流体が流れるパイプ内のノイズを測定するための装置

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【発明の名称】	流体が流れるパイプ内のノイズを測定するための装置
【発明者】	【氏名】フィリップ・ブスケ
【要約】	【課題】流体の流れまたは測定するパイプの特性を妨げることなくパイプ内のノイズの測定を可能にする装置を提供する。【解決手段】パイプ１６軸線に平行にパイプ１６壁部に形成された少なくとも一つの細長状スロット部１８と；スロット部１８をシールする抵抗性材料２４と；パイプ１６の軸線に対して鋭角を形成する複数の端部と、これら端部から離間した孔部３２とを有するとともに、スロット部１８に対して密閉状態でパイプ１６の外側に取り付けられたキャビティ２６と；スロット部１８に対向する孔部３２に対して固定されたマイクロホン３４と；を備えていることを特徴とする。

【特許請求の範囲】
【請求項１】流体が流れるパイプ内のノイズを測定するための装置であって：－パイプの軸線に平行に該パイプの壁部に形成された少なくとも一つの細長状スロット部と、－前記スロット部をシールする抵抗性材料と、－前記パイプの前記軸線に対して鋭角を形成する複数の端部と、これら端部から離間した少なくとも一つの孔部とを有するとともに、前記スロット部に対して密閉状態で前記パイプの外側に取り付けられたキャビティと、－前記スロット部に対向する前記孔部に対して固定された少なくとも一つのマイクロホンと、を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】前記スロット部は、前記パイプと同一の断面を有するパイプ部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】前記抵抗性材料と前記流体とのインピーダンス比が、２よりも小さくされていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】前記抵抗性材料は、前記壁部の外面に対して係合するシート状材料とされていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】前記スロット部は、前記壁部の外面上に形成された水平・平坦部の中央に形成されており、前記キャビティは、前記水平・平坦部状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】前記スロット部は、約１ｍｍ～約３ｍｍの幅を有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】前記スロット部は、少なくとも約５００ｍｍの長さを有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】前記キャビティの前記各端部と、前記パイプの前記軸線との間に形成された鋭角部が、最大で約７°とされていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】前記キャビティは、前記各端部間において少なくとも約５ｍｍの高さを有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１０】前記マイクロホンは、前記キャビティの内面と面一とされたダイヤフラムを有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１１】前記キャビティは、前記各端部を形成するための複数の切断角部を有する平行六面体形状とされていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１２】前記キャビティは、前記各端部を形成する二つの楔形シムが内部に配置された平行六面体形状の箱体を備えていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】細長状の前記スロット部は、複数の橋部により分離された複数の基本スロットにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、流体が流れることにより生じるパイプ内のノイズを測定するための装置に関する。
