(57)【要約】【課題】エンジン等の振動発振源からの広周波数帯域機械振動雑音の船殻への伝搬を遮断し経年劣化することなく長期間安定して航走体の放射雑音レベルを所定値まで低減し、同時に流れ方向断面積が変化する航走体の流体摩擦抵抗を低減する事である。【解決手段】航走体の船殻に２層の低比重量の弾性材であるＣＦＲＰ材で粘弾性新素材であるエラストマー材を挟さみ込みサンドイッチ構造にした板材又は円筒形材の流体接触面にリブレット付フィルムをリブレットの溝方向と流体流れの方向を一致させて張り付けた多層構造の板材又は円筒形材を用いることにより航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能とする。【選択図】    図９
2004352024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能にする２層の低比重量のカーボンファイバーレインフォースプラスチック材（以降、ＣＦＲＰ材と言う。）で粘弾性新素材である熱可塑性ポリマーアロイ型材（以降、エラストマー材と言う。）を挟さみ込みサンドイッチ構造にした板材又は円筒形材の流体接触面にリブレット付フィルムをリブレットの溝方向と流体流れの方向を一致させて張り付けた航走体船殻用多層構造材料。
【請求項２】
流れ方向断面積が変化する航走体においてリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けた流体摩擦抵抗低減のためのリブレット付航走体船殻。
【請求項３】
航走体の船殻に２層の低比重量の弾性材であるＣＦＲＰ材でエラストマー材を挟さみ込みサンドイッチ構造にした板材又は円筒形材の流体接触面にリブレット付フィルムをリブレットの溝方向と流体流れの方向を一致させて張り付けた多層構造の板材又は円筒形材を用いることにより航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能とする方法。
【請求項４】
流れ方向断面積が変化する航走体においてリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けた流体摩擦抵抗低減方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航走体の燃料の節約及び運動性能の向上のための航走体の流体抵抗低減と航走体に設置された音響センサーの目標探知性能向上のための自己放射雑音レベルの低減を同時に行う方法及びその方法を可能にする航走体船殻用多層構造の板材及び円筒形材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の航走体の自己放射雑音低減技術は、「機械工学便覧」（社）日本機械学会編ｐ８８７〜ｐ８９９（以下公知の文献１）で開示された航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音を低減対象としている。
【０００３】
すなわち、航走体の自己放射雑音は、大きく二つに分けられる。一つは、プロペラ雑音で、これは、プロペラの推進作用及び航走体が航走することによって、船殻の外側に生じる流体雑音である。その主なものはプロペラの回転運動によって起こるキャビテイションである。もう一つは、航走体内部の電動機又はエンジンや減速機等の回転に伴う振動と軸受けでの機械的摩擦振動であり、これが機械の据え付け部分から種々の伝搬経路を経て船殻の振動雑音となる機械雑音である。
【０００４】
本発明が低減対象とする航走体の自己放射雑音は、前記放射雑音の内、後者の航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音である。
該機械雑音が自己放射雑音として、音響センサー等の目標探知性能に影響を与える伝搬経路は二つある。一つは、機械振動雑音が船殻を音響センサー部まで直接伝搬して外部雑音となるもの、他は、船殻の振動エネルギーが船殻全体から水中に放射され航走体周囲の水中放射雑音となって、音響センサー部に回り込み外部雑音となるものである。図１に本発明により低減対象となる機械雑音の音響センサー等への伝搬経路を示す。
【０００５】
公知の文献１で開示された従来の機械雑音による自己放射雑音の低減法は、発振源となる電動機又はエンジン等の船体への取り付け部分に空気バネや振動ゴムを挟み込んだ制振装置により振動エネルギーを吸収し低減させる振動伝搬絶縁方式を採用している。図２に従来の振動伝播絶縁装置の一例を示す。
