JP6645991B2 - 動翼騒音低減装置、飛行体及びプログラム - Google Patents
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Description
本実施形態では各ロータが発生する翼流騒音の低減手法を明らかにする。本実施形態での動翼騒音低減装置のANC(Active Noise Control)の構成は、例えば、リング状に配置した複数の制御スピーカーと1つの評価マイクとを用い評価点の音圧を低減するもので、複数の制御スピーカーの位相を翼角周波数に依存して調整することができる。また、本実施形態では、この評価点での音圧を球面調和関数展開で表すことにより、評価マイクの最適な設置位置を決定する。
(動翼回転騒音モデル)
まず、多重音源である軸流送風機の動翼回転モデルについて図1を参照して説明する。
動翼回転騒音モデルでは、音圧の時間(t)依存性と回転方向の角度(φ)依存性が次式で表される。
次に、非特許文献2及び3にならい、制御スピーカーの必要個数、及び主音源と制御音源それぞれのリング半径について説明する。非特許文献1に示されているように、制御スピーカーの必要個数の上限は2M+3個であり、これ以上個数を増やしても制御効果の向上は見込まれない。また、非特許文献2及び3では、連続リングモデルでは生じず、離散リングモデルで生じる不要なエイリアスモードの影響を無視できる範囲として、最小個数を2M+1個としている。従って、解析的には制御スピーカーの必要個数は2M+1以上2M+3以下となる。ただし、2M+2個は2M+1個に比べエイリアスモードが大幅に減り制御効果が大幅に改善するため、制御スピーカー個数に余裕がある場合は、最小個数を2M+2個とするのが望ましい。また、上限は理論的には2M+3個だが、制御リング半径と主音源リング半径の差が少ない場合は、制御スピーカー数を増やせば制御効果がさらに増加するため、多い方が望ましく2M+3個以上の制御スピーカーが設置可能であれば増やした方がよい。
主音源リングと、制御音源リング(制御スピーカーリングとも称す)との位置関係は図2に示すように3パターンが考えられる(例えば、非特許文献1参照)。以降、主音源リング半径をa、制御音源リング半径をbとして説明する。
図2(a)の場合(b<a)、スピーカー個数が2M+1以上の場合、制御性能が高く制御効果の観点からは望ましいが、ファン半径内部に制御スピーカーを設置することになる。従って、ファン気流を制御スピーカーが阻害するため、ファン性能が劣化してしまうという観点からb<aは望ましくない。
(評価マイク最適設置位置)
本実施形態では、実施形態の動翼騒音低減装置に含まれる騒音を評価する評価マイクの設置位置について説明する。動翼騒音低減装置の詳細については第2実施形態以降で説明する。
制御スピーカー個数が2M+1〜2M+2個の場合と、2M+3個以上の場合との2つに分け、動翼騒音低減装置における評価マイクの最適設置位置を示す。
非特許文献2から、複数制御スピーカーを円周上に並べた場合、評価マイク点(r,θ,φ)における音圧は、球面調和関数展開により以下で表される。
2M+3個以上の制御スピーカーを用いる場合、非特許文献2によれば主要モードは(m,n)=(M,M)のみとなり、制御スピーカーは主音源である連続リング音源と同じモードの音のみを発生することになる。従って、評価マイクの設置位置は、リング半径aの主音源が発生する音圧分布に対し、リング半径bの制御音源が発生する音圧分布の複素定数倍との差異が最小になる位置に設定すればよいことになる。
ここで、φはリング音源に関して対称なため任意定数でよい(今回はφ=0とする)。rは制御スピーカー単体の近接場の影響を受けないように制御リング半径bよりも大きくとるのが望ましい。残りの仰角θは、式(3)の内、仰角θに依存する項は以下で定義されるT(r,rp,θ)である。
・リング状音源数:36個(主音源も便宜的に離散リング音源とする)
・制御音源個数:10個
・主音源リング半径a:0.38m
・制御音源リング半径b:0.45m
・評価マイク位置:(r,θ,φ)=(0.7,θ,0)
