JP7039512B2 - 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およびそれを備えた飛行体に関する。

翼騒音は、一般に回転音、干渉音、ランダム音から構成される。回転音の発生周波数は、回転速度に翼枚数を乗じた周波数の倍長音である。回転音の低減対策としては、翼形状を広翼とすることで翼面圧力分布を均一化することが一般的である。干渉音は、動静翼干渉に代表される動翼と干渉体との干渉により発生する騒音であり、動翼のみの場合と比較し周方向発生ロブモードが増加する。よって、動翼および静翼を有する軸流ファンのダクト内部にて、減衰が十分でない低次周方向発生ロブモードがダクトの端面から放射されることとなる。ランダム音は、空力音として発生する広帯域騒音である。

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

本田善久，佐部利誠司，松久寛，佐藤進：‘軸流送風機の動翼回転騒音の能動的最小化’; 日本機械学会論文集（Ｃ編）, Vol.59, No. 562 (1993-6)，論文No. 92-1472 青木琢哉，森下達哉，田中利幸，多氣昌生:‘球面調和関数展開に基づいた自由空間中でのファン騒音の能動制御’; 日本音響学会誌,Vol. 59 No .7 (2003)，pp. 379-387 青木琢哉，田中利幸，多氣昌生:‘離散リング音源を用いた回転騒音源の能動制御に関する理論的検討’; 日本音響学会誌,Vol. 60 No .11 (2004)，pp. 639-645

動翼および静翼は、ダクト内に設置されることが多い。また、動静翼干渉を生じる際に、上記の低次周方向発生ロブモードを生じる。低次周方向発生ロブモードは、ダクト内において減衰せず、ダクトの端面から外部に向けて放射されるため、騒音低減が必要となる。

本発明が解決しようとする課題は、低次周方向発生ロブモードを低減することで騒音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た複数の静翼と、前記中心軸上又は前記中心軸を延長した延長線上に中心が位置する１つの円上に離散的に配置され、制御音を発生する複数のスピーカと、１以上の評価マイクと、前記１以上の評価マイクで取得した信号に基づき、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、
減衰レベルａｔｔの評価式を

とし、Ｘを

とし、ここで、ａは前記動翼の長さ、ｂは前記スピーカが設置される円の半径、ｒ＝ａ／ｂ、ｋは上限波数、ｊ_０は球ベッセル関数であり、目標の騒音減衰レベルから前記ａｔｔ、Ｘ、およびｋに基づき、ｒが選択された。

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実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムの複数の動翼、複数の静翼、ダクト、複数のスピーカ、評価マイク、および制御部を示す模式図である。 図３は、各スピーカ数に対応するｒａｔｅをプロットした結果を示すグラフである。 図４は、ａｔｔとＸの関係を示すグラフである。 図５は、スピーカ数２個の比較例（ｋｂ＝１．５）と、本実施形態の例（Ｘ＝０．８）と、の関係を示すグラフである。 図６は、Ｆｂｍａｘ／Ｆａｍａｘとｂ／ａとの関係を示すグラフである。 図７は、スピーカの数を４個とした場合の、ａｔｔと、ｒを１．１～１．７までの適当な値とした場合の動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量と、を示すグラフである。 図８は、スピーカの数を６個とした場合の、ａｔｔと、ｒを１．１～１．７までの適当な値とした場合の動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量と、を示すグラフである。 図９は、第２実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムの複数の動翼、複数の静翼、ダクト、複数のスピーカ、評価マイク、および制御部を示す模式図である。 図１０は、ｒを１．１～１．７の各値とし、騒音源およびスピーカが発生させる制御音の周波数を１２０Ｈｚとした場合の、評価関数J（θ_ａ）をプロットしたグラフである。 図１１は、ｒを１．１～１．７の各値とし、騒音源およびスピーカが発生させる制御音の周波数を２４０Ｈｚとした場合の、評価関数J（θ_ａ）をプロットしたグラフである。 図１２は、評価マイクの設置仰角を１．２ｒａｄで設定し、ｒを１．１～１．７の各値とした場合の、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量と、第１実施形態のａｔｔとの関係を示すグラフである。 図１３は、評価マイクの設置仰角を０．８ｒａｄで設定し、ｒを１．１～１．７の各値とした場合の、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量と、第１実施形態のａｔｔとの関係を示すグラフである。

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１２）の延びる方向にＺ軸をとり、動翼１３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１７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１０の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６を参照して、第１実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システムおよびそれを備えた飛行体について説明する。

