よ ー

キャ

ヌ

16.2

風洞試験模型

9 3 

『司F

速 計 を ， 主 流 計 測 用 に 1本 ， 関 口 部 の 風 速 変 動 計 測 用 と し て 2本 ， 計 3本 を 図 示 す る よ う に 設 置 し ， そ れ ら か ら 出 力 さ れ る デ ー タ を FFT等 に よ り 分 析 し た

渦 の 移 流 速 度 U_cは ， 開 口 部 の 流 れ 方 向 に L1xだ け 距 離 の 異 な る 2点 の 風 速 変 動 を 同 時 計 測 し ， そ の デ ー タ を FFTを 用 い て 相 互 相 関 関 数 を 算 出 し ， そ の 波 形 の 最 大 値 を 与 え る 遅 れ 時 間 τを 求 め ， 次 式 に よ り 算 出 し た

U_c

二竺

_(6‑6) 

τ 

渦 の 波 長 (間欠的 に 発 生 す る 渦 の 間 隔 〉λは上 述 の よ う に 開 口 部 の 2点 の 風 速 変 動 を 同 時 計 測 し ， FFTを 用 い て 伝 達 関 数 を 計 算 ， 位 相差 t1y (ラ ジ ア ン 〉 を 求 め ， 次 式 に よ り 算 出 し た .

λ A x  _{=  ~;_ ¥  (6 ‑7)} 

企y/ 

( 2 π )  

こ こ で

2 π

は t1yを 無 次 元 化 す る た め の 項 で あ る .

6.  2.  2  模 型 試 験 結 果

模 型 試 験 で 得 ら れ た 音 圧 の ス ペ ク ト ル の ， ピ ー ク の 周 波 数 と そ の 周 波 数 で の音圧 レ ベ ル を ， そ れ ぞ れ 図 6. 3 と図 6. 4に 主 流 風 速 を 横 軸 と し て 示 す . 図 6. 3に は 式(6‑1)と(6‑4)に よ り 推 定 し た 周 波 数 も そ れ ぞ れ 2点 鎖 線 お よ び 1点 鎖 線 で 併 記 し て い る が ， 両 者 は実験 値 と 概 ね 一 致 し て い る 実 験 に よ る 周 波 数 が 推 定 し た キ ャ ビ テ ィ ト ー ン の 周 波 数 か ら 外 れ る 原 因 は ， い わ ゆ る ロ ッ ク イ ン 現 象 が 起 こ っ て ， 以 下 で 述 べ る よ う に 渦 の 移 流 速 度 や 波 長 が 変 わ っ て 周 波 数 が 一 定 に 保 た れ よ う と す る た め で あ る (3 )この 実 験 の 設 定 で は ヘ ル ム ホ ル ツ の 空 洞 共 鳴 周 波 数 ん は 式(6‑4)から 85Hzと 推 定 さ れ る . 図

6 .  3

か ら， U_o三

6

^，.̲̲，

1 2 m / s

で は 実 験 値 は キ ャ ビ テ ィ ト ー ン

の 理 論 値fcに 比 較 的 近 い が，U。三

1 2

，.̲̲，

1 8 m / s

で は キ ャ ビ テ ィ ト ー ン の 2次 の 共 鳴 周 波 数

f

_C2が ん に 近 い た め 実 験 の 2次 の 周 波 数 は

f

_C²か ら 外 れ て ん に 近 づ く ， つ ま り ロ ッ ク イ ン さ れ る 現 象 が 見 ら れ る . さ ら に U。三20m/sで は キ ャ ビ テ ィ ト ー ン の 1次 の 共 鳴 周 波 数