・r=0.7m
・翼枚数:B=2
・検討次数:x=1
・回転角周波数:Ω=45×2×π
・検証モード:(n,m)=(M,M)=(2,2)
図4Aは半径a、bそれぞれの場合での式(5)の絶対値のプロットの比較であり、図4Bは半径a、bそれぞれの場合での式(5)の位相のプロットの比較である。図5は式(6)のプロットである。図5から上述した評価マイク配置(仰角θをおおよそ1.1〜2.1radに設定)の妥当性がみられる。
またさらに内側にマイクを設置した場合では、例えばr=0.2(図7)など、外側の場合と同様に仰角θをおおよそ1.1〜2.1radに設定すればよい。ただし、波面は音源リングの内側で合わせるよりも外側で合わせた方が低減効果を得る空間が大きい(例えば、非特許文献1参照)ので、空間全体の低減効果を高めるためには、外側にマイクを設置することが望ましい 。
制御スピーカー個数が2M+1個の場合、非特許文献1、2に示されるエイリアスモードの影響が、(|M−L|,M−L)モードで数パーセント程度生じる。例えば、例1の条件では、エイリアスモードが生じ、表2に示すようにSP数5個の場合14%の寄与率を持つ。
[例2]として、例1の条件において制御スピーカー数(制御音源数)を5個とした場合、式(9)の結果は図9のグラフとなり、θを上げるにつれエイリアスモードの影響が強く生じることがわかる。従って、比率0.5程度のθ=0.5程度が望ましい。ここでは本実施形態の動翼騒音低減装置における評価マイク位置を2つのケースにおいて示した。
(動翼騒音低減装置)
本実施形態の動翼騒音低減装置は、図10に示すように、評価マイク1001、マイクアンプ1002、アンチエイリアスフィルタ1003、能動消音処理系(能動消音処理部とも称す)1004、動翼回転角周波数推定部1005、補間フィルタ1006、スピーカーアンプ1007、及び、制御スピーカー1008を備える。本実施形態の動翼騒音低減装置は、複数の動翼を有している飛行体からの騒音を低減する。
マイクアンプ1002は、評価マイク1001から出力された電気信号を増幅する。
アンチエイリアスフィルタ1003は、後段の能動消音処理系1004に合わせたカットオフを有するローパスフィルタである。
能動消音処理系1004は、アンチエイリアスフィルタ1003が出力した信号に基づいて、評価マイク1001で受け取る騒音を消すように制御スピーカー1008から出力する音を制御するために制御スピーカー1008のそれぞれへ出力する信号を制御する。能動消音処理系1004は、評価マイクでの音圧を下げるように制御信号を生成し、同軸円周状に配置されているスピーカー間の円中心からの配置角、角周波数、及びスピーカー数に依存したスピーカーごとに対応した時間遅れにより、制御信号を遅らせて対応するスピーカーに制御信号を入力する。
補間フィルタ1006は、能動消音処理系1004の出力に合わせたカットオフを有するローパスフィルタである。
スピーカーアンプ1007は、補間フィルタ1006が出力した複数の電気信号のそれぞれを、対応する制御スピーカー1008に合わせてそれぞれ増幅して対応する制御スピーカー1008へ出力する。
制御スピーカー1008は、騒音低減対象である翼(ファン)と同軸円周状に複数個配置される。制御スピーカー1008はそれらの位置で能動消音処理系1004によって制御された音を発する。制御スピーカー1008は、動翼ごとに同軸円周状に配置されている。
本実施形態の能動消音処理系1004は、一般的な能動消音処理装置とは異なり、位相調整器1101を制御スピーカー1008に対応して備えている。すなわち、位相調整器1101はそれぞれ制御入力信号を受け取り、それぞれ対応する制御スピーカー1008に応じて制御入力信号の位相を調整して対応する制御スピーカー1008に調整した信号を出力する。位相調整器1101が、離散リング音源を構成する複数のスピーカーへ、次式に対応する位相調整を制御入力に施し各制御スピーカー1008に信号を分配する。
この場合の更新式は以下である。ここでe(t)は誤差信号を表す。
[例3](2M+1個の場合)