【０００６】
航走体の流体抵抗低減法に関する従来の発明としては、Ｄ．Ｗ．Ｂｅｃｈｅｒｔ  ａｎｄ  Ｍ．Ｂａｒｔｅｎｗｅｒｆｅｒ，１９８９，”Ｔｈｅ  ｖｉｓｃｏｕｓ  ｆｌｏｗ  ｏｎ  ｓｕｒｆａｃｅｓ  ｗｉｔｈ  ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ  ｒｉｂｓ  ”，  Ｊ．Ｆｌｕｉｄ  Ｍｅｃｈ．ｖｏｌ．２０６，ｐｐ．１０５−１２９．（以下、公知文献２）に乱流流れにおいて流体抵抗低減効果を有する、鮫の鱗に由来する多くの種類のリブレットの形状と流体抵抗低減効果の関係が開示され、またＫ．Ｃｈｏｉ，１９８９，”Ｎｅａｒ−ｗａｌｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ａ  ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ  ｂｏｕｎｄａｒｙ  ｌａｙｅｒ  ”，  Ｊ．Ｆｌｕｉｄ．Ｍｅｃｈ，ｖｏｌ．２０８，ｐｐ．４１７−４５８．（以下、公知文献３）に乱流運動モデルを用いたリブレットによる乱流抵抗低減効果の基本原理も開示されている。更に、Ｋ，Ｃｈｏｉ，  １９９２、「リブレット−表面粗さによる乱流摩擦抵抗の減少方法−」日本機械学会誌、９５巻、８８８号、ｐｐ１０１３−１０１７、（以下、公知文献４）において実際に流体中を航走する航走体表面に張り付けたフィルム上に加工されたリブレットの形状と乱流摩擦抵抗低減効果の関係についての実験的結果が開示されている。
【０００７】
図３に流線型鮫の鱗の形状を示す。比較のために図４に三角形型と貝殻型リブレットを示す。
【０００８】
図３、４を用いてリブレットによる乱流抵抗低減効果の基本原理を説明する。水中又は水上を航走する航走体に作用する水の抵抗は、二つの部分から成っている。即ち、摩擦抵抗と形状抵抗である。該摩擦抵抗は、航走体表面に沿った水に作用する剪断応力の結果として発生する。一方の形状抵抗は、航走体の形状によって決まり、その力は、航走体表面に作用する。両者とも流体の粘性によってその値は決定される。
【０００９】
粘性の力が最も大きくなる部分は、航走体表面に隣接した領域で境界層と呼ばれる。この層の厚さは、航走体と流体の相対速度が増加するにつれて減少する。この境界層の厚さは、航走体表面から流速が粘性力の影響を受けない領域の流速の９９．０％となる範囲までを言う。境界層の外側に対しては粘性力は弱くなるので理想流体の流動方程式が適用できる。
【００１０】
公知文献２によって鮫肌に分布する鱗状リブレットと呼ばれる突起が境界層内の乱流挙動を抑制して摩擦抵抗低減効果を示すことが開示された。さらに公知文献３によって、縦に並んだリブレット表面上の境界層内粘性流れには、縦に並んだ遅い回転の渦で出来たすじ構造が存在し、このすじ構造がリブレット表面の流体抵抗低減効果と深く関係することが開示された。
【００１１】
さらに、公知文献３によって、リブレットの摩擦抵抗低減効果は、リブレット表面が流れに直角方向の乱流混合長パターンに強く影響して乱流流れの振動運動を抑制し、縦に並んだ遅い回転の渦を生じることによってエネルギーの熱放散率を低下させて摩擦抵抗低減効果を生じるものであることが開示された。これらの低速度すじは、ヘアピン渦に属し既に流体工学の分野で明らかにされている乱流境界層内で起こる混合長パターンであることも開示された。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、三つある。
１番目の問題は、［０００５］で説明した公知文献１で開示された発明が予め対象周波数範囲が決められた振動伝搬絶縁方式であり、振動伝搬絶縁装置取り付け部分において広周波数帯域の振動エネルギーを持つ機械雑音の船殻への伝搬を十分遮断できないこと及び該装置の経年変化による劣化のために振動伝搬絶縁効果が減少する事である。
【００１３】
２番目の問題は、公知文献１で開示された発明が、航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音を遮断するためには電動機等の発振源の取り付け箇所の数だけ振動伝搬絶縁装置を必要とするので保守が困難となる他、個々の振動伝搬絶縁装置の経年変化による性能劣化のばらつきにより航走体の自己放射雑音レベルを同時に所定値まで長期間安定した低減が出来ない事である。
【００１４】
