JP6826067B2 - 動翼静翼干渉騒音低減システムおよび飛行体 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、動翼静翼干渉騒音を低減することが可能な動翼静翼干渉騒音低減システムに関する。

動翼および動静翼干渉により生ずる回転音源に対する能動消音について、能動消音制御（アクティブノイズコントロール、ＡＮＣとも称す）が知られている。ＡＮＣは、騒音と同振幅で逆位相の信号（制御音）を制御スピーカから出力することにより、騒音を低減することを可能にするものである。

米国特許第５３８２１３４号明細書 特表平９−５１１８１０号公報

能動消音の手法として、回転音源の周囲に複数の制御スピーカを円周上に配置する手法がある。しかしながら、この手法では回転音源を模擬するために多数の制御スピーカを要することとなる。本発明が解決しようとする課題は、スピーカの数を低減できる動翼静翼干渉騒音低減システムを提供することである。

実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムは、中心軸回りに回転する複数の動翼と、前記複数の動翼に対向して、前記複数の動翼の数と同数に設けられた複数の静翼と、回転する前記複数の動翼で規定される動翼平面に略沿った位置に設置され、制御音を発生する複数のスピーカと、評価マイクと、を備える。前記評価マイクから前記複数のスピーカ中の１つまでの距離と、前記評価マイクから前記複数のスピーカ中の他の１つまでの距離と、前記評価マイクから前記中心軸までの距離と、が略同一である。
実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムは、中心軸回りに回転する複数の動翼と、前記複数の動翼に対向して、前記複数の動翼の数と同数に設けられた複数の静翼と、回転する前記複数の動翼で規定される動翼平面に略沿った位置に設置され、制御音を発生する複数のスピーカと、評価マイクと、を備え、前記中心軸と前記動翼平面とが交わる点から前記評価マイクまでの距離は、前記評価マイクから前記複数のスピーカ中の１つまでの距離と略等しく、前記評価マイクから前記複数のスピーカ中の他の１つまでの距離とも略等しい。
実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムは、中心軸回りに回転する複数の動翼と、前記複数の動翼に対向して、前記複数の動翼の数と同数に設けられた複数の静翼と、回転する前記複数の動翼で規定される動翼平面に略沿った位置に設置され、制御音を発生する複数のスピーカと、前記複数の動翼および前記複数の静翼を取り囲む筒状のダクト部と、前記ダクト部に取り付けられ、前記複数の動翼から発せられる騒音と、前記複数のスピーカから発せられる前記制御音と、を取得する評価マイクと、前記動翼平面に略沿った位置の第１仮想点又は前記中心軸上の第２仮想点に前記評価マイクを仮想的に位置させるように、仮想マイク法を用いて制御する制御部であって、前記第１仮想点を採用する場合には、前記第１仮想点から前記複数のスピーカ中の１つまでの距離と、前記第１仮想点から前記複数のスピーカ中の他の１つまでの距離と、前記第１仮想点から前記中心軸までの距離と、が同一となるように前記第１仮想点を設定し、前記第２仮想点を採用する場合には、前記中心軸と前記動翼平面とが交わる点から前記第２仮想点までの距離を、前記第２仮想点から前記複数のスピーカ中の１つまでの距離と略等しく、前記第２仮想点から前記複数のスピーカ中の他の１つまでの距離とも略等しくなるように前記第２仮想点を設定し、前記複数のスピーカを制御して前記複数のスピーカから同相かつ同振幅の前記制御音を発生させる制御部と、を備える。

図１は、各実施形態に対応する３次元極座標系を示した図である。 図２は、第１実施形態（実施例１）の動翼静翼干渉騒音低減システムの３枚の動翼、３枚の静翼、２つのスピーカ、評価マイク、および制御部を示す正面模式図である。 図３は、第１実施形態（実施例１）の動翼静翼干渉騒音低減システムを示す斜視図である。 図４は、第１実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムのfiltered-xを用いたフィードバックタイプのＡＮＣアルゴリズムの構成を示すブロック図である。 図５は、第１実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムのfiltered-xを用いたフィードフォーワードタイプのＡＮＣアルゴリズムの構成を示すブロック図である。 図６は、実施例１の結果であり、動翼長さａ、スピーカの設置半径ｂ、および動静翼干渉騒音の音響パワーの低減レベルの関係を示すグラフである。 図７は、第２実施形態（実施例２）の動翼静翼干渉騒音低減システムの３枚の動翼、３枚の静翼、２つのスピーカ、評価マイク、および制御部を示す正面模式図である。 図８は、第２実施形態（実施例２）の動翼静翼干渉騒音低減システムを示す斜視図である。 図９は、実施例２の結果であり、中心軸と前記動翼平面とが交わる点から評価マイクまでの距離Ｒｐｍ、スピーカの設置半径ｂ、および動静翼干渉騒音の音響パワーの低減レベルの関係を示すグラフである。 図１０は、第３実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムの３枚の動翼、３枚の静翼、２つのスピーカ、評価マイク、および制御部を示す正面模式図である。 図１１は、第３実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムのfiltered-xを用いたフィードバックタイプのＡＮＣアルゴリズムを利用したシミュレータを示すブロック図である。 図１２は、評価マイクの信号と第２評価マイクの信号とから、スピーカ信号減算器においてスピーカの制御音の信号を減算して、動静翼干渉騒音ｄ１〜ｄＬｍを得て、これらの算術平均から動静翼干渉騒音の信号ｄ＊を取り出す制御構成を示したブロック図である。 図１３は、第３実施形態のスピーカ信号減算器において、制御信号ｕから経路特性を減算して制御音の信号を演算する制御構成を示すブロック図である。 図１４は、第４実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムの動翼、静翼、ダクト部、２つのスピーカ、実際の評価マイク、仮想マイク位置の第１仮想点および第２仮想点、を示す斜視図である。 図１５は、第４実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムのfiltered-xを用いたフィードバックタイプのＡＮＣアルゴリズムを利用したシミュレータを示すブロック図である。 図１６は、第４実施形態のスピーカ信号減算器において、制御信号ｕから経路特性を減算して動静翼干渉騒音の信号ｄ´を演算する制御構成を示すブロック図である。