制御スピーカー1008の数が2M+1個の場合において、評価マイク1001の位置を上記の検討結果を踏まえ(r,θ,φ)=(0.6,0.5,0)とした場合の結果を示す。シミュレーション条件は以下の通りである。
・主音源リング状音源数:36個(主音源も便宜的に離散リング音源とする)
・主音源リング半径a:0.38m
・制御音源リング状音源数:5個
・制御音源リング半径b:0.45m
・評価マイク位置:(r,θ,φ)=(0.6,0.5,0)
・翼枚数:B=2
・検討次数:x=1
・回転角周波数:Ω=45×2×π
図14Aは、マルチロータ飛行体の翼、主音源及び制御音源リングが設置される平面から3m上方の能動消音低減量音圧の分布を示す。横軸と縦軸がマルチロータ飛行体の翼が設置される平面に平行な2次元平面の直交する2軸x、yを示す。なお、図14A以降の音圧分布図では明るい色調になるほど消音低減量が大きいことを示す。図14Aの翼付近で30−40dBの低減効果があり、翼と翼の間は20dB程度の低減効果があることがわかる。図14Aでは、図14Aから一見ではわからないが、16dB以上の低減効果が全体的に生じていることがわかる。また図14Aからは直接は読み取れないが、シミュレーションの結果では遠方(12,12,12)(=(x,y,z))地点での低減量は22.6dBである。
次に、制御スピーカー数10個>>2M+2の場合においての一例を示す。この場合には上記の「<2M+3個以上の場合>」が対応し、評価関数J(r,θ0)を最小とする仰角θは約1.1〜2.1radとなる。この例では、評価マイク位置を(r,θ,φ)=(0.6,1.25,0)とした場合の結果を図16A及び図16Bに示す。他のシミュレーション条件は[例3]と同様とする。図16Aによれば、制御スピーカー数が少ない[例3]に比べ遠方であるz=3(m)の断面にて一様に低減効果が生じていることがわかる。また、この場合の遠方(12,12,12)(=(x,y,z))での低減量は54.3dBである。図16Aによるとリング中心に関してほぼ完全に対称であり、リング音源からと制御音源からとの音波の波面が正確に一致しているといえる。
また、式(6)を最小にはしないが、本実施形態で提案する範囲に含まれるθ=1.5radを用いた結果を図17A及び図17Bに示す。この場合、遠方(12,12,12)での低減量は14.8dBと図16A及び図16Bに比べ低減量は大幅に下がるが、一般的な能動消音低減量基準15dB付近であるため許容範囲である。ここまでは、単一周波数を低減するsingle adaptive notchフィルタ方式を示している。
以降では、倍長周波数も低減可能なmulti-Channel SAN方式の場合について説明する。この動翼騒音低減装置は図18に示す通り、図12でのフィルタ1211、1212、1221、1222、1231、1232を1つのユニットとして、複数のユニットを設置したものである。
(各ロータからの騒音非干渉化手法)
飛行体ではホバリング時に類似回転角周波数を発生させるため、各ロータの騒音干渉により通常のANC手法では能動消音を達成できない。本実施形態では、複数のロータを有する飛行体が発生する翼流騒音を解決する手法を2つ提案する。
(MIMO型クロストーク除去ANC)
1つ目はMIMO型能動消音システムである。この手法は、各ロータのクロストークの影響を考慮して能動消音を行うものであり、上記と同様にsingle adaptive notch手法を用いた場合、図12や図13を拡張したものとなる。制御定数の更新式は、J(j=1,...,J)を制御リング個数(ロータ個数)とし、制御リングjに対応するジェネレータ信号i(i=1,...,I)とし、K(k=1,...,K)を評価マイク個数とした場合、以下になる。
本実施形態の動翼騒音低減装置は、動翼の近傍ごとに配置された評価マイクでの音圧を下げるように、各動翼の角周波数に対応する制御信号と、前記各評価マイクからのマイク信号と、各円周状に配置された複数のスピーカーから前記各評価マイクまでの空間伝達特性とを使用して、干渉を考慮した能動消音アルゴリズムにより各制御信号を生成する各制御フィルタを更新する。
