JP6955536B2

JP6955536B2 - 音予測方法

Info

Publication number: JP6955536B2
Application number: JP2019164267A
Authority: JP
Inventors: 憲司北村
Original assignee: Yachiyo Industry Co Ltd
Current assignee: Yachiyo Industry Co Ltd
Priority date: 2019-09-10
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2039-09-10
Also published as: JP2021043027A

Description

本発明は、音予測方法に関する。

燃料タンクの設計開発において、燃料タンク内の燃料が揺動することで燃料タンクから発生する揺動音（スロッシング音）を予測する研究が進められている。近年、ハイブリッド車両やアイドリングストップを行う車両など静粛性の高い車両が普及したことにより、搭乗者が燃料タンクの揺動音を耳にする機会が増えている。このため、燃料タンクの揺動音の低減が求められている。

従来では、燃料タンクの揺動音を予測する方法として、例えば、スロッシング解析、タンク振動解析、音響解析の３段階の解析による方法が行われていた。スロッシング解析は、燃料タンク内の燃料および空気の動きを計算し、燃料および空気が燃料タンクを叩く力を求める解析である。タンク振動解析は、燃料および空気が燃料タンクを叩く際に発生する燃料タンクの振動を計算する解析である。音響解析は、燃料タンクの振動によって周囲に発生する音を計算する解析である。しかし、このような従来の方法は、膨大な計算時間（例えば、５，６日）を要するという問題があった。

そこで、計算時間を短縮するために粒子法を用いて解析することが考えられる。粒子法は、連続体に関する方程式を数値的に解くための離散化手法の一つであり、計算対象物を粒子の集まりとして表すことを特徴とする。粒子法を用いた解析は、例えば、特許文献１に示されている。

特開２０１８−１４７３１５号公報

しかしながら、粒子法は、密度差の大きい気液２相を対象にした計算の精度が低いという問題がある。つまり、燃料タンク内の空気および燃料をそれぞれ空気粒子および液体粒子として扱い、粒子法によって空気粒子および液体粒子の動きを計算し、燃料タンクの揺動音を予測しても、高い精度が得られないという問題がある。

本発明は、このような観点から創案されたものであり、液体入り容器の揺動音の予測の精度を向上させることができるとともに、計算時間を短くすることができる音予測方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明は、容器内の液体が揺動することによって発生する揺動音を、粒子法を用いて予測する音予測方法であって、前記容器の中の気相を表現する空気粒子及び前記容器の中の液相を表現する液体粒子の動きを計算し、前記気相が分離してできる空気だまりの動きに基づいて揺動音を予測することを特徴とする。

本発明によれば、揺動音の原因となる空気だまりに着目して粒子法の計算をする。このため、粒子法を用いて液体入り容器の揺動音の予測の精度を向上させることができる。また、従来のような３段階の解析ではなく、１段階のみの解析で予測を行うことができるため、計算時間を短縮することができる。

また、前記空気だまりを構成する前記空気粒子及び前記空気だまりの周囲に分布する前記空気粒子の少なくとも一方の速度を下げて計算することが好ましい。

このようにすると、容器からの空気粒子の逸脱を防ぐことができる。これにより、空気だまりの再現性を向上させることができる。

また、前記空気だまりと前記液体粒子との衝突時に、当該液体粒子の質量を一時的に下げて計算することが好ましい。

このようにすると、空気粒子は液体粒子から大きな衝撃を受けず、容器内に留まることができる。これにより、空気だまりの再現性を向上させることができる。また、空気だまりと液体粒子との衝突による変形を小さくすることができ、空気だまりを球体に近づけることができる。

また、前記容器の壁面付近に分布する液体粒子とそれ以外に分布する液体粒子に対してそれぞれ異なる計算方式の表面張力計算を適用することが好ましい。

このようにすると、容器の壁面付近に分布する液体粒子とそれ以外に分布する液体粒子とで異なる表面張力を与えることができる。これにより、精度よく計算することができ、空気だまりを球体に近づけることができる。

