JPS594523B2 - オンキヨウダクト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は吸音性音響ダクトに関するもので、５ 更に
具体的には旋回モードの音響エネルギを吸収するため周
縁方向に分割された、あるいは周方向並びに縦方向に分
割された処理部を設けた音響ダクトに関する。

典型的な用途として、この発明は航空機ジェット機関の
ファン入口の騒音抑圧ライ１０ ニングに関する。通例
、ファンと呼ぱれる軸流圧縮機により発生される音圧の
場は回転子と固定子の相互作用により主に生ずる回転す
る圧力模様又は旋回モードを含んでいる。

回転する圧力模様の回転速度により、１５これら旋回モ
ードは減衰モードと伝播モードに分けることができ、そ
して音響ダクトを通つて伝播し、また外部へ不快な騒音
をまき散らすのは伝播モードなのである。通常はファン
ダクトの内側表面全体はわたつて音を抑圧する処理部が
用いられ２０るが、この様な処理部は一般的に用いられ
るのであつて、旋回モードの音の吸収のために調整され
てはいない。発明の概要 周縁方向又は円周方向に分割された音響処理部２５は、
どんな断面の音響ダクトにおいても、旋回モードの音圧
の場の散乱を強めて高次の減衰形モードの中味を増加し
て音の抑圧を改善するのに有効であることが判つた。

公知のように、ダクトは回転する圧力模様の先端速度に
応じたカットオフ特３０性を持つている。高次のモード
又はローブ数の大きい圧力模様の先端速度は音速より低
くて、減衰させられるが、低次のモードの圧力模様の先
端速度は音速より高くて、伝播する。円筒形のダクトを
考えると、吸音材料の円周方向に相隔たつて軸３５方向
に伸びる一組の条片（同じ種類の複数個の条片の総称）
をダクトの内面に取付けたことの効果は、モードの分布
を変え、音の場が従がわなければならない付加的な周期
性を持たせることである。音響エネルギが散乱されて、
高次の減衰モードの割合が高くなる。この一組中に設け
る等間隔の条片の数は普通は多く、どんな場合でも数個
或いはそれ以上であち、騒音源が動翼及び静翼を持つ圧
縮機である場合、条片の数は第１段の動翼の数をこえ又
はその倍数である。異なる音響インピーダンスを持つ吸
音材料の円周方向に隔たつて軸方向に伸びる別の一組の
条片を最初に述べた一組の条片の間に交互に配置し、連
続的な音響ライニングを形成することができる。別の実
施例では、軸方向の条片処理部を円周方向又は周縁方向
の条片処理部と格子縞模様に組合せる。軸方向の間隔が
所定の周波数の１波長より短いと、音の場がろ波される
。交差する軸方向及び円周方向の条片に較べて音響イン
ピーダンスが異なる材料の、４辺を持つライニング部材
をその間の空所に取付けることが出来る。航空機の機関
の騒音や、機械器具の騒音の抑圧と云うような多くの用
途に使える。好ましい実施例の記載この発明は、旋回モ
ードの模様を持つことを特徴とする音圧の場を発生する
ような、圧縮機、フアン並びにその他の回転機械装置に
よつて発生される．騒音及び音を抑圧するのに使われる
音響ダクトに一般的に利用出来る。

こ＼で説明する用途は、二特に離着陸の際に地上で聞こ
える騒音レベルを下げる為の、航空機のジニット・エン
ジンのフアンの入口ダクトに対する一層有効な音響処理
又は騒音抑圧ライニングである。第１図には、ダクトつ
きフアン形ターボジェット・エンジンの前側部分 ごを
全体的に１０で示してあり、流線型の環状フアン・ダク
ト空気通路１１が流線型断面を持つ環状カウリング又は
フアン・ケーシング１２と、このカウリング１２の中に
突出する適当なエンジン・ナセル構造１３との間に形成
されている。ナセル ３１３が適当な圧縮機、燃焼装置
及びターボ流体機械を収容していて、その作用の一部分
として、カウリング１２の前端とナセル１３との間の空
気通路１１内に配置された軸流圧縮機１４を１駆動する
。フアン１４は１個の回転子部材１５及び固定子部 ４
材１６で構成されるように示してあるが、更に多くの段
を設けることが出来ることは公知の通りである。フアン
が取入空気を１次空気通路１１内へ軸方向に送込み、エ
ンジンに推進推力を持たせると共に圧縮機に対する空気
を供給する。第２図をも参照すると、この発明では、少
なくとも入口ダクト区域に於けるカウリング１２の内面
は、全体を２０で示した周縁方向又は円周方向に分割さ
れた音響処理部で内張りされている。