以下では、座標は図１に示す３次元極座標を使用する。図１では、この３次元極座標では、動翼１３の回転軸（中心軸）の延びる方向にＺ軸をとり、動翼１４が設けられる面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面内における方位すなわちＸ軸からの角度を方位角φ、Ｚ軸からの目的物Ａ（例えば、評価マイク等）の角度を仰角θとする。以下の実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム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。

［第１実施形態］
図２、図３に示すように、第１実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、例えば飛行体１２に設置される。飛行体１２は、例えば、ドローンであるが、旅客機やヘリコプター等であっても当然よい。

動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、中心軸１３（回転軸）と、中心軸１３回りに回転する複数の動翼１４と、複数の動翼１４に対向する複数の静翼１５と、複数の動翼１４および複数の静翼１５を取り囲む筒状（円筒状）のダクト部１６と、２つのスピーカ１７と、複数の動翼１４から発せられる騒音と複数のスピーカ１７から発せられる制御音とを取得する１つの評価マイク１８と、スピーカ１７を制御する制御部２１と、を有する。複数の動翼１４が取り付けられた回転軸が太径のロッド状に構成される場合には、中心軸１３は、その回転軸の中心を通る軸線として定義される。複数の動翼１４は、流体を所望の方向に送るように例えば、モータ等で回転駆動される。複数の静翼１５は、動翼１４の回転で発生した排気流れを整流するために取り付けられている。スピーカ１７は、２つ以上、すなわち複数であってもよい。

ダクト部１６は、設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。ダクト部１６は、少なくとも１つの開口縁部２２を有する。従って、ダクト部１６に設けられる開口縁部２２は、１つでもよいし、２つでもよい。

回転する動翼１４によって、動翼平面２３が規定される。複数の動翼１４は、例えば３枚で構成される。複数の静翼１５は、動翼１４の数と同数（例えば、３枚）で構成される。スピーカ１７は、ダクト部１６の外側に直接固定されていてもよいし、治具やその他の取付け部材を介して、ダクト部１６の外面から所定の距離離れた位置に設けられてもよい。制御部２１は、２つのスピーカ１７を駆動して、これらから同相かつ同振幅の制御音を発生させることができる。

スピーカ１７および評価マイク１８は、動翼平面２３に略沿った位置に設置される。動翼平面２３に略沿った位置とは、動翼平面２３上の位置か、或いは、動翼平面２３から中心軸１３方向に若干ずれた位置をいう。本実施形態では、２つのスピーカ１７および評価マイク１８は、流体（空気）を取り入れる吸引口２４側の開口縁部２２に沿って設けられる。動翼静翼干渉騒音低減システム１１のスピーカ１７および評価マイク１８は、流体（空気）を吐き出す排気口側の開口縁部に沿って設けられていてもよい。スピーカ１７および評価マイク１８は、制御部２１に接続される。

評価マイク１８の方位角は、２つのスピーカ１７中の１つの方位角と、２つのスピーカ１７中の他の１つの方位角と、の間に設定される。評価マイク１８の方位角に対する、２つのスピーカ１７のそれぞれの方位角のずれ量θ２（スピーカの設置角θ２）は、６０°以上で８５°以下であり、好ましくは６０°以上で８０°以下であり、より好ましくは６５°以上で７５°以下である。

例えば、評価マイク１８と中心軸１３とを結ぶ線分Ｒｐｍ上にＸ軸を取った場合には、評価マイク１８の方位角は０°となる。この場合、２つのスピーカ１７中の１つの設置角θ２は、＋６０°以上で＋８５°以下であり、好ましくは＋６０°以上で＋８０°以下であり、より好ましくは＋６５°以上で＋７５°以下である。同様に、２つのスピーカ１７中の他の１つの設置角θ２は、−８５°以上で−６０°以下であり、好ましくは−８０°以上で−６０°以下であり、より好ましくは−７５°以上で−６５°以下である。

制御部２１は、一般的なＰＣ（パーソナルコンピュータ）で構成される。制御部２１は、ＡＮＣアルゴリズムであるfiltered-xのプログラムがインストールされている。ＡＮＣアルゴリズムであるfiltered-xは、図４や図５のように構成するものとする。

図４はフィードバックタイプであり、参照信号ｒを内部で生成する形式であり、参照信号生成器が不要である。周期騒音である動静翼干渉騒音低減にはシステム構成が簡易であり適している。なお、二次経路Ｃは、ここでは、制御入力ｕ（１入力）を各スピーカ１７に同一信号で入力した際の、評価マイク１８までの伝達特性である。よって、一入力一出力の能動消音システムであり、マルチチャネルＡＮＣと比較して演算量を軽減できる。

図５はフィードフォーワードタイプであり、ロータリーエンコーダーなどにより動翼回転角を計測し、レーザーパルスにより動翼通過タイミングを計測し、参照信号を生成し、能動消音を実施するものである。図４の構成に比べ正確な参照信号を取得できる利点があるが、構成が増える課題がある。

続いて、本実施形態の作用について説明する。
動翼１４から発生する回転音源を模擬するために必要なスピーカ１７（制御スピーカ）数を以下に示す。公知文献より、円周上に配置した離散制御スピーカ１７により動翼回転音源を模擬するために必要な最小個数が、２Ｍ＋１ （Ｍ＝ｎＢ） となることが知られている。ここで、Ｂは動翼１４の枚数であり、ｎは対象騒音次数（正の整数）である。また、スピーカ１７を離散化したことにより発生する余分なモード（エイリアスモード）の影響を十分小さく抑えるためには、２Ｍ＋３個以上が望ましい。例えば、二枚翼の場合（Ｂ＝２）に、上記式から一次の騒音モードを低減するにあたり、５個から７個のスピーカ１７を要することとなり、二次モードも低減する場合は倍の、１０個から１４個のスピーカ１７が必要となる。三枚翼や四枚翼の場合等、動翼枚数が多くなるに従い必要なスピーカ１７の数も増加していく。

