1MHz光学マイクロフォンと低密度ガスジェットによる実機超音速エンジン騒音推算

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04584
• Research Institution: Gunma University
• Principal Investigator: 荒木 幹也 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (70344926)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 志賀 聖一 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (00154188) ; GONZALEZ・P JUAN 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (30720362)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 超音速ジェットエンジン / ジェット騒音 / 光学マイクロフォン / 低密度ガスジェット / 実機騒音推算

Outline of Annual Research Achievements

世界各国で次世代超音速／極超音速エンジン開発が進められている．高速巡行に特化するため2000Kオーダの極めて大きいノズル全温で運用され，離陸時のジェット速度は従来の亜音速機の数倍に達する．大きな排気速度は大きな排気騒音をもたらすため，離陸騒音低減が大きな課題となる．本研究グループでは，超音速ジェットエンジンのための様々な騒音低減デバイス開発を行ってきた．ただしこれらは，1%スケールのミニチュアノズルを用い，全温も常温のジェットでなされてきたものである．
このような超音速ジェットエンジンの騒音低減デバイス開発において，その効果は最終的に「実機エンジン」で検証する必要がある．開発中のエンジンの場合，実証エンジン製造，国外試験場での試験実施など，多くの困難を伴う．これを，1%スケール程度のミニチュアノズルで実施できれば，コスト・効率の面で飛躍的な効果をもたらす．そこには，「周波数の壁」と「温度の壁」がある．すなわち，ミニチュアノズルであるがゆえに騒音周波数が高く，現状の高周波マイクロフォン（最高140kHzまで）で取得したデータであっても，実機スケール換算した際の最高周波数は1kHz相当となり，人間の可聴範囲をカバーできない．高周波数側に騒音ピークが隠れていても，検出できない．また，高温ジェットと常温ジェットは，単に騒音の音圧レベルが異なるのみならず，渦構造の移流速度が異なることから放射角度までもが大きく異なる．常温ジェットで高温ジェットの音響場を模擬することはできないのである．
本研究では，「1MHz超高周波光学マイクロフォン」と「低密度ガスジェット」を用い，1%スケールノズルの常温ジェットで，実機エンジン同等の音響計測を可能とする技術の確立する．これにより，騒音低減デバイス開発に新しい指針を与えることを目標とする．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度は，光学マイクロフォンの基礎原理検証を実施した．従来の機械式マイクロフォンは，圧力波によるダイアフラム（膜）の振動を電気的に検出し，信号を得る．物理的な振動部品を用いるため，高周波数側に限界がある．ダイアフラムを小さくすることで高周波限界を大きくすることが可能であるが，現状もっとも小さなダイアフラムを用いた製品（1/8インチ=約3mm）であっても，140kHzが上限である．1%スケールノズルを用いた場合，実機換算周波数はその1/100のオーダ（1kHzのオーダ）となるため，人間の可聴範囲（20Hz～20kHz）をカバーできていない．高周波側の限界が10倍足りないことになる．
本研究では，「音」の計測に「光」を用いる．マイクロフォンから物理的な振動部品を排する．「音」は圧力の変動であり，同時に場の「密度」も変動する．この密度変動を「光」で検出する．計測部に設置されたレーザビームは，音波による密度変動でわずかに屈折する．この屈折量をシュリーレン光学系を用いることで輝度に変換する．屈折量は場の密度勾配に比例する．得られた輝度変動を積分することで密度の次元とし，さらに断熱変化の過程（線形音波を仮定）を用いることで圧力の次元に変換する．光センサは1MHz程度までの周波数範囲を持つので，従来のマイクロフォンの10倍の高周波まで検出可能となる．
昨年度は，この基礎原理に基づいたプロトタイプ光学系を用い，1％スケールノズルにおけるジェット騒音計測を行った．従来の機械式マイクロフォンと，新たに開発した光学マイクロフォンのスペクトルを比較し，両者の良好な一致を確認できた．原理・精度ともに実用に耐えることが確認された．次年度は，機械式マイクロフォンで計測できない高周波側のデータ検証を行っていく予定である．

Strategy for Future Research Activity

上述のように，今後は機械式マイクロフォンで計測できない高周波側のデータ検証を行う必要がある．ただし，機械式マイクロフォンは高周波数域の感度がないため，データ比較は不可能である．そこで，ジェット騒音の相似性を利用する．様々な大きさで同じ形状を持つノズル（先細円形ノズルを準備中）から，同一全圧・同一全温のジェットを噴出する．ジェット騒音ピーク周波数は，ノズルスケールに反比例する．音圧は，ノズル断面積に比例する．そして，スペクトルの形状は，同一となる．スケール換算することで同じスペクトルが取得できることから，高周波側の騒音特性が容易に推算できる．これを利用し，機械式マイクロフォンの性能が及ばない高周波側のデータ検証を行っていく．これにより，光学マイクロフォンの検証が完了する．
光学マイクロフォンを，現在平行して開発している低騒音デバイスの性能試験に供する．高温ジェットを模擬するため，低密度ガスジェットを噴出する．騒音放射角度，騒音レベルは，実機同等となる．スケール換算後の周波数範囲が人間の可聴範囲におおむね収まることから，まさに実機レベルでの騒音低減デバイス開発が可能となると考えている．