静粛性航空機設計のために大学－企業間の橋渡し - SAI; Silent Aircraft
31 Dec 2009
空港が運営上の制限緩和を試みることや新しい空港用地を検討する場合、空港を敬遠する共同体の抗議に忙殺されるため、製造業者、運営者、航空会社、専門家は、多角的に実行可能な騒音問題の解決法を見つけることに奮闘中です。
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Case Study
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英国民間航空局、ロールスロイス、ボーイング、ルートン空港を含む、大規模パートナーネットワークの技能、知識、技術の粋を集めて、Silent Aircraft Initiative(SAI)は、騒音低減における真に革新的なアプローチをもたらしました。革新的改良と投資家の関与を許容する、構造化プラットフォームによって、空港周辺の外で事実上騒音が聞こえない試作航空機の開発までに達成し、そのトータルソリューションは、短期、中期、長期に分割されました。
試作飛行機を設計する場合に、SAIチームは音響学上の音の原理に注目しました。これは、「チューブと翼」構造という伝統的な設計慣習を捨て、飛行機が離着陸するときにエンジンのうなりから地表の人々を守るために、最大の単独音源であるエンジンを機体に埋め込むことを意味しました。
航空機騒音の最も明白な音源は航空機のエンジンですが、エンジン設計の継続的な改良により機体など、最前部の他の原因が際立ってきました。着陸時に航空機の速度を落とすために抵抗力が必要となり、機体の周りに乱流が発生させるので、結果として乱流音が考慮しなければならない騒音源となりました。
機体に関連する設計問題を解決するために、専任の機体チームがSAIの中に設立されました。このチームは、機体問題に特化した予測ツール、空力音響テスト、革新的アプリケーションを使用することで、どのように機体騒音が発生するか、さらにどうすれば必要な航空力学を維持しながら音圧レベルを目標レベルまで下げられるか、について独自の見識を得ました。このSAIにおける最新のテストシナリオの１つにおいて、ブリュエル・ケアーは技術サポートと最先端ソリューションを提供しました。
音響工学
その試験はSAIの研究者であるHo Chul-Shin博士とAndrew Faszer氏によって率いられ、Andrew氏は研究プロジェクトの中心にありました。その１つは、後縁（trailing-edge plate）に各種サイズの交換可能な換気スロット（スロットのないものから完全穴あきスロットまでの）を備える、ユニークな翼の研究プロジェクトでした。
Andrew氏は、アルバータ大学で機械工学の学士を卒業し、ケンブリッジ大学のPhD志願者です。彼は大学生のときから音響工学を研究し、SAIプロジェクトの積極的な騒音目標設定によるケンブリッジ大学に惹かれていました。Andrew氏の研究は、SAI 機体チームのメンバーとして、航空機の進入と着陸時の機体の最低の空力騒音パラメータ、つまり翼の後縁騒音を計測し、その騒音レベルを巧みに扱って減少するまでを確立することに役立つことになります。「翼の後縁騒音は航空機から発生する最小の騒音であり、非常に低レベルであるため、その測定は大変に難しいことです。しかし、『静かな』航空機から発生することになる、最小レベルの騒音のベンチマークを設定する場合に、私たちはこの後縁騒音を測定できることが必要です。」とAndrew氏は説明します。
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ケンブリッジのWhittle研究所で行われるテストは、代表的な航空機の進入と着陸を表わすように比例的に同様の風の状態を作り出すために、この研究所の"Markham"型オープンジェット風洞を用いて行われました。
気流中に翼を置くことで、翼の先端（後縁）にて散乱する、空気の乱流から発生する騒音を測定できます。後縁プレートの変更とこれらのプレートを通り抜ける空気の操作により、翼の表面に近接する気流層である、境界層から発生する騒音レベルの影響を操作することができます。
ブリュエル・ケアーの最新コンボアレイシステムを用いて、遠距離音場測定のビームフォーミングと近距離音場測定の統計的最適近距離音響ホログラフィ(Statistically Optimised Near-field AcousticHolography: SONAH)を組み合わせ、アレイの構成形状を変更しないで、広範囲の周波数をカバーしました。「このアレイは、風洞、人およびアレイ表面などのあらゆる外部音源の影響を無効にしながら、試験対象物に焦点を合わせます。」と、試験に立ち会ったブリュエル・ケアーのイノベーションスペシャリストであるClaus Blaabjergは説明しました。
反射を最小にする吸音材料であるフォーム材を取り付けて、さらに気流の外にアレイを置いて、PULSE Beamformingソフトウェアを使用して遠距離音場測定を行ないました。近距離音場測定にはソフトウェアに組み込まれたSONAHアルゴリズムを使用しました。シングルアレイソリューションのシステムだけで、マイクロホンを再設定することなく、広範囲の周波数領域（200Hz‐10kHz）にわたる高位置分解能の音源マップを研究者に提供できます。分析が終わると直ちに騒音源の正確なマップが得られるので、Andrew氏は驚きました。「1回の測定時間はわずか5秒ですから、測定が早いので喜んでいます。」
結論
PULSE Data Managerに保存された生データを使って、Andrew 氏は、PULSE Beamformingでポスト解析の測定を検索し、レビューと比較用にグラフとレポートを作成しました。Andrew氏の解析は「後縁プレートは後縁騒音の操作に成功し、境界層を吸い込むことで後縁騒音はわずかに減少できる」ことが示されました。彼は「翼のモデルによって発生した後縁騒音の同定と測定に成功しました。」とうれしそうに結論づけました。その結果、「境界層（音源）の特性と後縁騒音の伝搬との関係について、よりよい理解が得られました。境界層の操作（プレートとプレートを通る空気の吸引または噴出の変更）と同様に、後縁騒音の効果（騒音の増加または減少）を観測することによって、後縁騒音発生メカニズムの明快な理解が得られるでしょう。」
SAIのプロジェクトマネージャである、Paul Collins氏は次のようにコメントしています。「ブリュエル・ケアーとの協力は、大学と企業のインタフェースにおける双方向の知識交換の成功事例となりました。われわれの高度な実験技術を支援するために、ブリュエル･ケアーは世界クラスの専門知識と測定システムを提供してくれました。プロジェクト期間とプロジェクト終了後にブリュエル・ケアーとの協力をし続けることを楽しみにしています。」
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