特 集 特 集 * 冷 媒 流 動 騒 音 の 発 音 源 と 等 価 流 体 加 振 力 の 定 量 化 技 術 の 開 発 Development of Airborne Source and Fluid-borne Equivalent Force Quantification Technology for Refrigerant Flow Noise 森 川 将 徳 Masanori MORIKAWA 須 藤 知 宏 Tomohiro SUDO 石 井 智 也 Tomoya ISHII Recently for an interest in fuel-efficiency, a strong demand for hybrid vehicles and electric vehicles emerges rapidly. Engine noise, which used to be significant in cabin acoustic, cannot be considered to be always present to mask other noise as air conditioner s noise. The noise from air conditioning system occurs when operational forces excite structures, and structural vibration often become airborne sources on external surfaces, resulting in radiation noise problem. Even if force levels are low, acoustic sources are generated easily, and they often make noise issue. A proper countermeasure is required, but this is not always available due to design limitation in the development and due to lack of relevant technical approach. This paper describes the technique to characterize fluid-borne source in a form of equivalent force levels, and also to quantify contribution of acoustic source to solve the refrigerant flow noise quickly and accurately. Key words:(standardized)noise, accessory and device noise,(free)air conditioner, Airborne noise 1.まえがき 近 年, 省 燃 費 の 求 が 高 まりEV( 電 気 自 動 車 ),HV (ハイブリッド 車 )の 需 が 急 速 に 高 まってきている. それに 伴 い,エンジンが 稼 動 しないシーンが 増 え, 車 室 内 の 静 粛 性 も 益 々 高 まっている. 一 方,カーエアコ ン 開 発 においても, 空 調 性 能 だけではなく, 低 騒 音 化 も 一 層 重 となってきている.カーエアコンの 騒 音 は, 能 部 品 が 作 動 することで 発 生 する 加 振 力 が, 伝 達 経 路 で 増 幅 した 振 動 となり,それが 空 気 を 揺 らすことに より 発 生 する.したがって, 加 振 力 が 小 さくても, 発 音 面 が 大 きく 振 動 すれば 増 幅 されて 発 生 する. 一 般 的 に, 発 音 源 と 加 振 源 のいずれか 一 方 のみの 改 良 で 静 粛 性 を 満 足 させることは 難 しい.したがって, 短 時 間 で 効 果 的 に 改 良 を 行 うためには, 発 音 源 と 加 振 源 の 寄 与 度 を 定 量 的 に 求 めることが 重 となる. 