図２、図３に示すように、第１実施形態の飛行体１０は、動翼静翼干渉騒音低減システム１１を備える。飛行体１０は、例えば、飛行機（旅客機）であるが、ドローン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１２（回転軸２１）と、中心軸１２回りに回転する複数の動翼１３と、複数の動翼１３に対向する複数の静翼１４と、複数の動翼１３および複数の静翼１４を取り囲む筒状（円筒状）のダクト１５と、複数のスピーカ１６（制御スピーカ）と、複数の動翼１３および複数の静翼１４から発せられる干渉騒音と複数のスピーカ１６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（マイク）１７と、スピーカ１６を制御する制御部１８と、を有する。本実施形態のように、複数の動翼１３が取り付けられた回転軸２１が太径のロッド状に構成される場合には、中心軸１２は、その回転軸２１の中心を通る軸線として定義される。

複数の動翼１３は、流体を所望の方向に送るように例えば、回転駆動される。複数の静翼１４は、動翼１３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。上記した中心軸１２、複数の動翼１３、複数の静翼１４、およびダクト１５は、例えば、圧縮機付きのファン２２、一例として、ガスタービンエンジン（ジェットエンジン）の一部を構成することができる。ファン２２は、中心軸１２を回転可能に支持するステータ２３を有する。

複数のスピーカ１６の数は、３個以上である。複数のスピーカ１６は、互いに同相かつ同振幅の制御音を発生できる。複数のスピーカ１６は、治具やその他の取付け部材を介して、ダクト１５の外周面に直接固定されている。複数のスピーカ１６は、中心軸１２またはその延長線２５上に中心が位置する１つの円上に、離散的に配置される。複数のスピーカ１６は、当該１つの円上に均等な間隔で配置される。本実施形態では、複数のスピーカ１６は、治具やその他の取付け部材を介して、ダクト１５の外周面に固定されている。複数のスピーカ１６は、ダクト１５の端面２４の近傍又はその周辺に設けられていることが好ましい。

１以上の評価マイク１７は、中心軸１２を延長した延長線２５上で動翼１３から所定距離離れた位置に配置される。本実施形態において、評価マイク１７の数は、１個であることが好ましい。より詳細には、評価マイク１７は、

を満たす位置に配置される。ここで、Ｌはダクト１５の端面２４から評価マイク１７までの距離であり、ｂはスピーカ１６の設置半径（中心軸１２からスピーカ１６までの距離）であり、λは低減対象の騒音（干渉音）の音波の波長の最小値である。ここでは、低減対象の騒音（干渉音）の周波数上限を例えば１ｋＨｚとしたときに、Ｃ＝λ×ｆ（Ｃは音速）から低減対象の騒音（干渉音）の波長の最小値が求まる。したがって、上記［数１］からＬが決定される。

ダクト１５は、吸気口を構成している第１端面２４Ａと、排気口を構成している第２端面２４Ｂと、を有する。

回転する動翼１３によって、動翼平面が規定される。複数の動翼１３の枚数は、任意である。複数の静翼１４の枚数は、任意であり、動翼１３の枚数と同数であってもよいし、動翼１３の枚数と異なっていてもよい。制御部１８は、複数のスピーカ１６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。

制御部１８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１８は、公知の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を用いた制御手法としては、フィードバックタイプであってもよいし、フィードフォーワードタイプであってもよい。制御部１８は、１以上の評価マイクで取得した信号に基づき、複数のスピーカ１６から同相かつ同振幅の制御音を発生できる。

本実施形態では、０次周方向発生ロブモード特性を考慮に入れた効果的な制御手法を用いる。０次周方向発生ロブモードの音源特性は、中心軸１２又はその延長線２５を中心とする１つの円上（ダクト１５端面２４上に位置する円上）に連続してリング状の同相音源が配置された特性となる（図２では、音源（動翼音源）を２個のみ示しているが、実際には中心軸１２を中心とする円上に無限個の音源が並んでいる）。

円上に離散配置したスピーカ１６（制御スピーカ）が発するモードには、円周方向のｍモードと、仰角方向のｎモードと、がある。さらに、１つの円上に離散配置したスピーカ１６が発するｍモードには、追加ロブモードが含まれる。一方、中心軸１２又はその延長線２５を中心とする１つの円上に連続して存在する音源（動翼音源）には、この追加ロブモードが含まれない。

本実施形態では、下記式に従い、本提案では離散配置したスピーカ１６により音源（動翼音源）を模擬するため下記の寄与率評価にて４％以下に追加ロブモードの寄与を抑えるスピーカ１６とした。なお、本実施形態では、０次周方向発生ロブモード特性を騒音低減対象とするため、複数のスピーカ１６によって動翼音源の０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）を模擬した。ここで、

と定義したとき、ここで、Ｌ_ｃはスピーカ１６の数、ｋは上限波数、ｂはスピーカ１６が設置される円の半径、スピーカ１６の体積速度、ｎは仰角モード次数、ｍはロブモード次数、ｊ_ｎは球ベッセル関数、Ｐはルジャンドル陪関数であり、ｒａｔｅを以下のように定義し、

