JP7094546B2 - 吸音ライナパネル - Google Patents

Description

本発明は、例えばジェット機のファンダクトに使われる吸音ライナパネルに関する。

吸音ライナパネルは、典型的には、ジェットエンジンのファン騒音を低減する吸音部材である。吸音ライナパネルは、吸音の機能だけなく、当然ファン流の圧力損失の抑制が求められる。

非特許文献１には、吸音ライナパネルの孔の表面形状を円形からスリット形状にすることで圧力損失を抑制できることが記載されている。

'Acoustic Liner Drag: Measurements on Novel Facesheet Perforate Geometries' Brian M. Howerton and Michael G. Jones. NASA Langley Research Center, Hampton, VA, 23681, 22nd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (30 May - 1 June, 2016, Lyon, France) 榎本俊治, 石井達哉, 神田拓磨, 赤見坂祐輔, 稲垣諒, 佐々木大輔, 藤秀実 「垂直入射管試験における吸音ライナ性能の数値解析」第５７回 航空原動機・宇宙推進講演会 JSASS 2017-0094 (2017.3.9-10)

しかしながら、非特許文献１に記載のスリット形状の孔を有する吸音ライナパネルは、同一面積の円形の孔に比べて、ある条件では圧力損失では僅かな低減の可能性が示されるものの、吸音効果においては有意な改善が見られない若しくは低下する傾向が指摘されている。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、吸音効果の向上を見込むことができる吸音ライナパネルを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る吸音ライナパネルは、貫通する孔が設けられた表面板を天井部に有するセルにおいて、濡れ面積増加構造部を設けた。
濡れ面積増加構造部は、前記孔の内壁部の濡れ面積を、同一断面積の円形又は矩形の孔の内壁部の濡れ面積よりも大きくする。
本発明では、濡れ面積増加構造部を有することで、吸音効果の向上を見込むことができる。

本発明の一形態に係る吸音ライナパネルでは、前記濡れ面積増加構造部は、前記孔の内壁部より前記孔の内部空間に向かう断面凸形状部、及び／又は、前記孔の内部空間に配置された島部、及び／又は、前記孔の内壁部に設けられ、主流に旋回を誘引するための旋回部を有してもよい。
本発明の一形態に係る吸音ライナパネルでは、前記島部は、前記セル内の前記表面板と対向する床部に設けられた支柱を含んでもよい。
本発明の一形態に係る吸音ライナパネルでは、前記支柱の断面積は、前記孔の軸方向に対して変化し、前記支柱を昇降させる昇降機構を更に有してもよい。
本発明の一形態に係る吸音ライナパネルでは、前記島部の外周に設けられ、主流に旋回を誘引するための旋回翼を更に有してもよい。

本発明の一形態に係る吸音ライナパネルでは、前記孔を前記セル内に伸張するための伸張部材を有し、前記伸張部材の前記セル内の開口端が凹凸形状を有し、及び／または、前記伸張部材の側面に前記伸張部材の孔まで貫通する側面孔が設けられていてもよい。
本発明の一形態に係る吸音ライナパネルでは、前記伸張部材内の前記孔の内径は、前記開口端が絞られていてもよい。