【０００２】このような装置は、主として気体もしくは液体等の動作流体のあらゆる性質に対して用いることができる。非制限的な例として、流体は、航空機に備え付けられた空調機の流路に用いられるパイプ内を流れる空気とすることができる。
【０００３】本発明によるノイズ測定装置は、現存するパイプに対して、および実験室内で使用することができる。第一のケースとして、動作する流体による生じるノイズを決定することができる。測定結果を用いることにより、ノイズを制限するために能動制御システムをパイプに配置することができる。
【０００４】実験室内でこの装置を使用するときは、（折曲部、バルブ、収縮部等の）受動的特異部（passive singularities）あるいは（ファン等の）能動的特異部を通過する流体により生じるノイズを決定することができる。そして、これらの得られた結果により、前記各特異部を有する各パイプおよび各管体を備えたシステムの音響的な振る舞いをデータ処理システムを用いてシミュレートすることができる。
【０００５】
【従来の技術】受動的及び／又は能動的な不規則物（irregularities）を有する流路内を流体が流れているときに、この能動的な不規則物が、流路内を伝播する複数の音響波を作り出す。これらの音響波を、本明細書においてノイズと定義することにする。
【０００６】このように所定の流路内で発生する各音響波は音響フィールドを形成する。反射音響波が入射音響波と重ね合わされるときに、音響フィールドは反応性（reactive）がある、と言われる。
【０００７】流体が流れる流路内で生じるノイズは、制限することができるように正確に測定しなければならない寄生現象（parasitic phenomena）を含むものである。
【０００８】一または二以上のマイクロホンを用いてノイズ測定が行われている。マイクロホンは、音圧を測定するとともに電気信号に変換するものである。音響波が通過する流路に沿って異なる位置に配置された複数のマイクロホンを使用することにより、音響波の音響強度を測定することができる。電気回路とのアナロジーによれば、音圧は電圧に、音響強度は電流に、それぞれ相当する。これら二つの物理量のうちどちらを測定するかに応じて、マイクロホンを一つあるいは二以上使用するかが決定される。
【０００９】実際には、流体が流れるパイプ内のノイズを測定するために二つの手続きが行われている。
【００１０】一つの既知の手続きは、パイプに形成された一つの孔部内に一または二以上のマイクロホンを取り付けることである。さらに詳細には、各マイクロホンは、該マイクロホンの検知用ダイヤフラムがパイプの内面と面一になるように、パイプの外側にパイプ壁部に対して密接的に固定されている。
【００１１】この手続きは、パイプ壁部近傍すなわち種々の圧力変動が生じる動作流体の乱流境界層の領域で、ノイズ測定が行われるという重大な欠点を有している。これら圧力変動は、測定しようとする音響信号の上に重ね合わされる干渉信号を構成することになり、誤った測定となってしまう。
【００１２】これらの干渉信号を消去するために、注意深く配置された三つのマイクロホンをパイプ上に取り付けることと、得られた信号のデータ処理を実行することとを同時に行うことが知られている。しかし、干渉信号の減衰が部分的に残るとともに、たいていの場合、比較的限定されることになる。したがって、干渉信号は、信号処理後に最大で１０～１５ｄＢ減衰されるだけである。
【００１３】動作流体が流れるパイプ内のノイズを測定するもう一つ既知の手続きは、いわゆるニース（Neise）管またはフレンドリッヒ（Friendrich）管をパイプ内に配置することである。この装置の原理は、Ｗ．ニース氏による『乱流中における音響測定に対するマイクロホンプローブの理論および実験（Theoretical and Experimental Investigations of Microphone Probes for Sound Measurements in Turbulent Flow）』（Ｊ．Ｓ．Ｖ．，３９，３７１～４００頁，１９７５年）という文献において研究されている。上記装置は、Bruel & Kjaer社により参照番号ＵＡ０４３６で市販されている。
