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JP3970263B2 - Aerodynamic sound source search system and aerodynamic sound source search method - Google Patents
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Aerodynamic sound source search system and aerodynamic sound source search method Download PDF

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Description

本発明は、空力音の音源分布を解析するシステム及び方法に関する。   The present invention relates to a system and method for analyzing a sound source distribution of aerodynamic sounds.

近年、車、鉄道、航空機といった交通手段の高速化により、騒音に占める空力音の寄与率が大きくなってきている。
例えば、新幹線騒音についてみると、騒音の要因としては、レールと車輪等の接触・振動によって発生する振動音、パンタグラフが架線から離線した際に発生するアークによるスパーク音、車両下部等の周りに生じた気流の乱れが直接空気を揺さぶることによって発生する空力音が考えられる。このうち、列車速度の増加に伴い、空力音の騒音に対する寄与率が急激に大きくなってきている。
In recent years, the rate of contribution of aerodynamic sound to noise has increased due to the speedup of transportation means such as cars, railways, and aircraft.
For example, regarding the Shinkansen noise, the noise factors include vibrations generated by contact / vibration between rails and wheels, sparks generated by arcs generated when the pantograph is separated from the overhead line, and around the lower part of the vehicle. The aerodynamic sound generated by the turbulence of the airflow directly shaking the air can be considered. Among these, as the train speed increases, the contribution rate of aerodynamic noise to noise has increased rapidly.

従来、空力音低減のための対策としては、実際の車両で問題となっている現象について、条件を変えた模型を用いた風洞実験により、放射音の比較検討を行う手探り的なものであった。放射音を測定する方法については、例えば、下記特許文献1、2に記載されている。   Conventionally, as a measure to reduce aerodynamic noise, it was a frustrating method to compare the radiated sound by a wind tunnel experiment using a model with different conditions for a phenomenon that is a problem in an actual vehicle. . About the method of measuring a radiated sound, it describes in the following patent documents 1, 2, for example.

特開2001−311656号公報JP 2001-31656 A 特開2002−267569号公報JP 2002-267469 A

上述した方法は、現実の問題を解決するためには優れた方法である。しかし、反面、実験を行う者の経験によるところが大きい。また、どういった物理現象が起こっているかを正しく捉えないと、改良の方向性を誤り、有効な低減効果を見込めない。また、近年の新幹線の高速化に伴い、経験則による手探り的な空力音低減対策法の限界も見えてきている。
このような事情から、流体騒音の理論に基づいた空力音低減対策法に対する期待が高まっている。
The method described above is an excellent method for solving real problems. However, it depends largely on the experience of the experimenter. Moreover, if the physical phenomenon is not correctly grasped, the direction of improvement will be wrong and an effective reduction effect cannot be expected. In addition, with the recent increase in the speed of the Shinkansen, the limit of the exploratory method for reducing aerodynamic noise based on empirical rules is becoming apparent.
Under such circumstances, there is an increasing expectation for an aerodynamic sound reduction countermeasure method based on the theory of fluid noise.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、流体騒音の理論に基づいて空力音の音源分布を解析する空力音源探査システム及び空力音源探査方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide an aerodynamic sound source search system and an aerodynamic sound source search method for analyzing a sound source distribution of aerodynamic sound based on the theory of fluid noise.

上記課題を解決するために、本発明に係る空力音源探査システムは、流れ場に位置する物体の周りに発生する空力音の音源分布を求める空力音源探査システムであって、前記流れ場における流れの速度ベクトルの分布を算出する流速分布算出手段と、前記速度ベクトルの分布に基づいて、周波数をパラメータとする算出式を用いて音源分布を算出する音源算出手段と、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, an aerodynamic sound source exploration system according to the present invention is an aerodynamic sound source exploration system for obtaining a sound source distribution of aerodynamic sound generated around an object located in a flow field, wherein the flow of the flow in the flow field is determined. A flow rate distribution calculating unit that calculates a distribution of velocity vectors, and a sound source calculating unit that calculates a sound source distribution using a calculation formula using a frequency as a parameter based on the distribution of the velocity vectors. .

また、本発明に係る空力音源探査システムは、散乱音のみを考慮して音源を算出することを特徴とする。低マッハ数の場合には、直接音よりも散乱音が支配的になるため、散乱音のみを考慮すれば良い。   In addition, the aerodynamic sound source search system according to the present invention is characterized in that the sound source is calculated in consideration of only scattered sound. In the case of a low Mach number, the scattered sound is more dominant than the direct sound, so only the scattered sound needs to be considered.

また、本発明に係る空力音源探査方法は、流れ場に位置する物体の周りに発生する空力音の音源分布を求める空力音源探査方法であって、前記流れ場における流れの速度ベクトルの分布を算出する流速分布算出ステップと、前記速度ベクトルの分布に基づいて、周波数をパラメータとする算出式を用いて音源分布を算出する音源算出ステップと、を備えたことを特徴とする。 The aerodynamic sound source exploration method according to the present invention is an aerodynamic sound source exploration method for obtaining a sound source distribution of aerodynamic sound generated around an object located in a flow field, and calculating a flow velocity vector distribution in the flow field. And a sound source calculation step of calculating a sound source distribution using a calculation formula using a frequency as a parameter based on the distribution of the velocity vector.

また、本発明に係る空力音源探査プログラムは、コンピュータに、流れ場に位置する物体の周りに発生する空力音の音源分布を求める処理を実行させる空力音源探査プログラムであって、前記流れ場における流れの速度ベクトルの分布を算出する流速分布算出ステップと、前記速度ベクトルの分布に基づいて、周波数をパラメータとする算出式を用いて音源分布を算出する音源算出ステップと、を備えたことを特徴とする。 The aerodynamic sound source exploration program according to the present invention is a program for aerodynamic sound source exploration that causes a computer to execute processing for obtaining a sound source distribution of aerodynamic sound generated around an object located in a flow field, A flow velocity distribution calculating step for calculating a velocity vector distribution, and a sound source calculating step for calculating a sound source distribution using a calculation formula using a frequency as a parameter based on the velocity vector distribution. To do.