次に、動翼１４と静翼１５とが干渉して騒音を発生する動静翼干渉が発生している場合について、以下に必要なスピーカ１７の数を示す。動静翼干渉音は動翼１４単体のスピニングモード次数Ｍとは異なり、Ｍ＝ｎＢ＋ｐＶとなる。

ここで、Ｖは静翼１５の枚数、ｐは任意定数（例えば、ｐ＝±１、±２、・・・）である。発生するスピニングモードの内、騒音寄与率が高いモードは低次モード（例えば、ｎ＝１）であることが知られている。このため、最小スピニングモードをＭｍｉｎとすると、同モードを模擬するために必要な最小数の制御スピーカ１７の数は２Ｍｍｉｎ＋１個となる（２Ｍｍｉｎ＋３個が望ましい）。

本実施形態では、動翼１４と静翼１５が同数設けられるためにＢ＝Ｖとなる。このため、Ｍｍｉｎ＝０となり、スピニングモードを発生しない動翼静翼の枚数関係にすることができる。これによって、動静翼干渉音は、ダクト部１６内を平面波として伝搬される。このため、ダクト部１６内では、方位角φによらず、動静翼干渉音の均一な波面が現れる。そして、平面波の音響パワーを低減するのに必要最小限のスピーカ数は２個となる。ＡＮＣアルゴリズムであるfiltered-xなどを適用すれば、ダクト部１６内を伝わる動静翼干渉音の平面波を大幅に低減可能である。

（実施例１）
図２、図３に示すように、複数の動翼１４は、例えば３つで構成される。静翼１５は、動翼１４の数と同数で構成され、例えば３つで構成される。２つのスピーカ１７のそれぞれは、ダクト部１６の外側に治具等で固定されている。

本実施例では、評価マイク１８から２つのスピーカ１７中の１つまでの距離Ｒｓ１ｍと、評価マイク１８から２つのスピーカ１７中の他の１つまでの距離Ｒｓ２ｍと、評価マイク１８から中心軸１３までの距離Ｒｐｍと、が同一となるように、スピーカ１７および評価マイク１８の位置が設定される。

より詳細には、動翼１４（主音源）の長さａ＝０．２３ｍ、スピーカ１７の数（制御音源数）２個、評価マイク１８と中心軸１３とを結ぶ線分Ｒｐｍを基準（Ｘ軸としたとき）に、２つのスピーカ１７中の１つの設置角を＋θ２とし、２つのスピーカ１７中の他の１つの設置角を−θ２とした。スピーカの設置半径ｂ（中心軸１３からスピーカ１７までの距離ｂ）は、
ｂ＝ａ ＊ （１〜１．６） （ｍ）とした。動静翼干渉の低減対象となる対象次数は１である。動翼１４の回転速度を５０Ｈｚとした。

本実施例では、スピーカ１７の設置角θ２及び、スピーカ１７の設置半径ｂを変え、制御効果を比較した。結果を図６に示す。

結果から、スピーカ１７の設置角θ２が小さい場合（この例では７０°以下）、評価マイク１８からスピーカ１７までの距離が短くなり、評価マイク１８に対するスピーカ１７の影響が強くなる（近距離音場となる）。このため、スピーカ１７の設置半径bを長くして、評価マイク１８の設置距離を長くした場合には、スピーカ１７の影響が軽減され、制御効果が高くなる（音響パワーの低減レベルが増大する）ことがわかる。また、スピーカ１７の設置角θ２が大きい場合（この例では７０°以上）に、スピーカ１７の設置半径bと動翼１４の長さaとの距離差を狭めたとき、距離差ｂ−ａが狭まるため、制御効果が高くなる。ただし、スピーカ１７の設置角θ２を大きくした場合には、中心軸１３から評価マイク１８までの距離Ｒｐｍが長くなる。このため、目標とする騒音音響パワーの低減レベルに合わせて、設計者が設置角θ２を適宜に調整することが望ましい。

以下に、スピーカ１７および評価マイク１８の具体的な設置例の一例を説明する。目標低減レベルを１２〜１５ｄＢとする。

（設置例１）
スピーカ１７の設置半径ｂを動翼１４の長さａと略等しくしてもよいし、スピーカ１７の設置半径ｂをダクト部１６の半径と略等しくしてもよい。このように、スピーカ１７をダクト部１６に直接取り付け可能に、スピーカ１７の半径ｂを設定する。評価マイク１８の方位角は、２つのスピーカ１７中の１つの方位角と、２つのスピーカ１７中の他の１つの方位角と、の間に設定される。評価マイク１８の方位角に対する、２つのスピーカ１７のそれぞれの方位角のずれ量θ２（スピーカの設置角θ２）は、7０°以上で８０°以下、より好ましくは７０°程度とする。この場合には、中心軸１３から評価マイク１８までの距離が必要以上に過大とはならない。なお、スピーカ１７は、２つ以上、すなわち複数であってもよく、そのうち２つを上記設置例のように設置してもよい。

（設置例２）
スピーカ１７の設置半径ｂを動翼１４の長さａの１．３倍から１．６倍に設定し、中心軸１３から評価マイク１８までの距離をスピーカ１７の設置半径ｂと等しくなるように設置する。評価マイク１８の方位角は、２つのスピーカ１７中の１つの方位角と、２つのスピーカ１７中の他の１つの方位角と、の間に設定される。この場合、中心軸１３、２つのスピーカ１７のそれぞれ、評価マイク１８を結ぶ線は略正三角形となる。また、２つのスピーカ１７と評価マイク１８とは、中心軸１３を中心とする同一の円周上に配置される。このため、評価マイク１８の方位角に対する、２つのスピーカ１７のそれぞれの方位角のずれ量θ２（スピーカの設置角θ２）は、略６０°となる。なお、スピーカ１７は、２つ以上、すなわち複数であってもよく、そのうち２つを上記設置例のように設置してもよい。