本 研 究 では,カーエアコンの 冷 媒 流 動 騒 音 に 対 し, 発 音 源 の 騒 音 への 寄 与 度 と 加 振 力 を 高 精 度 に 定 量 化 で きる 手 法 を 検 討 し, 実 用 可 能 な 技 術 を 構 築 したので 報 告 する. ある.Fig. 1にエアコンの 構 成 部 品 の 一 部 を 示 す. 配 管 内 で の 渦 の 発 生 状 況 を 簡 易 的 な 数 値 流 体 解 析 (Computational Fluid Dynamics: 以 下 CFDと 略 す)にて 確 認 した. Fig. 2に 配 管 内 の 流 れ 解 析,Fig. 3に 圧 力 解 析 の 結 果 をそれぞれ 示 す. Fig. 1 Part of A / C component Fig. 2 Result of flow analysis 2.カーエアコンの 冷 媒 流 動 騒 音 カーエアコンの 冷 媒 流 動 騒 音 の 一 つとして, 配 管 内 で 発 生 した 渦 が 加 振 源 となり 発 生 するキャビティ 音 が Fig. 3 Result of pressure analysis *( 社 ) 自 動 車 技 術 会 の 了 解 を 得 て, 自 動 車 技 術 会 論 文 集 No. 137-13, 20135746より 一 部 加 筆 して 転 載 35
デンソーテクニカルレビュー Vol. 20 2015 これは, 配 管 嵌 合 部 を 模 式 的 に 解 析 した 結 果 であり, 図 中 の 凹 部 が 嵌 合 部 にあたる.これより, 加 振 力 は 凹 部 の 上 流 端 部 で 発 生 する 渦 (Fig. 2 参 照 )が, 下 流 端 部 で 衝 突 し 圧 力 波 を 発 生 する(Fig. 3 参 照 )ことで, その 波 が 上 流 端 部 まで 伝 播 し, 再 びそれを 誘 発 すると いったフィードバック 現 象 で 発 生 していることが 確 認 できる. 更 に,その 圧 力 波 は 配 管 上 流 へと 伝 播 してい く 様 子 が 見 られた.つまり,カーエアコンで 発 生 する キャビティ 音 は, 複 数 の 配 管 嵌 合 部 で 発 生 した 加 振 力 が, 配 管 やホースなどのエアコン 構 成 部 品 の 発 音 しや すい 部 位 に 伝 わり, 発 生 していると 考 えられる. ここで,キャビティ 音 の 伝 達 メカニズムをモデル 化 したものをFig. 4に 示 す.ここでF1 Fαは 加 振 力,Q1 Qβは 発 音 源 の 体 積 加 速 度,H1 Hβは 空 気 伝 播 特 性, Pは 任 意 の 評 価 点 の 音 圧 レベルである. 渦 は 配 管 内 のいたる 所 で 発 生 するため 複 数 存 在 す る.したがって 加 振 源 も 複 数 存 在 し,それらの 加 振 源 が 伝 達 経 路 で 相 互 に 影 響 しながら 増 幅 し,サイクル 内 に 複 数 存 在 する 発 音 面 を 形 成 し,それが 空 気 伝 播 しキ ャビティ 音 となる. 3.1 キャビティ 音 への 適 用 検 討 一 般 的 には, 平 面 から 放 射 する 構 造 物 の 場 合, 体 積 加 速 度 の 定 量 化 は 困 難 なため, 壁 面 振 動 から 算 出 する. しかしながら,エアコンシステムでは 配 管 やホース といった 円 筒 形 状 の 壁 面 での 体 積 加 速 度 の 定 量 化 が 必 となる. そこで, 本 研 究 では 任 意 の 音 源 を 設 定 し,Fig. 5の よ う に,そ の 近 傍 音 p [Pa]と 音 源 か ら の 伝 達 関 数 h[(pa)/(m 3 /s 2 )]で, 体 積 加 速 度 Q [m 3 /s 2 ]を 定 量 化 する 手 法 を 検 討 した. Fig. 5 Relations of a microphone and the sound source ここで,マイクロフォンは 近 傍 の 音 源 から 伝 播 する 音 のみを 測 定 し, 他 の 音 源 から 独 立 していると 仮 定 す れば, 式 (2)を 得 る. Fig. 4 Refrigerant flow noise - transfer path model そこで 今 回, 発 音 源 Qと 任 意 の 評 価 点 における 騒 音 への 寄 与 度, 加 振 力 Fを 定 量 化 する 技 術 開 発 を 試 みた. 3. 