一例として6つのロータを有する飛行体がホバリングする時の能動消音を本実施形態の制御手法で行った結果を以下に示す。
ホバリングしている時なので、各ロータは同一回転角周波数で回転しているものとする。シミュレーション条件は以下の通りである。なお、それぞれの評価マイクの下記に示した位置は、各ロータの中心を原点とした極座標表示を表し、ロータの中心から飛行体の中心へx軸が伸び、飛行体の上方(すなわち、鉛直上方)にz軸が伸びているとする。この例では評価マイクは6個設定され、それぞれのロータに対応して下記のように極座標表示される。
・主音源リング状音源数:36個(主音源も便宜的に離散リング音源とする)
・主音源リング半径a:0.38m
・制御音源リング状音源数:10個
・制御音源リング半径b:0.45m
・評価マイク位置:(r,θ,φ)=(0.7,1.3,0)
・翼枚数:B=2
・検討次数:x=1
・回転角周波数:Ω=45×2×π
・飛行体機体中心から各ロータ中心までの距離:0.95m
図20A及びBが能動騒音制御結果であり、遠方(12,12,12)(=(x,y,z))地点での低減量は36.1dBのため十分に低減していることがわかる。
(リング状アレイマイクによる取得エリア制限)
本実施形態では、ロータごとに複数の評価マイクを用い干渉を抑える手法を示す。本実施形態では図21に示すように、ロータの円周上に評価マイク(リング評価マイクとも称す)を複数並べ、かつ取得した信号をファン回転角周波数及び、各ロータに配置する評価マイク数に応じて各評価マイクから出力される信号を遅延させ、特定のロータ周りのみの騒音を取得するリングマイクアレイを構成する。これにより、ロータごとに独立に翼流騒音低減が可能となる。
本実施形態の動翼騒音低減装置のうちのロータごとに複数の評価マイクからの出力信号を合成する装置部分の具体的な構成例を図22に示す。各マイク信号での遅れ時間は以下で表され、式(10)の遅れを補うものとして設定する。
図23は、1つのロータ周り(座標(0,0.95,0)中心)に配したリングマイクの取得音圧分布を示すものであり、各位置から発せられた音波の取得しやすさをあらわす。値は、最大取得地点の音圧を0dBとして決定している。つまり、図中色が明るい範囲から発せられる騒音を取得しやすい。
・主音源リング状音源数:36個(主音源も便宜的に離散リング音源とする)
・主音源リング半径a:0.38m
・評価マイクリング半径:0.42m
・評価マイク数mh:9個
・評価マイク位置(座標(0,0.95,0)を原点とする極座標):(r,θ,φ)=(0.42,π/2,2πi/9)(i=0,…,8)
・翼枚数:B=2
・検討次数:x=1
・回転角周波数:Ω=45×2×π
・飛行体機体中心から各ロータまでの距離:0.95m
この結果からロータ円周上に十分数のマイクを並べ、適切に遅れ処理を施せば、マイクリング円周上の騒音を強調して取得することが可能なことがわかる。また、次数x=3とした結果は、図24に示すものであり、図23と同様にアレイマイク外周近傍での音圧分布が円状ではなくマイク個数に依存する分布となる。
この対処としては、マイク数を増やせばよく、例えば15個とすれば図25のように音圧分布は円状になり解決する。以上から本提案では、評価マイク数は、2M+1個以上を用いるものとする。
Claims (15)
- 複数の動翼を有している飛行体からの騒音を低減する動翼騒音低減装置であって、
前記動翼ごとに同軸円周状に配置された複数のスピーカーと、
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ーから発せられる制御音とを取得する1つ以上の評価マイクと、
前記複数の動翼のそれぞれの角周波数を推定する動翼回転角周波数推定部と、
前記評価マイクでの音圧を下げるように評価マイクごとの制御信号を生成し、配置角、前記角周波数、及びスピーカー数に依存した時間遅れにより、前記制御信号を遅らせて対応するスピーカーに制御信号を入力する能動消音処理部と、を備え、
前記配置角は同軸円周状に配置されているスピーカー間の円中心からの角度であり、