本発明では、吸音効果を高めることができる。

本発明の実施形態に係る吸音ライナパネルがファンダクトの内壁に取り付けられた態様を示す概略的斜視図である。 図１に示した吸音ライナパネルの概略的斜視図である。 図１及び図２に示した吸音ライナパネルの縦断面図である。 吸音ライナパネルの孔を拡大した縦断面図である。 吸音ライナパネルの孔の作用をバネ－質量－ダンパの機械力学系に置き換えて説明するための図である。 孔の開口端での粒子速度と周囲のほぼ静止した空気との間で速度差を説明するための図であり、吸音ライナパネルの孔の開口端近傍を部分的に拡大して示している。 本発明の実施形態に係る濡れ面積増加構造部を有する孔の形状を示す平面図であり、吸音ライナパネルの孔を拡大して示している。 図７に示した孔とは別の形状を有する孔を示す平面図であり、吸音ライナパネルの孔を拡大して示している。 図７に示した孔とは更に別の形状を有する孔を示す平面図であり、吸音ライナパネルの孔を拡大して示している。 図７に示した孔とはまた別の形状を有する孔を示す平面図であり、吸音ライナパネルの孔を拡大して示している。 図１０に示した孔の変形例に係る孔を示す平面図であり、吸音ライナパネルの孔を拡大して示している。 図１０に示した孔と同じ面積の円形の孔を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る孔の内部空間に島部が配置された吸音ライナパネルのセルの概略的斜視図である。 図１３の縦断面図を示している。 図１３及び図１４に示した吸音ライナパネルのセルの応用例に係る吸音ライナパネルのセルの縦断面図である。 本発明の実施形態に係る外周に旋回翼が設けられた島部の正面図である。 更なる発展型の形状を有する孔を示す平面図であり、吸音ライナパネルの孔を拡大して示している。 図１７に示した孔の類型の形状を有する孔を示す平面図であり、吸音ライナパネルの孔を拡大して示している。 濡れ面積増加構造部として伸張部材を有するセルの縦断面図である。 図１９に示したセルにおける伸張部材を示す正面図である。 図２０に示した伸張部材の底面図である。 濡れ面積増加構造部として伸張部材を有するセルの他の形態に係る伸張部材の正面図である。 図２２に示した伸張部材の底面図である。 濡れ面積増加構造部として伸張部材を有するセルの更に別の形態に係る伸張部材の正面図である。 図２４に示した伸張部材の底面図である。 濡れ面積増加構造部として伸張部材を有するセルの応用例に係る伸張部材の縦断面図である。 濡れ面積増加構造部として側面に側面孔を有する伸張部材の正面図である。 内壁部に旋回部としての旋回翼が設けられた孔の概略断面斜視図である。 内壁部に旋回部としてのネジ状の旋回溝が設けられた孔の概略断面斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明に係る吸音ライナパネルの使用の態様を示している。吸音ライナパネル１は、ファンダクト２の内壁に取り付けられる。吸音ライナパネル１は、ファンダクト２の内壁表面を伝搬する音波を減衰させる。これにより、ファンダクト２の内壁は、吸音壁として機能する。この場合に、ファンダクト２の内壁の全面を覆うように吸音ライナパネル１を取り付けてもよく、ファンダクト２の内壁の一部を覆うように吸音ライナパネル１を取り付けてもよい
図２及び図３に吸音ライナパネル１を構成するセル３の構造を示す。吸音ライナパネル１はこのセル３を縦横に多数並べて構成される。セル３の本体３１は、典型的には６角形の壁面を有する部屋構造であり、本体３１の天井部３２には、１つ又は複数の貫通する孔３３が設けられた表面板３４が取り付けられ、天井部３２は表面板３４により塞がれている。本体３１の床部３５には床板３６により塞がれている。本実施形態に係る表面板３４の厚さは１ｍｍ～２ｍｍである。航空機のファンダクトなどに使われる吸音ライナパネル１は、軽量性を求められため、典型的は以上のように構成される。

＜濡れ面積増加構造部が孔の内壁部の断面凸形状部等からなる実施形態＞
セル３の本体３１の体積は孔３３の体積に比べて十分に大きく、セル３は音波に対する共鳴室として機能する。この共鳴を利用した吸音ライナパネル１は、表面伝播する音波に応答して内部に圧力変動とそれによって生じる速度変動（粒子速度変動）を発生させる。

この場合、図４及び図５に示すように、バネ－質量－ダンパの機械力学系に置き換えて考えることができる。表面板３４の孔３３の空気３７は質量（マス）１０１に、共鳴室としてのセル３の圧力応答はバネ１０２に置き換えられ、孔３３の壁面で生じる粒子速度に対する摩擦損失等は減衰要素（ダンパ）１０３として扱うことができる。

共鳴室としてのセル３と孔３３の形状で決まる共鳴周波数で音波が入射する場合、孔３３での粒子速度変動の振幅が最大となることから、減衰要素１０３によるエネルギー散逸も最大となる。これは、吸音ライナパネル１の共鳴周波数にて吸音率が最大となることを説明する。