発 音 源 の 寄 与 度 の 定 量 化 発 音 源 の 寄 与 度 定 量 化 には 空 気 伝 播 音 寄 与 度 解 析 (Airborne Source Quantification 以 下 ASQ)を 用 いた. ASQは 式 (1)のように, 各 発 音 面 の 体 積 加 速 度 Qβ[m 3 /s 2 ]に,その 点 から 任 意 の 評 価 点 までの 伝 達 特 性 Hβ[(Pa)/(m 3 /s 2 )]を 掛 け 合 わせ, 評 価 点 での 音 圧 レベルP [Pa] を 算 出 し, 発 音 源 の 寄 与 度 を 定 量 化 する 手 法 であ る. まず,マイク 位 置 を 決 定 するために, 音 源 位 置 の 分 布 を 予 測 した.ここで 振 動 モードに 着 目 し,モードの 腹 の 点 を1つの 点 音 源 で 代 表 できると 考 えた.つまり 音 源 は 着 目 する 周 波 数 における 配 管 振 動 モードの 波 長 の1/2で 分 布 すると 推 測 した. 次 に, 理 論 式 から 伝 達 関 数 hβの 同 定 を 実 施 した. そこで, 音 源 とその 近 傍 音 を 測 定 するマイクロフォン の 距 離 Rを 検 討 した(Fig. 5).ここで, 空 気 密 度 をρ, 波 数 をk(k=ω/c cは 音 速,ωは 角 速 度 )とすれば, 伝 達 関 数 は 式 (3)で 表 せる. 実 現 象 を 考 慮 すれば, 音 源 とマイクロフォン 設 置 位 置 とのずれがあり, 可 能 な 限 り 音 が 広 がった 音 源 から 離 れた 位 置 で 音 を 測 定 することが 望 ましい.そこで, 体 積 加 速 度 を 発 生 する 音 源 から, 任 意 の 点 に 設 置 した マイクロフォンまでの 伝 達 関 数 の 計 測 を 実 施 し, 距 離 R と 伝 達 関 数 の 関 係 を 実 験 的 に 調 査 した. 結 果 をFig. 6に 示 す.これより,C 点 以 上 の 間 隔 をとれば, 伝 達 関 数 が 理 論 通 りであることがわかる. 36
特 集 その 結 果 をFig. 8に 示 す. これよりキャビティ 音 の 発 生 する 周 波 数 において 十 分 な 解 析 精 度 が 得 られるこ とが 確 認 できた. Fig. 6 Transfer function and measurement state 一 方 で, 式 (2)で 仮 定 した 独 立 性 を 満 足 するには, 可 能 な 限 り 音 源 の 近 くで 測 定 する 必 がある. 以 上 の ことより 本 研 究 においては,C 点 の 距 離 Rを 選 定 し, 今 後 の 実 検 証 を 進 める. Fig. 8 Validation of ASQ for cavity noise 3.2 実 検 証 実 際 のエアコンサイクルで 発 生 したキャビティ 音 に 対 し, 発 音 源 の 定 量 化 をおこなった. 前 節 の 通 りにマ イクロフォンを 設 置 し,キャビティ 音 発 生 時 の 近 傍 音 を 多 点 同 時 測 定 する. 次 に, 理 論 的 に 伝 達 関 数 を 算 出 し, 式 (2)に 代 入 すれば,エアコンサイクルに 分 布 する 発 音 源 が, 体 積 加 速 度 Qとして 定 量 化 できる. 結 果 をFig. 7に 示 す.これより,5.8kHz 付 近 ではマイク ロフォン08, 27における 体 積 加 速 度 が 大 きいとわかる. なお,HVAC 等 の 平 面 で 発 生 する 音 源 に 関 しては, 前 節 と 同 様 にして 伝 達 関 数 を 理 論 式 から 算 出 した. 更 に, 式 (1)において, 評 価 点 にて 各 発 音 源 によ り 生 じる 音 圧 レベルを 個 々に 算 出 すれば, 寄 与 度 が 算 出 できる.その 結 果 をFig. 9に 示 すが,ここでは 結 果 の 簡 化 のためにコンポーネントごとで 寄 与 度 を 集 計 し 表 記 している.これにより,5.8kHz 付 近 の 騒 音 上 昇 はコンポーネント4が 発 音 源 であることがわかる. 