設置例２では、設置例１と異なり、ダクト部１６にスピーカ設置用治具、評価マイク設置用治具を別途取り付ける必要がある。ただし、このような略正三角形の配置のため、治具の大きさを同じにできることから、これらの設置用治具を共通にできる。このため、スピーカ１７や評価マイク１８の固定に要する費用を削減できる。

第１実施形態および第１実施例によれば、以下のことがいえる。動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、中心軸１３回りに回転する複数の動翼１４と、複数の動翼１４に対向して、複数の動翼１４の数と同数に設けられた複数の静翼１５と、回転する複数の動翼１４で規定される動翼平面２３に略沿った位置に設置され、制御音を発生する２つのスピーカ１７と、動翼平面２３に略沿った位置に設置され、複数の動翼１４から発せられる騒音と、複数のスピーカ１７から発せられる前記制御音と、を取得する評価マイク１８と、２つのスピーカ１７を制御して２つのスピーカ１７から同相かつ同振幅の前記制御音を発生させる制御部２１と、を備え、評価マイク１８から前記２つのスピーカ１７中の１つまでの距離と、評価マイク１８から２つのスピーカ１７中の他の１つまでの距離と、評価マイク１８から中心軸１３までの距離と、が同一である。

この構成によれば、スピーカ１７を２つにした場合であっても、動静翼干渉騒音による空間全体の音響パワーを十分に低減することができる。このため、スピーカ１７の数を低減して、スピーカ１７の設置に要するスペース上の問題、スピーカ１７の設置に要する費用上の問題、さらにはスピーカ１７によって総重量が増加する問題を解消できる。これによって、軽量で省スペースかつ低コスト化した動翼静翼干渉騒音低減システム１１を実現できる。

動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、複数の動翼１４および複数の静翼１５を取り囲む筒状のダクト部１６であって、少なくとも１つの開口縁部２２を有するダクト部１６を備え、２つのスピーカ１７および評価マイク１８は、開口縁部２２に沿って設けられる。

この構成によれば、ダクト部１６を有する構造であっても、動静翼干渉騒音による空間全体の音響パワーを十分に低減することができる。

中心軸１３から２つのスピーカ１７のそれぞれまでの距離は、複数の動翼１４に含まれる１つの動翼１４の長さと略同等又はダクト部１６の半径と略同等であり、評価マイク１８の方位角は、２つのスピーカ１７中の１つの方位角と、２つのスピーカ１７中の他の１つの方位角と、の間に設定され、評価マイク１８の方位角に対する、２つのスピーカ１７のそれぞれの方位角のずれ量は、7０°以上で、８０°以下である。

この構成によれば、ダクト部１６に対して２つのスピーカ１７および評価マイク１８を直接固定することができ、これらの固定・設置を簡単に実現できる。

中心軸１３から２つのスピーカ１７のそれぞれまでの距離は、複数の動翼１４に含まれる１つの動翼１４の長さの１．３倍以上で、１．６倍以下であり、評価マイク１８の方位角は、２つのスピーカ１７中の１つの方位角と、２つのスピーカ１７中の他の１つの方位角と、の間に設定され、評価マイク１８の方位角に対する、２つのスピーカ１７のそれぞれの方位角のずれ量は、略６０°である。

この構成によれば、中心軸１３と、評価マイク１８と、スピーカ１７と、を結ぶ線が略正三角形状になる。このため、中心軸１３から評価マイク１８までの距離と、中心軸１３からスピーカ１７までの距離と、を略等しくすることができる。これによって、評価マイク１８を固定する固定具（治具）と、スピーカ１７を固定する固定具（治具）と、を共通化することができ、これらの設置に要する費用を低減できる。

以下の第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態では、主として、上記第１実施形態および第１実施例とは異なる部分について説明し、それらと共通する部分については、図示および説明を省略する。

［第２実施形態］
第２実施形態では、評価マイク１８の設置位置およびスピーカ１７の設置位置が第１実施形態とは異なっているが他の部分は共通している。図７、図８に示すように、第２実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、例えば飛行体１２に設置される。

ダクト部１６は、設けられていてもよいし、設けられていなくてもよい。ダクト部１６は、少なくとも１つの開口縁部２２を有する。従って、ダクト部１６に設けられる開口縁部２２は、１つでもよいし、２つでもよい。

スピーカ１７は、動翼平面２３に略沿った位置に設置される。評価マイク１８は、流体（空気）を取り入れる吸引口２４側で、中心軸１３上（若しくは中心軸１３の延長線上）に設置される。本実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１の２つのスピーカ１７は、空気を取り入れる吸引口２４側の開口縁部２２に沿って設けられる。スピーカ１７は、流体（空気）を吐き出す排気口側の開口縁部２２に沿って設けられていてもよい。この場合には、評価マイク１８は、排気口側で、中心軸１３上（若しくは中心軸の延長線上）に設置される。スピーカ１７は、２つ以上、すなわち複数であってもよい。

（実施例２）
図７、図８に示すように、複数の動翼１４は、例えば３つで構成される。静翼１５は、動翼１４の数と同数で構成され、例えば３つで構成される。２つのスピーカ１７のそれぞれは、ダクト部１６の外側に治具等で固定されている。

本実施例では、中心軸１３と動翼平面２３とが交わる点から評価マイク１８までの距離Ｒｐｍは、評価マイク１８から２つのスピーカ１７中の１つまでの距離Ｒｓ１ｍと略等しくなるように、これらの位置が設定される。同様に、中心軸１３と動翼平面２３とが交わる点から評価マイク１８までの距離Ｒｐｍは、評価マイク１８から２つのスピーカ１７中の他の１つまでの距離Ｒｓ２ｍとも略等しくなるように、これらの位置が設定される。また、２つのスピーカ１７中の他の１つの方位角は、２つのスピーカ１７中の１つの方位角に対して、１８０°ずれている。このため、２つのスピーカ１７は、中心軸１３を間に挟んだ両側に設けられている。