ここで、ｎａは仰角モードの上限を表す適当な整数、ｍａはロブモードの上限を表す適当な整数である。

本実施形態では、このｒａｔｅを９６％以上とするように（追加ロブモードの寄与率を４％以下とするように）、各種の条件を設定した。このｒａｔｅを示すグラフを図３に示す。図３より、ｋｂ＜１．９の範囲で使用する場合にはスピーカ１６の数を３個とし、ｋｂ＜２．５の範囲で使用する場合にはスピーカ１６の数を４個とし、ｋｂ＜３．５の範囲で使用する場合にはスピーカ１６の数を５個とし、ｋｂ＜４．５の範囲で使用する場合にはスピーカ１６の数を6個とすればよいことが理解できる。これによって、上記追加ロブモード（追加エイリアスモード）の影響を４％以下に抑え、動翼音源の０次周方向発生ロブモードを離散配置した複数のスピーカ１６にて模擬できることが示された。このｒａｔｅ≧９６％の評価式は、所定のｋｂが条件として与えられた場合に、適切なスピーカ１６の数を簡単に割り出すことができる指標として極めて有用である。

さらに発明者らは、数値音響解析により、上記した数のスピーカ１６を用いた場合に、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量の下限指針として、下記式を見出した。

(ｋａ＜１．６の場合の範囲評価式)
ここで、ａは動翼１３の長さ（動翼半径）、ｂ＝ｒ×ａはスピーカ１６が設置される円の半径、ｋは上限波数,ｊ_０は球ベッセル関数である。発明者らは、上記式をすべてのｋａの範囲に一般化した次式を得た。

ここで、Ｘは

である。図４に示すグラフは、この［数７］と［数８］の関係を表している。図４では、横軸がＸであり、縦軸が減衰レベル（attenuation level (att)）である。本実施形態では、この評価式に基づき、スピーカ１６が設置される円の半径を簡単に見積もることができる。

続いて、本実施形態の作用について説明する。
設計者は、図４のグラフに基づき、目標とする音響パワー低減量と、Ｘとの関係を知ることができる。すなわち、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量の目標値として、６ｄＢの減衰を図りたいときには、図４の曲線に従いＸ＜１．１とすべきことを読み取れる。同様に、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量の目標値として、１０ｄＢの減衰を図りたいときには、図４の曲線に従いＸ＜０．８とすべきことを読み取れる。動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量の目標値として、２０ｄＢの減衰を図りたいときには、図４の曲線に従いＸ＜０．５とすべきことを読み取れる。このように、目標となる音響パワーの低減量を定めた結果、ｒの値を自動的に決定することができ、従来のようにスピーカ１６が設置される円の半径を経験に基づき試行錯誤で決定していく作業を省略できる。

続いて、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量の目標値を１０ｄＢとした場合に、本実施形態の上記［数５］のｒａｔｅを９６％以上にし、さらに［数７］、［数８］の評価式を満たした場合の有効性について検討する。この検討は、スピーカ数を２個で固定した比較例との比較で行った。スピーカ１６の数を２個とした比較例では、１０ｄＢ低減指標は約ｋｂ＜１．５であった。

検討結果を図５に示す。スピーカ１６の数を２個に固定した比較例は、ｋｂ＝１．５であるとして、負の傾きを有する直線（図５中では破線）として図５中に示される。このとき、波数ｋは、

で表され、式中、ωは角速度、ｆは周波数、ｃは音速、であるから、周波数ｆの増減に応じてｂ－ａの値が変化する。

図５では、［数５］のｒａｔｅを９６％以上とし、さらに［数７］、［数８］の評価式を満たすためには、Ｘ＜０．８とする必要がある。Ｘ＝０．８の曲線を図５に示す。図５より明らかなように、本実施形態の例、すなわち［数５］のｒａｔｅを９６％以上とし、さらに［数７］、［数８］の評価式を満たした場合には、いずれの周波数においても、ｂ－ａの値をスピーカ１６の数が２個の比較例よりも大きくすることができた。この点は、スピーカ１６が設置される円の半径ｂと、動翼１３の長さ（動翼半径）ａと、の差を大きくできることを意味する。したがって、本実施形態の例は、比較例に比してスピーカ１６の設置自由度を向上できる。

図６に別の検討結果を示す。図６では、ｋｂ＝１．５の条件から、比較例（スピーカ数２個）の周波数上限Ｆａｍａｘを

と定義した。同様に、Ｘ＝０．８の条件から、本実施形態の例（［数５］のｒａｔｅを９６％以上とし、さらに［数７］、［数８］の評価式を満たす例、スピーカ１６の数４個）の周波数上限Ｆｂｍａｘを