f

^C1が ん に 近 い た め 実 験 の 1次 の

『司V

300  ^キャビテ_{の周波数f}^ィ_c^トーン / N=3 

NZ  

/ 

200 

事司

100 

‑‑0ー :1次 1

‑‑Gー :2次 〉実験結果

一 合 一 :3次

l 

)計算結果

( 2 2

^・1

り

¥ヘルムホルツの 共鳴周波数万t

10  20  30  40  Uo  m/s 

図 6.3

ピークの周波数

f

と流速

Uo

との関係

ハUA斗4lム

国℃

?m 

ム

Jミ

1 + 

~t[ ¹⁰⁰ 

。

10  20  30  図 6.4

Uo  m/s 

ピークの音圧レベルSPL と流速

Uo

の関係

果験実

1

￨

￨︾

Il

‑‑

J 次 次

土 十

次 40 

ぷ

Uc/Uo=0.6

~ 0.6

1 ‑

"₍"_..)   L _I 

.̲  0.41‑

ミ O.8~ _Ý____~一一一三どル1-1 /4

。

10  30  Uo  m/s 

図

6.5 渦の移流速度

Uc，

波 長 イ ( 1 次 〉 と 主流速度

Uo

との関係

5 9 

40 

『司V

周 波 数 が 引 き 寄 せ ら れ る 結 果 ， fClから外れんに近づく • ^U_o三18→ 20m sで 周 波 数 の 実 験 値 が 急 増 す る の は ， ロ ッ ク イ ン さ れ る 周 波 数 が 2次 か ら 1次 に 変 わ っ た た め で あ る

図 6. 4か ら ， ロ ッ ク イ ン さ れ る 周 波 数 が 2次 か ら 1次 に 変 わ る こ と に よ っ て 各 次 数 の 音 圧 レ ベ ル が 急 変 す る こ と が わ か る 詳 細 に い え ば ， ロ ッ ク イ ン さ れ て い る 周 波 数 の ピ ー ク の レ ベ ル が ， 他 の 次 数 の レ ベ ル よ り も 局

く な る よ う に 変 化 し て い る

ま た 渦 の 移 流 速 度 U_cと波長 λを計浪uし た 結 果 を 図 6. 5に 示 す い ず れ も 1次 の ピ ー ク に 対 応 す る モ ー ド に つ い て 計 測 し た 結 果 で あ る . 主 流 速 度 U。が 10m/s以 下 で は U_cと_λは そ れ ぞ れ 式(6‑2)と(6‑3)の 理 論 値 に よ く 致 し て い る が ， 主 流 速 度 が 増 加 し 2次 の ピ ー ク 周 波 数 の 変 動 現 象 の ロ ッ ク イ ン が 顕 著 に な る と 共 に U_cとλは 減 少 し て い く . さ ら に ， 主 流 速 度 が

U。二18→ 20m/sで は ロ ッ ク イ ン さ れ る ピ ー ク が 2次 か ら 1次 に 変 わ る こ と に 伴 い，Ucとλは 急 増 し て そ れ ぞ れ 式(6‑2)と(6‑3)の 理 論 値 に近づき，さ ら に 主 流 速 度 が 増 え る と l次 の ロ ッ ク イ ン が 強 ま り 再 び 減 少 し て い く こ の よ う に ロ ッ ク イ ン モ ー ド の 変 化 に 伴 っ て ピ ー ク の 周 波 数 ， 音 圧 レ ベ ル ， 渦 の 移 流 速 度 ， 波 長 が そ れ ぞ れ 変 化 す る こ と が わ か る .

以 上 の 試 験 結 果 か ら ウ イ ン ド ス ロ ッ ブ は ， キ ャ ビ テ ィ ト ー ン が ヘ ル ム ホ ル ツ の 空 洞 共 鳴 に よ り ロ ッ ク イ ン さ れ る 結 果 ， 渦 の 移 流 速 度 や 波 長 ， し た が っ て 周 波 数 が 急 変 し ， 音 圧 レ ベ ル が 急 増 す る 現 象 で あ る と 考 え る こ と が で き る .

6.  2.  3 

境 界 層 の 特 性 の 影 響

図 6. 2で 共 鳴 箱 (容積 O.080m³⁾ を 除 去 し た 場 合 ， 空 洞 の 容 積 が 2.9m³  に 増 加 す る た め ， ヘ ル ム ホ ル ツ の 空 洞 共 鳴 の 周 波 数 ん が 15Hzに 低 下 す る .

