(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の共振周波数を有する第１の構造上構成物と、
前記１つ以上の共振周波数に対して比較的応答が鈍く、前記第１の構造上構成物に接続された第２の構造上構成物と、
前記１つ以上の共振周波数で振動する前記第１の構造上構成物の振動を調節するための調節装置とを具備し、この調節装置は、
前記第１の構造上構成物の振動を検出するように設けられた少なくとも１つのセンサーと、
前記第1の構造上構成物と離れた所で前記第２の構造上構成物に接続され、第1の構造上構成物の振動を弱める振動を発生するための少なくとも１つの振動発生器と、
前記少なくとも１つのセンサーと前記振動発生器とに、前記第1の構造上構成物から離れるようにして、連結され、前記センサーから受信された信号の特徴から第１の構造上構成物の共振を確認し、前記振動発生器により発生される振動の周波数と位相とを制御するためのコントローラーとを有し、
前記コントローラーは、第１の構造上構成物が、この第１の構造上構成物の共振と対応しかつ位相が実質的に一致した周波数を有し周期的に変化する力により振動が弱められるように、前記振動を発生させるように配置されており、
前記振動発生器は、第１の構造上構成物の振動を弱めるように、第２の構造上構成物を通して第１の構造上構成物に伝えられる振動を発生させる、構造体。
【請求項２】
前記調節装置は、前記第２の構造上構成物に直接的に接続され、また、前記第２の構造上構成物を介して、前記第１の構造上構成物に非直接的に接続されている請求項１の構造体。
【請求項３】
前記少なくとも1つのセンサーは、コントローラーに適用するための対応した信号を作り出すように、前記第１の構造上構成物の２つ以上の共振周波数に応答する、請求項１もしくは２の構造体。
【請求項４】
この構造体は、航海船であり、また、前記調節装置は、この航海船の船体に設けられ、また、前記第１の構造上構成物は、航海船のプロペラを有し、そして前記第２の構造上構成物は、航海船のプロペラシャフトを有する請求項１ないし３のいずれか１の構造体。
【請求項５】
構造体の第１の構造上構成物の共振を選択的に減じる方法であり、
第１の構造上構成物の共振を検出して、対応した検出信号を出力するように少なくとも１つのセンサーを使用する工程と、
前記第１の構造上構成物に適用する振動を発生させるように、少なくとも１つの振動発生器を駆動させるように、前記検出信号を使用する工程と、
前記第１の構造上構成物の共振周波数と位相が実質的に一致した周波数の振動を第１の構造上構成物に与えるように、前記振動の周波数と位相とを制御する工程とを具備し、
前記少なくとも１つのセンサーと少なくとも１つの振動発生器との少なくとも１つは、前記第１の構造上構成物と離れて配置され、第１の構造上構成物に接続もしくは結合された第２の構造上構成物と共同し、また、前記発生された振動は、第１の構造上構成物の振動を選択的に弱めるように、前記第２の構造上構成を介して第１の構造上構成物に伝える、方法。
【請求項６】
この構造体は、航海船であり、また、前記調節装置は、この航海船の船体に設けられ、また、前記第１の構造上構成物は、航海船のプロペラを有し、そして前記第２の構造上構成物は、航海船のプロペラシャフトを有する請求項５の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体、装置、システム、もしくは、このような構造体に接続あるいは連結された副構造体の振動を弱める（緩衝する：damping）装置並びに方法に関し、特に、1つの応用例に関わらず、航空機、船及び潜水艦のような車両及び船の振動を選択的に調節するための装置並びに方法などの応用例に関わる。
【背景技術】
【０００２】
構造体という用語には、例えばビルディング、橋、航空機もしくは船などのあらゆる必要条件を満たすように物理的接触、流体媒体もしくは磁気効果などによって互いに接合された固形材料の構成部品のアセンブリが含まれる。
全ての構造体は、これに与えられる力によって励起され得る振動もしくは共振の自然周波数を有する。１つの構造体は、通常は、特定の振動モードに夫々対応した多数のこのような共振の自然周波数を有する。例えば円筒形の構造体は、軸方向、径方向及び円周方向の振動モードに夫々対応した共振周波数を有するだろう。これらの周波数は、シリンダーの材料と幾何学的なディメンションとによって決定される。幾つかの構造体では、こうした構造体が使用される操作上もしくは環境的な状況において自然周波数が励起され、結果として発生する共振が、ノイズ、振動もしくは構造上のダメージを生じることから、問題となる。一般的なやり方では、こうした問題は、構造体の堅さを変えて、自然周波数を変化させ、共振モードを刺激する操作上もしくは環境的な状況の周波数から離れるように共振周波数を変えるように構造体を変えるか、防音タイルなどの適当な材料を使って共振振幅を減じるように構造体の制動特性を変えるように構造体を変えることによって処理される。