以 上 のように, 冷 媒 流 動 騒 音 に 対 し 寄 与 度 の 高 い 部 位 を 定 量 化 する 手 法 を 構 築 できた. Fig. 9 Contribution Map Fig. 7 Volume acceleration of cavity noise 計 算 値 に 対 する 精 度 検 証 は, 任 意 の 評 価 点 を 選 択 し, その 点 の 音 圧 レベルの 実 測 値 と 解 析 値 を 比 較 すること で 実 施 した.ここで 述 べる 解 析 値 は, 式 (1)に 定 量 化 した 各 発 音 源 の 体 積 加 速 度 [m 3 /s 2 ]と,その 各 点 から 評 価 点 までの 音 響 感 度 特 性 [(Pa)/(m 3 /s 2 )]の 実 測 値 を 代 入 し 算 出 した. 4. 加 振 力 の 定 量 化 4.1 定 量 化 手 法 の 検 討 前 章 では, 発 音 源 の 定 量 化 について 解 析 技 術 を 構 築 したが, 本 章 では,キャビティ 騒 音 における 加 振 力 の 定 量 化 について 検 討 を 進 める.なお 本 研 究 では, 渦 の 加 振 力 を 直 接 的 に 定 量 化 する 方 法 ではなく, 配 管 に 励 起 される 加 振 力 を 実 験 的 に 同 定 することを 考 えた. 37
デンソーテクニカルレビュー Vol. 20 2015 一 般 に, 加 振 力 の 算 出 方 法 として 動 ばね 法 と 逆 マト リクス 法 がある. 動 バネ 法 はフックの 法 則 を 用 いて, バネ 定 数 と 変 位 量 から 加 振 力 を 算 出 する 方 法 である. したがって, 加 振 力 が 大 きく,かつ 変 位 の 大 きいエン ジンのような 対 象 物 に 対 しては, 高 精 度 な 解 析 が 得 ら れるが, 冷 媒 流 動 騒 音 は 加 振 力 が 小 さく 計 測 ノイズの 影 響 を 受 けやすいため, 十 分 な 精 度 が 期 待 できない. 一 方, 逆 マトリクス 法 は, 実 稼 動 時 の 振 動 レベルと 加 振 力 の 入 力 点 からの 伝 達 関 数 により 定 量 化 されるた め, 冷 媒 流 動 騒 音 に 対 しても 精 度 良 く 算 出 できる 可 能 性 がある. そこで 本 研 究 では 逆 マトリクス 法 を 用 いた 加 振 力 の 定 量 化 を 試 みることにした. 4.2 逆 マトリクス 法 まず, 加 振 力 と 配 管 振 動 の 関 係 を 考 えれば, 加 振 力 の 入 力 点 {F}m, 実 稼 働 時 の 配 管 振 動 {X}n, 入 力 点 から 配 管 振 動 測 定 点 まで 伝 達 関 数 [H]nmは 式 (4)となる. σminが 測 定 誤 差 等 に 相 当 する 可 能 性 も 指 摘 される. 一 般 的 には,σmax/σminが 小 さいと, 加 振 力 はより 安 定 して 推 定 されると 見 なされている. つまり, 加 振 力 を 高 精 度 で 算 出 するには,キャビテ ィ 音 と 関 係 する 加 振 源 を 逆 行 列 計 算 に 含 める 必 があ る.そこで, 本 研 究 では 配 管 嵌 合 部 のみ 限 定 し, 加 振 源 を 定 量 化 することで 精 度 の 向 上 を 実 施 した. 4.3 実 への 適 用 配 管 嵌 合 部 において 発 生 する 加 振 力, 逆 マトリクス 法 によって 算 出 した 結 果 をFig. 10に 示 す. このように, 周 波 数 に 対 して 各 配 管 嵌 合 部 で 発 生 す る 加 振 力 を 定 量 化 することができた. ここで,{F}mを 算 出 するには,[H]nmの 逆 行 列 を 計 算 する 必 がある.しかしながら, 一 般 に 実 験 的 な 誤 差 の 影 響 を 小 さくするため,n>mとするため, 逆 行 列 が 存 在 しない.そこで 擬 似 逆 行 列 [H] + nmを 以 下 の 式 (5) のように 作 成 すれば, 加 振 力 は 式 (6)で 算 出 される. ここで, 伝 達 関 数 [H]nmの 疑 似 逆 行 列 を 作 成 するにあ たり, 式 (7)に 示 すように 特 異 値 分 解 が 必 となる. Fig. 10 Operational force at source location 次 に 定 量 化 した 加 振 力 の 精 度 検 証 を 実 施 した. 