し た が っ て ， ザJIえ ば 主 流 速 度 U二。14m/sの 場 合 に は キ ャ ビ テ ィ ト ー ン の 周 波 数 ん は 42Hzであり fhよ り も は る か に 高 い の で ， ロ ッ ク イ ン 現 象 は 起 こ ら な い.この場 合 に は 関 口 部 上 流 の 境 界 層 内 の 速 度 変 動 を 計 測 し た 結 果 ，

『司V

そ こ で は 層 流 境 界 層 が 形 成 さ れ て い る こ と が 確 認 さ れ た が ， 空 洞 内 の 音 圧 レ ベ ル に は 図 6. 6に 層 流 境 界 層 と し て 示 し た 発 生 騒 音 の ス ペ ク ト ル 分 布 の よ う に ， キ ャ ビ テ ィ ト ー ン の 幾 つ か の ピ ー ク が 現 れ て い る こ れ に 対 し て 開 口 部 上 流 側 の エ ッ ジ か ら 500mm C流 の 模 型 表 面 に ゆ 1 .Ommの ト リ ッ ピ ン グ ワ イ ヤ を 取 り 付 け て 境 界 層 を 乱 流 に 強 制 遷 移 さ せ る と ， 図 6. 6に乱 流 境 界 層 と し て 示 し て い る ス ペ ク ト ル の よ う に キ ャ ビ テ ィ ト ー ン は 消 滅 す る . こ れ は ， 下 流 側 エ ッ ジ か ら 上 流 側 エ ッ ジ に フ ィ ー ド パ ッ ク さ れ る 擾 乱 成 分 が ， 強 制 的 に 遷 移 さ せ ら れ た 乱 流 境 界 層 の 乱 れ に 埋 没 し ， 周 期 的 な 渦 の 発 生 が 起 こ ら な い こ と が 原 因 と 考 え ら れ る .

方 共 鳴 箱 が 設 置 さ れ て い る 図 6. 3 と 6. 4の 場 合 ， 境 界 層 内 の 速 度 変 動 を 計 測 し た 結 果 に よ れ ば ， 開 口 部 上 流 側 の 模 型 表 面 の 境 界 層 は U_o=20m/s 付 近 で 層 流 か ら 乱 流 へ 自 然 遷 移 す る が ， 20m/sよ り も は る か に 高 速 ま で ウ

イ ン ド ス ロ ッ ブ が 発 生 す る . ま た Uo=20m/s以 下 の 場 合 に 層 流 境 界 層 を 乱 流 境 界 層 に 強 制 的 に 遷 移 さ せ て も ， ウ イ ン ド ス ロ ッ ブ の 特 性 は 変 わ ら な い

こ と が 確 か め ら れ て い る . こ の よ う に 共 鳴 箱 が 設 置 さ れ て い る 場 合 に ウ イ ン ド ス ロ ッ ブ の 発 生 が 境 界 層 の 乱 れ に 支 配 さ れ な い の は ， キ ャ ビ テ ィ ト ー ン と ヘ ル ム ホ ル ツ の空 洞 共 鳴 が 連 成 し ， 振 幅 が 著 し く 増 幅 さ れ て い る た め ， 外 乱 の 影 響 を 受 け に く い た め と 考 え ら れ る .

6.  3  実 車 試 験

標 準 的 な 乗 用 車 を 用 い て ウ イ ン ド ス ロッ ブ に 関 す る 風 洞 試 験 を 行 っ た 結 果 を 図 6. 7と6. 8に示す.図 6. 7に 示 す よ う に キ ャ ビ テ ィ ト ー ン (1  次 ) と ヘ ル ム ホ ル ツ の 空 洞 共 鳴 周 波 数 は ， 主 流 速 度 が 約 18 

m/  s

の時に 一 致 し ， そ の 速 度 に お い て ， 図 6. 8に示 す よ う に 音 圧 レ ベ ル が 最 大 に な

る . こ の 傾 向 は 前 節 の 模 型 試 験 と 同 様 の 傾 向 で あ る ま た 図 6. 7で 主 流 速 度 が 約 15m/sを 越 え る と ピ ー ク の 周 波 数 は キ ャ ビ テ ィ ト ー ン の 理 論 値 か ら 外 れ て い く 傾 向 が 見 ら れ ， こ れ も 模 型 試 験 と 同 様 に ， ロ ッ ク イ ン 現 象

に よ る も の と 考 え ら れ る .