【００１４】この手続きによれば、多孔性材料で覆われた非常に長い長手方向スロットを有する円筒チューブがパイプの軸線方向に配置される。チューブの（流体の流れ方向に関する）上流側端部はコーン状ノーズ端部片により延長されているとともに、下流側端部はマイクロホンおよびプリアンプを備えている。
【００１５】この装置は、パイプ軸線の方向に配置されているとともに、多孔性材料で覆われたスロットにより連通しているので、乱流による干渉信号が大幅に減少することになる。しかし、この装置はいくつかの欠点を有している。
【００１６】すなわち、マイクロホンの増幅－位相曲線が、装置の下流部における音波の反射により妨げられることである。これらの反射波を減衰させるために、概して、吸収材料が装置内に配置されている。しかし、この吸収材料の配置は、パイプの特性を変化させることになる。
【００１７】さらに、パイプ内にこの装置を取り付けることは、音響フィールドおよび流体流れを妨げることになる。したがって、この装置により、バックグランドノイズが生じることになる。
【００１８】さらに、この装置は、反応性音響フィールドで強度測定の実施をできないようにする重大な指向性を有している。
【００１９】パイプ内で音響強度測定を実施しようとするときに、上述の二つの手続きを組み合わせることもまた知られている。第一の手続きにしたがって、二つのマイクロホンはパイプ壁部上に直接的に取り付けられる。得られた信号の処理は、干渉信号の減衰を可能にする。さらに、ニース管装置が、第二の手続きにしたがって、流路内に配置される。この装置により、得られた信号の可干渉部分を処理後に差し引くことができる。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】上述した二つの手続きを組み合わせる技術では、約２５ｄＢを最大限度としてバックグランドノイズを削減することしかできない。さらに、第二の手続きを使用すると、反応性フィールドにおける強度測定を行うことができない。
【００２１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記二つの既知の手続きの欠点を排除してこれら手続きの有利点を組み合わせることにより、流体が流れるパイプ内のノイズの測定を可能にする装置に関する。特に、流れまたは測定するパイプの特性を妨げることなく、かつ非常に僅かに音響フィールドを変化させるだけで、音響フィールドが反応性であるか否かにかかわらず約３５ｄＢバックグランドノイズを減少させることができるものである。
【００２２】本発明によれば、以下の装置を用いることにより上記目的を達成することができる。それは、流体が流れるパイプ内のノイズを測定するための装置であって：－パイプの軸線に平行に該パイプの壁部に形成された少なくとも一つの細長状スロット部と、－前記スロット部をシールする抵抗性材料と、－前記パイプの前記軸線に対して鋭角を形成する複数の端部と、これら端部から離間した少なくとも一つの孔部とを有するとともに、スロット部に対して密閉状態でパイプの外側に取り付けられたキャビティと、－前記スロット部に対向する前記孔部に対して固定された少なくとも一つのマイクロホンと、を備えていることを特徴とする。
【００２３】好ましくは、スロット部は、装置の一部を形成するパイプ部に形成されている。このパイプ部はパイプの残余部分と同一の直径を有しているとともに、パイプ内に部材が全く配置されていないので、流体の流れが妨げることはない。キャビティは、パイプの音響特性を非常に僅かだけ変化させることになる非常に僅かな減衰を導くだけである。動作流体とマイクロホンとの間に、スロット部、抵抗性材料およびキャビティを設けることにより、干渉信号を消去することができる。
【００２４】音響強度測定および／またはその次の信号処理を実施するように、キャビティ上に複数のマイクロホンを同時に取り付けることができることに留意すべきである。
【００２５】抵抗性材料は、ノイズに対して透過性とされているとともに、パイプ内を流通する流体がキャビティ内に流入することがないものとされている。この目的のために、抵抗性材料と流体とのインピーダンス比は、好ましくは２よりも小さいものとされる。
【００２６】抵抗性材料は、例えば、壁部の外面と係合しかつ多数の穴部が形成されたポリウレタンプラスチックフィルム等のシート状材料とされる。
【００２７】本発明の好ましい態様では、スロット部は壁部の外面上の水平・平坦部の中央に形成されており、キャビティは前記水平・平坦部上に配置されている。