セル３の体積や孔３３の断面積を一定とする場合に、吸音率を高めるには減衰係数（ｃ）を高めることが必要とされる。入射音圧が比較的低く線形音波の範囲では、粒子速度変動の摩擦損失がエネルギー損失を担っており、摩擦係数や流体と孔部との接触面積（濡れ面積）を増やすことが有効と考えられる。また、入射音圧が増加する場合には、孔３３の開口端での流体力学的損失を増やすことが有効となる。図６に示すように、孔３３の開口端では、粒子速度Ｖと周囲のほぼ静止した空気Ａとの間で速度差があれば、これらの間で運動量の交換も行われる。

本発明はかかる技術思想に基づくものである。すなわち、図７に示すように、吸音ライナパネル１を構成するセル３は、孔３３の内壁部３８の濡れ面積を、同一断面積の円形の孔１０４よりも大きくするための濡れ面積増加構造部３９を有する。図７に示した濡れ面積増加構造部３９は、孔３３の内壁部３８より孔３３の内部空間４０に向かう断面凸形状部４１を少なくとも有する。濡れ面積増加構造部３９を有する孔３３の形状は、孔３３の内周に沿って正弦波状に凹凸状である。

このような濡れ面積増加構造部３９を有することで、同一断面積の円形の孔１０４（点線で示した。）に比べて、摩擦損失を増やすことができる。また、孔３３の開口端での上記の速度差を生じる領域を広げれば、開口端での運動量交換を促進できる。

孔３３の形状は本発明の技術思想の範囲で様々な形態が考えられる。
図８に別の形状の孔３３を示す。図８に示す濡れ面積増加構造部３９を有する孔３３の形状は、孔３３の内周に沿って歯車の如くの凹凸状である。その結果、開口端では孔３３の内部空間に向かう断面凸形状部４１と隣接する凹部４２との間で大きな速度差を生じうる。断面凸形状部４１における開口端での速度は大で、凹部４２における開口端での速度は小となるからである。
図９に更に別の形状の孔３３を示す。図９に示す濡れ面積増加構造部３９を有する孔３３の形状は、孔３３の内周に沿って花びら状である。孔３３の内部空間に向かう断面凸形状部４１としてのくびれ部分は断面の内側に切れ込むたえ、開口端では周囲空気との間で大きな速度差を生じうる。

図１０にまた別の形状の孔３３を示す。図１０に示す濡れ面積増加構造部３９を有する孔３３の形状は、二重円環状である。円形の孔３３ａの内側にこの孔３３ａより半径の小さな円形の島部３３ｂを配置し、ここでは橋渡し部材３３ｃを介して島部３３ｂの両側を天井部３２に接続している。図１１に示すように、濡れ面積増加構造部３９を有する孔３３の形状は、二重の矩形状であってもよく、更に二重の多角形状であってもよい。
図１２に、図１０に示した孔３３と同じ面積の円形の孔１０４を示す。孔１０４の直径をＤ、図１０に示した孔３３の直径をＤ'とすると、Ｄ'＞Ｄとなる。この結果、図１０に示した孔３３は濡れ面積増加構造部３９を有することで、同一断面積の円形の孔１０４に比べて、摩擦損失を増やすことができ、また運動量交換を促進できる。

図１０及び図１１に示した例では、島部３３ｂは橋渡し部材３３ｃを介して島部３３ｂの両側を天井部３２に接続していたが、図１３及び図１４に示すように構成すれば更に濡れ面積を増加させることができる。

図１３及び図１４に示す濡れ面積増加構造部３９を有する孔３３の形状は、孔３３の内部空間に島部３３ｂを配置してなる二重円環状であり、島部３３ｂは、セル３内の表面板３４と対向する床部３５の床板３６に設けられた支柱３３ｅに構成される。

図１５に示すように、支柱３３ｅの断面積を孔３３の軸方向に対して連続的に変化するように構成すると共に支柱３３ｅを昇降させる昇降機構３３ｆを設け、支柱３３ｅを昇降させて共鳴周波数と圧力損失とをチューニングできるようにしてもよい。