３番目の問題は、［００１０］に記したとおり、公知文献２と３で開示された発明が流れ方向の断面積と形状が一定なリブレット平面上の乱流境界層内の流動理論解析と平行平板内流れに関する実験により、摩擦抵抗低減効果に有効なリブレットの形状と寸法の関係を明示しているのみであり、従って、流体中を航走する航走体の流体抵抗をリブレットにより低減する場合、実際に使用されている航走体は、流れ方向断面積と形状が一定でなく、流れ方向切断部分によって変化するので公知文献２と３等で開示された従来の発明が実際の航走体には、適用出来ない事である。
【００１５】
本発明は、上記の問題に鑑み、エンジン等の発振源から放出され該取り付け部分から船殻に伝搬してくる広周波数帯域の機械振動雑音の振動エネルギーを熱エネルギーに変換して水中に放出し、船殻を伝搬する機械振動雑音及び水中に放出される放射雑音を長時間安定して所定の値まで低減し同時に水中を航走する航走体の船殻表面に沿った水に作用する剪断応力の結果として発生する摩擦抵抗を低減する方法と材料を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願請求項３の発明は、航走体の船殻に２層の低比重量の弾性材であるＣＦＲＰ材で粘弾性新素材であるエラストマー材を挟さみ込みサンドイッチ構造にした板材又は円筒形材の流体接触面にリブレット付フィルムをリブレットの溝方向と流体流れの方向を一致させて張り付けた多層構造の板材又は円筒形材を用いることにより航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能とすることを特徴としている。
【００１７】
本願請求項１の発明は、請求項３の航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能とする方法において、
内部にエンジン等の発振源を有する航走体船殻が水の中で連続時間振動する場合に船殻を伝搬する機械雑音と水中に放出される放射雑音を低減する船殻材料に関するものである。
図５は本発明に係る航走体の流体抵抗と自己放射雑音レベルを同時に低減するための船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態の一例である。すなわち、発振源から２層の弾性体ＣＦＲＰ材と粘弾性体エラストマー材で形成された船殻に伝搬してきた振動エネルギーの大部分は、佐藤泰夫著、「弾性波動論」岩波書店、ｐｐ５９−６６、（以下、公開文献５）で開示されたＳＨ波であり船殻と水面の境界面に垂直方向の剪断応力を持つがこの振動エネルギーの一部は船殻内の粘弾性体エラストマー材により熱エネルギーに変換されて水中に放出される。
また、水中では、振動する物体に流体の粘性力が抵抗力として作用する他、水が非圧縮性流体であることから体積弾性率が存在する。
【００１８】
従って、連続時間振動する航走体船殻に作用する力と船殻弾性力による復元力との関係は、減衰項のある音響場の３次元方程式で表示される。ただし、航走体の内圧と水による水圧が等しく、温度は、一定とする。
【００１９】
【数１】
2004352024.tif 000003
【００２０】
ここで、Δ：ラプラスの演算子
ξ：変位（ｍ）（Ｐ＝−ｋ（∂ξ／∂ｘ  ））
Ｐ：音波における圧力（Ｎ／ｍ２  ）
ｋ：弾性率（ｋｇ／ｍｓ２  ）
ρ：密度（ｋｇ／ｍ３  ）
μ：粘性による減衰係数（ｋｇ／ｍ３  ｓ）（＝Ｓ０＋Ｓ１  ｆ＋Ｓ２  ｆ２  ）
ｆ：周波数（Ｈｚ）
Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２：粘性による減衰定数
（１）  式は、減衰項を持つ強制振動方程式を表し、バネとダッシュポットモデルで表すと図６となる。
【００２１】
ここで、船殻を形成する２層のＣＦＲＰ材と該ＣＦＲＰ材に挟み込まれた層エラストマー材及び水中における振動方程式の境界条件を求めて振動状況を明らかにし放射雑音の低減手段を説明する。
【００２２】
ＣＦＲＰ船殻内の振動方程式は、ＣＦＲＰ船殻が弾性体であり粘性がないので境界条件ｋ０  ≠０、μ０  ＝０より、次式で表示される。
【００２３】
【数２】
2004352024.tif 000004
【００２４】
（２）  式は、弾性体内におけるヘルムホルツの波動方程式である。
【００２５】
船殻の中間層エラストマー材内の振動方程式は、エラストマー材が弾性体と粘性体の両特性を有するので境界条件ｋ１  ≠０、μ１  ≠０より、次式で表示される。
【００２６】
【数３】
2004352024.tif 000005
【００２７】