【００２８】パイプ内を流通する流体が空気とされているときには、スロット部は、約１ｍｍ～約３ｍｍの幅および少なくとも約５００ｍｍの長さを有している。
【００２９】この態様において、キャビティの各端部とパイプの軸線との間に形成された鋭角部は、最大で約７°とされている。
【００３０】さらに、キャビティは、該キャビティの両端部間に位置する主要部において、少なくとも約５ｍｍの高さを有している。
【００３１】マイクロホンは、該マイクロホンのダイヤフラムがキャビティの内面と面一となるように取り付けられている。
【００３２】本発明の好ましい態様において、キャビティは、前記各端部を形成するために、複数の切断角部を有する平行六面体とされている。
【００３３】前記各切断角部は、特に、平行六面体形状の箱体内に二つの楔形シムを配置することにより得ることができる。
【００３４】装置を保持するパイプ部の機械的特性を維持するために、細長状のスロットは、好ましくは、複数の橋部により分離された複数の基本スロットで形成されている。
【００３５】
【発明の実施の形態】本発明は、各添付図面を参照して非制限的な各実施形態について以下にさらに詳細に説明される。図１は、本発明により構成されたパイプ内のノイズを測定するための装置を部分的に断面で示した分解斜視図である。図２は、２０ｍ／ｓで空気が内部を流れるパイプ上に配置されたマイクロホンにより集音された音響信号（ｄＢ）の発生量を、周波数（Ｈｚ）に対して示した図である。図において、曲線Ａは、従来技術による、パイプ上に直接的かつ水平に取り付けられたマイクロホンにより集音された測定値を示し、曲線Ｂは、本発明による、キャビティに関連付けられたマイクロホンにより集音された測定値を示し、曲線Ｃは、曲線Ｂの測定値に対して既知の信号処理が行われた後の出力結果を示す。
【００３６】図１に示した実施形態において、本発明による測定装置は、流体の流れを妨げることなく、計測を行おうとするパイプ１６内に挿入するために構成されたパイプ部１０を備えている。
【００３７】このパイプ部１０は、配置されるパイプ１６と同一の内部断面を有する直線状の管体とされている。パイプ部１０は、好ましくは、パイプ１６と同様の材質で形成さている。
【００３８】パイプ１６に取り付けるために、パイプ部１０の両端部にはそれぞれフランジ１２が設けられている。各フランジ１２は、パイプ１６の各隣接端部に形成されたフランジ１４に対して密接的に固定されている。フランジ１２とフランジ１４との密接的な連結は、複数のシールと協働する複数のボルト（図示せず）等の適切な固定手段により確実に行うことができる。
【００３９】変形例として、本発明によるノイズ測定装置は、別個のパイプ部を流路内に挿入することなく、流体が流れるパイプ１６上に直接的に取り付けることができる。
【００４０】図１に示した実施形態において、細長状スロット部１８が、パイプ部１０の長手軸線方向に平行に、該パイプ部１０の壁部を貫通して形成されている。さらに詳細には、スロット部１８は、パイプ部１０の壁部の外面を機械加工して形成された水平・平坦部２０の中央に形成されている。スロット部１８は、狭い幅を有しているとともに、パイプ部１０の全長と略同等の水平・平坦部２０の長さのほぼ全体にわたって延在している。
【００４１】スロット部１８の深さは、水平・平坦部２０を機械加工した後の壁部の残余部分厚さに応じて決定され、パイプ部１０の機械強度特性を損なうことがない程度に可能な限り薄くされている。パイプ部１０の剛性を高めるために、スロット部１８は、好ましくは、複数の橋部２２により分離されかつ整列配置された複数の基本スロットから形成されている。図１に示した実施形態において、スロット部１８は、（例えば約１ｍｍの）狭い幅を有する二つの橋部２２により分離された三つの基本スロットにより形成されている。
【００４２】空気が通過するパイプ内のノイズ測定に本発明を適用する際には、スロット部１８の最小長さは約５００ｍｍとされる。図１に示した実施形態において、スロット部１８は１０００ｍｍの長さとされている。
【００４３】さらに、スロット部１８の幅は、理論的に可能な限り小さくされる。しかし、出願人により行われた複数回の試験によれば、前記幅が約１ｍｍ～約２ｍｍの間では有意な差を発見することができなかった。実際には、スロット部１８の幅は、好ましくは、約１ｍｍ～約３ｍｍの間とされる。
