となることがわかる。なお、上記は、本実施例の二重リング構成の場合を示したが、通常の一重リングでは、マイク仰角θmは、以下の評価関数J2b´を最小化する値として求めることができる。
ここで、実施例ではないが、比較例として、図19に示すように、不適切な方位角に評価マイクを設置した場合の制御効果について説明する。比較例では、評価マイクmの方位角を基準第1スピーカ1_1の方位角と、基準第1スピーカ1_1に隣接する第1スピーカ1_2の方位角と、の略中間に設定した。この場合には、図20に示すように、音響パワーの低減効果が大幅に悪化してしまう。これは、離散制御のスピーカ(スピーカリング)を用いているため、スピーカ同士の間では制御音圧が低下することによるものである。
上記{ケース1_1}、{ケース1_2}、{ケース2}を実際に実行するために、主音源体積速度を複数の評価マイクmを用いて推定し、制御スピーカへの出力を決定する方法がある。
実施例6にて、3個の評価マイクmをリング状に等間隔に配置した結果を図23に実線で示す。また図23において、実施例5の結果を一点鎖線で示す。図23に実線で示す結果から、実施例6では、動翼13の中心(主音源リングモデルの中心)から評価マイクmまでの距離を大きく(rc+0.2以上)としたとき、47dBよりも高い領域で、設定可能な仰角θの範囲が実施例5よりも広がっていることがわかる。この音響パワーの低減レベル47dBとは、一重リング構成の場合に得られる低減レベルであり、本実施例の二重リング構成の動翼騒音低減システム11(騒音低減システム11´)では、費用対効果の観点から47dBよりも高い低減レベルを取り得る範囲で仰角を設定することとなる。
すなわち、
この場合、
A、C、E、αi、βiは、上記実施例1_2中のそれらと同様である。また、rは、2点間の距離であり、rpjmjは、J番目の音源(騒音源)と、i番目の評価マイクと、の距離であり、rs1jmiは、J番目の第1スピーカと、i番目の評価マイクと、の距離であり、rs2jmiは、J番目の第2スピーカと、i番目の評価マイクと、の距離である。kは波数である。
(実施例6_2)
図24が、J2b (Lc=36)のプロットであり、最小値が図23のピークと略一致しており、J2bが最小値を取る場合の仰角θが、適切な仰角となることがわかる。正確な評価式は、以下である。すなわち、仰角θは、下記評価関数J3bを最小化する値としても求めることもできる。評価関数J3bは、
ここで、
本実施形態では、動翼騒音低減システム11(騒音低減システム11´)が、スピーカを二重リング構成とする点で上記実施形態と共通しているが、第2円周17上に配置される第2スピーカ2のそれぞれの方位角と、複数の第2スピーカ2に入力される複数の第2遅れ制御信号u1〜uLcと、が第1実施形態とは異なっている。本実施形態の動翼騒音低減システム11では、例えば、飛行体12の軸流ファンやプロペラの近傍に設置される。
実施例1の条件と同じ条件で、第1スピーカ1および第2スピーカ2の配置のみを実施例1から変更し、上記入れ子構造にした。第1スピーカ1の総数は、7個であり、第2スピーカ2の総数は、7個である。この結果を図27に示す。図27の結果から、第1実施例の図7に比べ音響パワーの低減効果が向上していることがわかる。なお、実施例7では、動翼騒音低減システム11(入れ子構造の二重リング構成)の基本性能を評価するために、評価マイクmを用いずに最適制御時の音響パワーの低減レベル[dB]を示した。
実施例1の条件と同じ条件を採用した。また、第1スピーカ1および第2スピーカ2の配置のみを実施例1から変更し、上記入れ子構造にした。本実施例では、さらに、第1スピーカ1の総数および第2スピーカ2の総数を低減しており、第1スピーカ1の総数は、6個であり、第2スピーカ2の総数は、6個である。この結果を図28に示す。本実施例では、実施例1の図7に示す効果と同等の音響パワーの低減効果を発揮できる。したがって、本実施例によれば、入れ子構造を採用することによって、実施例1に比して使用するスピーカの数を減らすことが可能となる。
本実施形態の動翼騒音低減システム11(騒音低減システム11´)では、動翼平面15上にリング状平板が設けられる点、複数の第2スピーカ2が省略されている点、で第1実施形態とは異なっている。本実施形態の動翼騒音低減システム11では、例えば、飛行体12の軸流ファンやプロペラの近傍に設置される。
Claims (11)
- 回転軸回りに回転可能な複数の動翼と、
前記回転軸回りに回転する前記複数の動翼で規定される動翼平面の一方の面に対向する第1円周上に第1基準点の方位角から第1角度ごとに配置された複数の第1スピーカと、
前記動翼平面の他方の面に対向する第2円周上に第2基準点の方位角から第2角度ごとに配置された複数の第2スピーカと、
回転する前記複数の動翼から発生する騒音と、前記複数の第1スピーカおよび前記複数の第2スピーカから発せられる制御音と、を取得する1以上の評価マイクと、
前記複数の第1スピーカのそれぞれに対応する複数の第1遅れ制御信号であって前記方位角に対する方位角のずれ量に応じて遅延させた第1遅れ制御信号を入力するとともに、前記複数の第2スピーカのそれぞれに対応する複数の第2遅れ制御信号であって前記方位角に対する方位角のずれ量に応じて遅延させた第2遅れ制御信号を入力する能動消音処理部と、