（３）  式は、減衰のある音響場の３次元方程式である。
【００２８】
水中では、振動する物体に流体の粘性μ２  が抵抗力として作用する他、水が非圧縮性流体であることから体積弾性率  ｋ２  が存在する。
従って、水中の振動方程式は、（２）（３）式で議論される弾性体の縦波及びＳＨ波による変位ξを水中音波の圧力Ｐに対応させることによって、境界条件ｋ２  ≠０、μ２  ≠０より、次の波動方程式が成り立つ。
【００２９】
【数４】
2004352024.tif 000006
【００３０】
ここで、（１）  式の変位ξと水中音波の圧力Ｐの関係は、次式となる。
【００３１】
【数５】
2004352024.tif 000007
【００３２】
音波伝搬速度（ｍ／ｓ）（以降、音速と言う。）をＶとすると
ｋ＝ρＶ２  なる関係がある。
【００３３】
ここで、Ｐ＝Ａｅｘｐ（２πｆｔｉ）とすると
【００３４】
【数６】
2004352024.tif 000008
【００３５】
（６）  式を（１）  式に代入して、次式を得る。
【００３６】
【数７】
2004352024.tif 000009
【００３７】
（７）  式は、定常の時間項が消去された振動方程式であり、有限要素法により解くことが出来る。
【００３８】
一般の複雑な音響波Ｐは、ＦＦＴ処理により次式で表示される。
【００３９】
【数８】
2004352024.tif 000010
【００４０】
Ｐの音響パワーは次式で与えられる。
【００４１】
【数９】
2004352024.tif 000011
【００４２】
海水２０°ｃの粘性をμ＝１．００２  ×１０−３    Ｐａ・ｓ（Ｎ  ・ｓ  ・ｍ−２）とすると、ストークスの理論から計算される減衰係数μは、μ＝１．１８×１０−２ｆ２  （ｄＢ／ｋｍ）となるが「超音波技術便覧」実吉純一等、日刊工業ｐｐ６１８（以下、公知文献６）で開示された実際の海中実験による係数は海水の熱吸収の他、海面や海底等からの反射波の干渉により遙かに大きな値で吸収係数αと呼ばれ、音波の周波数の関数として次式で表される。
【００４３】
【数１０】
2004352024.tif 000012
【００４４】
ここで、吸収係数αと減衰係数μとの間には次元解析からα＝μ・Ｖの関係が成り立つ。したがって、粘弾性新素材エラストマー中においても、粘性による熱吸収の他、上下のＣＦＲＰ層からの反射波の干渉の影響により減衰係数が決まるものとする。よって本発明は、発明者の実験による事実を基に減衰係数を周波数の関数として次の２次方程式で表示できるものとした。
μ＝Ｓ０  ＋Ｓ１  ｆ＋Ｓ２  ｆ２                                                                          （１１）
ここで、Ｓ０  、Ｓ１  、Ｓ２  は、実験値から求められる定数である。
図７に数値実験から求めた定数Ｓ０  、Ｓ１  、Ｓ２  の値の一例を示す。
図８に新素材製多層構造船殻の中間層として密度の異なるエラストマー材を用いた場合の放射雑音低減効果の変化を算出した結果の一例を示す。
以上が［００１２］から［００１３］に説明した１番目と２番目の課題を解決するための本発明の手段である。
【００４５】
本願請求項２の発明は、［００１４］で説明した３番目の課題を解決する手段である。ここで、図９に本発明によるリブレット付航走体モデルを示す。すなわち、図９のごとき流れ方向断面積が変化する航走体において図９に示すようにリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けることによって航走体の流体抵抗を低減することを特徴としている。
【００４６】
本願請求項４の発明は、請求項２記載の流れ方向断面積が変化する航走体においてリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けたリブレット付航走体船殻によって航走体の流体抵抗を低減することを可能にした。
【００４７】
すなわち、水中航走体周囲の非圧縮性及び移動座標系の乱流流れに対して、連続の方程式（２）  式は、直交座標系のテンソル形式で表示すると次式となる。ただし、乱流の場合、速度は時間平均値となる。
【００４８】
【数１１】
2004352024.tif 000013
【００４９】
ナビエストークスの運動方程式（２４）式は、次式となる。
【００５０】
【数１２】
2004352024.tif 000014
【００５１】
【数１３】
2004352024.tif 000015