より詳細には、動翼１４の長さａ＝０．２３ｍとし、スピーカ１７の数（制御音源数）を２個とした。中心軸１３と動翼平面２３とが交わる点から鉛直方向下側に延ばした線分を基準（Ｘ軸としたとき）に、２つのスピーカ１７中の１つの設置角を＋９０°とし、２つのスピーカ１７中の他の１つの設置角を−９０°とした。なお、図７では、当該線分は、静翼１５の１つと重なっている。

スピーカ１７の設置半径ｂは、ｂ＝ａ ＊ （１〜１．６） とした。動静翼干渉の低減対象となる対象次数は１であり、動翼１４の回転速度は５０Ｈｚである。

本実施例では、中心軸１３と動翼平面２３とが交わる点から評価マイク１８までの距離Ｒｐｍの長さを変え、制御効果（音響パワーの低減レベル）を比較した。結果を図９に示す。図９に示す結果から、評価マイク１８から中心軸１３までの距離Ｒｐｍが増加するにつれ、制御効果が増加することがわかる。これは、Ｒｓ１ｍ＝Ｒｓ２ｍ＝Ｒｐｍの関係に近づくためである。しかしながら、スピーカ１７の設置半径ｂに対して、評価マイク１８から中心軸１３までの距離Ｒｐｍを長くし過ぎると、評価マイク１８を実際の飛行体１２に設置することが困難となる。このことから、設計者は自分で設定した騒音音響パワーの低減レベルに合わせて評価マイク１８から中心軸１３までの距離Ｒｐｍを設定する。

第２実施形態および実施例２によれば、以下のことがいえる。動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、中心軸１３回りに回転する複数の動翼１４と、複数の動翼１４に対向して、複数の動翼１４の数と同数に設けられた複数の静翼１５と、回転する複数の動翼１４で規定される動翼平面２３に略沿った位置に設置され、制御音を発生する２個のスピーカ１７と、中心軸１３上に設置され、複数の動翼１４から発せられる騒音と、複数のスピーカ１７から発せられる前記制御音と、を取得する評価マイク１８と、２つのスピーカ１７を制御して２つのスピーカ１７から同相かつ同振幅の前記制御音を発生させる制御部２１と、を備える。中心軸１３と動翼平面２３とが交わる点から評価マイク１８までの距離は、評価マイク１８から２つのスピーカ１７中の１つまでの距離と略等しく、評価マイク１８から２つのスピーカ１７中の他の１つまでの距離とも略等しい。

この構成によれば、スピーカ１７を２つにした場合であっても、動静翼干渉騒音による空間全体の音響パワーを十分に低減することができる。このため、スピーカ１７の数を低減して、スピーカ１７の設置に要するスペース上の問題、スピーカ１７の設置に要する費用上の問題、さらにはスピーカ１７によって総重量が増加する問題、を解消できる。これによって、軽量で省スペースかつ低コスト化した動翼静翼干渉騒音低減システム１１を実現できる。

［第３実施形態］
本実施形態では、評価マイク１８を複数にした点で第１実施形態とは異なっているが、他の部分は第１実施形態と共通している。第３実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、例えば飛行体１２に設置される。

第１実施形態および第２実施形態では、評価マイク１８の数を１つとしていた。しかしながら、反射の影響が強い環境では、空間全体の騒音による音響パワーをうまく低減できない場合がある。このため、本実施形態では、評価マイク１８を複数にすることで、いわゆるリングマイクを構成し、反射による影響が強い環境以下でも、効果的な音響パワーの低減が可能な動翼静翼干渉騒音低減システム１１を実現する。第３実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、第１実施形態と同様に、例えば飛行体１２に設置される。

図１０に示すように、動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、中心軸１３（回転軸）と、中心軸１３回りに回転する複数の動翼１４と、複数の動翼１４に対向する複数の静翼１５と、複数の動翼１４および複数の静翼１５を取り囲む筒状（円筒状）のダクト部１６と、２つのスピーカ１７と、複数の動翼１４から発せられる騒音と複数のスピーカ１７から発せられる制御音とを取得する評価マイク１８と、複数の動翼１４から発せられる騒音と複数のスピーカ１７から発せられる制御音とを取得する複数の第２評価マイク２５と、スピーカ１７を制御する制御部２１と、を有する。

複数の動翼１４は、例えば３つで構成される。静翼１５は、動翼１４の数と同数で構成され、例えば３つで構成される。２つのスピーカ１７のそれぞれは、ダクト部１６の外面に治具等で固定されている。

スピーカ１７、評価マイク１８、および第２評価マイク２５は、動翼平面２３に略沿った位置に設置される。本実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１の２つのスピーカ１７、評価マイク１８、および第２評価マイク２５は、流体（空気）を取り入れる吸引口２４側の開口縁部２２に沿って設けられる。動翼静翼干渉騒音低減システム１１のスピーカ１７、評価マイク１８、および第２評価マイク２５は、流体（空気）を吐き出す排気口側の開口縁部に沿って設けられていてもよい。スピーカ１７、評価マイク１８、および第２評価マイク２５は、制御部２１に接続される。スピーカ１７は、２つ以上、すなわち複数であってもよい。

複数の第２評価マイク２５は、動翼平面２３に略沿った位置で中心軸１３を中心とする円周上に離散的に配置される。複数の第２評価マイク２５が配置される円周は、評価マイク１８から中心軸１３までの距離Ｒｐｍに等しい半径を有する。したがって、この円周上には、評価マイク１８と、複数の第２評価マイク２５とが離散的に配置される。このため、本実施形態では、評価マイク１８は、第２評価マイク２５とともに一群のリングマイクを構成する。そして、各マイク（評価マイク１８、第２評価マイク２５）同士の間の間隔は、均一又は略均一になっている。評価マイク１８、複数の第２評価マイク２５およびスピーカ１７は、制御部２１に接続される。本実施形態では、各マイク（評価マイク１８、第２評価マイク２５）に対して、動静翼干渉音の主波（平面波）から同相同振幅の入力がなされる。

