噴流せん断層の衝突による直管共鳴音に対する低減法

長野工業高等専門学校紀要 ･第

2 5

( 1 9 9 2 ) 1

噴流せん断層の衝突による直管共鳴音に対する低減法

倉津英夫 羽田喜昭 小幡輝夫

The metltod of attenuation for the acoustic resonance of the pipe  by impingement of the shear layer of a jet

Hideo KURASAWA Yoshiaki HANEDA and Teruo OBATA

Se l f ･ s us t a i n e do s c i l l a t i o no fas h e arl a y e ro c c u r si nt hej e t ‑ pi p es y s t e mwhe napi p e i spl a c e dc o a xi a l l yw it har o un dj e taxi s .Theve l o c i t yf l u c t ua t i o ni nt h i sp he no me no n c o me st oha veape r i o d i c a lr e gu l a r i t y,a n dt h e nt hi sp h e no me no ni sa c c o mpa n i e dbya p u r et o n er a d i a t i n gf r o mt hel e a di n ge d g eo ft h epi p e .Tho u g ht h el e ve loft hi st o n ei s g e ne r a l l yve r ys ma l l ,ahi ghs o u ndl e ve Hsp r o d u c e dbyt hec o u p l i n go ft hea c o u s t i c r e s o n a n c eo ft hepi p et ot hepe r i di co s c i l l a t i o no ft he月o wi nt h ej e t .

Ⅰ nt hi spa p e rs e v e r a lme 仇o dsa r ep r o po s e di no r d e rt oa t t e n ua t et heac o u s t i c r e s o n a c ep r o d u c e dbyt hi sc o u pl i n g, a ndt h ee f fe c to fa t t e n ua t i o nf o rva r io usme t ho d si s i n v e s t i ga t e de xp e r i me n t a l l y.

1

.

噴流の ような自由せ ん断層の遷移領域 においては,そ こに存在す るか く乱 が下流方向 に向 か って大 きな運動を伴 いなが ら発達 して行 く. このか く乱が物体 に衝突す るとき, レベルは 小 さいがそ こか ら音 が発生 し,その昔 がか く乱 の成長 を制御 して くる.両者 の間に一つ のフ ィー ドバ ックル‑プが形成 され,せん断層 の自励振動 が発生 しか く乱 の振舞 いは周期的 にな る. この ような自励振動現象は従来 よ り数多 くの研究結果(1ト(6)があ り,エ ッジ音, キ ャビテ ィ音,せ ん断層音 と称せ られる具体例 が挙 げられ る.

このような現象に関連 して,丸 い ノズルから噴出 した空気噴流 の中に ノズル と同径 の直管 を置 くと,噴流速度,直管 までの距離 によ りそ こか ら大 きな共鳴音が発生 して くる. この音 の発生 はもともとせん断層 の流体的自励振動に起因す るが, この詳細 な発生機構 については 既 に報告(7)してきた通 りである.

工業的な観点か らす ると,共鳴音 の発生 は騒音 として捉 えられ る場合がほ とん どであ る.

特 に近年掃除機 を始め として各種工業製品では,その性能 の一つ として低騒音化 が重要 な課

●平成

3

1 0

=●機械工学科 講師 HH 帝京大学 助教授

原稿受付 平成 4年5月

29

題 となってきている.また快適 な生産環境を維持す る場合 にも,各種工業装置系で発生す る 音 を制御す ることが重要である.音の発生 は様々な要因で発生 して くるが⁽8⁾⁽9),その発生機 構 はまだ十分明 らかでない場合 も多 く,その防止方法 も確立 されていない場合 も多い.

本研究では,流れの持っか く乱 とそ こに存在す る音響系 とによる共鳴音,すなわち前述 の 円形噴流におけるせん断層の自励振動 と直管の音響的固有振動数 との相互作用によ り発生す る共鳴音の低減 について検討す る. ここでは具体的ない くつかの低減方法を提起 し,その効 果を定量的に比較 し,またその原因についても検討を加 えた.