【００５２】
応力テンソル成分τｉｊと速度勾配の構成方程式は乱流の場合、次式となる。
【００５３】
【数１４】
2004352024.tif 000016
【００５４】
本発明では，流れ方向断面積が変化する航走体船殻に設けられたリブレット上の乱流流れの解析に乱流モデルとしてＷ．Ｒｏｄｉ，１９９１，
”Ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ  ｗｉｔｈ  ｔｗｏ−ｌａｙｅｒ  ｍｏｄｅｌｓ  ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ  ｔｈｅκ−εｍｏｄｅｌ  ｗｉｔｈ  ａ  ｏｎｅ−ｅｑｕａｔｉｏｎ  ｍｏｄｅｌ  ｎｅａｒ  ｔｈｅ  ｗａｌｌ  ”，  ＡＩＡＡ  ９１−０２１６（公知文献７）  に開示された非線型κ−ε乱流モデルを採用した。一般の標準κ−ε乱流モデルでは、レイノルズ応力は、乱流エネルギー、エネルギー散逸率及び乱流粘性率を用いて次のように表される。
【００５５】
【数１５】
2004352024.tif 000017
【００５６】
【数１６】
2004352024.tif 000018
【００５７】
【数１７】
2004352024.tif 000019
【００５８】
ここで、δｉｊは、クロネッカーのデルタ記号
【００５９】
また、乱流エネルギーκ及び乱流粘性率μｔ  は、次式となる。
【００６０】
【数１８】
2004352024.tif 000020
【００６１】
【数１９】
2004352024.tif 000021
【００６２】
しかし、流れ方向断面積が変化する航走体船殻上のごとき実際の流れは多くが非等方性であり、レイノルズ応力と歪み速度との間に非線形関係を導入する必要がある。従って、公知文献６に開示された非線型κ−ε乱流モデルを採用すると（１９）式は次式となる。
【００６３】
【数２０】
2004352024.tif 000022
【００６４】
Ａ１，Ａ２  Ｓ，  Ａ３，ＣＮＬ１，ＣＮＬ２，ＣＮＬ３，ＣＮＬ６  ＣＮＬ７  は、公知文献７により開示された実験的値で、表１に示す。
Ｓｉｊ、Ωｉｊは、それぞれ主応力と速度テンソル成分であり、次式で与えられる。
【００６５】
【数２１】
2004352024.tif 000023
【００６６】
各定数の値は，公知文献７に開示されており以下のとおりである。
【００６７】
【表１】
2004352024.tif 000024
【００６８】
乱流エネルギーκ方程式を以下に示す。
【００６９】
【数２２】
2004352024.tif 000025
【００７０】
エネルギー散逸率εの輸送方程式を以下に示す。
【００７１】
【数２３】
2004352024.tif 000026
【００７２】
【数２４】
2004352024.tif 000027
【００７３】
【数２５】
2004352024.tif 000028
【００７４】
【数２６】
2004352024.tif 000029
【００７５】
【数２７】
2004352024.tif 000030
【００７６】
各定数の値は，公知文献７に開示されており以下のとおりである。
【００７７】
【表２】
2004352024.tif 000031
【００７８】
【数２８】
2004352024.tif 000032
【００７９】
すなわち，乱流領域内のレイノルズ応力と乱流歪み速度を非線型κ−ε乱流モデルにより決定することが出来る。
【００８０】
次に、乱流境界条件個体壁面の摩擦抵抗を知るためには、流れにおける乱流速度分布を知る必要があるが公知文献７に開示されているとおり、非線型κ−ε乱流モデルは，固体壁面近傍での熱，質量輸送に関し壁面法則を適用し，未知の物体により生じる流れを乱流場における幾つかのアンサンブル平均化された項で表示することができる。それらの項の計算は，微分方程式や代数方程式を用いて行われる。
【００８１】
乱流境界条件
【００８２】
【数２９】
2004352024.tif 000033
【００８３】
【数３０】
2004352024.tif 000034
【００８４】
図１０（ａ）に本発明による（２４）（３１）式より明らかになった流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｕ方向速度分布の一例である。図１０（ｂ）は本発明による（２４）（３１）式より明らかになった流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｖｗ方向速度分布の一例を示す。
