流れ 2010年12月号 目次
― 特集テーマ： 空力騒音 ―
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～形状から表面性状へ～ 柔毛材による空力発生音の低減
西村正治 鳥取大学
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１．はじめに
送風機や高速車両，自動車などから発生する空力騒音（風きり音）の低減は古くからの課題であるが，近年乗り物の高速化や送風冷却系を有するＯＡ機器の普及により，ますますそのニーズが高まっている．このような空力騒音の主な発生源は，乱れた流れが物体に衝突したり，後流から渦を放出することにより発生する圧力変動と考えられる1)．そのため従来は，物体形状を鈍頭にしたり，流線型にしたりして，流れをスムースに流すことにより圧力変動を低減することを狙った低騒音化が行われてきた．しかし，機械の形状には制約が多く，必ずしもその最適化を図れない場合も多い．そこで著者らは，形状ではなく，表面の粗さや柔らかさなど表面性状を適正化することによって空力騒音の低減を図るべく研究開発を行っている．
これまでの研究では，柔毛材を物体表面に設置することにより，空力騒音の発生が大幅に低減できることが分かっており，本稿では，その基礎試験結果，原理，応用例などについて述べる．
２．柔毛による低騒音化技術の誕生
著者らが柔毛材に関する研究を始めたのは10年以上前である．当時，風洞の低騒音化を実現するため，形状を変化できないノズル・コレクター部で発生する空力騒音をどのように低騒音化するか悩んでいた．そこに共同研究者であった西岡教授（当時大阪府立大学）から，フクロウの静寂飛行にヒントを得て，羽毛のような柔毛を用いて騒音低減が図れないかとの提案があった．早速試験をしたところ非常にうまく行くことが判明し，材質，施工方法などを検討の後，実機風洞に適用した．このようにして完成したのが（財）鉄道総合技術研究所風洞技術センター（米原）の大型低騒音風洞であり，現在でも世界に誇れる低騒音風洞として高い評価を受けている．当時の研究内容は，参考文献2～5にまとめられているので，興味のある方は参照願いたい．
３．柔毛材の低騒音化メカニズム（基礎試験）6)
８年前著者が大学に移ったのをきっかけに，柔毛材による空力発生音の低減メカニズムについて明確にし，応用範囲を広げたいとの目的から研究を再開した．
まず，図1に示す小型低騒音風洞（吹き出し口100mm×150mm，風速25m/s）に直径26ｍｍのパイプを設置し，種々の布や柔毛材を巻いて発生音の計測を行った．その結果，それぞれ発生音は低減するが，やはりヌイグルミに使う毛の生えた布がもっとも効果的であった．そこでまず，最も効果的であった柔毛材の毛をバリカンでカットし，毛の長さの影響を調べた．結果を図2に示す．裸のパイプに比べ，柔毛材を設置することにより，低周波から高周波まで広い帯域で5～8dB発生音を低減できることが分かる．しかも毛の長さには余り影響されず1～3mmでも十分効果があることが確認できる．
図1 試験装置（低騒音風洞）
図2 柔毛材による発生騒音の低減効果（柔毛材長さの影響）
次に柔毛の充填密度の影響について調べてみた．充填密度を自由に変化させるために，静電植毛技術を用いた．これは，静電気の作用でパイル（短繊維）を植毛する技術で，ほぼどのような材質にもどのような形状にも局所的にも植毛が可能である．また，充填密度も調整が可能である．ここでは，直径約30μm，長さ1mmと3mmのナイロンのパイルを供試パイプに植毛した．充填密度は0.1%～4%程度変化させた．なお充填密度とは，供試体表面積に対してパイルが植毛されている面積の比率を示している．各供試体とも，前述のように広帯域周波数で減音が可能であるが，代表として250Hzの1/3オクターブバンドにおける減音効果を図3に示す．この結果から，柔毛材の充填密度に対して減音効果はさほど敏感でないが，総じて1%程度の充填密度が最適であることが分かる．
図3 減音効果に及ぼす充填密度の影響（250Hz）
本実験の結果静電植毛が有効であることが確認され，材質を気にせず任意の複雑な形状にも植毛できること，耐久性も十分あることなどから，後述のファンなど柔毛材の適用用途が広がったと考えられる．
さらに柔毛材の線径や剛性の影響について調べてみた．実際には剛性の異なる柔毛材をすぐに作成できなかったので，柔毛材とは呼べないが網で代用した．使用した網は線径0.26mmで20メッシュの網戸に使う網である．直巻きすると減音効果は得られず，1mmのスペーサを挟んで層状に巻くと，図4に示すように柔毛材と同様な減音効果が得られた．図4を見ると高周波成分が大幅に増音しているが，この成分は流速が増加するとともに高周波に移動し，網の線径に起因するカルマン渦成分と推察される．更に流速が上がると,この音は高周波の非可聴域に入り問題なくなる．類似の効果は気孔率の大きな多孔材を設置したときにも観測された．そこで，柔毛材の効果は線径や剛性にはあまり影響を受けず，減音効果を得るためには，流れがある程度その中に入ることが必要であることが分かった．ただし，使用する流速にもよるが，エオルス音が問題にならない程度に線径は細いほうが良いと考えられる．