2. 実験装置および測定方法

最初 に発生す る共鳴音に対 し,具体的な防止方法を取 りつけていない系での実験装置 につ いて述べる. この実験では音響特性を測定す る関係上,特殊 な風洞を用いて空気噴流を作 り 出 した.すなわち,通常の風洞では送風機等か ら発生す る各種 の音 はそのまま気流中に含 普 れ,騒音 レベルの高い噴流になって くる. ここで は送風機 の前後 に吸収型 の消音器 を設置 し,かつ送風機そのものを実験室外 に置 くことにより,噴流出口での騒音 レベルを極力押 さ えた.本実験での流速

9. 4 m/

レベルの差 は

l dB

このような噴流中に,図

1

2 8 mm

1 0 0 mm

2 8 mm

3 4 mm

6

1mm

,L=3 9 0 mm

以後,図

1

実験 はノズル出口流速

U

9. 4 m/

,

拙3 0 0 mm

1 / 2

インチのマイクロホンを置 き,精密騒音計で測定 した.なお本災験 において, ノズル出口で の噴流の持つ特性 は管壁部分での境界層部分を除 くと一様で,乱れの大 きさは通常の風洞 と 比較 して大差ないことを確認 している.

3. 具体的な防止方法

U｡

L

d

r

Bll

Z=二

噴流せん断層の衝突による直管共鳴音に対する低減法 (a)多孔板を用いる方法

空孔率

▲ I 0.00

2

図

2

ん断層領域 に作 られ,下流方向に向か って成長す る.渦の物体への衝突 によ り空力音 が発生 し,それがまた渦の発生を制御 し,結果 として流れが周期的にな り自励振動が発生す る.更 にこの自励振動が,直管か らの共鳴音 を誘起 して くる.

以上のことか ら共鳴音を防止す る一つの方法 として, ノズル出口での壁面近 くのせ ん断層 領域 を何 らかの方法で制御 し渦の形成 に影響を与 えることが考えられる. このような考 えか

ら,せん断層の振舞いに影響を与 えると予測 される次の

3

(a) 多孔板 による方法

ノズル出口端 に厚 さ

2. 5 mm

2( a )

22 mm

1. 2 mm

(

^‑ndL , 2 /

d

‑d

但 し

,n

,d

,d

,d

4

ここで中心部分を直径

2 2mm

くし,圧力損失を小 さ くす る

90

(b)金網 による方法 ノズル出口端 に平織金網 を 取 りつける. この場合 も多孔 板の場合 と同 じ理由か ら,中 心部分を放電加工 によ り直径

2 2 mm

2

gPl

d

0･5 10 1･5 2･0

1/d 2.5 3.

0

3

に ノズル端 に密着 させ て置 いた. また使 用 した金網 は線径

0. 2 m

0. 4 m

1 0

2 0 ,3 0

3

(C) トリッピソグ ワイヤによる方法

図

2(

)

1. 5 m

0,1 0 ,5 0 ,8 0 m

4

4.

4‑ 1

基本系 におけ る音圧 レベル と直管挿入位置 との関係 を図

3

P

,P

,P

いず れ も

8 0 dB

3

4 6 dB

となる可能性 があ る.

音圧 レベルの急増 は,せ ん断層 中下流 方 向 に向 か って成 長 す るか く乱 (潤) と,その盲管への衝突 によって発生す る 圧力/くル スに よ り起 こる自励振動 にその 原因があ る. 自励振動 が起 こる と, さら にそれが直管 の持つ音響的固有振動 を励 起 し大 きな共鳴音 を作 り出す. この よ う

な共鳴音 はまた流れの中に よ り明瞭 な渦 の存在 を伴 う.