ここで、減算に用いる制御音の信号は、あらかじめスピーカ１７から各マイク（評価マイク１８、第２評価マイク２５）までの伝達特性を同定しておけば容易に算出できる。

本実施形態では、動翼１４の数と静翼１５の数が同数であるため、スピニングモードの寄与率は低い。このため、本実施形態では、平面波モードの騒音を各マイクで取得する。平面波モードの騒音を取得する際には、上記リング状に配した複数のマイク（評価マイク１８、第２評価マイク２５）の信号の和（同相和）をとることで、動静翼干渉音の主波、すなわち反射波以外の音波を取得できる。よって、各マイク信号から各スピーカ１７からの制御音を減算し、減算後のマイク信号の和をとることにより、動静翼干渉音の主波（ここではｄ＊とする）を演算可能となる。したがって、いくつかのマイク（評価マイク１８、第２評価マイク２５）において、反射波やスピーカ１７から出る制御音の近接音場を取得してしまう場合でも、近接音場による影響を排除することができる。

すなわち、図１２に示すように、制御部２１は、評価マイク１８の信号ｍ１から各スピーカ１７から出た制御音の信号を減算して第１の信号を得る。同様に、制御部２１は、複数の第２評価マイク２５の信号ｍ２〜ｍＬｍから各スピーカ１７から出た制御音の信号を減算して、複数の第２の信号を得る。制御部２１は、減算後のマイク信号（第１の信号、第２の信号）ｄ１〜ｄＬｍの和をとり、平均をとる（１／Ｌｍの処理、すなわち、評価マイク１８および複数の第２評価マイク２５の総数で除算する）ことにより、動静翼干渉音の主波ｄ＊を演算できる。

ここで、減算に用いる制御音の信号は、あらかじめスピーカ１７から各マイク（評価マイク１８、第２評価マイク２５）までの伝達特性（経路特性）を同定しておくことにより、スピーカ１７に入力する制御信号ｕから容易に算出できる。この制御音の信号の算出は、図１３に示すスピーカ信号減算器２６のそれぞれで行う。制御音の信号は、図１３に示すように、スピーカ信号減算器２６のそれぞれにおいて、スピーカ１７から各マイクまでの伝達特性（経路特性）を制御入力ｕから減算することで求められる。スピーカ信号減算器２６は、例えば、ローパスフィルタやハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ等、種々の回路素子やそれらの組み合わせ、またはDSP、FPGAによるデジタルフィルタによって実現できる。

次に、本実施形態における制御アルゴリズムについて説明する。図１１に、制御部２１にインストールされた本実施形態のＡＮＣアルゴリズムであるfiltered-xの制御構成を示す。発明者らは、環境反射が生じている音場において、各スピーカ１７からマイク（評価マイク１８、第２評価マイク２５）までの伝達特性（二次経路）同定する際に、反射の影響が重畳されてしまう問題を発見した。従って、このように環境反射を生じている状況で同定した二次経路特性を用いて制御を実行した場合に、空間全体で制御効果、すなわち音響パワーの低減効果が達成されないことが確認された。

このため、発明者らは、さらに鋭意検討した結果、スピーカ１７とマイク（評価マイク１８、第２評価マイク２５）の幾何配置を保ったまま、無響室などの反射の影響が少ない環境で二次経路特性ＨａｔＣを同定すると良いことを見出した。これによって、環境反射の影響を排除することができる。或いは、発明者らは、無響室を用いることの代替案として、スピーカ１７を点音源と仮定し、各スピーカ１７から代表マイクまでの伝達特性を数値演算で求める手法も見出した。

発明者らは、図１１に示す適応フィードバック系のシミュレータを、動静翼干渉音の主波（ｄ）、および二次経路特性ＨａｔＣ等によって構築した（誤差信号はシミュレータ内部で生成する）。当該シミュレータでは、制御フィルタを適応更新し、制御フィルタの出力を各スピーカに与える。以上の方式により、反射環境下においても空間全体の騒音の低減が達成可能となる。

本実施形態によれば、以下のことがいえる。複数の動翼１４から発せられる騒音と、複数のスピーカ１７から発せられる前記制御音と、を取得する複数の第２評価マイク２５を備え、複数の第２評価マイク２５は、動翼平面２３に略沿った位置で中心軸１３を中心とする円周上に配置され、前記円周は、評価マイク１８から中心軸１３までの距離に等しい半径を有し、制御部２１は、評価マイク１８から出力された信号から、２つのスピーカ１７からの前記制御音に相当する信号を減算した第１の信号を得て、複数の第２評価マイク２５のそれぞれから出力された信号から、２つのスピーカ１７からの前記制御音に相当する信号を減算した複数の第２の信号を得て、前記第１の信号および前記複数の第２の信号を合算し、この合算された信号を評価マイク１８および複数の第２評価マイク２５の総数で除算することで平均の信号を得る。

この構成によれば、評価マイク１８および第２評価マイク２５が複数設けられるために、反射の影響が強い環境においても、効率的な騒音の抑制が実現できる。また、各マイク（評価マイク１８、第２評価マイク２５）において、制御音の信号に相当する部分を除去して、騒音の主波を取得することができる。これによって、評価マイク１８および第２評価マイク２５において反射波やスピーカ１７からの近接音場を取得してしまう場合でも、近接音場の影響を排除して効率的な騒音の抑制を実現できる。

［第４実施形態］
本実施形態では、仮想マイク法を用いた制御を行っている点で、第１実施形態（実施例１）、および第２実施形態（実施例２）とは異なっている。第４実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、第１実施形態と同様に、例えば飛行体１２に設置される。スピーカ１７は、２つ以上、すなわち複数であってもよい。