9 7  

『司F

100 

90 

I  ¥  ¥ 

( 

¥  I  ¥ 

ぬ ^{'   I  I  I  I}  層流境界層

‑a 

V  U 

^{V  乱流境界層}

J^‑...， 込

/ c

トリッピングワイヤによる) む

〈

ふ 80 

1 ‑ ^{¥ A /}  

司lどE 

Uo 

= 

14m/s 

70 

。

100  200  300  周波数(Hz)

図 6.6 層流及び乱流境界層の場合のスペクトル

『噂F

実験結果(1次)

fc =0.6 (N ‑1/4)Uoh， N =1 

30 

¥ 

N  20 

z 

/'" 

/ 

、

「

ヘルムホルツの共鳴周波数戸l

10  _/'" 

/'" 

ハUハU

5  15 

Uo  m/s 

20  25 

10 

別 6.7

ピークの周波数 f と主流速度

Uo

の関係(実車試験結果 〉

実験結果(1次)

F国O  120 

二~‑‑.. 

"(  ふ 100 判

出ロ

80 0  5  10  15  20  Uo  m/s 

25 

刈 6.8

ピークの音圧レベルと流速

Uo

の関係〈実車試験結果〉

9 9  

『司F

6.  4  流 れ の 可 視 化 試 験

キ ャ ビ テ ィ ト ー ン が 発 生 し て い る 場 合 の 流 れ 場 の 様 子 を 把 握 す る た め ， 比 較 的 可 視 化 の 容 易 な 水 槽 で 可 視 化 試 験 を 行 っ た 図 6. 9に 試 験 装 置 の 概 要 を 示 す . 水 は 空 気 に 比 較 し て 極 め て 圧 縮 し 難 い た め ヘ ル ム ホ ル ツ の 空 洞 共 鳴 の 現 象 は 再 現 で き な い が ， キ ャ ビ テ ィ ト ー ン の 流 れ 場 は 圧 縮 性 が 無 い 場 合 に も 実 現 す る た め ， 水 槽 試 験 は キ ャ ビ テ ィ ト ー ン の 流 れ 場 を 把 握 す る に は 妥 当 性 を 有 す る と 考 え ら れ る . 開 口 部 長 さ と 主 流 速 度 で 定 義 し た レ イ ノ ル ズ 数 は 風 洞 で の 模 型 試 験 に 一 致 さ せ た . ト レ ー サ ー と し て は 染 料

(ローダミン C28H31U3N2Cl)を用い， キ ャ ビ テ ィ 関 口 部 の 上 流 の 物 体表 面 上 に 小 穴 を 設 け て 境 界 層 内 に 注 入 し た .

図 6.1 0に キ ャ ビ テ ィ ト ー ン が 発 生 し て い る 場 合 の 可 視 化 結 果 を示す.

本 図 で 上 流 側 ( 左 側 〉 の エ ッ ジ の 上 部 か ら 下 流 側 ( 右 側 〉 に 伸 び て い る 黒 い 線 が 染 料 に よ っ て 可 視 化 さ れ た 自 由 英 断 層 で あ り ， 自 由 真 断 層 の 渦 が 移 流 し な が ら 合 体 し て 黒 丸 状 の 大 き な 渦 と な る 様 子 が 見 ら れ る . 本 図 で は 黒 丸 状 の 渦 は キ ャ ビ テ ィ 開 口 部 の 上 流 側 エ ッ ジ と 下 流 側 エ ッ ジ の 聞 に 2個 見 ら れ る こ と か ら ， こ の 流 れ 場 は 2次 の モ ー ド を あ ら わ し て い る も の と 考 え ら れ る

本 可 視 化 試 験 で ビ デ オ 画 像 を 収 録 し ， そ こ か ら 渦 の 衝 突 す る 周 波 数 を 計 測 し た 結 果(5)を 図 6. 1 1に 示 す . こ こ で は 式(6‑1)か ら 推 定 し た 周 波 数 も

1点 鎖 線 で 示 し て い る が ， 可 視 化 試 験 に よ る キ ャ ビ テ ィ ト ー ン の 周 波 数 が 主 流 速 度 に 比 例 し ， 理 論 と も よ く 一 致 す る こ と が わかる.

『司V

染料の流出孔

O.65m 

キャビティ

スパン (紙面に垂直方向の長さ)=0.8m

図

6.9 水槽試験装置の概要

1 0 1 

『司F

︑︑︐

JJ

寸i〆

︐

︐ ¥

(2) 

(3) 

(4) 

(5) 

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4 . . .

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。

^{実験値(水槽試験〉}

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0.J 

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ドキュメント内 自動車の車体周りの気流による空力騒音に関する研 究 (ページ 103-113)