本発明に係る音予測方法によれば、粒子法を用いて液体入り容器の揺動音の予測の精度を向上させることができるとともに、計算時間を短くすることができる。

揺動音発生要因分析試験を示す概要図である。揺動音発生要因分析試験の結果を示すグラフである。揺動音発生要因分析試験の結果Ｎ２時における空気だまりを示し、容器の上方から見た概要図である。揺動音発生要因分析試験の結果Ｎ３時における空気だまりを示し、容器の上方から見た概要図である。従来の粒子法のシミュレーション結果の画面例（第一の状態）である。従来の粒子法のシミュレーション結果の画面例（第二の状態）である。従来の粒子法のシミュレーション結果の画面例（第三の状態）である。本実施形態に係る音予測装置の機能構成図である。本実施形態に係るシミュレーション結果の画面例（第一の状態）である。本実施形態に係るシミュレーション結果の画面例（第二の状態）である。

本発明の音予測方法に係る実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。まずは、揺動音の発生要因を分析するために行った揺動音発生要因分析試験と、従来の粒子法に基づく揺動音の解析結果について説明する。

＜揺動音発生要因分析試験＞
図１に示すように、揺動音発生要因分析試験では、所定量の液体（例えば、ガソリン）が入った燃料タンクの容器Ｃを振動させ、液体を揺動させることで、容器Ｃから発生する揺動音を計測器で計測した。図示の便宜上、図１において、容器Ｃを振動させるための装置の図示は省略している。

容器Ｃの内部は、液体からなる液相Ｇと空気からなる気相Ａとで構成されている。図１において、容器Ｃの天面ＣＵと液相Ｇとの間には空気だまりＭが形成されている。

図２は、揺動音発生要因分析試験の結果を示すグラフである。結果Ｍ１は、容器Ｃを振動させた時の加速度を示している。結果Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、各時における揺動音の音圧の大きさを示している。結果Ｎ１においては、空気だまりは発生せず、音圧は小さかった。一方、結果Ｎ２においては、図３Ａに示す空気だまりＭａが発生し、音圧が他の時間より大きかった。また、結果Ｎ３においては、図３Ｂに示す空気だまりＭｂが発生し、結果Ｎ２時と同じ程度の音圧になった。結果Ｎ３時の空気だまりＭｂは、結果Ｎ２時の空気だまりＭａより大きかった。なお、図２中の結果Ｎ４は、機械音のため検討対象外とすることができる。また、揺動音の周波数は、２５０〜７００Ｈｚ程度の低い値となった。

揺動音発生要因分析試験によれば、空気だまりと揺動音と間に相関関係があることがわかった。つまり、空気だまりが発生するタイミングで揺動音の音圧が大きくなることがわかった。また、空気だまりＭが、容器Ｃの天面ＣＵから気相Ａ側に移動して、気相Ａと再合流するときに揺動音が大きくなる傾向があることがわかった。したがって、粒子法に基づく揺動音の解析において、空気だまりの形状、大きさ、動き等を忠実に再現することは、予測精度の向上につながる重要な要素であることが分かった。

＜従来の粒子法に基づく解析結果＞
次に、従来の粒子法に基づく揺動音の解析結果について詳細に説明する。図４Ａ〜図４Ｃは、従来の粒子法のシミュレーション結果の画面例である。図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、時系列ごとに第一の状態、第二の状態、第三の状態としている。

燃料タンクの容器内に空気粒子と液体粒子を配置して粒子法のシミュレーションを開始した場合、図４Ａに示すように、容器ｃｄの振動によって、液体粒子ｐ１が揺動する。さらに所定時間が経過すると、図４Ｂに示すように、容器ｃｄの天面ｃ１に空気だまりｍｄが一時的に形成される。

この時、空気だまりｍｄを構成する空気粒子ｐ２が空気だまりｍｄの周囲の液体粒子ｐ１に衝突して反発する。これにより、図４Ｃに示すように、空気だまりｍｄを構成する空気粒子ｐ２が容器ｃｄの壁面から飛び出してしまい（囲み破線ｅ参照）、空気だまりが再現されていない。計算上、空気粒子ｐ２が、容器ｃｄから飛び出してしまう（逸脱してしまう）原因としては、空気粒子ｐ２に対して、液体粒子ｐ１の質量がかなり大きいため空気粒子ｐ２が液体粒子ｐ１との衝突によって弾き出されてしまうことが挙げられる。