【０００３】
こうした共振振動の問題を解決する新規の方法が、英国特許２、３６１、７５７号に説明されている。これは、構造体の特定の共振モードの開始を検出し、モードを調節するように選択された周波数で構造体に力を加えるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
共振する構造体の振動を弱めるための公知の方法の１つの特徴は、モードの感知を有効にすることと、調節のための解答が、構造体内の、共振が最大の振動振幅を生じる位置に、もしくはこれに近いところに適用されなくてはならないことである。調節力もしくは調節材料を適用する最大振幅ポイントへのアクセスは、常に容易もしくは可能というわけではなく、調節材料の適用は、スペース、重量及び化学薬品の適合性によって制限されている。さらに、完成された構造体の調節は、また、コスト、作業休止時間及び構造体の共振領域の汚染によって制限される可能性がある。
米国特許５、９０６、２５４号は、ヘリコプターの胴体部内の振動を胴体部に設けられたエンジンから制御してキャンセルする駆動振動吸収器を開示している。この機能を果すために、駆動振動吸収器は、振動がキャンセルされる構造体に直接的に連結される必要がある。
【０００５】
第１の態様では、本発明は、１つ以上の共振周波数を有する第１の構造上の構成物と、これら１つ以上の共振周波数に対して比較的応答が鈍く、直接的もしくは１つ以上の中間構造上構成物を介して非直接的に接続もしくは連結された第２の構造上の構成物とを有する構造体における、調節装置を提供している。
この調節装置は、第１の構造上の構成物の振動を検出するために設けられた少なくとも１つのセンサーと、受信された信号の特徴から第１の構造上構成物の共振を確認するために前記少なくとも１つのセンサーに連結されたコントローラーと、第１の構造上構成物の振動を弱めるための振動を発生させる第２の構造上構成部材に連結された少なくとも１つの振動発生器とによって特徴付けられる。コントローラーは、周波数と振動発生器の位相とを制御するように、少なくとも１つの振動発生器に連結されている。かくして、少なくとも１つの振動発生器は、第１の構造上構成物の振動を弱めるように第１の構造上構成物に第２の構造上構成物を通して伝えられる振動を発生させる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第２の態様では、本発明は、１つ以上の共振周波数を有する第１の構造上構成物と、１つ以上の共振周波数に対して比較的鈍く、直接的もしくは中間構造上構成物を介して非直接的に接続もしくは連結された第２の構造上構成物とを有する構造体における、選択的な調節方法を提供している。
この方法は、第１の構造上構成物の振動を検出することと、検出された振動の特徴から第１の構造上構成物の共振を確認することと、周波数及び位相が制御された確認された共振に応答して振動を発生させることと、第１の構造上構成物の振動を選択的に調節するために第２の構造上構成物を介して第１の構造上構成物に発生された振動を伝えることとによって特徴付けられる。
２つ以上のセンサーが設けられており、これらは、共振構造体の振動の周波数と振幅とモードとを検出するために使用され得る。
各センサーは、第２の構造上構成物を通して伝えられた第１の構造上構成物の振動を検出するのに便利なように、第２の構造上構成物の上に設けられ得る。
【０００７】
少なくとも１つのセンサーは、測定された振動とセンサーが備え付けられる予定の物理的配置とに応じて、圧電変換器（piezoelectric transducer）、加速計（accelerometer）、ひずみゲージ、速度及び変位プローブ、力ゲージ（force gauge）、感光性センサーもしくは近接センサー（proximity sensor）などの電子機械装置であってよい。センサーは、２つ以上の周波数に応答し得、コントローラーに適用するための対応する信号を発生する。
【０００８】
センサーは、１つ以上の共振周波数の検出を示す１つ以上の所定の周波数並びに／もしくは振幅で、交流電気信号を発生し得る。または、これは、このような検出に応答して電気信号かトリガー信号もしくはパルスを発生し得る。
振動発生器は、電子磁気慣性振動器かチクチュエータ、もしくは、電子液圧振動器もしくはチクチュエータ、もしくは、圧電慣性振動器かチクチュエータ、もしくは、磁気ひずみ慣性振動器かチクチュエータ、もしくは、電子静電慣性振動器かチクチュエータであってよい。
【０００９】
