空力騒音の計測

流体騒音？
• 振動音：物体の振動→音波• 流体音：媒質自体の変化が音波として伝播• 振動音：振動速度の2乗，ラインスペクトル、線形• 流体音：速度の4乗、6乗、８乗（マッハ数に依存）
拍手（モノポール 湧き出し）物体後流（双曲子）
JET （四重曲子）
ブロードバンド、非線形

1空力騒音が問題となる製品• 新幹線 パンタグラフ、先頭車両、床下機器• 自動車 ドアミラー、車体形状、スロットルバルブ
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冷却ファン（電子機器、エアコン）
発電機、換気ファン
磁気ディスク、DVD
建築物 バルコニー
航空機 ジェットエンジン
フラップ、車輪ミサイル格納庫
ヘリコプターロータ• 風力発電用ロータ

実験・計測技術の役割• Lighthill方程式： N-S方程式同様解析的に解くことは難しい• 数値解析は基本形状やシンプルなモデルに限定• 音響的な境界条件と流れの境界条件を見出すことが難しい• 経験による騒音低減効果→ アイデアは必ずしも解析から得られるものではない。
• 実験から思いがけない結果が出ることが多い。
• 高度な数値解析には、より高度な実験計測が必要

2低騒音風洞• 低騒音風洞の要件• 流れが一様であること：非一様性1%以下• 乱れが小さいこと：0.5%以下
縮流比、スクリーン、ハニカム• 測定室の音響特性が自由音場に近いこと
無響室、半無響室• 風洞自身の暗騒音が十分小さこと
ノズル形状、コレクタ形状・材質、柔毛材、ポーラス材、アクティブサイレンサ、パッシブサイレンサ

低騒音風洞
風速[m/s]
83.3
83.3
35
50

鉄道総研大型騒音風洞
Audi AG
荏原総研
日立製作所機械研究所

測定胴
W×H×L [m]3.0×2.5
3.24×2.79
0.4×0.4
0.5×0.5×1.5
Sound absorberController

3-D Traverse Unit

騒音レベル
[dB]
75dB(A)
78dB(A)
48dB(A)
60dB(A)

一様性[%]
0.7%以下--------1.0%以下

乱れ強度
[%]
0.2%以下------0.5%

備考
柔毛材
アクティブ消音無響室室内回流
小型風洞

Concrete wall
Guide vane (Fixed)

Low-speed test section
500×500×2600,
Umax=30m/s,u'/Uo<0.2%

Semi-anehoic chamberContraction nozzle

Screens

9:1

Flow meters
Screens

Contraction nozzle
9:1

Guide vane(Moved)A

Return duct

B

Guide vane(Moved)

C

High-speed test section

H

Settlingchamber

SilencerSA2

500×500×1500
Umax=50m/s,u'/Uo<0.5%

Silencer
RA1

Control room

DG
Fan
37kw

F
Guide vane (Fixed)

Silencer
SA1

Fanroom

Silencer
RA2

ESound absorber3

低騒音風洞（鉄道総研）

低騒音風洞（鉄道総研）

4測定部（流れと音の測定）
NozzleNozzleBluff body

Potential core

Flat plate

Flat plate
Potential core

Shear layer(a) 開放型 音響特性 ○流れ特性 ×

Bluff body

Boundary layer(a) 開放型 音響特性 △流れ特性 ○

流れ場の計測• 空力音： 渦度の非定常運動、 空間分布
渦度変動→物体表面→空力音
三次元計測、空間分布、物体近傍→ PIVやPTVなどの可視化計測
画像処理計測 ＋ 空力音の相関計測

5動特性の確認と校正表の作成• 動特性の評価：圧力センサ→ヘルムホルツ• カタログ・データとの比較。
• 校正方法の検討と記録化。
• 分析装置のマニュアル確認。
• 良い計測結果が出たらもう一度測定し直す。
• 別の計測器で測定する。