また、空気だまりｍｄは、実際には球体に近い形状になるところ、図４Ｂに示すように、当該シミュレーションで一時的に形成された空気だまりｍｄは、球体にはならず潰れた形状になってしまう。このため、空気だまりｍｄを構成する空気粒子ｐ２は、容器ｃｄの壁面から飛び出さなかったとしても、実際の空気だまりを忠実に再現できていない。

以上のように、従来の粒子法に基づく解析結果では、空気だまりｍｄを再現することがそもそも困難であった。また、空気だまりを再現できたとしても、実際の大きさ、形状、動きとは相違するため、揺動音の予測精度が低いという問題があった。

＜本発明の実施形態＞
上記の課題を踏まえ、本発明は、容器内の液体が揺動することによって発生する揺動音を、粒子法を用いて予測する音予測方法であって、前記容器の中の気相を表現する空気粒子及び前記容器の中の液相を表現する液体粒子の動きを計算し、前記気相が分離してできる空気だまりの動きに基づいて揺動音を予測することを特徴とする。

本発明によれば、揺動音の原因となる空気だまりに着目して粒子法の計算をする。このため、粒子法を用いて液体入り容器の揺動音の予測の精度を向上させることができる。また、従来のような３段階の解析ではなく、１段階のみの解析で予測を行うことができるため、計算時間を短縮することができる。
以下に、本発明の音予測方法の一例について、詳細に説明する。

＜構成＞
図５に示すように、本実施形態に係る音予測装置１は、容器ｃｄ内の液体が揺動することによって発生する揺動音を、粒子法を用いて予測する計算機である。音予測装置１は、初期条件設定部１１、振動付与部１２、シミュレーション部１３、空気だまり判定部１４、音予測部１５、速度調整部１６、質量調整部１７、および、表面張力調整部１８などの機能部を備える。また、音予測装置１は、マッピング情報２０を記憶している。

図６Ａは、本実施形態に係るシミュレーション結果の画面例（第一の状態）である。図６Ｂは、本実施形態に係るシミュレーション結果の画面例（第二の状態）である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、燃料タンクの容器ｃｄ内に空気粒子ｐ２と液体粒子ｐ１を配置して粒子法のシミュレーションを開始した場合、図６Ｂに示すように、容器ｃｄの天面ｃ１付近に空気だまりｍｄが形成される。

図５に示すように、初期条件設定部１１は、粒子法によるシミュレーションを開始するのに必要な入力情報を初期条件として設定する。入力情報は、燃料タンクの設計開発を行うエンジニア等の入力操作によって音予測装置１に入力された情報である。具体的には、初期条件としての入力情報には、容器ｃｄの中の気相を表現する空気粒子ｐ２の数、空気粒子ｐ２の初期位置、空気粒子ｐ２の初期速度、空気粒子ｐ２の質量、容器ｃｄの中の液相を表現する液体粒子ｐ１の数、液体粒子ｐ１の初期位置、液体粒子ｐ１の質量、液体粒子ｐ１間の粒子間力、容器ｃｄの形状等が含まれるが、これらに限定されない。容器ｃｄの形状は、空気粒子ｐ２および液体粒子ｐ１の移動範囲を画定する。空気粒子ｐ２は、自由粒子とする。液体粒子ｐ１の質量は、空気粒子ｐ２の質量より極めて大きく設定される。

振動付与部１２は、容器ｃｄに付与する振動を決定する。振動付与部１２が決定する振動は、例えば、エンジニア等の入力操作によって音予測装置１に入力された情報である。

シミュレーション部１３は、振動付与部１２が決定した振動が容器ｃｄに付与されたときに、初期条件設定部１１が設定した初期条件に従って、粒子法によるシミュレーションを行う。シミュレーション部１３は、シミュレーション結果をモニタ等の画面に表示することができる。

空気だまり判定部１４は、シミュレーション部１３のシミュレーションによって、気相が分離して容器ｃｄ内に空気だまりｍｄ（図６Ｂ参照）が形成されたか否かを判定する。空気だまり判定部１４は、下記の（１）〜（３）を満たす場合、空気粒子ｐ２の集合体を空気だまりｍｄであると判定することができる。
（１）空気粒子ｐ２の集合体が容器ｃｄの天面ｃ１に隣接している。（２）空気粒子ｐ２の集合体が所定の圧力を有する。（３）液体粒子ｐ１と空気粒子ｐ２とが衝突する方向のベクトルを有する（空気粒子ｐ２の集合体の周囲に分布する液体粒子ｐ１が、空気粒子ｐ２の集合体側に向かい、空気粒子ｐ２の集合体の圧力が高まっていく場合）。