と定義した。これによって、ＦａｍａｘとＦｂｍａｘとの比を

とした。

図６に、横軸をｂ／ａ、縦軸をＦｂｍａｘ／Ｆａｍａｘとして、ｂ／ａとＦｂｍａｘ／Ｆａｍａｘとの関係を表したグラフを示す。図６より、すべてのｂ／ａにおいて、Ｆｂｍａｘ／Ｆａｍａｘが１以上となることが理解できる。このため、本実施形態の例（［数５］のｒａｔｅを９６％以上とし、さらに［数７］、［数８］の評価式を満たす例、スピーカ１６の数４個）では、適用可能な周波数の上限を比較例よりも高くすることができる。

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１２回りに回転する複数の動翼１３と、複数の動翼１３に対向した複数の静翼１４と、中心軸１２上又は中心軸１２を延長した延長線２５上に中心が位置する１つの円上に離散的に配置され、制御音を発生する複数のスピーカ１６と、１以上の評価マイク１７と、１以上の評価マイク１７で取得した信号に基づき、複数のスピーカ１６から同相かつ同振幅の前記制御音を発生させる制御部１８と、を備え、減衰レベルａｔｔの評価式を

とし、Ｘを

とし、ここで、ａは動翼１３の長さ、ｂはスピーカ１６が設置される円の半径、ｒ＝ａ／ｂ、ｋは上限波数、ｊ_０は球ベッセル関数であり、目標の騒音減衰レベルからａｔｔとＸとに基づき、ｒが選択される。

この構成によれば、目標となる音響パワーの低減量を定めることで、ｒの値を自動的に決定することができ、従来のようにスピーカ１６が設置される円の半径を経験に基づき試行錯誤で決定していく作業を省略できる。これによって、動翼静翼干渉騒音低減システム１１の設計を容易にすることができ、設計者の作業量を低減できる。

この場合、Ｂを

と定義したとき、ここで、Ｌ_ｃはスピーカ１６の数、ｋは上限波数、ｂはスピーカ１６が設置される円の半径、スピーカ１６の体積速度、ｎは仰角モード次数、ｍはロブモード次数、ｊ_ｎは球ベッセル関数、Ｐはルジャンドル陪関数であり、ここで、ｒａｔｅを以下のように定義し、

ここで、ｎａは仰角モードの上限を表す整数、ｍａはロブモードの上限を表す整数であり、上記に定義されるｒａｔｅを９６％以上とするように、前記ｋおよび前記rから求められるｋｂに基づき、Ｌ_ｃの条件が選択される。

この構成によれば、所定のｋｂが条件として与えられた場合に、適切なスピーカ１６の数を簡単に割り出すことができる指標として利用できるため、極めて有用である。また、スピーカ１６等の設置に要するコストと、騒音の音響パワーの十分な低減と、のバランスをとることができる。すなわち、ｒａｔｅが１００％に近づくと、多数のスピーカ１６が必要となり、設置コストとの兼ね合いで、現実的でない問題がある。一方、ｒａｔｅが９６％よりも小さくなると、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減が十分に得られない問題がある。本実施形態によれば、これらの問題を解決して、低コスト且つ良好な制御効果が得られる動翼静翼干渉騒音低減システム１１を実現できる。

この場合、前記Ｌｃは、３個以上である。この構成によれば、ｂ－ａの値を大きくすることができ、その結果、スピーカ１６を動翼１３から離して設置するもできる。これによって、スピーカ１６の数を２個とした場合に比して、スピーカ１６の設置自由度を向上できる。また、すべてのｂ／ａにおいて、Ｆｂｍａｘ／Ｆａｍａｘを１以上にできるため、スピーカ１６の数を２個とした場合に比して、適用可能な周波数の上限を高くすることができる。これによって、元来低周波の騒音の低減に有効なアクティブノイズコントロールを、スピーカ１６の数をさほど増加することなく、より高い周波数の騒音にも適用することができる。したがって、適用可能な周波数の上限を高くすることができ、使い勝手の良い動翼静翼干渉騒音低減システム１１を実現できる。

この場合、１以上の評価マイク１７は、中心軸１２を延長した延長線２５上で動翼１３から所定距離離れた位置に配置される。この構成によれば、評価マイク１７の設置位置を簡単に決定することができ、設計者の作業負担を低減できる。
［第１実施例］