本発明によれば、流体騒音の理論に基づいて空力音の音源分布を解析する空力音源探査システム及び空力音源探査方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the aerodynamic sound source search system and the aerodynamic sound source search method which analyze the sound source distribution of aerodynamic sound based on the theory of fluid noise can be provided.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
(第1の実施形態)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)

まず、本発明の第1の実施の形態に係る空力音源探査システムの構成について説明する。図1は、空力音源探査システム10の全体構成を概略的に示す図である。同図に示すように、空力音源探査システム10は、PC21、表示手段としてのディスプレイ22、入力手段としてのキーボード23及びマウス24を有している。   First, the configuration of the aerodynamic sound source search system according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of an aerodynamic sound source exploration system 10. As shown in the figure, the aerodynamic sound source exploration system 10 includes a PC 21, a display 22 as display means, a keyboard 23 and a mouse 24 as input means.

また、PC21は、プログラム等に従って各種演算を行うためのCPU等からなる演算装置211、演算のためのワークエリアとして使用される半導体メモリ等からなるメモリ212、各種データを保存しておくためのHDD(ハードディスクドライブ)等からなる記憶装置213とを有している。また、記憶装置213は、後述する空力音源探査システム10の機能を実現するための各種プログラムを保存しておくプログラムDB(データベース)214を含んでいる。   The PC 21 also includes an arithmetic unit 211 including a CPU for performing various calculations according to a program, a memory 212 including a semiconductor memory used as a work area for calculations, and an HDD for storing various data. And a storage device 213 including a (hard disk drive). The storage device 213 includes a program DB (database) 214 that stores various programs for realizing the functions of the aerodynamic sound source exploration system 10 described later.

上記構成を有する空力音源探査システム10は、流体騒音の理論に基づいて空力音の音源分布を解析するシステムであり、具体的には、流れ場の中に位置する物体の周囲の速度ベクトルと音場の性質を表すグリーン関数から、物体周囲の音源の分布を算出するシステムである。   The aerodynamic sound source exploration system 10 having the above-described configuration is a system that analyzes the sound source distribution of aerodynamic sound based on the theory of fluid noise. Specifically, the velocity vector and sound around an object located in a flow field are analyzed. It is a system that calculates the distribution of sound sources around an object from the Green function that represents the nature of the field.

続いて、上記構成の空力音源探査システムによって、二重極音の音源分布を算出する処理について説明する。図2は、音源分布を算出する処理の流れを示すフローチャートである。同図に示すように、まず、ステップ1(S1)において、まず、演算装置211が、物体が存在する流れ場の所定の領域内の速度ベクトルuの分布を求める(流速分布算出機能)。この速度ベクトルuの算出は、LES法等の数値計算を用いて、所定のパラメータを設定して行われる。また、この速度ベクトルuの算出処理は、プログラムDB214内の速度ベクトル算出プログラムを、演算装置211が実行することで実現される。なお、LES法による数値計算については、『大宮司久明・三宅裕・吉沢徴編,「乱流の数値流体力学―モデルと計算法 」,東京大学出版会,1998年1月』に詳細に説明されている。   Next, a process for calculating the sound source distribution of the dipolar sound by the aerodynamic sound source search system having the above configuration will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a flow of processing for calculating a sound source distribution. As shown in the figure, first, in step 1 (S1), first, the arithmetic unit 211 obtains the distribution of the velocity vector u within a predetermined region of the flow field where the object exists (flow velocity distribution calculation function). The velocity vector u is calculated by setting predetermined parameters using numerical calculation such as the LES method. Further, the calculation process of the velocity vector u is realized by the calculation device 211 executing the velocity vector calculation program in the program DB 214. The numerical calculation by the LES method is explained in detail in “Hirohisa Omiya, Hiroshi Miyake, Toru Yoshizawa,“ Numerical fluid dynamics of turbulent flow-model and calculation method ”, University of Tokyo Press, January 1998. ing.

続いて、S2において、演算装置211が、プログラムDB214内の渦度ベクトル算出プログラムを実行することで、S1で求めた速度ベクトルuの分布から、渦度ベクトルωの分布を求める(渦度ベクトル算出機能)。この渦度ベクトル算出プログラムは、S1で算出した速度ベクトルuをω=rot uの式に代入することで、渦度ベクトルωを算出する。   Subsequently, in S2, the arithmetic unit 211 calculates the distribution of the vorticity vector ω from the distribution of the velocity vector u obtained in S1 by executing the vorticity vector calculation program in the program DB 214 (vorticity vector calculation). function). This vorticity vector calculation program calculates the vorticity vector ω by substituting the velocity vector u calculated in S1 into the equation ω = rot u.

そして、S3において、演算装置211が、プログラムDB214内の音源算出プログラムを実行することで、二重極音の音源分布を算出する(音源算出機能)。この音源算出処理においては、S1で算出した速度ベクトルu及びS2で算出した渦度ベクトルωの外積ω×uの時系列データが、フーリエ変換によって周波数領域の値に変換され、その結果が下記式(1)に代入されて、音源が算出される。
In S3, the arithmetic unit 211 executes the sound source calculation program in the program DB 214 to calculate the sound source distribution of the dipolar sound (sound source calculation function). In this sound source calculation process, the time series data of the outer product ω × u of the velocity vector u calculated in S1 and the vorticity vector ω calculated in S2 is converted into a frequency domain value by Fourier transform, and the result is expressed by the following equation: Substituted in (1), the sound source is calculated.

ここで、ベクトルxは観測点の位置ベクトル、ベクトルyは速度ベクトルuの位置ベクトル、αは角周波数である。また、周波数空間のグリーン関数G(x,y,α)は、下記式(2)を満たし、且つ境界面(物体面)S上において下記式(3)を満たす物体形状に適合したものが選ばれる。
Here, the vector x is the position vector of the observation point, the vector y is the position vector of the velocity vector u, and α is the angular frequency. The frequency space Green function G (x, y, α) is selected to satisfy the following equation (2) and conform to the object shape satisfying the following equation (3) on the boundary surface (object surface) S: It is.