なお、空気だまりｍｄが形成されたか否かの判定基準はこれに限定されるものではない。例えば、空気だまり判定部１４は、例えば、所定体積を有する任意領域内に所定個数以上の空気粒子ｐ２が所定時間以上存在したときに空気だまりｍｄが形成された、と判定することができる。

また、空気だまり判定部１４は、空気だまりｍｄが形成されたと判定した場合において、当該空気だまりｍｄが球体であるか否かを判定することができる。例えば、空気だまり判定部１４は、空気だまりｍｄを構成する空気粒子ｐ２のうち所定割合以上の空気粒子ｐ２の位置が、所定の半径を有する仮想球体に包含されたときに球体であると判定することができる。空気だまりｍｄが球体であるとは、空気だまりｍｄの表面の一部が球面を呈していることも含む。

音予測部１５は、気相が分離してできる空気だまりｍｄの大きさ、形状、動き等に基づいて揺動音を予測する。具体的には、音予測部１５は、空気だまり判定部１４によって空気だまりｍｄが形成されたと判定された場合、当該空気だまりｍｄに基づいてどのような揺動音が発生されるのかを、後記するマッピング情報２０を参照して予測する。

速度調整部１６は、空気だまりｍｄを構成する空気粒子ｐ２及び空気だまりｍｄの周囲に分布する空気粒子ｐ２の少なくとも一方の速度を、他の位置の空気粒子ｐ２よりも下げる。速度調整部１６は、空気だまり判定部１４によって空気だまりｍｄがあると判定された場合、その空気だまりｍｄを構成している空気粒子ｐ２を、速度を下げる対象に設定することができる。また、速度調整部１６は、空気だまり判定部１４によって空気だまりｍｄがあると判定された場合、その空気だまりｍｄから所定距離内にある空気粒子ｐ２を、速度を下げる対象に設定することができる。速度の下げ幅は、対象となる空気粒子ｐ２が容器ｃｄから飛び出ない範囲で適宜設定する。

速度調整部１６によれば、液体粒子ｐ１に衝突して反発する空気粒子ｐ２が、容器ｃｄが飛び出さず、容器ｃｄ内（移動範囲内）に留めることができる。これにより、空気だまりｍｄが消失したり、潰れたりせずに忠実に再現することができる。

なお、速度を下げる対象となる空気粒子ｐ２は、例えば、図６Ａに示す、容器ｃｄの天面ｃ１又は側面ｃ２付近に分布する空気粒子ｃ２としてもよい。また、速度を下げる対象となる空気粒子ｐ２は、例えば、液体粒子ｐ１に衝突して反発し、空気粒子ｐ２の移動範囲から逸脱すると判定された空気粒子ｐ２（計算上、容器ｃｄから飛び出してしまう空気粒子ｐ２）の一部又は全部としてもよい。また、各空気粒子ｐ２の速度の下げ幅は、粒子ごとに一定ではなく、変化させてもよい。

質量調整部１７は、空気だまりｍｄと液体粒子ｐ１との衝突時に、液体粒子ｐ１の質量を一時的に下げる。また、質量調整部１７では、液体粒子ｐ１と空気粒子ｐ２とが衝突した後、液体粒子ｐ１と空気粒子ｐ２とが所定の距離で離間すると、その液体粒子ｐ１の質量を元の質量に戻すように設定する。質量の下げ幅は、空気だまりｍｄを構成する空気粒子ｐ２が、当該液体粒子ｐ１との衝突によって容器ｃｄから飛び出さない範囲で適宜設定する。

質量調整部１７によれば、液体粒子ｐ１に衝突して反発する空気粒子ｐ２の衝撃を小さくすることができるため、空気粒子ｐ２を容器ｃｄ内（移動範囲内）に留めることができる。また、質量調整部１７によれば、空気だまりｍｄが消失したり、潰れたりせずに忠実に再現することができる。さらに、空気だまりｍｄと衝突する液体粒子ｐ１の質量を下げることで、液体粒子ｐ１の衝突による空気だまりｍｄの変形を小さくすることができ、空気だまりｍｄを球体に近づけることができる。これにより、揺動音の予測の精度をより向上させることができる。