圧力センサの動特性試験
センサ取り付け部の音響特性を単一共振系とみなすと，共振周波数 fr はfr =aS2π V (δ + m )として求めることができる．ここでＶは受圧面前面の空洞体積，S は圧力口の面積，δは圧力口の長さ，a は音速，m は管端補正係数（圧力口の直径の 0.8 倍）である．この場合はゲインと位相特性は以下の式で表せる．

G = 20 log

1

1 − [( f / fr )2] + ( 2ξf / fr )2

φ=122ξ( f / fr )φ = tan − 1
2
1 − ( f / fr )Brass Chamber

Target Probe
φ=5ReferenceMicrophone
φ=14φ=30
φ=45

Speaker Unit

6流れの可視化

音響計測（擬似音波）
P2

ξ=r
λr

2πr -2r -420 log(Sourcerr

2π f r) ≥ 10dBaλ2π) = 20 log(7風洞測定部の影響• 風洞地面板からの音の反射• マイク設置位置と平板の関係• 平板とマイク高さを一致させて間接音の影響を小さくする。

音源分離技術• 空力音の問題点
流れのどこから騒音が発生しているかわかりにくい→ 可視化が重要
Phased Array

近接音響ホログラフィ
メーカー

B&K

Müller-BBM

NASA

日立

マイク数
マイク
マイク配置

49 本
1/4inch
格子状

16 本
1/4inch十字

21～64 本
1/2inch変形 X 型

可視化処理
分解能

リアルタイム音源との距離が近い
場合：測定位置と同程度
音源との距離が遠い
場合：1/2λ～5kHz

リアルタイム96 本
1/4inch
最適化ラン
ダム配置----------

周波数----------～25kHz1本
1/4 inch
回転楕円体型(1.7m)
リアルタイム10cm / 10kHz(測定位置 3ｍ)

1/2λ～5kHz（～8kHz）

反射板式指向性集音装置鉄道総研～3kHz～40kHz

8

Array 方式
Microphone Array

Pm1
Pm2
PariN

∑{W / A ⋅ P (t + R (t ) / c)}kj

Noise Source

Sk (t ) =jj

kj

j =1

N

∑{W / R j(t )}kj

P mnkj =1

Mic. Amp

Gain.cPower Supply

array.cfft_array.c

データ・システムが簡単
リアルタイム処理可能
マイク配列の最適化が課題

Data Plot

96ch. A/D Converter

高速車両での適用例

図1-1 Ｘ型マイクロフォン・アレイ

図1-2 音源分布 (220km/h)

9Array 方式

Müller-BBM マイクアレイ装置

10

Müller-BBM 分析結果

近接音響ホログラフィ（理論）11近接音響ホログラフィ（理論）

音響ホログラフィ法

12音圧分布、インテンシティ計測

パラボラ方式 （鉄道総研）
・トラバースにより音源マップ作成可能
・処理速度が早い
・周波数ごとのゲイン調整要・高分解能 数cm

3436
小3840424446485052

大5413乱流騒音解析
3次元非定常乱流解析
流速変動
渦度変動

Howeの理論

U(t)グリーン関数の計算

音源項の計算

Ω(t)
FFT

音源項
A(ω)

G(ω)

Curleの理論
表面圧力変動

FFT

Ps(t)

Ps(ω)

表面音圧の計算
Ps(ω)
遠方の音圧の計算
BEM

円柱周りの乱流騒音解析■ 計算モデル■ 音圧レベルの比較
測定点

ノズル
1m

音(dB)
80.0

後流
ReD=104■ 解析結果60.0

円柱
D＝0.01 m

SPL

一様流
U∞＝15 m/s

measuredLES
LES (coherence considered)

40.0
20.00

1.0

2.0

3.0
f4.0
5.0(×103 Hz)

瞬時の表面圧力分布14高レイノルズ数へのチャレンジ
1100.5
Peak Level

1000.45St0.4

800.35

Peak Level ～U 6

700.3

600.25500.2

400.1530

StrouhalSt[-]
number St

Peak Level[dB]900.141010000

510100000

6101000000

ReynoldsRe
number Re

71010000000

高レイノルズ数へのチャレンジ15

高レイノルズ数へのチャレンジ

16