ａ＝０．１４ｍ、発生騒音周波数ｋｂ＜２．５を満たす１２０Ｈｚ以上、スピーカ１６が設置される円の半径b（ｒ＝１．１～１．７）とし、スピーカ１６の数を４個とし、ｋｂ＜２．５の範囲であるとし、評価マイク１７は中心軸１２を延長した延長線２５上にあるとし、ダクト１５の端面２４から評価マイク１７までの距離Ｌをａの８倍、すなわちＬ＝８ａとした。図７に、上記［数７］、［数８］で示した評価式ａｔｔと、ｒを１．１～１．７までの適当な値とした場合の動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量と、を示す。横軸は、Ｘであり、縦軸は、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量である。図７から明らかなように、それぞれのｒの値において、評価式ａｔｔに沿って、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量の結果が並ぶことが理解される。したがって、［数７］、［数８］で示した評価式ａｔｔが、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量を示す指標として実際に利用可能であることが理解される。
［第２実施例］

ａ＝０．１４ｍ、発生騒音周波数ｋｂ＜４．５を満たす１２０Ｈｚ以上、スピーカ１６が設置される円の半径b（ｒ＝１．１～１．７）とし、スピーカ１６の数を６個とし、ｋｂ＜４．５の範囲であるとし、評価マイク１７は中心軸１２を延長した延長線２５上にあるとし、Ｌ＝８ａとした。図８に、上記［数７］、［数８］で示した評価式ａｔｔと、ｒを１．１～１．７までの適当な値とした場合の動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量と、を示す。横軸は、Ｘであり、縦軸は、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量である。図８から明らかなように、それぞれのｒの値において、評価式ａｔｔに沿って、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量の結果が並ぶことが理解される。なお、Ｘ＞１の範囲で評価式ａｔｔよりも上側にｒ＝１．１～１．３のときの動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量の結果が示されている。しかしながら、評価式ａｔｔは、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量の下限を示す指標としても考えることができる。すなわち、評価式ａｔｔに基づき動翼静翼干渉騒音低減システム１１の設計を進めることで、評価式ａｔｔが満たす最低限の動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量が担保されることとなる。したがって、第２実施例の条件においても、評価式ａｔｔが、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量を示す指標として実際に利用可能であることが理解される。

以下の第２実施形態では、主として、上記第１実施形態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１実施形態では、中心軸１２の延長線２５上に評価マイク１７を１個設置し、アクティブノイズコントロールを実現した。しかしながら、中心軸１２の延長線２５上に評価マイク１７を設置することが困難である場合がある。第２実施形態では、動翼静翼干渉騒音低減システム１１において、動翼１３の近傍に評価マイク１７を設置する場合について、図９～図１１を参照して説明する。

図９に示すように、第２実施形態の飛行体１０は、動翼静翼干渉騒音低減システム１１を備える。

動翼静翼干渉騒音低減システム１１は、中心軸１２（回転軸）と、中心軸１２回りに回転する複数の動翼１３と、複数の動翼１３に対向する複数の静翼１４と、複数の動翼１３および複数の静翼１４を取り囲む筒状（円筒状）のダクト１５と、複数のスピーカ１６（制御スピーカ）と、複数の動翼１３および複数の静翼１４から発せられる干渉騒音と複数のスピーカ１６から発せられる制御音とを取得する複数の評価マイク１７と、スピーカ１６を制御する制御部１８と、を有する。本実施形態のように、複数の動翼１３が取り付けられた回転軸２１が太径のロッド状に構成される場合には、中心軸１２は、その回転軸の中心を通る軸線として定義される。上記した中心軸１２、複数の動翼１３、複数の静翼１４、およびダクト１５は、例えば、圧縮機付きのファン２２、一例として、ガスタービンエンジン（ジェットエンジン）の一部を構成することができる。

上記第１実施形態の［数５］のｒａｔｅ≧９６％の条件に従い、複数のスピーカ１６の数をその条件以上の個数以上とすることとし、且つｋｂの条件も満たすこととする。これによって、本実施形態においても上記追加ロブモード（追加エイリアスモード）の発生を抑制できる。複数のスピーカ１６は、治具やその他の取付け部材を介して、ダクト１５の外側に直接固定されてもよい。

制御部１８は、１以上の評価マイク１７のそれぞれの信号の平均を用いる。

複数の評価マイク１７は、支持部材２６（例えば、棒状部材や冶具）を介してダクトに固定されている。この支持部材２６は、ダクト１５から外側に放射状に延びている。評価マイク１７は、中心軸１２又は中心軸１２を延長した延長線２５上に中心が位置する１つの円上に離散的に配置される。複数の評価マイク１７は、当該１つの円上に均等な間隔で配置される。ダクト１５の端面２４と中心軸１２とが交差する点、すなわち開口中央部２７から見た評価マイク１７の仰角をθと定義する。評価マイク１７の数は、３個以上であることが好ましい。これによって、騒音源特性である同相回転音源（動翼音源）を環境反射がある中においても適切に取得できる。