この構造を騒音抑圧フアン・ダクトと呼ぶ。最も簡単な
形式では、こ＼で説明する音響処理部は周縁方向又は円
周方向に相隔たる適当な吸音材料の条片２１の形をして
おり、これらの条片は比較的薄くて縦方向即ち軸方向に
伸びている。円周方向に相隔たつて軸方向に伸びる条片
２１を多数設ける場合が多く、これらをダクト壁の中に
沈め、条片の間にある滑らかな金属ライニスグ２２と面
一になるようにする。動翼の先端速度が音速になる回転
子では、条片の数は動翼の数の２倍又は３倍にすること
が出来るが、先端速度が亜音速の回転子では、条片の数
は動翼の数の約１．５倍である。軸方向の条片から成る
音響処理部はフアン・ダクトの全長にわたつてもよいが
、第１図では、一層有効な騒音の抑圧を最も必要とする
入口ダクトのみに適用される場合が示されている。第３
図に示すこの発明の実施例は、条片２１の間にあつてそ
れと交互に配置される別の一組の縦方向又は軸方向に伸
びる吸音条片２３を利用している。

２組の条片２１，２３を構成する音響材料は、関心が持
たれる周波数又は周波数範囲で相異なる音響特性又は音
響インピーダンスを有する。

条片２１，２３は同じ幅であつてもよいが、これは不可
欠ではない。一般的な場合、広範囲の音響材料を使うこ
とが出来るが、特に航空機用エンジンのフアン・ジニッ
トに使う場合、この材料は自由度が１の処理部、即ち米
国特許第３５４０６８２号に記載されるバネカム形の共
鳴室形吸音パネルのように、洗滌が容易で、入り込んだ
液体を洗い流すことが出来るようにすべきである。共鳴
室形音響処理部を使う時、条片２１，２３の２種類の材
料を異なる周波数で共鳴するように同調させることが出
来る。第２図又は第３図に示すような軸方向の条片から
成る音響処理部の効果は、旋回モードの音圧の場が円周
方向にダクト壁を掃引する時、音響処理部に多数の中断
部分を作ることである。

音の場が従わなければならない付加的な周期性も得られ
、その結果、ローブ数の多い非伝播形の旋回モードに対
しては、音の場の散乱又は多量反射が強まる。完全に処
理されたフアン・ダクトに較べると、軸方向の条片から
成る音響処理部は、音響エネルギのモード分布を変えて
、減衰モードの音と伝播モードの音との比を強め、即ち
減衰モードの音の中昧を増加し、こうして騒音の抑圧を
改善する。これは直覚的にも数学的にも説明することが
出来るが、その前に基本的な原理を説明する。前に述べ
たように、ダタト内にある軸流圧縮機の回転子と固定子
の相互作用により、ローブ形の旋回する音圧模様が発生
され、これが渦巻形又は螺旋形通路に沿つてダクト内を
伝播する。