なお、(2)式及び(3)式において、c0は流れ場の音速、ベクトルn(テンソル表示でni)は物体面(境界面)Sの単位法線ベクトルであって物体から外に向かう方向を正とし、δはディラックのデルタ関数である。
このように、周波数領域の上記(1)式を用いて、音源分布を算出する空力音源探査システムによれば、速度ベクトルuの分布から高精度に音源の分布を求めることが可能である。
In Equations (2) and (3), c 0 is the sound velocity of the flow field, vector n (n i in tensor display) is a unit normal vector of the object plane (boundary surface) S, and is outside the object. The direction of heading is positive, and δ is Dirac's delta function.
Thus, according to the aerodynamic sound source search system that calculates the sound source distribution using the above equation (1) in the frequency domain, it is possible to obtain the sound source distribution with high accuracy from the distribution of the velocity vector u.

ここで、速度ベクトルu及び渦度ベクトルωから音源分布を算出する際に用いる上記(1)式の算出方法について、以下詳細に説明する。
Howeは、マッハ数が小さく、粘性の影響が小さい高レイノルズ数流れについて、下記(4)式で表されるLighthillの流体音響の基礎方程式を近似して、下記(5)式を導いた。
Here, the calculation method of the above equation (1) used when calculating the sound source distribution from the velocity vector u and the vorticity vector ω will be described in detail below.
Howe derived the following equation (5) by approximating the Lighthill hydroacoustic fundamental equation expressed by the following equation (4) for a high Reynolds number flow with a small Mach number and small influence of viscosity.

但し、上記(5)式におけるBは、下記(6)式で定義される。
However, B in the above equation (5) is defined by the following equation (6).

ここで、上記(4)式は、音速c0と密度ρ0が一定である均一な流体の無限の広がりの中で、その一部を占める比較的小さな不均一領域から発生する音場の非同次波動方程式である。また、ρは流体密度、pは瞬時圧力変動である。また、TijはLighthillの応力テンソルと呼ばれ、δijをクロネッカーのデルタとして、式(7)で表される。
Here, the above equation (4) indicates that the non-uniformity of the sound field generated from a relatively small non-uniform region that occupies a part of the infinite spread of a uniform fluid having a constant sound velocity c 0 and density ρ 0. It is a homogeneous wave equation. Ρ is the fluid density, and p is the instantaneous pressure fluctuation. T ij is called a Lighthill stress tensor, and is expressed by Equation (7) where δ ij is the Kronecker delta.

また、τijは、粘性応力テンソルであり、粘性係数をμとすると、下記(8)式で表される。
Further, τ ij is a viscous stress tensor, and is expressed by the following equation (8) when the viscosity coefficient is μ.

次に、流れ場に置かれた物体の境界面をS、無限遠方の境界面をΣinfとし、その間の領域をΩallとする。Σinfにおいて、流れは一様であるとする。また、物体は静止しており、 境界面Sでの流速は0であるとする。観測点xが、音源領域から十分離れている時、グリーンの公式を用いて(5)式を展開すると、位置ベクトルxの観測点における音圧(Pa)に関して、下記(9)式が得られる。
Next, the boundary surface of the object placed in the flow field is S, the boundary surface at infinity is Σ inf, and the region between them is Ω all . In Σ inf , the flow is assumed to be uniform. It is assumed that the object is stationary and the flow velocity at the boundary surface S is zero. When the observation point x is sufficiently far from the sound source region, the following equation (9) can be obtained for the sound pressure (Pa) at the observation point of the position vector x by expanding the equation (5) using the Green formula. .

但し、グリーン関数G(x,y,t-τ)は、下記式(10)を満たし、且つ物体面S上において法線方向の微分が0、すなわち下記式(11)を満たす、物体形状に適合したものが選ばれる。
However, the Green function G (x, y, t-τ) satisfies the following formula (10) and has a normal direction differential on the object plane S of 0, that is, the following shape (11). A suitable one is selected.

次に、フーリエ変換の式(12),(13),(14)
を用いて、(9)式を時間領域から周波数領域に変換すると、αを角周波数とする下記(15)式が得られる。
Next, the Fourier transform equations (12), (13), (14)
(9) is converted from the time domain to the frequency domain, the following formula (15) is obtained, where α is the angular frequency.

このとき、周波数空間のグリーン関数G(x,y,α)は、上記(10)式及び(11)式より、下記(16)式及び(17)式(上述した(2)式及び(3)式)を満たす物体形状に適合したものが選ばれることになる。 At this time, the Green function G (x, y, α) of the frequency space is expressed by the following equations (16) and (17) (the above equations (2) and (3) from the above equations (10) and (11). The one that matches the object shape satisfying the expression ()) is selected.

ここで、音源の広がりが波長に比べて充分に小さい場合、音源領域内の位置による遅延時間の差は無視することが可能であり、この状態を、音源がコンパクト(低周波数)であると呼ぶ。このとき、上記(10)式及び(11)式を満たす低周波数近似のグリーン関数G(x,y,t)は、下記(18)式で表される。
Here, when the spread of the sound source is sufficiently small compared to the wavelength, the difference in delay time depending on the position in the sound source region can be ignored, and this state is called that the sound source is compact (low frequency). . At this time, a low-frequency approximated green function G (x, y, t) that satisfies the above equations (10) and (11) is expressed by the following equation (18).

この(18)式を、フーリエ変換式(14)を用いて周波数領域に変換すると、グリーン関数G(x,y,α)について、下記(19)式が得られる。
When this equation (18) is transformed into the frequency domain using the Fourier transform equation (14), the following equation (19) is obtained for the Green function G (x, y, α).

一方、コンパクトの近似が成り立たない場合には、何らかの方法で(16)式及び(17)式を解く必要がある。ここでは、境界要素法(BEM=Boundary Element Method)を用いることにする。
まず、式(17)を満たす式(16)の解をGN(x,y,α)とする。また、自由空間のグリーン関数G0(x,y,α)を、下記(20)式とすると、
(20)式は(16)式の基本解であり、下記(21)式が成り立つ。
On the other hand, if compact approximation does not hold, equations (16) and (17) must be solved by some method. Here, the boundary element method (BEM = Boundary Element Method) is used.
First, the solution of the equation (16) that satisfies the equation (17) is defined as G N (x, y, α). Moreover, when the free space Green function G 0 (x, y, α) is expressed by the following equation (20),
Equation (20) is the basic solution of Equation (16), and the following Equation (21) holds.