なお、島部３３ｂの形状はいかなるものであってもよい。例えば、その形状は、点に近いものであってもよい。つまり、孔３３の濡れ面積が増加すれはよく、島部３３ｂの形状はいかなるものであってもよい。
また図１６に示すように、島部３３ｂの外周に、主流に旋回を誘引するための旋回翼３３ｇを設けてもよい。旋回が誘引された主流は周囲空気との接触面積が実質的に増える。その結果、摩擦損失を増加でき、運動量の交換も促進しうる。

図１７に孔３３の形状の更なる発展型を示す。図１７に示す濡れ面積増加構造部３９を有する孔３３の形状は、表面板３４の表面を流れる主流の方向１０５に中央折れ曲がり部の頂部３３ｄが向くブーメラン状である。ここでは、表面板３４の表面を流れる主流の方向１０５に対して頂部３３ｄが対向しているが、図１８に示すように、に対して頂部３３ｄが主流の方向１０５と同じ方向であってもよい。
孔３３の形状がブーメラン状でかつ孔３３を上記のように配置することで、主流が孔３３をまたぐ最大距離を円形や矩形の場合よりも減らす効果がある。すなわち、図１２に示した円形の孔１０４の直径をＤ、図１７に示した主流がブーメラン状の孔３３をまたぐ最大距離をｄとしたとき、ｄ＜Ｄとなる。なお、ここでは、円形の孔１０４の面積とブーメラン状の孔３３の面積とは同じであるとする。ブーメラン状の孔３３は、主流の流れ方向１０５に、より小さな空隙しか持たないことで、そこで生じうる乱れを減らす効果が見込まれる。
通常は、吸音ライナパネル１の表面には多くの孔３３が存在する。ブーメラン状の孔３３は、孔３３の表面を主流が通過することによってできる後流を早期に弱めて、孔３３同士の干渉を小さくする。
なお、図１７や図１８に示したブーメラン状の孔３３の開き角θとアスペクト比（幅ｄ／片方の長さｌ）とによって、吸音効果と圧力損失の抑制の調整が可能であると考えられる。

＜孔をセル内に伸張するための伸張部材を有する実施形態＞
本発明に係る濡れ面積増加構造部は上記の実施形態による態様だけでなく、他の形態も考えられる。
図１９～図２１に濡れ面積増加構造部の他の形態を示す。図１９～図２１に示す吸音ライナパネル１のセル３は、孔３３をセル３内に伸張するための例えば筒状の伸張部材５を有する。伸張部材５のセル３内の開口端５１は、鋸状の凹凸形状を有する。
開口端５１の形状は、図２２及び図２３に示すように、矩形状の凹凸形状であってもよく、図２４及び図２５に示すように、花びら状の凹凸形状であってもよく、その他の凹凸形状であってもよい。

伸張部材５及び開口端５１の凹凸形状は、本発明に係る濡れ面積増加構造部として機能し、濡れ面積を増やすことができる。開口端５１での濡れ面積の増加は、摩擦損失増加に加えて、粒子速度の外部空気との混合促進も考えられる。結果的に流体力学的損失の増加を見込むことができる。

開口端５１の濡れ面積を増加させるには、まず伸張部材５によってセル３内に孔３３を伸張することが理想的である。伸張部材５を表面板３４側に伸張すると、主流との干渉によって圧力損失増大を引き起こす要因となるからである。孔３３を伸張すると共鳴周波数が低くなるため、伸張部がない場合に比べてセル３の体積を小さくできる。このことは吸音ライナパネル１の体積の減少につながり、軽量化のメリットがある。
本発明では、開口端５１を凹凸形状としたことで、例えば非特許文献２に開示された如く平らなｄ形状の開口端に比べて濡れ面積が増加する。これにより、吸音効果を改善できる。
また、本発明では、開口端５１を凹凸形状としたことで、開口端５１に向かって周囲空気との接触面積が増えることが想定できる。よって、図２６に示すように、セル側の開口端５１に向かって伸張した孔３３の内径を絞ることが許される。内径を絞ることで開口端に向かって粒子速度の増加と周囲空気との速度差増加を得て、損失増加を見込む。