検 証 方 法 は4.2で 算 出 した 加 振 力 [N]に, 実 測 した 各 入 力 点 から 評 価 点 までの 音 圧 感 度 特 性 [(Pa)/(N)]を 掛 け 合 わす ことで 算 出 し 比 較 した. その 結 果 をFig. 11に 示 す.これより,キャビティ 音 の 発 生 する 周 波 数 において 周 波 数,ピーク 音 圧 はほぼ 一 致 しており, 十 分 な 解 析 精 度 が 得 られることが 確 認 できた. 今, 特 異 値 (σ1,σ1,,σn)において, 最 大 値 をσmax, 最 小 値 をσminとする.この 時,σmax/σ minが 小 さいことは, 特 異 値 の 存 在 する 範 囲 が 狭 いこ とを 示 し, 独 立 する 各 現 象 が 均 等 に 活 性 化 されている ことを 示 唆 する. 一 方,σmax/σminが 大 きい 場 合 は, Fig. 11 Crosschecked by sound pressure level 38
特 集 5.むすび (1) 理 論 式 から 伝 達 関 数 を 算 出 し, 体 積 加 速 度 による 発 生 源 の 定 量 化 を 行 った. (2)キャビティ 音 に 対 し, 騒 音 の 寄 与 度 の 高 い 部 位 を 定 量 化 する 手 法 を 構 築 した. (3)CFDで 加 振 源 を 推 定 した 上 で 逆 マトリクス 法 を 用 いることで, 冷 媒 による 加 振 力 の 定 量 化 を 可 能 にし た. < 参 考 文 献 > 1) 石 井 智 也 : 振 動 伝 達 経 路 解 析 のカーエアコン 用 コ ンプレッサへの 適 用, 学 術 講 演 会 前 刷 集 No.124-12 P.5-8(2012) 2)Wyckaert Kartrien: 実 稼 働 解 析, 伝 達 経 路 解 析,モー ダル 解 析 - 自 動 車 のロードノイズ 問 題 を 解 決 する ためのツール, 自 動 車 技 術 会 Vol.50 No.3 P.69-74 (1996) 3) 岩 原 光 男 : 逆 行 列 法 を 用 いた 伝 達 経 路 解 析, 法 政 大 学 情 報 メディア 教 育 研 究 センター 研 究 報 告 Vol. 23(2010) 4) 曽 根 原 努 : 伝 達 経 路 解 析 の 一 般 化 に 関 する 考 察, 自 動 車 技 術 会 論 文 集 Vol.41 No.6 P.1433-1438 (2010). 5) 久 世 正 文 : 低 周 波 数 振 動 騒 音 に 対 するサスペンシ ョンエンジンマウント 伝 達 経 路 解 析 の 精 度 向 上, Honda R&D technical review Vol.16 No.1 P197-200 (2004) 6)J. Verheij, Multipath sound transfer from resiliently mounted shipboard machinery, PhD Dissertation, Technische Physische Dienst TNO-TH, Delft, 1986. 7)D, De Vis, W. Hendricx, P. van der Linden, Development and Integration of an Advanced Unified Approach to Structure Borne Noise Analysis, 2nd Int. Conference on Vehicle Comfort, ATA, 1992. 39
デンソーテクニカルレビュー Vol. 20 2015 < 著 者 > 森 川 将 徳 (もりかわ まさのり) 熱 性 能 開 発 部 学 士 ( 工 学 ) NV 解 析 評 価 技 術 開 発 に 従 事 須 藤 知 宏 (すどう ともひろ) 熱 性 能 開 発 部 学 士 ( 工 学 ) NV 解 析 評 価 技 術 開 発 に 従 事 石 井 智 也 (いしい ともや) 熱 性 能 開 発 部 修 士 ( 工 学 ) NV 解 析 評 価 技 術 開 発 に 従 事 40