第４ａ図の回転子並びに固定子の略図について説明する
と、半径方向の動翼１７が固定の静翼１８のそばを相次
いで通過する時、圧力変化の模様が出来ることが判る。
典型的な４０ーブ形の回転する圧力模様が第４ｂ図に示
されており、この他の高次並びに低次のモードも対応す
る数のローブを伴つて圧力模様中に発生される。所定の
音響周波数では、回転する音圧模様がダクト壁を掃引す
る時の円周方向の速度が音速を越えない限り、音がダク
トの入口側の端から外へ伝播しないと云う意味で、ダク
トはカツトオフ特性を有する。モードの次数又はローブ
数が増加すると、旋回するローブ模様の先端速度が低下
し、ローブ数の高いものでは、先端速度が音速より低く
なる。数学的に云えば、伝播モード及び減衰モードの境
界線は式ωａ／ＭｃＯで表わされる。ｃ＼でωは角周波
数（ω２πｆ）、ａはダクトの半径、ｍはモードの次数
、ＣＯは音速であり、積ωａが先端速度である。ｍを正
又は負の整数として更に高次のモードでは、ωａ／ｍの
項の値が音速より小さくなり、これらのモードが減衰す
る。旋回モードの騒音について上に述べたこと並びにそ
の他の面について更に詳しいことは、「ＳＡＥトランス
アクシヨンズ」（ＳＡＥＴｒａｎｓａｃｔｌＯｎｓ）誌
第７０巻（１９６２年）第３０９頁乃至第３３２頁所載
のＪ．Ｍ．タイラ一及びＴ．ＧＪプリンの論文「軸流圧
縮機の騒音の研究」（ＡｘｉａｌＦｌＯｗＣＯｍｐｒｅ
ｓｓＯｒＮＯｉｓｅＳｔｕｄ−Ｉｅｓ）を参照されたい
。第５ａ図は完全に処理された円形ダクト内に於ける旋
回モードの音響エネルギに対する音圧のモード分布を示
すグラフである。

デシベルで表わした音圧レベルをモード次数ｍに対して
描いてあり、この次数は中心のゼロ・モードの両側に正
及び負の整数が増大するように示してある。正でも負で
も、カツトオフが起るモード次数はωａ／ＣＯと云う形
で定義され、このカツトオフに相当する値より低いモー
ド次数は伝播モードであるが、このカツトオフの値より
大きいものは減衰モードである。このカツトオフのモー
ド次数が、取上げる特定の圧縮機の各種のパラメータに
依存することが理解されよう。第５ａ図に示すようにカ
ツトオフのモード次数が約５であるのが典型的である。
この分布模様では、一般的に云うと、音圧はゼロ・モー
ドで最大であり、伝播モードの間は比較的高い値にとゾ
まるが、高次の減衰モードになるにつれて急速に減少す
る。第５ｂ図はＳ個の軸方向の条片を等間隔に用いた、
円周方向に分割された音響処理部を有する円形ダクトで
得られる音圧の変形モード分布を示す。

円周方向に分割された処理部は、ローブ数の大きい非伝
播形の旋回モードに対し、音の場の散乱を強めるのに有
効である。この分布模様では、正及び負の両方のモード
に対して副次的な極大値があり、伝播モードの音圧レベ
ルが完全に処理されたダクトの場合に較べて低下し、更
に高次の減衰モードに対する音圧レベルが完全に処理さ
れたダクトの場合に較べて増加する。副次的な極大値は
Ｓ，２Ｓ，−Ｓ−２Ｓ等の数を大体中心としており、ゼ
ロ・モードの最大値に較べて振幅が小さい。軸方向の条
片から成る処理部が回転する圧力模様を散乱し又はその
多重反射を生じさせる効果について云うと、これに類似
するものとして光学の分野では、回折格子による光の分
布模様がある。いづれの場合も、入射エネルギは付加的
な周期性に従わなければならない。数学的に云うと、タ
イラ一並びにソフリンの前掲の論文を知る者であれば容
易に理解されるが、完全に処理されている場合、ダクト
の各々のモードに於ける圧力はＣｘｐＣｊ（ｍφ−ωｔ
）〕の形になる。