【００４４】図１に示されているように、本発明によるノイズ測定装置はさらに、スロット部１８をシールするために、パイプ部１０の外面上に形成された、水平・平坦部２０に対して係合するシート状の抵抗性（resistive）材料２４を備えている。この抵抗性材料２４は、好ましくは、１５～２４Rayls cgsの音響インピーダンスを有する複数の穴部を有する（perforated）ポリウレタンプラスチックフィルムとされる。
【００４５】抵抗性材料２４としては、パイプ内を循環する流体の通過を防止する一方で、ノイズを透過するものが選択される。低い音響抵抗を有しかつ、パイプ内を流れる流体のインピーダンスに近い材料とされる。さらに詳細には、抵抗性材料２４と流体とのインピーダンスの比は２より小さいものとされる。
【００４６】シート状抵抗性材料２４は、スロット部１８を完全に覆いかつシールするように適切な方法（接着、自己シール性（self-sealing）繊維、圧入等）により、水平・平坦部２０に対して係合状態で保持されている。
【００４７】図１に示すように、本発明によるノイズ測定装置はさらに、スロット部１８および抵抗性材料２４を密閉状態で覆うように、パイプ部１０の外側でかつ水平・平坦部２０上に配置されたキャビティ２６を備えている。このキャビティ２６は、抵抗性材料２４を介してスロット部１８近傍のパイプ部１０の内部と連通する閉塞空間を有している。
【００４８】図１に示した実施形態において、キャビティ２６は、複数の切断角部（cut corners）を有する細長状矩形六面体形状とされている。このキャビティ２６は、適切な手段（溶接、接着、クランプ止め、ネジ締結等）により水平・平坦部２０に対して固定される開口面を有している。
【００４９】さらに詳細には、水平・平坦部２０に対して確実に接続されたキャビティの開口面は、スロット部１８よりも僅かに長い長さを有しかつスロット部１８と水平・平坦部２０との中間の幅を有する矩形とされている。図１に例示的な方法として示した実施形態において、前記矩形は、１０００ｍｍの長さとされているとともに、約１３．５ｍｍの幅とされている。スロット部１８に対向するキャビティ２６の面は、前記矩形と同一の幅とされているとともに該矩形よりも小さい長さとされた矩形とされている。パイプ部１０の軸線に平行なキャビティ２６の各側面はそれぞれ、同一寸法の不等辺四辺形とされている。
【００５０】パイプ部１０の水平・平坦部２０に対して固定された開口面の外側では、キャビティ２６は壁部により規定されている。この壁部は、概して、平行六面体形状の箱体２８を形成しているとともに、該箱体２８内には適切な手段（ネジ締結、接着等）により二つの楔形シムが固定されている。この箱体２８は、適切な手段（溶接、接着、クランプ止め、ネジ締結等）により水平・平坦部に固定されている。箱体２８および各シム３０の構成材料は、金属等の適切な剛性を有するものとされる。
【００５１】各シム３０は、（パイプ部１０の長手軸線に関する）キャビティ２６の各端部と、該長手軸線と、の間に鋭角を形成するための単純でかつ非制限的な手段を構成している。さらに詳細には、前記角度は、好ましくは、最大で約７°（例えば５．７°）とされる。この態様によれば、パイプと装置との良好なインピーダンスマッチングが得られるとともに、各消滅モード（evanescent modes）の影響を制限することになる。
【００５２】各シム３０により形成された両端部間に位置する主要部において、キャビティは、モデル化が困難な複雑で妨害する（disturbing）現象の形成を回避するように、少なくとも約５ｍｍに等しい高さを有している。上述した実施形態においては、１０ｍｍの高さが採用されている。
【００５３】各シム３０により形成された両端部から離間した位置において、キャビティ２６は、スロット部１８に対向する面上に少なくとも一つの円形孔部３２を有している。図１に示すように一つの孔部３２が形成されている場合には、該孔部はキャビティの両端部から実質的に等しい距離に位置している。各孔部３２はさらに、キャビティ２６の不等辺四辺形とされた各側面から等距離に位置している。