【００８５】
図１１に図１０の結果から推測された流体摩擦抵抗低減現象を示す。すなわち、流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けたリブレットが境界層内の乱流挙動を抑制して摩擦抵抗低減効果を生む現象を表している。それは、縦に並んだリブレット表面上の境界層内粘性流れに、縦に並んだ遅い回転の渦で出来たすじ構造が存在し、このすじ構造がリブレット表面の流体抵抗低減効果を引き起こすことが本発明におけるシュミレーションから明らかになったことを示す。
【００８６】
【発明実施の形態】
以下に、本発明に係る航走体の流体抵抗と自己放射雑音レベルを同時に低減する船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態を図面に従って説明する。
【００８７】
図１は本発明に係る航走体の自己放射雑音レベルを低減する船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態と本発明の低減対象となる機械雑音の音響センサー等への伝搬経路を示している。
この図において、１は水中、２は航走体、３は船殻、４はエンジン等振動発振源、５はエンジン等固定用リブ、６はプロペラ、７はセンサー部である。
【００８８】
本発明に係る船殻用多層構造材料及びその方法は、航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音を低減対象としている。
【００８９】
すなわち、航走体の自己放射雑音は、大きく二つに分けられる。一つは、プロペラ雑音で、これは、プロペラの推進作用及び航走体が航走することによって、船殻の外側に生じる流体雑音である。その主なものはプロペラの回転運動によって起こるキャビテイションである。もう一つは、航走体内部の電動機又はエンジンや減速器等の回転に伴う振動と軸受けでの機械的摩擦振動であり、これが機械の据え付け部分から種々の伝搬経路を経て船殻の振動雑音となる機械雑音である。
【００９０】
本発明が低減対象とする航走体の自己放射雑音は、前記放射雑音の内、後者の航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音である。
該機械雑音が自己放射雑音として、音響センサー等の目標探知性能に影響を与える伝搬経路は二つある。一つは、機械振動雑音が船殻を音響センサー部まで直接伝搬して外部雑音となるもの、他は、船殻の振動エネルギーが船殻全体から水中に放射され航走体周囲の水中放射雑音となって、音響センサー部に回り込み外部雑音となるものである。
【００９１】
図２は公知文献１で開示された従来の振動発振源と船殻との間に設置される振動伝搬絶縁装置の一例である。該発明は予め対象周波数範囲が決められた振動伝搬絶縁方式であり、振動伝搬絶縁装置取り付け部分において広周波数帯域の振動エネルギーを持つ機械雑音の船殻への伝搬を十分遮断できないこと及び該装置の経年変化による劣化のために振動伝搬絶縁効果が減少する問題がある。
【００９２】
さらに、公知文献１で開示された発明が、航走体内部で発生し、種々の伝搬経路を経て船殻振動となる機械雑音を遮断するためには電動機等の発振源の取り付け箇所の数だけ振動伝搬絶縁装置を必要とするので保守が困難となる他、個々の振動伝搬絶縁装置の経年変化による性能劣化のばらつきにより航走体全体の自己放射雑音レベルを同時に所定値まで長期間安定した低減が出来ない問題もある。
【００９３】
図３は公知文献２によって開示された鮫肌に分布する鱗状リブレットと呼ばれる突起を示している。
【００９４】
図４は公知文献２によって開示された鱗状リブレットから考案された三角形型リブレットと貝殻型リブレットの一例を示している。
【００９５】
図５は本発明に係る航走体の流体抵抗と自己放射雑音レベルを同時に低減するための船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態の一例である。
この図において８はリブレット付フィルム、９はＣＦＲＰ材、１０はエラストマー材、１１は船殻をつなぐ接続用リブ、１２は耐圧補強用リブ、１３は防水リングである。
【００９６】