グリーンの公式より、
但し、ベクトルz(テンソル表示では、zi)は、境界面(物体面)S上の位置ベクトル、ベクトルn(テンソル表示ではni)は境界面Sの単位法線ベクトルであって、Ωallに向かう方向を正とする。そして、上記(16)式、(17)式、(21)式より、(22)式は下記(23)式となる。
From the green formula,
However, the vector z (z i in tensor display) is a position vector on the boundary surface (object surface) S, and the vector n (n i in tensor display) is a unit normal vector of the boundary surface S, and Ω all The direction toward is positive. From the above equations (16), (17), and (21), equation (22) becomes the following equation (23).

境界要素法を用いて、上式(23)を解く方法の詳細については、『T.W.Wu
et al, ‘Boundary Element Acoustics’, WIT Press, 2000』等を参照するものとする。
For details on how to solve the above equation (23) using the boundary element method, see TWWu.
et al, 'Boundary Element Acoustics', WIT Press, 2000, etc.

流れの中の点yを境界面S上の所定の点zpに近づける極限操作を行うことにより、上記(23)式は下記(24)式となる。
By performing an extreme operation to bring the point y in the flow closer to the predetermined point z p on the boundary surface S, the above equation (23) becomes the following equation (24).

そして、境界面を要素に分けて離散化することにより、境界面上のGN(x,zp,α)が求まる。そして、式(23)に代入することで、流れの中の任意の点yにおけるGN(x,y,α)が求められる。 By discretizing separately the interface element, G N on the boundary surface (x, z p, α) is obtained. Then, by substituting the equation (23), G N in y any point in the flow (x, y, alpha) is determined.

また、式(23)は,流れの中の任意の点yに置かれた点音源が,境界面Sによって散乱され、観測点xに到達する様子を記述している。そして、式(23)の右辺第一項が直接音の伝播を表し、式(23)の右辺第二項が境界面Sによる散乱音の伝播を表している。そこで、Gi(x,y,α)及びGs(x,y,α)を、下記(25)式及び(26)式で定義し、
Equation (23) describes how a point sound source placed at an arbitrary point y in the flow is scattered by the boundary surface S and reaches the observation point x. The first term on the right side of Equation (23) represents the direct sound propagation, and the second term on the right side of Equation (23) represents the propagation of the scattered sound from the boundary surface S. Therefore, G i (x, y, α) and G s (x, y, α) are defined by the following equations (25) and (26),

N(x,y,α)を、下記(27)式とすると、
上記(15)式は、下記(28)式となる。
When G N (x, y, α) is expressed by the following equation (27),
The above equation (15) becomes the following equation (28).

ここで、Gs(x,y,α)の計算例を図3に示す。図3は、2次元翼周りの散乱場におけるGs(x,y,α)の計算例を示しており、同図(a)は、音源の周波数が100Hzの場合、同図(b)は、音源の周波数が3000Hzの場合を示している。 Here, a calculation example of G s (x, y, α) is shown in FIG. FIG. 3 shows a calculation example of G s (x, y, α) in the scattered field around the two-dimensional wing. FIG. 3A shows the case where the frequency of the sound source is 100 Hz. This shows a case where the frequency of the sound source is 3000 Hz.

そして、上式(25)及び式(26)と同様に、下記(29)式及び(30)式において、pa s(x,α)及びpa i(x,α)を定義する。
Then, as in the above equation (25) and (26), in the following equation (29) and (30), defining a p a s (x, α) and p a i (x, α) .

そうすると、観測点xにおける音圧pa(x,α)は、下記(31)式で定義されることになる。
Then, the sound pressure p a at the observation point x (x, alpha) will be defined by the following equation (31).

この結果、上式(29)で定義されるpa s(x,α)は、境界面Sによって散乱された散乱音を表し、上式(30)で定義されるpa i(x,α)は、流体中の乱れから直接伝わる直接音を表している。また、(29)式の被積分項である、
を散乱音の音源、(30)式の被積分項である、
を直接音の音源とそれぞれ見なすことが可能である。
As a result, the above equation (29) p a s (x , α) defined by represents the scattered sound scattered by the boundary surface S, p a i (x, defined by the above formula (30), alpha ) Represents the direct sound transmitted directly from the turbulence in the fluid. Also, the integrand term of equation (29),
Is the sound source of scattered sound, the integrand of equation (30),
Can be regarded as direct sound sources.

ここで、上記(32)式に関して、周波数空間のグリーン関数Gsは、上述したように、物体面S上の点の座標をベクトルzとして、下記(26)式で定義される。
Here, regarding the above equation (32), the green function G s in the frequency space is defined by the following equation (26) with the coordinate of the point on the object plane S as the vector z, as described above.

そして、グリーン関数GN(x,z,α)は、音速をc0、物体面Sの単位法線ベクトルであって外に向かう方向を正とするベクトルをベクトルn、ディラックのデルタ関数をδとして、物体面S上において下記(3)式を満たす、下記(2)式の解である。
The Green function G N (x, z, α) is a vector n which is a vector normal to the sound velocity c 0 , a unit normal vector of the object plane S and going outward, and a Dirac delta function δ. Is a solution of the following equation (2) that satisfies the following equation (3) on the object plane S:

また、グリーン関数G0(z,y,α)は、下記(34)式で表される自由空間のグリーン関数である。
The green function G 0 (z, y, α) is a free space Green function expressed by the following equation (34).

そして、(32)式及び(33)式を足し合わせた、上述した(15)式の被積分項である下記(1)式を、トータルの音源とみなすことができることになる。
Then, the following equation (1), which is the integrand of equation (15) described above, which is the sum of equations (32) and (33), can be regarded as a total sound source.