前記時間遅れはスピーカーごとに対応している動翼騒音低減装置。 - 動翼半径がaの場合、できる限りaに近い半径、少なくとも2a以下の半径bの円周上に前記スピーカーを並べる請求項1記載の動翼騒音低減装置。
- 翼枚数Bの動翼に対し制御対象次数xまで前記騒音を低減する場合、前記スピーカーはこの動翼に関して2Bx+1個以上配置する請求項1または2記載の動翼騒音低減装置。
- 翼枚数Bの動翼に対し制御対象次数xまで前記騒音を低減する場合に、前記スピーカーを動翼ごとに2Bx+1個から2Bx+2個円状に配置し、さらに、前記スピーカーを円状に配置する円の半径b以上の距離を前記動翼の中心からとり、かつ、天頂角0.3rad以上0.7rad以下に評価マイクを配置する請求項1または2記載の動翼騒音低減装置。
- 翼枚数Bの動翼に対し制御対象次数xまで前記騒音を低減する場合に、前記スピーカーを動翼ごとに2Bx+3個以上円状に配置し、さらに、前記スピーカーを円状に配置する円の半径b以上のrとし、(r,θ,φ)に評価マイクを配置し(φは任意の数)、動翼半径をa、m次第二種球ハンケル関数をhm、回転リング半径をrp、スピーカー個数をL、ルジャンドル陪関数をPm n、とした場合、
- 翼枚数Bの動翼に対し制御対象次数xまで前記騒音を低減する場合に、前記スピーカーを動翼ごとに2Bx+3個以上円状に配置し、さらに、前記スピーカーを円状に配置する円の半径b以上の距離を前記動翼の中心からとり、かつ、前記動翼及び前記スピーカーと同一平面上に前記評価マイクを配置する請求項1または2記載の動翼騒音低減装置。
- 翼枚数Bの動翼に対し制御対象次数xまで前記騒音を低減する場合に、前記スピーカーを動翼ごとに2Bx+3個以上円状に配置し、さらに、前記スピーカーを円状に配置する円の半径b以上の距離を前記動翼の中心からとり、かつ、天頂角1.1rad以上2.1rad以下に前記評価マイクを配置する請求項1または2記載の動翼騒音低減装置。
- 前記能動消音処理部は、前記時間遅れに加え、スピーカーごとの個体差を補正するフィルタを含む請求項1乃至7のいずれか1項記載の動翼騒音低減装置。
- 前記動翼回転角周波数推定部は、前記動翼を駆動する回転機器への指令値から角周波数を推定する、または発生する騒音や発生する風速から角周波数を推定する請求項1乃至8のいずれか1項記載の動翼騒音低減装置。
- 前記能動消音処理部は、前記評価マイクでの音圧を下げるように、前記制御信号と、前記評価マイクからのマイク信号と、円周状に配置された複数の前記スピーカーから前記評価マイクまでの空間伝達特性とを使用して、能動消音アルゴリズムにより制御信号を生成する制御フィルタを更新する請求項1乃至9のいずれか1項記載の動翼騒音低減装置。
- 前記能動消音処理部は、前記動翼の近傍ごとに配置された評価マイクでの音圧を下げるように、各動翼の角周波数に対応する制御信号と、前記各評価マイクからのマイク信号と、各円周状に配置された複数のスピーカーから前記各評価マイクまでの空間伝達特性とを使用して、干渉を考慮した能動消音アルゴリズムにより各制御信号を生成する各制御フィルタを更新する請求項1乃至9のいずれか1項記載の動翼騒音低減装置。
- 前記飛行体の動翼ごとに配置したリングマイクアレイを構成する複数のリング評価マイクに対し、円周上に配置されているリング評価マイク間の円中心からの配置角、前記角周波数、及び、前記リング評価マイクの個数に依存した時間遅れにより、各リング評価マイクからの出力信号を遅らせ加算平均した信号を、前記能動消音処理部が誤差信号として使用する請求項1乃至10のいずれか1項記載の動翼騒音低減装置。
- 翼枚数Bの動翼に対し、制御対象次数xまで前記騒音を低減する場合、前記評価マイクはこの動翼に関して2Bx+1以上配置する請求項12記載の動翼騒音低減装置。
- 請求項1乃至13のいずれか1項記載の動翼騒音低減装置を備える飛行体。
- コンピュータを、請求項1乃至13のいずれか1項記載の動翼騒音低減装置として機能させるためのプログラム。
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