図4 空気層を含む金網による減音効果
柔毛材有無の条件でパイプ周りの流速分布や乱れ強さ分布を熱線風速計によって測定した．供試柔毛パイプは，長さ3mm，充填密度約1.2%の静電植毛パイプである．計測された乱れ強さの代表結果を図5に示す．本試験の場合，風洞吹き出し口からの流れは自由噴流であり，そのせん断層の乱れた流れが供試パイプに当たる付近での発生音が最も大きい．そこで，図5はその断面での乱れ強さの分布を示している．図から，柔毛材の設置により，後流のせん断層が緩やかになり，乱れ強さの絶対値が低減するとともに，後方に遠のいていることが分かる．また，柔毛材の存在により，上流乱れもパイプ近傍では低減していることが分かる．
図5 供試パイプ周りの乱れ強さの比較（実験結果，上流乱れ有の場合，U=25m/s）
以上の結果をまとめると，柔毛材の空力騒音低減メカニズムは図6のように考えられる．つまり後流渦放出音に対しては，物体周囲流れに適度な抵抗を与えることにより，後流のせん断層を穏やかにし，乱れの発生を低減するとともに物体から遠ざける．その結果渦度変動に起因する物体表面の圧力変動を低減し発生音を低減する． 上流乱れによる発生音は，上流乱れが柔毛材の中に入ってゆっくりと減衰し，結果，急激な渦度変動が発生せず，物体表面の圧力変動が低減し発生音が低減する．
またCFD解析では，柔毛材部分に適切に抵抗分布を与えることにより，上記流速分布や乱れ度分布をよくシミュレートすることができた7)．以上のように，柔毛材の役割は物体表面に適度な抵抗を与えることであると考えると，その剛性や線径にあまり影響は受けず，充填密度が重要であること，また物体表面のごく近傍のみに設置することで充分効果があることなどが納得できる．末木ら8) は多孔質材をパンタグラフに適用し空力音の低減を試みているが，このような低充填率の多孔材はほぼ類似の発生音低減メカニズムを持つものと推察される．
図6 柔毛材の減音メカニズム
４．小型冷却ファンへの適用9)
柔毛材の適用例として，ＯＡ機器の小型冷却ファンを植毛した例を紹介する．供試ファンは直径92mm，7枚翼の軸流ファンである．各部植毛の影響を見るために，翼全面に植毛したファン，翼前縁部のみに植毛したファン，翼後縁部のみに植毛したファン，翼チップ部のみに植毛したファン及び植毛なしファンの5種類の供試ファンを用意した．なお，植毛したパイルはナイロン製，線径30μm，長さ1mmであり，充填密度は約1%を狙った．
無響室内にブースターファンに接続した試験チャンバーを設置し，ファンの空力性能と発生騒音を同時に計測した．騒音は吸い込み側，ファン軸に対して斜め45°,500mmの点で作動点ごとに測定した．また，実機での設置条件を想定して，上流乱れを与えた条件でも測定した．
上流乱れのある場合の試験結果を図７に示す．植毛することによって，ほぼすべての作動点で騒音レベルが低減していることが分かる．しかし，ファン性能も低下し，結果として比騒音レベルは同等または悪化している．またその傾向は全面植毛ファンで顕著である．図７には同時に1/3オクターブバンドの騒音スペクトルを示している．翼通過周波数騒音のピークは植毛によって低減し，高周波のランダム音も前縁植毛ファン以外低減している．
図７ 各種植毛ファンの空力性能と騒音特性
前述のように植毛は流れに抵抗を与えることになるので，全面に植毛してしまうと性能が悪化することは否めない．しかし，騒音を発生する箇所は乱れた流れが衝突したり，乱れた流れを発生するところであり，スムースに流れる箇所は対策を施す必要はない．それらを考慮し，試行錯誤的に最適な植毛箇所を調査した結果，今回のファンでは，前縁部にほんの少し植毛することにより，性能の劣化が無く，騒音を２ｄBほど低減することに成功した．結果を図8に示しておく．
図８ 植毛の最適化（上流乱れあり）改善３は前縁部負圧面に2mmだけ植毛
５．おわりに
柔毛材（含む，低充填率の多孔材）は空力発生音の低減に有効であり，その低減メカニズムもほぼ解明された．今後は，本技術を広く実用化していく段階と考える．そのためには，対候性，耐久性の高い柔毛材，多孔材などの素材の開発も重要である．
適用先としては，抵抗の増加が全体に対してほとんど問題にならない箇所や，抵抗が増加しても良いところがあげられる．高速車両や自動車の突起部，段差部や，配管・ダクトのダンパ，グリルなどが候補である．実際高速車両のパンタグラフの低騒音化への適用研究が始まっており8)，自動車の未来像にも本技術の採用が掲げられている10)．
送風機への適用に関しても，上記では小型の非常にシビアな軸流ファンを対象にしたが，大型のファンになると表面の植毛がさほど空力性能に影響を与えない場合も考えられる．また，遠心ファンでは流れはもっと複雑になっていると考えられ，このような場合，植毛はもっと効果を発揮すると予想される．風車も同様である．今後，本技術が広く空力騒音の低減に実用化されることを期待したい．
参考文献