以上、詳細に説明したように、本実施の形態においては、音源分布を求めるための(1)式を、周波数領域のグリーン関数を用いて、Lighthillの流体音響の基礎方程式を展開することによって求めた。よって、本実施の形態に係る空力音源探査システム10によれば、音源が高周波数である場合(コンパクトでない場合)でも、流れ場の速度ベクトルに基づいて、高精度に音源の分布を求めることが可能である。   As described above in detail, in the present embodiment, Equation (1) for obtaining the sound source distribution is obtained by developing the Lighthill hydroacoustic basic equation using the Green function in the frequency domain. It was. Therefore, according to the aerodynamic sound source exploration system 10 according to the present embodiment, the sound source distribution can be obtained with high accuracy based on the velocity vector of the flow field even when the sound source has a high frequency (when it is not compact). Is possible.

なお、低マッハ数の場合には、一般に、(33)式の直接音に比べて、(32)式の散乱音が支配的になる。よって、本実施の形態においては、散乱音と直接音を合わせた(1)式を用いて音源を算出しているが、(1)式の代わりに散乱音の(32)式を用いて音源を求めるように構成しても良い。特に、有限領域内の速度ベクトルから音源を算出する場合には、(32)式を用いることが好ましい。ここで、低マッハ数とは、マッハ数Mが1よりも充分に小さい場合を意味する。また、好ましくは、マッハ数Mが0.3よりも小さい場合を意味する。   In the case of a low Mach number, generally, the scattered sound of the equation (32) becomes dominant compared to the direct sound of the equation (33). Therefore, in the present embodiment, the sound source is calculated using the expression (1) that combines the scattered sound and the direct sound, but the sound source is calculated using the expression (32) of the scattered sound instead of the expression (1). You may comprise so that it may obtain | require. In particular, when calculating a sound source from a velocity vector in a finite region, it is preferable to use equation (32). Here, the low Mach number means a case where the Mach number M is sufficiently smaller than 1. Preferably, it means that the Mach number M is smaller than 0.3.

(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図4は、第2の実施形態に係る空力音源探査システム10の構成を示す図である。本実施形態に係る空力音原探査システムは、PIVと呼ばれる手法により流れの速度分布を計測するPIVシステムを用いて、有限領域の速度ベクトルを測定し、この測定値を基に音源分布を求めるシステムである。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of an aerodynamic sound source search system 10 according to the second embodiment. The aerodynamic sound field exploration system according to the present embodiment measures a velocity vector in a finite region using a PIV system that measures a flow velocity distribution by a technique called PIV, and obtains a sound source distribution based on the measured value. It is.

このPIVシステムに関しては、例えば、『可視化情報学会編,「PIVハンドブック」,森北出版株式会社,2002年7月』に詳細に説明されている。なお、第1の実施形態に係る構成と同じ構成には同じ番号を付し、詳細な説明は省略する。   The PIV system is described in detail in, for example, “Visualization Society of Japan,“ PIV Handbook ”, Morikita Publishing Co., Ltd., July 2002”. In addition, the same number is attached | subjected to the same structure as the structure which concerns on 1st Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.

図4に示すように、空力音源探査システム10は、煙発生装置11、シート照明装置12、CCDカメラ13、及び音源解析装置20から構成される。音源解析装置20は、PC21とディスプレイ22を含み、PC21は図示しない演算装置と記録装置を含む。   As shown in FIG. 4, the aerodynamic sound source search system 10 includes a smoke generation device 11, a sheet illumination device 12, a CCD camera 13, and a sound source analysis device 20. The sound source analysis device 20 includes a PC 21 and a display 22, and the PC 21 includes an arithmetic device and a recording device (not shown).

また、図4に示すように空力音源探査システムの測定対象は、円柱模型14である。円柱模型14は上下面を地面に平行に配置されており、そのサイズは、直径50mm、長さ600mmである。また、空力音源探査システム10は、図示しない風洞装置の中に配置されている。そして、風洞装置を作動させると、図中左側から右側に向けて風が吹き、円柱模型14の周囲には流れ場が構成されるようになっている。この風洞装置の風速は、150km/h(41.7m/s)である。この流れ場によって、円柱模型14の周囲に空力音が発生しており、空力音源探査システム10によって、この空力音源の空間分布を解析することになる。   As shown in FIG. 4, the measurement target of the aerodynamic sound source exploration system is a cylindrical model 14. The cylindrical model 14 is arranged with its upper and lower surfaces parallel to the ground, and its size is 50 mm in diameter and 600 mm in length. The aerodynamic sound source exploration system 10 is arranged in a wind tunnel device (not shown). When the wind tunnel device is operated, wind blows from the left side to the right side in the figure, and a flow field is formed around the cylindrical model 14. The wind speed of this wind tunnel device is 150km / h (41.7m / s). Due to this flow field, aerodynamic sound is generated around the cylindrical model 14, and the aerodynamic sound source exploration system 10 analyzes the spatial distribution of this aerodynamic sound source.

PC21は、CCDカメラ13に接続されており、CCDカメラ13で撮影された画像は、PC21内の記録装置に格納される。PC21内の演算装置は、この記録装置に格納された画像データに対して、処理・解析を行うよう構成されている。また、その解析結果は、ディスプレイ22に表示される。   The PC 21 is connected to the CCD camera 13, and an image photographed by the CCD camera 13 is stored in a recording device in the PC 21. The arithmetic device in the PC 21 is configured to perform processing / analysis on the image data stored in the recording device. The analysis result is displayed on the display 22.

シート照明装置12は、流れ場の所定の二次元測定領域(図4参照)を、4Hz周期でシート状の照明光により照明しており、CCDカメラ13は、この照明に同期させて撮影を行っている。シート照明装置12とCCDカメラ13の同期は、これらに接続された図示しない同期装置により取られている。よって、PC21内の記録装置には、微小時間間隔で時系列に撮影された画像が複数枚格納されることになる。   The sheet illumination device 12 illuminates a predetermined two-dimensional measurement region (see FIG. 4) of the flow field with a sheet-like illumination light at a cycle of 4 Hz, and the CCD camera 13 performs imaging in synchronization with this illumination. ing. The sheet illumination device 12 and the CCD camera 13 are synchronized by a synchronization device (not shown) connected thereto. Therefore, the recording device in the PC 21 stores a plurality of images taken in time series at minute time intervals.