コントローラーは、少なくとも１つのセンサーと少なくとも１つの振動発生器との夫々からの入力及び出力交流アナログ信号を受信及び送信するためのアナログ−ディジタル入力及びディジタル−アナログ出力回路と、タイミングと入力信号に対する出力信号の位相とを調節するためのディジタル位相遅延回路もしくはソフトウェアとを有するディジタル電子コントローラーであってよい。位相遅延回路もしくはソフトウェアは、振動発生器によって発生される振動が、共振構造体がこれの共振周波数に対応する周波数を有する周期的に変化する力によって、実質的には共振構造体の共振周波数に直角位相させることによって振動を弱められるようにするために、出力信号の位相を調節するように、適合され得る。
【００１０】
本発明に関われば、更なる態様において、構造物の第１の構造上の構成物（“共振構造体”）の共振を選択的に弱める方法を提供する。この方法は、
１）共振構造体の共振を検出し、対応する検出信号を引き出すために少なくとも１つのセンサーを使用する工程と、
２）共振構造体に適用させる振動を発生させるように少なくとも１つの振動発生器を駆動させる検出信号を使用する工程と、
３）共振構造体に適用する際に振動の周波数と位相とが共振構造体の共振周波数と実質的には直角位相にされるように、振動の周波数と位相とを制御する工程とを有する。この方法のために、少なくとも1つのセンサーと少なくとも１つの振動発生器とのうちの少なくとも１つは、直接的に、もしくは中間構造上構成物によって非直接的に共振構造体に接続もしくは連結された構造体の第２の構造上の構成部品（“非共振構造体”）と共働するように位置されている。
【００１１】
本発明を、例を挙げて、添付図面を用いて説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
まず 図１を参照すると、航海船（２０）が、ステムチューブジャーナル軸受（５）を含む１つ以上のジャーナル軸受に支持されたプロペラシャフト（２）を回転させる力を与えるように配置される推進ユニット（図示されず）を収容する船体（hull）（４）を有し、多数のプロペラブレード（６）を備えたプロペラ（１）からの推進力を推進ブロック（３０）の推進軸受（３）を介して船体（４）に伝える。
【００１３】
プロペラ（１）とこれのブレード（６）の回転が、プロペラシャフト（２）と推進軸受（３）とこれらの推進ブロック（３０）とを通して船体（４）に伝えられる推進力を発生させ、船体は、水中で動かせられる。
水の流れの変動によってプロペラブレード（６）にかかる不規則な力が、プロペラ（１）を振動させる。振動周波数がブレード（６）の振動の共振モードと一致しているとき、これら振動の振幅によって、ノイズが増加し、不規則な水の流れが増し、プラスチックによるブレードの潜在的な損傷もしくは疲労損傷の可能性が高くなる。プロペラシャフト（２）と船体（４）とは、プロペラブレード（６）の共振周波数では共振しない。
【００１４】
ブレードの振動は、これらの共振周波数で、非共振プロペラシャフト（２）を通って推進軸受（３）を介して非共振船体（４）へと伝わる振動音波を発生させる。
次に図２を参照する。この図２では、分かりやすいように、図１と共通した構成部品には、同じ参照番号が付けられている。この図２では、選択的調節装置は、加速計（７）と受信器（７’）とを有する。
加速計（７）は、軸受（５）の機内プロペラシャフト（２）の上に設けられてこれと共に回転するように設けられており、シャフト（２）に隣接して設けられた静止受信器（７’）への遠隔リンク（図示されず）を有する。
【００１５】
受信器（７’）は、ディジタルコントローラー（８）のアナログ入力（９）に接続されている。コントローラー（８）は、これのアナログ入力（９）とのインターフェースにアナログ−ディジタル（ÅtoＤ）信号変換回路（図示されず）を有する。これは、ＡtoＤ回路からのディジタル信号を受信し、従来のディジタル信号処理技術によってこれらの信号に対して適当な時間の遅延（遅れ）と位相の変化を適用するように接続されたディジタル位相変化遅延回路(図示されず)もしくはソフトウェアと、遅延されて位相変化された信号を受信し、コントローラー（８）の出力（１０）で対応するアナログ出力信号を提供するように接続されたディジタル−アナログ変換回路（図示されず）とを有する。
【００１６】
コントローラー（８）の出力（１０）は、修正された推進計量システム（１１）を有する振動発生器（４０）に接続されている。推進計量システム（１１）は、従来のシステムであり、典型的には、船の推進ブロック（３）内に設けられており、プロペラ(１)によって船体に発生される推進力（矢印Ｔで示されている）を測定するためのものである。これは、シャフト（２）上のカラー（１３）と流体接触された推進パッド（１２）を含む液圧装置であり、これは、推進を示すように測定される圧力ゲージ（１６）に液圧接続されたシリンダー（１５）内でピストン（１４）を駆動する。
【００１７】