を備え、
前記第1角度と前記第2角度は、複数の第1スピーカと前記第2スピーカとが前記動翼平面に関して対称の位置からずれて配置されるように、前記第1基準点および前記第2基準点と前記第1角度及び前記第2角度とが設定される動翼騒音低減システム。 - 前記動翼平面から前記第1円周までの距離は、前記動翼平面から前記第2円周まで距離と等しい請求項1に記載の動翼騒音低減システム。
- 回転軸回りに回転可能な複数の動翼と、
前記回転軸回りに回転する前記複数の動翼で規定される動翼平面の一方の面に対向する第1円周上に等間隔で配置された複数の第1スピーカと、
前記動翼平面の他方の面に対向する第2円周上に等間隔で配置された複数の第2スピーカと、
回転する前記複数の動翼から発生する騒音と、前記複数の第1スピーカおよび前記複数の第2スピーカから発せられる制御音と、を取得する1以上の評価マイクと、
前記複数の第1スピーカのそれぞれに対応する複数の第1遅れ制御信号を入力するとともに、前記複数の第2スピーカのそれぞれに対応する複数の第2遅れ制御信号を入力する能動消音処理部と、
を備え、
複数の第1スピーカは、1つの基準第1スピーカを含み、
複数の第2スピーカは、1つの基準第2スピーカを含み、
前記能動消音処理部は、制御信号を生成し、前記基準第1スピーカの方位角に対する方位角のずれ量に応じて前記制御信号を所定時間遅れさせた前記第1遅れ制御信号を前記第1スピーカごとに複数生成するとともに、前記基準第2スピーカの方位角に対する方位角のずれ量に応じて前記制御信号を所定時間遅れさせた前記第2遅れ制御信号を前記第2スピーカごとに複数生成し、
前記複数の第2スピーカのそれぞれの方位角は、前記複数の第1スピーカのそれぞれの方位角から位置ずれし、
前記複数の第2スピーカに含まれるそれぞれの第2スピーカは、前記複数の第1スピーカに含まれ且つ当該第2スピーカに対応する第1スピーカと、当該第1スピーカに隣接し且つ前記複数の第1スピーカに含まれる他の第1スピーカと、の略中間に位置する方位角で配置される動翼騒音低減システム。 - 前記動翼平面から前記第1円周までの距離hは、
この場合、
Lpは音源の数であり、Lcは前記スピーカの数であり、kは波数であり、dは2点間の距離であり、M=Bxであり、Bは前記動翼の数で、xは次数である請求項1または3に記載の動翼騒音低減システム。 - 前記評価マイクは、1個であり、
前記評価マイクの仰角θは、
この場合、
rpiは前記評価マイクからi番目の音源までの距離であり、rs1iは前記評価マイクからi番目の前記第1スピーカまでの距離であり、rs2iは前記評価マイクからi番目の前記第2スピーカまでの距離であり、Lpは音源の数であり、Lcは前記第1スピーカおよび前記第2スピーカの数であり、kは波数であり、dは2点間の距離であり、M=Bxであり、Bは前記動翼の数で、xは次数である請求項1または3に記載の動翼騒音低減システム。 - 前記評価マイクは、1個であり、
前記評価マイクの仰角θは、
この場合、
ここで、rは2点間の距離であり、Lpは音源の数であり、Lcは前記第1スピーカおよび前記第2スピーカの数であり、kは波数であり、rtは評価半径であり、φtは評価方位角である請求項1または3に記載の動翼騒音低減システム。 - 前記評価マイクは、複数であり、前記回転軸と同軸且つ前記動翼平面と平行な第3円周上に配置され、
前記評価マイクの仰角θは、
この場合、
rは2点間の距離であり、Lpは音源の数であり、Lcは前記第1スピーカおよび前記第2スピーカの数であり、Lmは前記評価マイクの数であり、kは波数であり、dは2点間の距離であり、M=Bxであり、Bは前記動翼の数で、xは次数である請求項1または3に記載の動翼騒音低減システム。 - 前記評価マイクは、複数であり、前記回転軸と同軸且つ前記動翼平面と平行な第3円周上に配置され、
前記評価マイクの仰角θは、
この場合、
ここで、rは2点間の距離であり、Lpは音源の数であり、kは波数であり、rtは評価半径であり、φtは評価方位角であり、Lcは前記第1スピーカおよび前記第2スピーカの数よりも十分に大きい数である請求項1または3に記載の動翼騒音低減システム。 - 前記評価マイクは、複数であり、前記回転軸と同軸且つ前記動翼平面と平行な第3円周上に配置され、
前記評価マイクの仰角θは、
ここで、
ここで、rは2点間の距離であり、Lpは音源の数であり、Lcは前記第1スピーカおよび前記第2スピーカの数であり、kは波数であり、rtは評価半径であり、φtは評価方位角である請求項1または3に記載の動翼騒音低減システム。 - 前記動翼平面内に前記複数の動翼に隣接する位置に設けられ、前記複数の第1スピーカからの制御音を反射可能なリング状平板を備えるとともに、前記複数の第2スピーカを省略した請求項1または3に記載の動翼騒音低減システム。
- 請求項1または3に記載の動翼騒音低減システムを備える飛行体。
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