こ＼でｍは任意の整数であり、φは円形ダクトに沿つて
測つた角度であり、ωは２πｆである。ｆは関心が持た
れる周波数である。円周方向に２πａ／Ｓの間隔を持つ
Ｓ個の軸方向の条片を用いると、各モードはＥＸｐＣｊ
（ｍ±ＫＳ）φ−ωｔ〕の形を満足しなければならない
。こ＼でｋは負でない任意の整数である。この為、完全
に処理されたダクトの場合、第５ａ図に例示する形式の
モード模様が散乱されて、Ｓ個の条片を持つダクトの場
合について第５ｂ図に例示した形式のモード模様になる
。第５ａ図及び第５ｂ図の比較から判るように、散乱効
果によつてモード次数がｍから（ｍ±ＫＳ）になること
は、圧力分布を伝播形が優勢なものから、非伝播形のモ
ードの含量又は割合が一層大きなものに変える作用があ
る。別の利点は、非伝播モードへの変化が起らなくても
（高い周波数の場合のように）、高次のモードに移るこ
とにより、高次のモードの場合即ちローブ数が大きい場
合、半径方向の音の分布は外壁の近くで尖頭値をとる傾
向があるから、外側のダクトにある処理部の有効性が強
まる。第２図の実施例では、有効な騒音の低減る達成し
ながらも、必要な音響材料の分量、従つてその重量もか
なり減ることが観察された。こ＼で説明した円周方向に
分割された音響処理部を設けた音響ダクトに対し、試１
験的に音の抑圧を実験的に確めたところ、その結果は第
６図及び第７図に示すようになつた。

第６図は、円筒形ダクト２４を完全に処理した場合並び
に第１図及び第２図に示すような軸方向の条片から成る
処理部を設けた場合、このダクトの入口から放射される
．騒音の典型的な指向性模様を示している。直径２０イ
ンチのダクト２４内に動翼４４枚を持つ縮尺１／３ジニ
ット・エンジン回転子を用い、無響室内で測定を行なつ
た。フアン速度７０％の時、動翼通過周波数で前向きに
放射される騒音を、入口の軸線にに対し０゜乃至１１０
゜にわたる水平面内の円弧に沿つて測定した。完全処理
の場合に使つた音響材料は自由度が１の共鳴室材料であ
り、軸方向処理部の場合、夫々幅１／８インチの１４４
個の等間隔の条片を用いた。得られた結果から、軸方向
の条片から成る処理部は、放射が尖頭値をとるような角
度では殆んど効果がないが、ジニットエンジンの下方を
含めた幾つかの角度で、この軸方向の条片から成る処理
部が完全な処理部より一層有効に騒音を少なくし、５ｄ
Ｂの低下と云うような測定結果も幾つか得られた。どの
角度でも、軸方向の条片から成る処理部は少なくとも完
全な処理部と同程度の効果を持つ。軸方向の条片から成
る処理部は、完全処理の入口ダクトが、恐らくはライナ
ーの自己騒音の為に、処理をしない入口よりうるさいよ
うな場合でも有効である。この結果は別のフアン速度並
びにオーデイオ範囲内の別の周波数についても一般的に
云えることである。第７図は、第６図の実験装置で、入
口の軸線に対し特定の角度（６『）の場合に、完全処理
ダクト及び軸方向条片処理ダクトの広範囲の音の周波数
にわたる音圧レベルを示している。この結果から、軸方
向の条片から成る処理部は、ジニット・エンジンのフア
ンによつて発生されるような広帯域の騒音を抑圧するの
に有効であることが判る。この曲線を書く際、実験誤差
の範囲内に入る共通点は互いに重なるものとして図示し
てある。この場合も、特に動翼通過周波数又はその近く
で、騒音を低下する上で改善が得られる場合が多く、ど
んな場合にも完全処理のダクトよりうるさくなることは
ないと云える。第８図は縦方向又は軸方向に分割した吸
音音響材料でライニングした別の種類の円筒形音響ダク
トを示している。