質量調整部１７の質量を下げる所定条件や、質量を下げる対象となる液体粒子ｐ１については適宜設定することができる。例えば、質量調整部１７は、形成された空気だまりｍｄから所定距離にある液体粒子ｐ１、又は、容器ｃｄの天面ｃ１、側面ｃ２付近に分布する液体粒子ｐ１の質量を所定量だけ下げるようにしてもよい。また、質量調整部１７は、空気だまりｍｄと接触している液体粒子ｐ１の質量を一時的に下げるようにしてもよい。

表面張力調整部１８は、容器ｃｄの壁面付近に分布する液体粒子ｐ１と、それ以外に分布する液体粒子ｐ１に対してそれぞれ異なる計算方式の表面張力計算を適用する。容器ｃｄの壁面とは、図６Ｂに示す天面ｃ１、側面ｃ２を含む容器ｃｄを構成する壁面を意味する。表面張力は、液体粒子ｐ１と他の物質とが接する界面に作用するが、物質によって表面張力が変わるため、表面張力調整部１８では、その物質に対応した表面張力計算を適用する。

例えば、表面張力調整部１８は、液体粒子ｐ１と空気だまりｍｄとの界面、液体粒子ｐ１と天面ｃ１との界面、液体粒子ｐ１と側面ｃ２との界面で異なる表面張力計算を行ってもよい。表面張力調整部１８によれば、各界面に応じて適切な表面張力計算を行うことができるため、空気だまりｍｄを忠実に再現することができる。特に、表面張力調整部１８によれば、空気だまりｍｄの形状を球体に近づけることができる。

マッピング情報２０は、空気だまりｍｄと揺動音との対応関係がまとめられた情報である。マッピング情報２０は、空気だまりｍｄの大きさ、形状、位置、動き及び、容器ｃｄの大きさ、形状、並びに、容器ｃｄを振動させる加速度等の情報と揺動音との対応がまとめられている。音予測部１５は、マッピング情報２０を参照して、発生した空気だまりｍｄに起因する揺動音の音圧、周波数等を算出することができる。

以上説明した本実施形態に係る音予測方法（音予測装置１）よれば、揺動音の原因となる空気だまりｍｄに着目して粒子法で計算を行うことができる。また、本実施形態によれば、揺動音の主な要因となる空気だまりｍｄが消失したり、潰れたりするのを防ぎ、忠実に再現することができるため、揺動音の予測精度を向上させることができる。

また、従来は、揺動音の主な発生原因が分からなかったため、前記した３段階の解析を行うことでその精度を担保していた。しかし、本発明では揺動音の主な要因を空気だまりｍｄと特定できたことにより、従来のような３段階の解析ではなく、１段階のみの解析で精度の高い予測を行うことができ、計算時間を短縮することができる。

＜その他＞
波消し板などの内蔵部品が内蔵された燃料タンクについても、本発明の粒子法を用いた音予測方法を行うことができる。この場合、表面張力調整部１８は、内蔵部品の表面に分布する液体粒子ｐ１に固有の表面張力計算を適用することができる。また、速度調整部１６、質量調整部１７及び表面張力調整部１８は、個別に用いてもよいし、併用してもよい。

１音予測装置
１１初期条件設定部
１２振動付与部
１３シミュレーション部
１４空気だまり判定部
１５音予測部
１６速度調整部
１７質量調整部
１８表面張力調整部
２０マッピング情報

Claims

容器内の液体が揺動することによって発生する揺動音を、粒子法を用いて予測する音予測方法であって、
前記容器の中の気相を表現する空気粒子及び前記容器の中の液相を表現する液体粒子の動きを計算し、前記気相が分離してできる空気だまりの動きに基づいて揺動音を予測することを特徴とする音予測方法。
前記空気だまりを構成する前記空気粒子及び前記空気だまりの周囲に分布する前記空気粒子の少なくとも一方の速度を下げて計算することを特徴とする請求項１に記載の音予測方法。
前記空気だまりと前記液体粒子との衝突時に、当該液体粒子の質量を一時的に下げて計算することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の音予測方法。
前記容器の壁面付近に分布する液体粒子とそれ以外に分布する液体粒子に対してそれぞれ異なる計算方式の表面張力計算を適用することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の音予測方法。