第１実施形態（実施例１）、第２実施形態（実施例２）では、スピーカ１７の設置角等によっては、評価マイク１８の位置が動翼１４から過度に遠ざかってしまう事態を生じていた。このため、実際にダクト部１６などに取り付ける場合、遠方に評価マイク１８を設置することが困難な場合がある。本実施形態では、制御部２１は、仮想マイク法を用いて制御を行い、この問題を解決している。

仮想マイク法は、能動消音技術として知られたものである。仮想マイク法では、評価マイク１８と、評価マイク１８を本来設置したい箇所と、の間の伝達特性Ｈをあらかじめ計測する。そして、評価マイク１８で取得された信号を伝達特性Ｈに通し、本来設置したい箇所での信号値を仮想的に演算するものである。

より詳細には、動翼１４を回転駆動中に、スピーカ１７から制御音を出力させない状態で、実際に評価マイク１８が設置された位置から、評価マイク１８を本来設置したい位置（仮想マイク位置）までの動静翼干渉音の伝達特性Ｈ１を同定する。また、スピーカ１７から仮想マイク位置までの伝達特性ＨａｔＣを同定する。

このとき、図１４に示すように、制御部２１で仮想的に設定される仮想マイク位置は、第１実施形態に倣って動翼平面２３に略沿った位置である第１仮想点３１にあるものとしてもよい。この場合、第１仮想点３１から２つのスピーカ１７中の１つまでの距離Ｒｓ１ｍと、第１仮想点３１から２つのスピーカ１７中の他の１つまでの距離Ｒｓ２ｍと、第１仮想点３１から中心軸までの距離Ｒｐｍと、が同一となるように設定されてもよい（Ｒｓ１ｍ、Ｒｓ２ｍ、Ｒｐｍの寸法関係については、図２において評価マイク１８を第１仮想点３１に置き換えたものに等しい）。

或いは、図１４に示すように、制御部２１で仮想的に設定される仮想マイク位置は、第２実施形態に倣って、中心軸１３上（若しくは中心軸１３の延長線上）の位置である第２仮想点３２にあるものとしてもよい。この場合、中心軸１３と動翼平面２３とが交わる点から第２仮想点３２までの距離Ｒｐｍは、第２仮想点３２から２つのスピーカ１７中の１つまでの距離Ｒｓ１ｍと略等しく、第２仮想点３２から２つのスピーカ１７中の他の１つまでの距離Ｒｓ２ｍとも略等しくなるように、設定されてもよい（Ｒｓ１ｍ、Ｒｓ２ｍ、Ｒｐｍの寸法関係については、図７において評価マイク１８を第１仮想点３２に置き換えたものに等しい）。

このように同定した伝達特性Ｈ１、伝達特性ＨａｔＣを用いて、図１５に示すような適応フィードバック制御系を構築した。一方、動静翼干渉騒音によるマイク信号ｍ１からは、スピーカ信号減算器２６において、スピーカ１７からの制御音が減算される。減算後のマイク信号をｄ´とした。この図１５に示す適応フィードバック制御系は、第３実施形態の図１１の適応フィードバック制御系に対して、仮想マイクフィルタＨ１が追加されている点が異なっている。

ここで、図１６に示すように、減算に用いる制御音の信号は、予めスピーカ１７から実際に評価マイク１８が設置された位置までの伝達特性（経路特性）を同定しておくことにより、スピーカ１７に入力する制御信号ｕから容易に算出できる。この制御音の信号の算出は、図１６に示すスピーカ信号減算器２６のそれぞれで行う。スピーカ信号減算器２６は、例えば、ローパスフィルタやハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ等、種々の回路素子やそれらの組み合わせ、またはDSP、FPGAによるデジタルフィルタによって実現できる。

本実施形態によれば、以下のことがいえる。動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、中心軸１３回りに回転する複数の動翼１４と、複数の動翼１４に対向して、複数の動翼１４の数と同数に設けられた複数の静翼１５と、回転する複数の動翼１４で規定される動翼平面２３に略沿った位置に設置され、制御音を発生する２つのスピーカ１７と、複数の動翼１４および複数の静翼１５を取り囲む筒状のダクト部１６と、ダクト部１６に取り付けられ、複数の動翼１４から発せられる騒音と、複数のスピーカ１７から発せられる前記制御音と、を取得する評価マイク１８と、動翼平面２３に略沿った位置の第１仮想点３１又は中心軸１３上の第２仮想点３２に評価マイク１８を仮想的に位置させるように、仮想マイク法を用いて制御する制御部２１であって、第１仮想点３１を採用する場合には、第１仮想点３１から２つのスピーカ１７中の１つまでの距離と、第１仮想点３１から２つのスピーカ１７中の他の１つまでの距離と、第１仮想点３１から中心軸１３までの距離と、が同一となるように第１仮想点３１を設定し、第２仮想点３２を採用する場合には、中心軸１３と動翼平面２３とが交わる点から第２仮想点３２までの距離を、第２仮想点３２から２つのスピーカ１７中の１つまでの距離と略等しく、第２仮想点３２から２つのスピーカ１７中の他の１つまでの距離とも略等しくなるように第２仮想点３２を設定し、２つのスピーカ１７を制御して２つのスピーカ１７から同相かつ同振幅の前記制御音を発生させる制御部２１と、を備える。

この構成によれば、スピーカ１７の設置角等との関係から、評価マイク１８の位置が動翼１４から過度に遠ざかってしまう場合でも、仮想マイク法を用いることでダクト部１６に評価マイク１８を取り付けることができる。これによって、計算によって算定された所望の位置に評価マイク１８を設置できない場合でも、仮想マイク法を用いて仮想的に理想的な位置に評価マイク１８を設置できる。これによって、設置場所の問題を解決して、騒音による音響パワーを効率的に低減できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。本実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、飛行体の軸流ファンやプロペラに適用した場合を例に説明したが、適用される軸流ファンは、これに限られるものではない。本実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、例えば、ターボファンや産業用ファン（ジェットエンジン等）、飛行体以外の移動体に用いられるファン、その他の一般的なファンにも当然に適用できる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…動翼静翼干渉騒音低減システム、１２…飛行体、１３…中心軸、１４…動翼、１５…静翼、１６…ダクト部、１７…スピーカ、１８…評価マイク、２１…制御部、２２…開口縁部、２３…動翼平面、２５…第２評価マイク、３１…第１仮想点、３２…第２仮想点。