この図は本発明による、航走体の船殻に２層の低比重量の弾性材であるＣＦＲＰ材で粘弾性新素材であるエラストマー材を挟さみ込みサンドイッチ構造にした板材又は円筒形材の流体接触面にリブレット付フィルムをリブレットの溝方向と流体流れの方向を一致させて張り付けた多層構造の板材又は円筒形材を用いることにより航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能とする船殻用多層構造材及びその方法を示している。
【００９７】
図６は本発明の、請求項１、２の航走体の自己放射雑音レベルの低減を可能とする船殻用多層構造材及びその方法において生じる物理現象を説明する振動モデル図である。この図において１４はダッシュポット粘性係数μ、１５はバネ弾性係数ｋである。
すなわち、内部にエンジン等の発振源を有する航走体船殻が水の中で連続時間振動する場合に船殻を伝搬する機械雑音と水中に放出される放射雑音を低減する船殻材料に関するものである。すなわち、発振源から２層の弾性体ＣＦＲＰ材と粘弾性体エラストマー材で形成された船殻に伝搬してきた振動エネルギーの大部分は、公開文献５で開示されたＳＨ波であり船殻と水面の境界面に垂直方向の剪断応力を持つがこの振動エネルギーの一部は船殻内の粘弾性体エラストマー材により熱エネルギーに変換されて水中に放出される。また、水中では、振動する物体に流体の粘性力が抵抗力として作用する他、水が非圧縮性流体であることから体積弾性率が存在する。
【００９８】
従って、連続時間振動する航走体船殻に作用する力と船殻弾性力による復元力との関係は、減衰項のある音響場の３次元方程式で表示される。ただし、航走体の内圧と水による水圧が等しく、温度は、一定とする。バネとダッシュポットモデルで表すと図６となる。
ここで、Ｐ：音波における圧力（Ｎ／ｍ２  ）
ｋ：弾性率（ｋｇ／ｍｓ２  ）
ρ：密度（ｋｇ／ｍ３  ）
μ：粘性による減衰係数（ｋｇ／ｍ３  ｓ）（＝Ｓ０＋Ｓ１  ｆ＋Ｓ２  ｆ２  ）
ｆ：周波数（Ｈｚ）
Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２：粘性による減衰定数
【００９９】
図７（ａ）は内部に発振源を有する金属製船殻が海水中で連続時間振動する場合の航走体周囲の音響エネルギー分布を算出した一例である。
ここで、センサー部での放射雑音減衰率を次式で定義して、各種船殻の放射雑音低減効果を評価する。
【０１００】
【数３１】
2004352024.tif 000035
【０１０１】
Ｌｒ：発振源音響パワーレベル
Ｌｓ：センサー部音響パワーレベル
図７（ａ）においてＬｒはＸＸＸ．ＸＸｄＢ、ＬｓはＹＹ．ＹＹ  ｄＢ、放射雑音減衰率は、ＷＷ％となった。
【０１０２】
図７（ｂ）は内部に発振源を有する新素材製多層構造船殻が海水中で連続時間振動する場合の航走体周囲の音響エネルギー分布を算出した一例である。ここで、ＬｒはＸＸＸ．ＸＸｄＢ、ＬｓはＺＺ．ＺＺ  ｄＢ、放射雑音減衰率は、ＶＶ％となった。（ここで、ＶＶ＞ＷＷ）
【０１０３】
図８は新素材製多層構造船殻の中間層として密度の異なるエラストマー材を用いた場合の放射雑音低減効果の変化を算出した結果の一例である。
図７（ａ）と図７（ｂ）及び図８の結果から本発明による新素材製多層構造船殻及びその方法による放射雑音低減効果が明らかなことが判る。
【０１０４】
図９は本発明による流れ方向断面積が変化する航走体においてリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けた流体摩擦抵抗低減のためのリブレット付航走体船殻及び方法を示している。
【０１０５】
図１０（ａ）は本発明による流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｕ方向速度分布の一例である。
図１０（ｂ）は本発明による流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｖｗ方向速度分布の一例である。
【０１０６】
図１１は図１０の結果から推測された流体摩擦抵抗低減現象である。
すなわち、流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けたリブレットが境界層内の乱流挙動を抑制して摩擦抵抗低減効果を生む現象を表している。図中のすじ構造がリブレット表面の流体抵抗低減効果を引き起こすことが本発明におけるシュミレーションから明らかになったことを示す。
【０１０７】
表３に本発明により流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けたリブレットの流体抵抗低減効果を求めた結果の一例を示す。
【０１０８】