図5は、CCDカメラ13と円柱模型14の位置関係を示す図であり、図5(a)は図4の手前からみた位置関係を示す図、図5(b)は図5の上側からみた位置関係を示す図である。   5 is a diagram showing the positional relationship between the CCD camera 13 and the cylindrical model 14, FIG. 5 (a) is a diagram showing the positional relationship seen from the front of FIG. 4, and FIG. 5 (b) is seen from the upper side of FIG. It is a figure which shows a positional relationship.

同図に示すように、CCDカメラ13は、測定領域面に対して垂直方向の位置であって、円柱模型14周囲の所定の測定領域を撮影できる位置に配置されている。本実施の形態では、図中、円柱模型14の右側(下流側)を撮影できる位置に配置されている。また、x軸、y軸、z軸の原点は、円柱模型14の重心付近の位置に設定している。
次に、この空力音源探査システム10により、空力音源の空間分布を解析する際の動作について説明する。
As shown in the figure, the CCD camera 13 is arranged at a position perpendicular to the measurement area plane and capable of photographing a predetermined measurement area around the cylindrical model 14. In the present embodiment, it is arranged at a position where the right side (downstream side) of the cylindrical model 14 can be photographed in the drawing. The origins of the x-axis, y-axis, and z-axis are set at positions near the center of gravity of the cylindrical model 14.
Next, an operation when the spatial distribution of the aerodynamic sound source is analyzed by the aerodynamic sound source search system 10 will be described.

まず、風洞装置を作動させてから、煙発生装置11により煙を発生させる。この煙発生装置11は、図中、円柱模型14よりも流れの上流側である左側に設置されており、発生した煙は、円柱模型14周囲の流れ場に混入されることになる。これにより、流れ場が可視化される。この煙は、流れに追従できるような粒子を入れる必要がある。粒子の径が大き過ぎたり、粒子の質量が重過ぎたりすると、流れに追従できなくなるからである。   First, after operating the wind tunnel device, the smoke generator 11 generates smoke. The smoke generator 11 is installed on the left side, which is upstream of the flow from the cylindrical model 14 in the figure, and the generated smoke is mixed into the flow field around the cylindrical model 14. Thereby, the flow field is visualized. This smoke needs to contain particles that can follow the flow. This is because if the particle diameter is too large or the particle mass is too heavy, it becomes impossible to follow the flow.

煙が混入された後、シート照明装置12によりシート状照明光が円柱模型14付近の測定領域に照射される。続いて、照明された瞬間の流れ場の画像をCCDカメラ13により撮影する。CCDカメラ13により撮影された画像は、音源解析装置20のPC21に転送され、PC21内の記録装置に保存される。   After the smoke is mixed, the sheet illumination device 12 irradiates the measurement area near the cylindrical model 14 with the sheet illumination light. Subsequently, an image of the flow field at the moment of illumination is taken by the CCD camera 13. An image photographed by the CCD camera 13 is transferred to the PC 21 of the sound source analyzer 20 and stored in a recording device in the PC 21.

次に、音源解析装置20において、記録装置に保存された画像を解析する処理について、第1の実施形態と同様に、図2を参照しながら説明する。
まず、PC21は、S1において、記録装置に保存された時系列的に隣り合う2枚の画像間での粒子の移動を解析することで、速度ベクトルの分布(流速分布)を算出する(流速分布算出機能)。この画像解析では、各画像を35×38=1330個のセルに分割し、セルごとに速度ベクトルuを算出している。この処理は、上述した一般的なPIVシステムにおける処理と同様であるので、詳細な説明は省略する。
Next, processing for analyzing an image stored in the recording device in the sound source analysis device 20 will be described with reference to FIG. 2 as in the first embodiment.
First, in S1, the PC 21 calculates the velocity vector distribution (flow velocity distribution) by analyzing the movement of the particles between two images adjacent in time series stored in the recording device (flow velocity distribution). Calculation function). In this image analysis, each image is divided into 35 × 38 = 1330 cells, and a velocity vector u is calculated for each cell. Since this processing is the same as the processing in the general PIV system described above, detailed description thereof is omitted.

得られる速度ベクトルとしては、例えば、x=100mm、y=150mm、z=0mmの点で、x方向の瞬時流速=10m/s、y方向の瞬時流速=-5m/s、また、x=100mm、y=100mm、z=0mmの点で、x方向の瞬時流速=20m/s、y方向の瞬時流速=10m/s、といった速度ベクトルを得ることができる。   As the velocity vector obtained, for example, x = 100 mm, y = 150 mm, z = 0 mm, instantaneous flow velocity in x direction = 10 m / s, instantaneous flow velocity in y direction = −5 m / s, and x = 100 mm , Y = 100 mm, z = 0 mm, velocity vectors such as an instantaneous velocity in the x direction = 20 m / s and an instantaneous velocity in the y direction = 10 m / s can be obtained.

図6は、S1の画像解析により求められた速度ベクトルuの分布を示す図である。図6(a)は、時刻t1における瞬時の速度分布を示す図であり、図6(b)は、時刻t2における瞬時の速度分布を示す図である。図6において、矢印が速度ベクトルを示しており、矢印の長さが速度ベクトルの大きさ、矢印の向きが速度ベクトルの向きを表す。図中、上下端に位置し、水平を向いている速度ベクトルの大きさが、上述した風洞装置の風速150km/hとなる。図6に示す速度ベクトルの分布から、円柱模型14の下流側にカルマン渦が発生していることが分かる。 FIG. 6 is a diagram showing the distribution of the velocity vector u obtained by the image analysis of S1. FIG. 6A is a diagram showing the instantaneous velocity distribution at time t 1 , and FIG. 6B is a diagram showing the instantaneous velocity distribution at time t 2 . In FIG. 6, an arrow indicates a velocity vector, the length of the arrow indicates the size of the velocity vector, and the direction of the arrow indicates the direction of the velocity vector. In the figure, the magnitude of the velocity vector located at the upper and lower ends and facing the horizontal direction is the wind speed of 150 km / h of the wind tunnel device described above. From the velocity vector distribution shown in FIG. 6, it can be seen that Karman vortices are generated on the downstream side of the cylindrical model 14.