【００５４】図１に示されているように、マイクロホン３４が、スロット部１８に対向するように、キャビティ２６の外側であって該キャビティ２６の各孔部３２のそれぞれに密接に固定されている。さらに詳細には、マイクロホン３４のダイヤフラム３６がキャビティ２６の内面と面一とされるようにマイクロホン３４が固定されている。マイクロホン３４は、何らかの適切な手段（圧縮スプリング、ネジ締結等）によりキャビティ２６に対して固定することができる。
【００５５】複数のマイクロホン３４を同時に取り付けるために、好ましくは複数の孔部３２が同一のキャビティ２６内に形成されることに留意すべきである。単一のマイクロホン３４が使用される場合には、他の各孔部３２は、ねじ込み栓のような密閉栓によりシールされる（図示せず）。
【００５６】複数のマイクロホンが同一のキャビティ２６に取り付けられているときには、最も近いキャビティの端部から少なくとも約２５０ｍｍの位置に各マイクロホンが配置されるように固定される。したがって、装置の各端部により、距離に対して指数関数的に振幅が減少するとともに伝播しない複数の消滅波（evanescent waves）が形成されることになる。すでに説明したように、キャビティ２６の各端部とパイプ部１０との間に形成された最大で約７°とされた鋭角部により、各消滅モードの影響が制限されることになる。
【００５７】図１を参照して説明したキャビティ２６の構成は、キャビティの各端部の傾斜を完全に確保できる均等物に置き換えることができる。変形例として、半円柱形状とすることができる。
【００５８】さらに、上述したのと同一の二つの装置をパイプ部１０のそれぞれの側部に配置することができることに留意すべきである。そして、これらの装置は、図１に示すように、互いに完全に対向させて又はパイプ部の軸線方向に僅かに離間させて配置することができる。この構成により、各マイクロホンから得られた信号の処理を行うために、これらマイクロホン３４をそれぞれ適切な位置に配置して使用することができる。
【００５９】本発明によるノイズ測定装置の特性を評価するために、２０ｍ／ｓの速度の空気が流れるパイプに対して音響信号がない（zero acoustic signal）状態で同一のマイクロホンを用いて測定が行われた。
【００６０】さらに詳細には図２の曲線Ａで示されているように、第一の測定は、従来技術と同様にパイプ壁部と面一にマイクロホンを直接的に配置して行われたものである。曲線Ｂで示されている測定結果は、図１に示した装置内に同一のマイクロホンを配置して同様の測定を行ったものである。これらの曲線は、周波数（Ｈｚ）を横軸、測定音響信号ＳＡ（ｄＢ）を縦軸としてプロットしたものである。図２の曲線Ａと曲線Ｂとを比較すると、本発明により、パイプ壁部近傍に生じる乱流による干渉（interference）信号の２５ｄＢ以上がすべての周波数帯域において削減されることが分かる。既知の信号処理装置をさらに付加することにより、削減量は３０ｄＢを超えるものとなる（曲線Ｃ）。
【００６１】本発明による装置は、パイプ軸線に対して偏向させずに取り付けられているので、音響フィールドが反応性でないとき及び反応性とされているときのいずれにおいてもこの寄生効果の削減が観測されることになる。
【００６２】さらに、パイプ外側の全体にわたって装置を取り付けることとしたので、パイプ内の流体の流れが妨げられることはない。さらに、たとえ前記キャビティが非常にわずかな減衰をもたらしたとしても、音響フィールドは非常にわずかに影響を受けるだけである。吸収性材料は媒体の特性を変化させるものではないことに留意すべきである。
【００６３】最後に、上述したように、パイプの外側に設けられた一つまたは二以上のキャビティに関連付けて複数のマイクロホンを使用することにより、本発明の装置の有利点と、各マイクロホンから得られた信号を処理することにより得られる有利点とを組み合わせることができる。

【出願人】	【識別番号】５９１２２８８２３【氏名又は名称】アエロスパティアル・ソシエテ・ナショナル・インダストリエル
【出願日】	平成１０年（１９９８）６月１５日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】志賀正武（外９名）
【公開番号】	特開平１１－２３３５８
【公開日】	平成１１年（１９９９）１月２９日
【出願番号】	特願平１０－１６７４８８