より詳細には、評価マイク１７が設置される数は、

を満たす数であり、式中、Ｎは適当な整数であり、Ｌ_ｍは評価マイク１７の数であり、Ｌ_ｃはスピーカ１６の数である。したがって、評価マイク１７の数とスピーカ１６の数とが同数にはならない。これによって、設置されるスピーカ１６の方位角と、設置される評価マイク１７の方位角と、を互いに異なるようにすることができる。これによって、スピーカ１６と評価マイク１７とが同じ方位角に配置されて、評価マイク１７がこれに近接するスピーカ１６による近接音場の影響を強く受けてしまうことを防止できる。

具体的には、スピーカ１６の数が４個である場合には評価マイク１７の数を３個とし、スピーカ１６の数が６個である場合には評価マイク１７の数を４個とする。また、本実施形態では同相リングマイクとするため、このリングマイクの出力は各評価マイク１７の出力の加算平均をとることとする。

本実施形態では、評価マイク１７は、下記評価式のJ（θ_ａ）を最小化するように評価マイク１７の仰角が設定される。

ただし、Ｋ（θ_ａ）は、

を満たしている。

ここで、

であり、

であり、

であり、

である。ｎａは検討高次仰角モード次数であり４程度とする。Ｐｒｉｎｇｐは、騒音源（同相音源、動翼音源）から発せられる（ｍ,ｎ）＝（０，０）,（０，２）,（０，４）・・・,（０，２×ｎａ）モードの音波をリング状の評価マイク１７（リングマイク）が取得する音圧である。Ｐｒｉｎｇｃは、リング状のスピーカ（制御音源）から発せられる（ｍ,ｎ）＝（０，０）,（０，２）,（０，４）…,（０，２×ｎａ）モードの音波をリング状の評価マイク１７（リングマイク）が取得する音圧である。ｉ（ｉ＝１，２，３・・・）は、音源番号、スピーカ番号、或いは評価マイク番号である。ｒ_ａは開口中央部２７から評価マイク１７までの距離であり、θ_ａは開口中央部２７から見た評価マイク１７の設置仰角であり、φ_ａｉは開口中央部２７から見た評価マイク１７の設置方位角である。ωは角速度であり、ρは気体密度であり、ｈ_ｎはｎ次第２種球ハンケル関数であり、Ｙは球面調和関数であり、Ｌ_ｐは十分多いと仮定した騒音源の音源個数であり、ｑ_ｐは騒音源の体積速度であり、ｊ_ｎはｎ次球ベッセル関数であり、Ｐはルジャンドル陪関数であり、ｑ_ｓはスピーカの体積速度である。φ_ａｉ＝（２πｉ）／Ｌ_ｍである。したがって、評価マイク１７の総数が３である場合には、評価マイク１７は、開口中央部２７から見て、０度、１２０度、２４０度のそれぞれの方位角に設置される。

［数１８］の評価関数Ｊは積分を含んでいるが、十分小さい角度範囲で計算したものを互いに足し合わせた結果で代用してもよい。

本実施形態の作用について説明する。

本実施形態では、上記第１実施形態の［数５］のｒａｔｅ≧９６％の条件に従い、複数のスピーカ１６の数を当該条件以上の個数とし、且つ第１実施形ｋｂの条件も満たしている。したがって、本実施形態においても上記追加ロブモード（追加エイリアスモード）の発生が抑制される。

さらに本実施形態では、上記［数１８］のJ（θ_ａ）を最小化するように、評価マイク１７の仰角が設定される。これによって、騒音源（動翼１３）から発せられる高次仰角モードと、スピーカ１６（制御音源）から発せられる高次仰角モードと、の差が最小になる。したがって、（０，０）モード以外の音波干渉の影響が小さい仰角の位置に評価マイク１７（リングマイク）を設置できることとなる。これによって、制御効果（騒音の低減効果）が最大化される。

なお、次の実施例３、４で後述するように、［数１８］の評価関数J（θ_ａ）は、１．０～１．５ｒａｄの範囲内で最小となることが多い。このため、この評価関数J（θ_ａ）を用いることなく、評価マイク１７の設置仰角を簡易的に０．９～１．３ｒａｄの範囲内、好ましくは１．０～１．３ｒａｄの範囲内、より好ましくは１．１～１．３ｒａｄの範囲内に、設定することもできる。これによっても、（０，０）モード以外の音波干渉の影響が小さい仰角の位置に評価マイク１７を設置することができる。
［第３実施例］

ａ＝０．１４ｍ、スピーカ１６が設置される一つの円の半径ｂ＝ｒ×ａ、スピーカ１６の数を４個とし、開口中央部２７から評価マイク１７までの距離ｒ_ａ＝ｃ＝１．２ｂとし、評価マイク１７の数を３個とした。