渦 が形成 された可視化 の一例 を図

4

サ としてス トロボを瞬間的に閃光 させ, 写d.撮影 した.実験条件 は噴流出 口流速

9. 4 m/

3 8 0 m

/ 6 2 m m ( d/J =2. 2

図

4

( Uo =9. 4 m/ S ,L‑3 8 0 mm)

噴流せん断層の衝突による直管共鳴音に対する低減法

い く様子が理解で きる.共鳴の発生 によ り渦が増大 させ られることも事実 であ るが,渦が共 鳴発生 の大 きな原因 となっている.そ こで具体的 な防止方法の ところで述べたが,可視化結 果 に見 られ るよ うな渦形成 を制御す ることによ り音 の発生が抑制で きると期待 され,次 の定 量的な結果 を得た.

4‑ 2

( a)

多孔板 を ノズル出口端 に取 りつ けた場合の音響特性 の結果 を図

5 ( a)

.A‑0

￠2 2

.^=0. 6

.1‑0

7 0 dB

J / d‑0. 5

. A‑0. 1 5

6 0 dB

,∫ / d>1. 3

.1‑0. 3 7 ,0. 6 0

ところで

1=0

0

6

って, ノズル出口後 にや は り

渦を形成 して くると推測 で き (a)挿入直管内径

2 8 mm

な場合 には,図

6

2 2 mm

これを調べ るため に,内径

2 2 mm

2 6 mm

3 9

ー0 0.5

1 . 0

2 2 mm

mm

9 0

を取 りつけ音響特性 を測定 し た.結 果 を 図

5

1‑0

1‑0. 1 5

1‑0. 3 7

,∫ / d<1

由PldS

2.5 3.0 3･5

0.5 1.0 1･

5

図5 多 孔板を取りつけた場合の音響特性

が発生す るが,下流域 に置かれ ると音圧 レベルは非常 に小 さくなる. さらに

入=0. 6

6 5 dB

22 mm

28 mm

く,現段階では確認 していない.

(b) 金網を用いた場合

金網 を用いた結果を図

7

3

( C )

8

4

S‑0

栗 が現 れ なか った とみ られ

7 0

･S=1 0

S‑5 0

,S‑

90

ト bzzl e

図

6

85 1･0 1･5 2.0 2.5 3,0

1/

図

7

3.5

0.5 1.0 1.5 2.0

1/d 2.5 3.0 3.5 図

8

噴流せん断層の衝突 による直管共鳴音 に対する低減法

8 0

,∫ / d‑0. 3

SPL

4‑ 3

せ ん断層中 (約

r / R‑

,Ⅹ/ ∫ ‑0. 5

l / d‑0. 7 5

図

9

9 ( a)

J / d=0. 7 5

3

8 5dB

P

41 0Hz

41 0 Hz

4

図

9

1‑0. 6

1. 2 kHz

メッシュ

2 0

9(

)

,7 5 0 Hz

21 0 Hz

図

9( d )

S‑5 0

,1 9 5 Hz

し,金網 の場合 と同様 にランダムな流れになった と考 えられる.

以上各種防止を行 った場合,いずれ も速度の波形はランダムにな り,スペク トルか らはほ ぼ卓越 した成分が消え,全体 になだ らかな分布 に移行 している. これは共鳴が発生 してい る 場合のように渦が周期的に発生 し,せん断層に自励振動が起 こっている安定 した流れ とは明 かにバターンが異なっている. このように周期的な渦の崩壊が,共鳴音の発生防止 につ なが った といえる.

(a)基本系の場合

旺

…

^l

^,

(b)多孔板 の場合

帆

.F

T

l M 亡 ▲

(C)金網 の場合

旺…三千后 ｡

(d) トリッピング ワイヤの場合

二 ‑ :t=

mO _. PvFtSP

▲

Z l H J

i; tlO.O

H 暮

=

: ‑ ‑ ‑‑m ‑̲‑

O

Z L N z

l= S.O

H t

‑ ▲

.

‑ ‑ ‑‑I‑ ‑ ‑ ‑ ‑‑､

a PVFtSP▲

h

L: 2

1

工 . !

.