図２７に濡れ面積増加構造部の更に別の形態を示す。図２７に示す吸音ライナパネル１のセル３は、孔３３をセル３内に伸張するための例えば筒状の伸張部材５を有する。伸張部材５の側面には、伸張部材５の孔３３まで貫通する側面孔５２が設けられている。
このように伸張部材５に側面孔５２を設けて濡れ面積を増やすことも可能である。圧力変動によって生じる粒子速度は、主たる開口端５１に加えて側壁に設けた側面孔３３においても生成される。

＜濡れ面積増加構造部が旋回部を有する実施形態＞
本発明に係る濡れ面積増加構造部は、上記の実施形態による態様だけでなく、更に別の形態も考えられる。
図２８に濡れ面積増加構造部の更に別の形態を示す。図２８に示す吸音ライナパネル１の孔３３の内壁部３８には、主流に旋回を誘引するための旋回部としての旋回翼３８ａが設けられている。旋回翼３８ａのピッチは孔３３の上部から下部までで1回転以下であることが好ましい。
孔３３の内壁部３８に旋回翼３８ａを設けることで、開口端５１付近での濡れ面積が増加する。すなわち、旋回が誘引された主流は、開口端５１付近で周囲空気との接触面積が実質的に増え、摩擦損失増加と粒子速度変動の混合を促進しうるからである。

なお、図２９に示すように、主流に旋回を誘引するための旋回部として、旋回翼３８ａに代えて孔３３の内壁部３８をネジ状の旋回溝３８ｂを設けてもよい。ネジ状の旋回溝３８ｂのピッチも孔３３の上部から下部までで1回転以下であることが好ましい。
旋回翼３８ａやネジ状の旋回溝３８ｂは孔３３の上部から下部まで設けてもよいが、少なくとも開口端５１の近くに設ければ上記の作用効果が得られる。
図２８及び図２９に示した例では伸張部５を有しているが、伸張部がない、すなわち単に表面板に孔を設けた吸音ライナパネルについてもこのような旋回部を設けてもよく、これも本発明の技術的範囲に属する。

＜その他＞
本発明は上記の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内で様々な変形や応用が可能であり、その変形の範囲も本発明の技術的範囲に属する。
例えば、セルを構成する壁部に弾力性を持たせてもよい。また。隣接するセル間の壁に貫通する孔を設け、この孔の内壁部に本発明に係る濡れ面積増加構造を持たせてもよい。これにより、濡れ面積を増加することが可能である。

１ ：吸音ライナパネル
３ ：セル
５ ：伸張部材
３２ ：天井部
３３ ：孔
３３ ：側面孔
３３ａ ：孔
３３ｂ ：島部
３３ｅ ：支柱
３３ｆ ：昇降機構
３３ｇ ：旋回翼
３４ ：表面板
３５ ：床部
３８ ：内壁部
３８ａ ：旋回翼
３８ｂ ：旋回溝
３９ ：面積増加構造部
４０ ：内部空間
４１ ：断面凸形状部
５１ ：開口端
５２ ：側面孔

Claims (3)

1. 貫通する孔が設けられた表面板を天井部に有するセルと、
   前記孔の内壁部の濡れ面積を、同一断面積の円形又は矩形の孔の内壁部の濡れ面積より大きくするための濡れ面積増加構造部と
   を具備し、
   前記濡れ面積増加構造部は、前記孔の内壁部より前記孔の内部空間に向かう断面凸形状部、及び／又は、前記孔の内部空間に配置された島部、及び／又は、前記孔の内壁部に設けられ、主流に旋回を誘引するための旋回部を有し、
   前記島部の外周に設けられ、主流に旋回を誘引するための旋回翼
   を更に有する吸音ライナパネル。
2. 請求項１に記載の吸音ライナパネルであって、
   前記島部は、前記セル内の前記表面板と対向する床部に設けられた支柱を含む
   吸音ライナパネル。
3. 請求項２に記載の吸音ライナパネルであって、
   前記支柱の断面積は、前記孔の軸方向に対して変化し、
   前記支柱を昇降させる昇降機構
   を更に有する吸音ライナパネル。

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