図１０、図１１に、ｒを１．１～１．７の各値とした場合の、［数１８］の評価関数J（θ_ａ）をプロットした結果を示す。図１０は、発生騒音およびスピーカ１６が発する制御音の周波数を１２０Ｈｚとしたときの結果であり、図１１は、発生騒音およびスピーカ１６が発する制御音の周波数を２４０Ｈｚとしたときの結果である。

図１０、図１１のいずれの結果においても、１．２ｒａｄ付近で評価関数Ｊ（θ_ａ）が最小値をとることが確認された。

図１２に、評価マイク１７の仰角を１．２ｒａｄで設定し、ｒを１．１～１．７の各値とした場合の、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量と、第１実施形態の［数７］のａｔｔとの関係を示す。ｒがいずれの値をとる場合でも、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量が概ねａｔｔに近い値をとることが確認された。したがって、第３実施例では、騒音源およびスピーカ１６から発せられる高次仰角モードの音波干渉の影響を最小化して、評価式ａｔｔに基づいて見積もられた動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量の通りの低減量を得ることができた。
［第４実施例］

図１３に、第３実施例と同じ条件で、評価マイクの仰角を０．８ｒａｄで設定し、ｒを１．１～１．７の各値とした場合の、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量と、第１実施形態の［数７］のａｔｔとの関係を示す。

特に、Ｘが０．５以下の範囲において、評価式ａｔｔに基づいて見積もられた動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワー低減量よりも、低減量が低くなる傾向が確認できた。したがって、本実施例では、評価マイク１７の仰角の設定が適切でなく、高次仰角モードの音波干渉の影響が大きくなることが確認できた。したがって、動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワーを十分に低減するためには、上記［数１８］のJ（θ_ａ）を最小化する適切な仰角θを設定する必要があることが確認された。

本実施形態および実施例３、４によれば、以下のことがいえる。

複数の動翼１３と複数の静翼１４とを取り囲むダクト１５を備え、Ｌ_ｍは前記１以上の評価マイクの数、Ｎは適当な整数であるとしたとき、

を満たし且つ３以上となるＬ_ｍが選択され、
１以上の評価マイク１７は、中心軸１２を延長した延長線２５上に中心が位置する１つの円上に離散的に配置され、延長線２５とダクト１５の端面２４とが交差する点から見た１以上の評価マイク１７の仰角をθ_ａとしたとき、

を最小値付近にするθ_ａで１以上の評価マイク１７を配置し、ここで、Ｋ（θ_ａ）は

を満たし、
ここで、

であり、

であり、

であり、

であり、制御部１８は、１以上の評価マイク１７のそれぞれの信号の平均を用いる。

この構成によれば、中心軸１２の延長線２５上に評価マイク１７を設置することが難しい場合でも、ダクト１５の端面２４の周囲で、且つ、騒音源およびスピーカ１６から発せられる高次仰角モードの音波干渉の影響を最小化した位置に、評価マイク１７を設置することができる。これによって、評価マイク１７の設置仰角を検討するにあたり、設計者の作業負担を低減して、十分な制御効果、すなわち動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワーの低減効果を得ることができる。

この場合、複数の動翼１３と複数の静翼１４とを取り囲むダクト１５を備え、Ｌ_ｍは１以上の評価マイク１７の数、Ｎは適当な整数であるとしたとき、

を満たし且つ３以上となるＬ_ｍが選択され、１以上の評価マイク１７は、中心軸１２を延長した延長線２５上に中心が位置する１つの円上に離散的に配置され、延長線２５とダクト１５の端面２４とが交差する点から見た１以上の評価マイク１７の仰角を０．９～１．３ｒａｄとし、制御部１８は、１以上の評価マイク１７のそれぞれの信号の平均を用いる。

この構成によれば、評価関数Ｊを用いることなく、より簡易的に評価マイク１７の設置仰角を設定することができる。これによって、設計者の作業負担を低減しつつ、ある程度の制御効果、すなわち動翼音源０次周方向発生ロブモード（ｍ＝０）の音響パワーの低減効果を得ることができる。

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。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。

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１０の圧縮機付きのファン２２に適用した場合を例に説明したが、適用されるファン２２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、飛行体１０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。さらに、第１実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１と第２実施形態の動翼静翼干渉騒音低減システム１１とを組み合わせて１つの動翼静翼干渉騒音低減システム１１を実現することも当然に可能である。

１１…動翼静翼干渉騒音低減システム、１２…中心軸、１３…動翼、１４…静翼、１５…ダクト、１６…スピーカ、１７…評価マイク、１８…制御部、２４…端面、２５…延長線、２７…開口中央部。

Claims (7)