次に、S2において、演算装置211が、プログラムDB214内の渦度ベクトル算出プログラムを実行することで、S1で求めた速度ベクトルuの分布から、渦度ベクトルω分布を求める(渦度ベクトル算出機能)。この渦度ベクトル算出プログラムは、S1で算出した速度ベクトルuを、ω=rot uの式に代入することで、渦度ベクトルωを算出する。   Next, in S2, the arithmetic unit 211 executes the vorticity vector calculation program in the program DB 214 to obtain the vorticity vector ω distribution from the distribution of the velocity vector u obtained in S1 (vorticity vector calculation function). ). This vorticity vector calculation program calculates the vorticity vector ω by substituting the velocity vector u calculated in S1 into the equation ω = rot u.

そして、S3において、演算装置211が、プログラムDB214内の音源算出プログラムを実行することで、二重極音の音源分布を算出する(音源算出機能)。この音源算出処理においては、S1で算出した速度ベクトルu及びS2で算出した渦度ベクトルωの外積ω×uの時系列データが、フーリエ変換によって周波数領域の値に変換され、その結果が上述した散乱音の式(32)に代入されることで、空力音の二重極音源が算出される。
In S3, the arithmetic unit 211 executes the sound source calculation program in the program DB 214 to calculate the sound source distribution of the dipolar sound (sound source calculation function). In this sound source calculation processing, the time series data of the outer product ω × u of the velocity vector u calculated in S1 and the vorticity vector ω calculated in S2 is converted into a frequency domain value by Fourier transform, and the result is described above. By substituting into the scattered sound equation (32), an aerodynamic dipole sound source is calculated.

第2の実施形態では、PIVシステムにより有限領域内の速度ベクトルを測定している。そして、低マッハ数の場合には、直接音よりも散乱音が支配的になるため、散乱音の(32)式を用いている。また、散乱音は、測定領域外の速度ベクトルの影響をほとんど受けないため、PIVシステムによる測定領域内の速度ベクトル及び渦度ベクトルを、(32)式に代入することで、高精度に音源を求めることができる。   In the second embodiment, the velocity vector in the finite region is measured by the PIV system. In the case of a low Mach number, the scattered sound is more dominant than the direct sound, and therefore the scattered sound (32) is used. In addition, since scattered sound is hardly affected by the velocity vector outside the measurement area, the sound source can be obtained with high accuracy by substituting the velocity vector and vorticity vector within the measurement area by the PIV system into equation (32). Can be sought.

第2の実施形態に係る空力音原探査システムによれば、第1の実施形態と同様の効果を奏すると共に、PIVシステムの測定値を用いて二重極音源分布を解析しており、剥離、乱流遷移、壁面近くでの境界層の挙動など、流体の数値計算等の理論的な方法では精度良く捉えることの困難なものであっても、十分な精度で解析することが可能である。また、PIVシステムの測定値を用いることで、キャビティ音のように、発生した圧縮波が流体の挙動に影響を与えるような現象についても、精度良く解析することができる。   According to the aerodynamic sound source exploration system according to the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment is achieved, and the dipole sound source distribution is analyzed using the measurement value of the PIV system. Even if it is difficult to capture with high accuracy by theoretical methods such as numerical calculation of fluid, such as turbulent transition and boundary layer behavior near the wall, it is possible to analyze with sufficient accuracy. Further, by using the measured value of the PIV system, it is possible to accurately analyze a phenomenon such as a cavity sound in which the generated compression wave affects the behavior of the fluid.

以上、本発明の第1及び第2の実施形態について詳細に説明したが、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。   The first and second embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and do not depart from the spirit of the present invention. Various modifications are possible.

例えば、上述した空力音源探査システムの各機能は、プログラムDBに格納されている複数のプログラムを演算装置が実行することで実現されるが、単一の統合プログラムで全ての機能が実現されるような構成としても良い。また、演算装置がプログラムを実行することで、各機能を実現するのではなく、各機能を実現するための電子回路用いるように構成しても良い。すなわち、ソフトウェアとハードウェアを適宜組み合わせて、本実施の形態に係る空力音源探査システムの機能を実現できるように構成されれば良い。   For example, each function of the aerodynamic sound source exploration system described above is realized by the arithmetic device executing a plurality of programs stored in the program DB, but all functions are realized by a single integrated program. It is good also as a simple structure. In addition, each function may not be realized by the execution of the program by the arithmetic unit, but an electronic circuit for realizing each function may be used. In other words, it may be configured so that the function of the aerodynamic sound source search system according to the present embodiment can be realized by appropriately combining software and hardware.

また、第2の実施形態では、説明を簡単にするため、円柱模型周りの空力音源分布を求めているが、円柱模型に限られるものでなく、列車模型、自動車模型等の、空力音の発生を解析する対象であれば、どのような形状の模型であっても良い。   In the second embodiment, the aerodynamic sound source distribution around the cylinder model is obtained for the sake of simplicity. However, the distribution of the aerodynamic sound is not limited to the cylinder model, and is not limited to the cylinder model. Any shape model may be used as long as it is an object to be analyzed.