ニ ー

‑ :

図9 基本系お よび防止法を取 りつけた場合の速度の波形 とスぺ タ レ レ

噴流せん断層の衝突による直管共鳴音に対する低減法

5.

円形噴流の中に直管を置 くと挿入位置により音圧 レベルが急激に増大 し,直管の管長 によ って決まる共鳴音が発生 して くる.共鳴音 の発生位置 は,本流速では概ね直径 の

3

3

(1)具体的な防止方法 として, ノズル出口端に中心部分を くり抜いた多孔板 を取 りつける方 法,同様 に中心部分を くり抜いた金網を取 りつける方法お よびノズル内壁 に トリッピング

ワイヤを取 りつける方法を提案 した.

(2)多孔板の場合には,他の 2つに比較す るとその効果 は小 さい.特に空孔率が小 さい と悪 いが, これを大 きくす ると効果的であることが確認 された. また,空孔率を大 き くす るこ

とは流動抵抗を減 らす上で も有利である.

(3)本実験で使用 した金網のメッシュサイズでは,いずれ も共鳴音 は全 く発生せず非常 に効 果的であ り,かつ金網 は空孔率 も大 きい ことか ら流動抵抗 も非常 に小 さく, この点で も優 れた防止方法であるといえる.

3

(4) トリッピングワイヤ法ではその取 りつけ位置によ り大 きく影響 され, ノズル出口端 ある いは逆 にかな り上流 に取 りつけると効果が小 さい.出口端か ら

50 mm

(5)防止策を施 し,共鳴音が発生 しない場合の速度変動 の波形およびスペク トル分析の結果 をみると,速度の波形は周期性がな くな りラソダム化 して くる.対応 して,そのスペ ク ト ル分布 においても大 きく卓越 した成分がなくなることが確認 された. これはノズル出口直 後 に形成 されて くる大 きな渦が,各防止法により壊 されたため と推測できる.

なお,本研究の一部 は,㈲浅間テクノポ リス開発機構,平成

3

参 考 文 献

( 1 ) Po we

l ,A." Ont hee dget o ne ,

J . Ac o us t .Soc .Am, ,Vo l .3 3 .No.4 ,1 9 6 1

( 2 ) Ro c kwe

l , D.andKni s e l y, C ." Theo r ga ni z e dnat ur eof凸o wi mpi ng e me n tupo nac o r ne r J ' J . Fl ui dMe c h. ,Vol .9 3 .1 9 7 4

( 3 ) Zi ada, S. andRo c kwe l l , D. " Os c i l l a t i o no fa nuns t a bl emi xi ngl a ye ri mpi n gi ngupona ne dge . "

∫ . Fl ui dMe c h. ,γo l .1 2 4 .1 9 8 2

( 4 ) El de r ,S. A ." For c e dos c i l l a t i o nofas e pa r at e ds he a rl a ye rwi t happl i c a t i ont oc avi t y no w‑ t onee 庁e c t s ." J . Ac ous t .Soc .A

. ,Vo l .6 7 .1 9 8 0

( 5 ) Hus s ai n , A. K.M.ど.andZa ma n , K. ち.M. Q. … Thef r e es he a rl ay e rt o nephe nome nona nd pr o bei n t e r f e r e c e . "∫ . Fl ui dMe c h. ,Vo l .8 7 .1 9 7 8

( 6 )

,5 1

4 6 9

S6 0

(7) 倉沢,小幡他 "軸対称噴流一有限長直管の自励振動現象〝日本機械学会論文集

,5 3

4 9 4

,S

6 2

(8)例 えば,日本音響材料協会編 "騒音 ･振動対策‑ソ ドブック〝技報堂

(9)例 えは,日本機械学会 ≠機械 の騒音発生機構 と低騒音設計手法研究分科会〝研究成果報告書 平成元年

4

uo) 浅沼強編 "流れの可視化‑ソ ドブック〝朝倉書店 ul) 日本機械学会 "写真集 流れ

〝p,6 5.