推進計量システム（１１）を振動発生器として作動させるように修正するために、ピストンがコントローラー（８）のアナログ出力信号に対応するように接続されたソレノイド（１８）によって動かされるような、更なるピストン及びシリンダー装置（１７）を有する。ピストンは、Ｔピース（T-piece）（２０）によって推進計量システムの液圧ラインに接続された液圧ライン（１９）を介して推進計量システムの液圧流体に作用する。
【００１８】
他の推進発生器も使用され得る。振動発生器は、例えば、ＧＢ２２５５３８７号（Dowty Aerospace Wolverhampton Ltd）に説明されているような液圧作動振動器や、ＧＢ１２８１３６９号（MAS  Research  Ltd）に説明されているような磁気によって支持されて駆動されるマス振動キャンセル装置や、例えばEast SussexのHailshamのGearing and Watson Ltdによって提供されているモデルIV４６などの電磁慣性振動器や、以下の例に示されているのと同じような構造体内の１つ以上のチクチュエータであってよい。
【００１９】
作業においては、加速計（７）は、共振プロペラブレード（６）からプロペラシャフト（２）に沿って届く振動音波（矢印ｖで示されている）を感知し、対応する信号を、遠隔リンクと受信器（７’）とを介して電子コントローラー（８）の入力（９）へと送信する。
【００２０】
電子コントローラー（８）は、ディジタル化される受信信号の周波数と位相とモードの特性とから、プロペラブレードの共振を確認する。電子コントローラー（８）は、ディジタル化された信号を処理し、出力（１０）に、プロペラブレード（６）から及びこれへの音波の送信時間によって位相の変化を可能にするように正された位相と、この電子コントローラー（８）によって導入された遅延とがなされたアナログプロペラブレード共振調節信号を発生させる。
【００２１】
調節信号は、これに対応してソレノイド（１８）を駆動もしくは非駆動する。ソレノイド（１８）は、必要な調節信号に対応した周波数でシリンダー（１７）内でピストンを振動させる。また、ピストンの動きが、液圧推進計量システム（１１）内のオイルの圧力を変化させる。推進計量システム（１１）内の振動圧力は、推進計量ピストン（１４）と推進パッド（１２）とによって作用し、プロペラシャフト（２）内に制御音波信号を発生させる。制御信号音波は、シャフトに沿ってプロペラブレード（６）へと軸方向に送信される。調節信号は、共振ブレードの振動の周波数とモードとにおいてプロペラブレード（６）に調節力を加えるように調整される。
【００２２】
コントローラー（８）は、調節力が共振によってブレードの速度と実質的につりあい、ブレードの動きを抑えるように適用されることを確実にする。最大の調節力は、ブレードの速度がこれの最大に近いか最大であるときに与えられる。この速度は、この共振を励起させる力を有する位相から実質的に９０°である。ブレード（６）の動きの速度が各サイクルの最大速度近くまで急速に変化しないことから、最大速度の正確な位相からの比較的小さな偏り（例えば±１０°）が調節力に効果を与えないことが、理解されるだろう。
【００２３】
説明されたような本発明の方法と装置との様々の修正例と変形例とを、当業者に示す。例えば、本発明の応用例を航海船のプロペラブレードの共振振動を参照して説明してきたが、このコンセプトは他の応用例、例えば、航空機の翼に荒い空気流によって引き起こされる振動の選択的な調節などにも適用され得ることが、理解されるだろう。航空機の応用例においては、これらの振動の検出は、主要な翼の翼桁に取り付けられたセンサーによって、航空機の胴体部内でも効果を発揮する。また、調節力は、翼の先端の振動の源から離れた翼桁の機内部で作用するチクチュエータを介して、もしくは、航空機の液圧下部構造システムを介して、慣性加震器としてホイールを使用することによって、遠隔的に翼にも適用され得る。
【００２４】
よく知られているように、航空機の翼に荒い空気流によって引き起こされる振動は、速度による。実際に、これによって、航空機の最大の安全速度を、現代のジェットエンジンの能力によって果し得る以下の速度に制限されている。この最大安全速度を超えると、翼の危険な構造的振動が引き起こされ、航空機構造体の突然の故障を引き起こす。本発明の方法で翼の構造体の共振周波数を調節することによって、航空機は、理論的に可能な現代ジェットエンジンの性能に近い速度で飛ぶことができるだろう。
【００２５】
他の応用例は、橋もしくはビルディングの共振を感知し、共振部に接続もしくは連結されたこれらの非共振部で正された振動を適用することによる、橋もしくはビルディングの遠隔からの選択的調節を含む。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、航海船の船体と推進機構とプロペラとの概略断面図である。
【図２】図２は、図１に示された航海船のプロペラの振動を制御する装置のブロック概略図である。
【図１】
0004335689.tif 000002
【図２】
0004335689.tif 000003