Claims (14)

1. 中心軸回りに回転する複数の動翼と、
   前記複数の動翼に対向して、前記複数の動翼の数と同数に設けられた複数の静翼と、
   回転する前記複数の動翼で規定される動翼平面に略沿った位置に設置され、制御音を発生する複数のスピーカと、
   評価マイクと、
   を備え、
   前記評価マイクから前記複数のスピーカ中の１つまでの距離と、前記評価マイクから前記複数のスピーカ中の他の１つまでの距離と、前記評価マイクから前記中心軸までの距離と、が略同一である動翼静翼干渉騒音低減システム。
2. 前記複数のスピーカは、２つである請求項１に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
3. 前記複数のスピーカから同相かつ同振幅の前記制御音を発生させる制御部を備える請求項１に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
4. 前記複数の動翼および前記複数の静翼を取り囲む筒状のダクト部であって、少なくとも１つの開口縁部を有するダクト部を備え、
   前記複数のスピーカおよび前記評価マイクは、前記開口縁部に沿って設けられる請求項１に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
5. 前記中心軸から前記複数のスピーカのそれぞれまでの距離は、前記複数の動翼に含まれる１つの動翼の長さと略同等又は前記ダクト部の半径と略同等であり、
   前記評価マイクの方位角は、前記複数のスピーカ中の１つの方位角と、前記複数のスピーカ中の他の１つの方位角と、の間に設定され、
   前記評価マイクの方位角に対する、前記複数のスピーカのそれぞれの方位角のずれ量は、７０°以上で、８０°以下である請求項４に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
6. 前記中心軸から前記複数のスピーカのそれぞれまでの距離は、前記複数の動翼に含まれる１つの動翼の長さの１．３倍以上で、１．６倍以下であり、
   前記評価マイクの方位角は、前記複数のスピーカ中の１つの方位角と、前記複数のスピーカ中の他の１つの方位角と、の間に設定され、
   前記評価マイクの方位角に対する、前記複数のスピーカのそれぞれの方位角のずれ量は、略６０°である請求項１に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
7. 前記複数の動翼から発せられる騒音と、前記複数のスピーカから発せられる前記制御音と、を取得する複数の第２評価マイクを備え、
   前記複数の第２評価マイクは、前記動翼平面に略沿った位置で前記中心軸を中心とする円周上に配置され、前記円周は、前記評価マイクから前記中心軸までの距離に等しい半径を有し、
   前記制御部は、
   前記評価マイクから出力された信号から、前記複数のスピーカからの前記制御音に相当する信号を減算した第１の信号を得て、
   前記複数の第２評価マイクのそれぞれから出力された信号から、前記複数のスピーカからの前記制御音に相当する信号を減算した複数の第２の信号を得て、
   前記第１の信号および前記複数の第２の信号を合算し、この合算された信号を前記評価マイクおよび前記複数の第２評価マイクの総数で除算することで平均の信号を得る請求項３に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
8. 中心軸回りに回転する複数の動翼と、
   前記複数の動翼に対向して、前記複数の動翼の数と同数に設けられた複数の静翼と、
   回転する前記複数の動翼で規定される動翼平面に略沿った位置に設置され、制御音を発生する複数のスピーカと、
   評価マイクと、
   を備え、
   前記中心軸と前記動翼平面とが交わる点から前記評価マイクまでの距離は、前記評価マイクから前記複数のスピーカ中の１つまでの距離と略等しく、前記評価マイクから前記複数のスピーカ中の他の１つまでの距離とも略等しい動翼静翼干渉騒音低減システム。
9. 前記複数のスピーカは、２つである請求項８に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
10. 前記複数のスピーカから同相かつ同振幅の前記制御音を発生させる制御部を備える請求項８に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
11. 前記複数の動翼および前記複数の静翼を取り囲む筒状のダクト部であって、少なくとも１つの開口縁部を有するダクト部を備え、
    前記複数のスピーカは、前記開口縁部に沿って設けられる請求項８に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
12. 中心軸回りに回転する複数の動翼と、
    前記複数の動翼に対向して、前記複数の動翼の数と同数に設けられた複数の静翼と、
    回転する前記複数の動翼で規定される動翼平面に略沿った位置に設置され、制御音を発生する複数のスピーカと、
    前記複数の動翼および前記複数の静翼を取り囲む筒状のダクト部と、
    前記ダクト部に取り付けられ、前記複数の動翼から発せられる騒音と、前記複数のスピーカから発せられる前記制御音と、を取得する評価マイクと、
    前記動翼平面に略沿った位置の第１仮想点又は前記中心軸上の第２仮想点に前記評価マイクを仮想的に位置させるように、仮想マイク法を用いて制御する制御部であって、
    前記第１仮想点を採用する場合には、前記第１仮想点から前記複数のスピーカ中の１つまでの距離と、前記第１仮想点から前記複数のスピーカ中の他の１つまでの距離と、前記第１仮想点から前記中心軸までの距離と、が同一となるように前記第１仮想点を設定し、
    前記第２仮想点を採用する場合には、前記中心軸と前記動翼平面とが交わる点から前記第２仮想点までの距離を、前記第２仮想点から前記複数のスピーカ中の１つまでの距離と略等しく、前記第２仮想点から前記複数のスピーカ中の他の１つまでの距離とも略等しくなるように前記第２仮想点を設定し、
    前記複数のスピーカを制御して前記複数のスピーカから同相かつ同振幅の前記制御音を発生させる制御部と、
    を備える動翼静翼干渉騒音低減システム。
13. 前記複数のスピーカは、２つである請求項１２に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の動翼静翼干渉騒音低減システムを備える飛行体。