本発明の第1の実施形態に係る空力音源探査システムの概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of an aerodynamic sound source search system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る音源分布を算出する処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the process which calculates the sound source distribution which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る周波数空間でのグリーン関数の掲載例を示す図である。It is a figure which shows the example of posting of the Green function in the frequency space which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係る空力音源探査システムの概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the aerodynamic sound source search system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るCCDカメラと円柱模型の位置関係を示す図である。It is a figure which shows the positional relationship of the CCD camera which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, and a cylindrical model. 本発明の第2の実施形態に係る空力音源探査システムにより求められた速度ベクトルの分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the velocity vector calculated | required by the aerodynamic sound source search system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 空力音源探査システム
11 煙発生装置
12 シート照明装置
13 CCDカメラ
14 円柱模型
20 音源解析装置
21 PC
211 演算装置
212 メモリ
213 記憶装置
214 プログラムDB
22 ディスプレイ
23 キーボード
24 マウス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Aerodynamic sound source exploration system 11 Smoke generator 12 Sheet illumination device 13 CCD camera 14 Cylindrical model 20 Sound source analyzer 21 PC
211 arithmetic device 212 memory 213 storage device 214 program DB
22 Display 23 Keyboard 24 Mouse

Claims (7)

流れ場に位置する物体の周りに発生する空力音の音源分布を求める空力音源探査システムであって、
前記流れ場における流れの速度ベクトルの分布を算出する流速分布算出手段と、
前記速度ベクトルの分布に基づいて、周波数をパラメータとする算出式を用いて音源分布を算出する音源算出手段と、
を備えたことを特徴とする空力音源探査システム。
An aerodynamic sound source exploration system for obtaining a sound source distribution of aerodynamic sound generated around an object located in a flow field,
A flow velocity distribution calculating means for calculating a distribution of flow velocity vectors in the flow field;
Sound source calculation means for calculating a sound source distribution using a calculation formula using a frequency as a parameter based on the distribution of the velocity vector;
An aerodynamic sound source exploration system characterized by comprising
前記周波数領域の算出式は、前記速度ベクトルをベクトルu、渦度ベクトルをベクトルω、観測点の座標をベクトルx、前記速度ベクトルの座標をベクトルy、角周波数をαとして、下記(1)式で表されることを特徴とする請求項1記載の空力音源探査システム。
但し、周波数空間のグリーン関数Gは、音速をc0、物体面Sの単位法線ベクトルであって物体から外に向かう方向を正とするベクトルをベクトルn、ディラックのデルタ関数をδとして、下記(2)式を満たし、且つ物体面S上において下記(3)式を満たす物体形状に適合したものが選ばれる。
The calculation formula of the frequency domain is as follows: the velocity vector is the vector u, the vorticity vector is the vector ω, the observation point coordinates are the vector x, the velocity vector coordinates are the vector y, and the angular frequency is α. The aerodynamic sound source search system according to claim 1, wherein
However, the Green function G in the frequency space is defined as follows, where the velocity of sound is c 0 , the vector normal to the object plane S and the vector positive from the object outward direction is a vector n, and the Dirac delta function is δ. A material that satisfies the equation (2) and that matches the object shape on the object surface S that satisfies the following equation (3) is selected.
前記音源算出手段は、散乱音のみを考慮して音源を算出することを特徴とする請求項1記載の空力音源探査システム。   The aerodynamic sound source search system according to claim 1, wherein the sound source calculation unit calculates a sound source in consideration of only scattered sound. 前記散乱音のみを考慮する算出式は、前記速度ベクトルをベクトルu、渦度ベクトルをベクトルω、観測点の座標をベクトルx、前記速度ベクトルの座標をベクトルy、角周波数をαとして、下記(32)式で表されることを特徴とする請求項3記載の空力音源探査システム。
但し、周波数空間のグリーン関数Gsは、物体面S上の点の座標をベクトルzとして、下記(26)式で定義され、
グリーン関数GNは、音速をc0、物体面Sの単位法線ベクトルであって物体から外に向かう方向を正とするベクトルをベクトルn、ディラックのデルタ関数をδとして、物体面S上において下記(3)式を満たす、下記(2)式の解であり、
グリーン関数G0は、下記(34)式で表される自由空間のグリーン関数である。
The calculation formula considering only the scattered sound is as follows: the velocity vector is vector u, the vorticity vector is vector ω, the observation point coordinates are vector x, the velocity vector coordinates are vector y, and the angular frequency is α. The aerodynamic sound source exploration system according to claim 3, wherein
However, the Green function G s in the frequency space is defined by the following equation (26) with the coordinates of the point on the object plane S as a vector z,
The Green function GN is defined on the object plane S, where the sound velocity is c 0 , a vector normal vector of the object plane S and a vector n that is positive in the direction outward from the object is a vector n, and the Dirac delta function is δ. The following equation (2) that satisfies the following equation (3):
The Green function G 0 is a free space Green function expressed by the following equation (34).
流れ場に位置する物体の周りに発生する空力音の音源分布を求める空力音源探査方法であって、
前記流れ場における流れの速度ベクトルの分布を算出する流速分布算出ステップと、
前記速度ベクトルの分布に基づいて、周波数をパラメータとする算出式を用いて音源分布を算出する音源算出ステップと、
を備えたことを特徴とする空力音源探査方法。
An aerodynamic sound source exploration method for obtaining a sound source distribution of aerodynamic sound generated around an object located in a flow field,
A flow velocity distribution calculating step for calculating a flow velocity vector distribution in the flow field;
A sound source calculation step of calculating a sound source distribution using a calculation formula using a frequency as a parameter based on the distribution of the velocity vector;
An aerodynamic sound source exploration method characterized by comprising:
前記音源算出ステップは、散乱音のみを考慮して音源を算出するステップであることを特徴とする請求項5記載の空力音源探査方法6. The aerodynamic sound source search method according to claim 5, wherein the sound source calculation step is a step of calculating a sound source in consideration of only scattered sound. コンピュータに、流れ場に位置する物体の周りに発生する空力音の音源分布を求める処理を実行させる空力音源探査プログラムであって、
前記流れ場における流れの速度ベクトルの分布を算出する流速分布算出ステップと、
前記速度ベクトルの分布に基づいて、周波数をパラメータとする算出式を用いて音源分布を算出する音源算出ステップと、
を備えたことを特徴とする空力音源探査プログラム。
An aerodynamic sound source exploration program that causes a computer to execute processing for obtaining a sound source distribution of aerodynamic sound generated around an object located in a flow field,
A flow velocity distribution calculating step for calculating a flow velocity vector distribution in the flow field;
A sound source calculation step of calculating a sound source distribution using a calculation formula using a frequency as a parameter based on the distribution of the velocity vector;
An aerodynamic sound source exploration program characterized by comprising
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