以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は、これに限定されることなく請求項記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。
【０１０９】
【表３】
2004352024.tif 000036
【０１１０】
【発明の効果】
以上説明した如く、本発明によれば航走体の船殻に２層の低比重量の弾性材であるＣＦＲＰ材で粘弾性エラストマー材を挟さみ込みサンドイッチ構造にした板材又は円筒形材の流体接触面にリブレット付フィルムをリブレットの溝方向と流体流れの方向を一致させて張り付けた多層構造の板材又は円筒形材を用いることにより航走体の流体抵抗低減と自己放射雑音レベルの低減を同時に可能とすることができる。
また、流れ方向断面積が変化する航走体においてはリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けることによって航走体の流体摩擦抵抗を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る航走体の自己放射雑音レベルを低減する船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態と本発明の低減対象となる機械雑音の音響センサー等への伝搬経路図である。
【図２】公知文献４で開示された従来の振動発振源と船殻との間に設置される振動伝搬絶縁装置の一例である。
【図３】公知文献２によって開示された鮫肌に分布する鱗状リブレットと呼ばれる突起を示している。
【図４】公知文献２によって開示された鱗状リブレットから考案された三角形型リブレットと貝殻型リブレットの一例を示している。
【図５】航走体の流体抵抗と自己放射雑音レベルを同時に低減するための船殻用多層構造材料及びその方法の実施形態の一例である。
【図６】本発明の、請求項１、２の航走体の自己放射雑音レベルの低減を可能とする船殻用多層構造材及びその方法において生じる物理現象を説明する振動モデル図である。
【図７】（ａ）内部に発振源を有する金属製船殻が海水中で連続時間振動する場合の航走体周囲の音響エネルギー分布を算出した一例である。
（ｂ）内部に発振源を有する新素材製多層構造船殻が海水中で連続時間振動する場合の航走体周囲の音響エネルギー分布を算出した一例である。
【図８】新素材製多層構造船殻の中間層として密度の異なるエラストマー材を用いた場合の放射雑音低減効果の変化を算出した結果の一例である。
【図９】本発明による流れ方向断面積が変化する航走体においてリブレットの溝間隔と航走体船殻の流れ方向断面の周長の比を一定とすることによって航走体船殻の全流体接触面にリブレットの溝数を変えることなくリブレットを設けた流体摩擦抵抗低減のためのリブレット付航走体船殻及び方法を示している。
【図１０】（ａ）本発明による流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｕ方向速度分布の一例である。
（ｂ）本発明による流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けた三角形型リブレット内ｖｗ方向速度分布の一例である。
【図１１】流れ方向断面積が変化する船殻の流体接触面に設けたリブレットが境界層内の乱流挙動を抑制して摩擦抵抗低減効果を生む現象を表している。
【符号の説明】
１  水中
２  航走体
３  船殻
４  エンジン等振動発振源
５  エンジン等固定用リブ
６  プロペラ
７  センサー部
８  リブレット付フィルム
９  ＣＦＲＰ材
１０  エラストマー材
１１  接続用リブ
１２  耐圧補強用リブ
１３  防水リング
１４  ダッシュポット（粘性係数μ）
１５  バネ（弾性係数ｋ）
【図１】
2004352024.tif 000037
【図２】
2004352024.tif 000038
【図３】
2004352024.tif 000039
【図４】
2004352024.tif 000040
【図５】
2004352024.tif 000041
【図６】
2004352024.tif 000042
【図７】
2004352024.tif 000043
【図８】
2004352024.tif 000044
【図９】
2004352024.tif 000045
【図１０】
2004352024.tif 000046
【図１１】
2004352024.tif 000047