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た複数の静翼と、
   前記中心軸上又は前記中心軸を延長した延長線上に中心が位置する１つの円上に離散的に配置され、制御音を発生する複数のスピーカと、
   １以上の評価マイクと、
   前記評価マイクで取得した信号に基づき、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、
   減衰レベルａｔｔの評価式を
   

   

   とし、Ｘを
   

   

   とし、ここで、ａは前記動翼の長さ、ｂは前記スピーカが設置される円の半径、ｒ＝ｂ／ａ、ｋは上限波数、ｊ_０は球ベッセル関数であり、
   目標の騒音減衰レベルから前記ａｔｔ、前記Ｘ、および前記ｋに基づき、前記ｒが選択された動翼静翼干渉騒音低減システム。
2. Ｂを
   

   

   と定義したとき、ここで、Ｌ_ｃは前記スピーカの数、ｋは上限波数、ｂは前記スピーカが設置される円の半径、ｑ _ｓ は前記スピーカの体積速度、ｎは仰角モード次数、ｍはロブモード次数、ｊ_ｎはｎ次球ベッセル関数、Ｐはルジャンドル陪関数であり、
   ここで、ｒａｔｅを以下のように定義し、
   

   

   ここで、ｎａは仰角モードの上限を表す整数、ｍａはロブモードの上限を表す整数であり、
   上記に定義されるｒａｔｅを９６％以上とするように、前記ｋおよび前記rから求められるｋｂに基づき、Ｌ_ｃの条件が選択された請求項１に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
3. 前記Ｌ_ｃは、３個以上である請求項２に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
4. 前記１以上の評価マイクは、前記中心軸を延長した延長線上で前記動翼から所定距離離れた位置に配置される請求項１～３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。
5. 前記複数の動翼と前記複数の静翼とを取り囲むダクトを備え、
   Ｌ_ｍは前記１以上の評価マイクの数、Ｌ _ｃ は前記スピーカの数、Ｎは適当な整数であるとしたとき、
   

   

   を満たし且つ３以上となるＬ_ｍが選択され、
   前記評価マイクは、前記中心軸を延長した延長線上に中心が位置する１つの円上に離散的に配置され、前記延長線と前記ダクトの端面とが交差する点から見た前記１以上の評価マイクの仰角をθ_ａとしたとき、
   

   

   を最小値付近にするθ_ａで前記１以上の評価マイクを配置し、ここで、Ｊ（θ _ａ ）は評価関数であり、ｎａは仰角モードの上限を表す整数であり、Ｋ（θ_ａ）は
   

   

   を満たし、Ｐｒｉｎｇｐは、前記複数の動翼から発せられる（ｍ，ｎ）＝（０，０），（０，２），（０，４）・・・，（０，２×ｎａ）モードの音波を前記評価マイクが取得する音圧であり、Ｐｒｉｎｇｃは、前記スピーカから発せられる（ｍ，ｎ）＝（０，０），（０，２），（０，４）…，（０，２×ｎａ）モードの音波を前記評価マイクが取得する音圧であり、
   ここで、
   

   

   であり、ωは角速度、ρは気体密度、ｈ _ｎ はｎ次第２種球ハンケル関数であり、ｋは上限波数、ｒ _ａ は前記延長線と前記ダクトの端面とが交差する点から前記評価マイクまでの距離であり、Ｙは球面調和関数、ｍはロブモード次数、φ _ａｉ ＝（２πｉ）／Ｌ _ｍ であり、ｉ（ｉ＝１，２，３・・・）は、前記複数の動翼の番号、前記スピーカの番号、或いは前記評価マイクの番号であり、
   

   

   であり、Ｌ _ｐ は前記複数の動翼の音源個数であり、ｑ _ｐ は前記複数の動翼の体積速度であり、ｎは仰角モード次数、ｊ _ｎ はｎ次球ベッセル関数、Ｐはルジャンドル陪関数であり、
   

   

   であり、
   

   

   であり、ここでｑ _ｓ は前記スピーカの体積速度であり、
   前記制御部は、前記評価マイクのそれぞれの信号の平均を用いる請求項１に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
6. 前記複数の動翼と前記複数の静翼とを取り囲むダクトを備え、
   Ｌ_ｍは前記１以上の評価マイクの数、Ｌ _ｃ は前記スピーカの数、Ｎは適当な整数であるとしたとき、
   

   

   を満たし且つ３以上となるＬ_ｍが選択され、
   前記評価マイクは、前記中心軸を延長した延長線上に中心が位置する１つの円上に離散的に配置され、前記延長線と前記ダクトの端面とが交差する点から見た前記評価マイクの仰角を０．９～１．３ｒａｄとし、
   前記制御部は、前記評価マイクのそれぞれの信号の平均を用いる請求項１に記載の動翼静翼干渉騒音低減システム。
7. 請求項１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。

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