前に述べた円周方向に分割された処理部と較べて、軸方
向に分割された処理部は、反射を繰返し、音を淵波する
ように作用する周期性構造を持たせることにより、騒音
の減衰を強める。前に述べたように、単独の音響処理部
を用いてもよいし、或いは音響インピーダンスが異なる
２種類の音響処理部を交互に用いてもよい。図示の如く
、機械器具の騒音を減らす為に使われるような円筒形ダ
クト２６の内面に、適当な吸音材料の軸方向に相隔たつ
て円周方向に連続する一組の条片又はリング２７が取付
けられている。例として云うと、円周方向に伸びる条片
２７は、選ばれた周波数で効果を持つように選択された
バルク材料或いは繊維質音響材料で作ることが出来る。
円周方向の条片２７の軸方向の間隔は音の波長に関係し
、１波長より短い。典型的には、条片２７は半波長の間
隔にする。騒音を更に少なくする為、条片２７に較べて
音響インピーダンスが異なる別の一組の円周方向の条片
２８を最初の一組の条片２７の間に、それと交互するよ
うに配置することが出来る。前に述べたように、軸方向
に周期的に途切れた音響処理部は、音響ろ波機構によつ
て騒音を抑圧する。第９図乃至第１１図に示すこの発明
の別の実施例では、これ迄に説明したように周縁方向又
は円周方向に分割された音響処理部と縦方向又は軸方向
に分割された音響処理部とを組合せて、音の抑圧を更に
改善することが出来る。

このような組合せ処理部の展開図は、直交する向きの条
片の間隔が同じである時、格子縞模様になる。互いに交
差する軸方向の条片及び円周方向の条片は同じ音響材料
で作るのが望ましく、随意選択によつて、音響インピー
ダンスが異なる更に別の音響処理部を互いに交差する条
片の間の空所を埋めるようにして組合せることも出来る
。即ち、円筒形音響ダクト２６′の内面に網目模様の互
いに交差する軸方向の条片２１′及び円周方向の条片２
７／が取付けられている。随意選択により、これらの交
差する条片の間の空所を異なる音響特性を持つ音響材料
で作つた４辺を持つライニング部材２９の一組で埋める
。この実施例の場合、種々のバルク材料又は繊維質音響
材料を使うことが出来る。勿論、ジニット・エンジンの
フアン・ダクトは、交差する条片模様の処理部を使つて
、騒音の抑圧がよくなるように音響的にライニングする
ことが出来、共鳴室形の音響材料を用いて構成すること
が出来る。この発明を説明するのに、円形断面を持つ音
響ダクトについて説明したが、広義にみれば、この発明
は矩形、４角又はその他の断面を持つ音響ダクトにも適
用し得る。

更に、こ＼で説明するように旋回モードの音圧の場を減
少並びに吸収する為の音響ダクトは、こ＼で具体的に説
明した以外の用途にもいろいろ使うことが出来る。この
発明をその幾つかの好ましい実施例について具体的に図
示し且つ説明したが、当業者であれば、この発明の範囲
内でその細部に種々の変更を加えることが出来ることは
云う迄もない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に従つて、円周方向に分割された音響
処理部を設けたフアン・ダクトを有するフアン・ダクト
つきの航空機用ジニット・エンジンの前側部分を一部分
は縦断面で示した簡略側面図、第２図は第１図の線２−
２で切つた入ロフアン・ダクトのみの垂直断面図、第３
図は第２図と同様な図で、２種類の異なる音響材料から
成る軸方向に伸びる条片を交互に配置した別の実施例を
示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 伝播形並びに減衰形モードを伴なう旋回モードの音
   圧の場を相互作用により発生する第１段の動翼と静翼並
   びに回転機械装置を収容している、内面に音響ライニン
   グを取付けた縦方向に伸びる頑丈な騒音抑圧ダクトにお
   いて、前記音響ライニングが円周方向に比較的幅が狭く
   、少なくてもその総数が第１段の動翼の数をこえる、周
   縁方向に隔つて縦方向に伸びる第１の組の吸音材料の条
   片と、該第１の組の条片と面一に且つその間に交互に配
   置された、周縁方向に隔つて縦方向に伸びる第２の組の
   条片とを有しており、前記第１の組と第２の組の条片は
   相異なる音響インピーダンス吸音材料で作られ組合さつ
   て連続的なライニングを形成し、この結果第１の組と第
   ２の組の条片は旋回モードの音圧の場を散乱して減衰モ
   ードの音の中味を増加して騒音の抑圧を改善する騒音抑
   圧ダクト。