新幹線の空気抵抗と空力騒音
新幹線を待っていると，やってきました．
うわさのドクターイエローです．
お昼にこいつに出会うとは，ラッキーです．
そして，ここは車間部の写真です．
車両と車両の間です．ゴム製のひれ状のものがついていて，車間を隠しているのがわかりますね？
さらに，車間の中心あたりが茶色になっていて，車両の黄色とは明らかに違う色になっていることがわかりますね？
では，ここで問題です．
１．なぜ？このようなひれ状のものがついているのでしょう？
２．なぜ？ひれ状のものに，茶色部分と黄色部分があるのでしょう？
考えてみましょう！！
あぁ〜それにしても，町の中には流体問題があふれているなあぁ〜
・・・
では，私の考えです．
１．なぜ？ひれ状のものがあるのか・・・
車両の間の隙間は，隙間というには大きく，当然流れのはく離と付着が発生すると考えられます．
このことから，ひれ状のものがない場合には，空気抵抗も空力騒音も大きくなることが推測でき
ます．つまり，空気抵抗や空力騒音を低減する目的でひれ状のものが設定されていると考えら
れます．
２．なぜ？ひれ状のものに，茶色部分と黄色部分があるのか・・・
上にも書いたように，このひれ状のものの上では，流れがはく離と再付着をしていると考えら
れます．はく離域は死水域とも呼ばれ，流れがよどんでいる箇所です．つまり，メインの流れ
に比べ極端に流れが遅い領域です．ということで，流れとともにやってきた土誇りなどの汚れ
物質がつきやすくなる領域です．したがって，この茶色い部分は単なる汚れです．
オイルフローによる可視化のように埃が流れのはく離と再付着の領域を示してくれていると考
えられます．
自動車においても，流れが遅い部分のほうが汚れます．このことから，汚れ具合を流体解析を活用して予測できないか？という課題があります．
このような「CFDによる汚れの予測解析手法」が可能になれば，逆に汚れにくい自動車デザインを
提案できるようになりますよね．
この技術課題を解決するために何が必要か？
まず，汚れがなぜ付くのか？という汚れの付着メカニズムを明らかにする必要がありますね．
これには，そもそも汚れとは何か？という検討も必要ですね．
そして，付着のメカニズムを定式化すること，さらに一般的な環境の中に汚れがどのくらい存在するか？そして，それらを流体解析に中に取り込むことが必要になります．
すごく面白いですね．2年くらいかかりそうなイメージです．しかもかなり広範囲の知識ノウハウが
必要となるでしょう．学際的な研究課題となりますね．複数のメンバーで研究にあたる必要があり
ます．
スポンサーなど協力社と協力者が欲しいです．
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定常音源解析について
■ 定常音源解析について
市販のソフトウェアで FLUENT と STAR-CD には，定常音源解析機能という
ものが組み込まれています．
これは，なにか？
簡単に言うと．．．
ｋ−εなどによる定常流れ解析結果から，流れ中あるいは壁面での音源の
大きさを評価する機能
です．
実際の音圧レベルを予測するものではなく，
大雑把に音源が大きそうか？小さそうか？
を予測するものと理解したほうが間違いがないと思われます．
主に FLUENT に組み込まれている３種類の手法を概観しましょう．
（なお，FLUENTでは広帯域騒音源モデルと表現しています）
● Proudmanの式
● 境界層騒音モデル
● Lilleyの式（の音源項）
なお，Lilleyの式は STAR-CD にも組み込まれていますね．
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市販のソフトウェアで FLUENT と STAR-CD には，定常音源解析機能という
ものが組み込まれています．
これは，なにか？
簡単に言うと．．．
ｋ−εなどによる定常流れ解析結果から，流れ中あるいは壁面での音源の
大きさを評価する機能
です．
実際の音圧レベルを予測するものではなく，
大雑把に音源が大きそうか？小さそうか？
を予測するものと理解したほうが間違いがないと思われます．
主に FLUENT に組み込まれている３種類の手法を概観しましょう．
（なお，FLUENTでは広帯域騒音源モデルと表現しています）
● Proudmanの式
● 境界層騒音モデル
● Lilleyの式（の音源項）
なお，Lilleyの式は STAR-CD にも組み込まれていますね．
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空力騒音を解析するＣＦＤソフト
■ 空力騒音を解析するＣＦＤソフト
市販されているＣＦＤソフトで，空力騒音の解析機能を有するものを
紹介します．
市販されているＣＦＤソフトで，空力騒音の解析機能を有するものを
紹介します．
| FLUENT | http://www.fluent.co.jp/ |
| 定常音源解析機能，Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)による騒音計算機能，FFT計算機能，SYSNOISEとの連携機能 | |
| STAR-CD | http://www.cdaj.co.jp/ |
| 定常音源解析機能，SYSNOISEとの連携機能 | |
| PAM-FLOW | http://www.esi.co.jp/ |
| Reyon との連携機能 | |
| FrontFlow | http://www.advancesoft.jp/ |
| Lighthill-curlの式，Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H)の式，FFT計算機能 | |
| PowerFLOW | http://www.exa.com/ |
| 非定常解析による直接の音圧予測 | |
| RADIOSS | http://www.mecalog.co.jp/ |
| 非定常解析による直接の音圧予測，FFT計算機能 | |
| 2005年11月時点の各社HPで空力騒音解析機能有りを確認できたソフトです． | |
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空力騒音を解析する方法（３）【ＳＹＳＮＯＩＳＥの問題】
■ 空力騒音を解析する方法（３）【ＳＹＳＮＯＩＳＥの問題】
空力騒音を解析する方法として，一昨年ごろから市販されているものに
SYSNOISE があります．
■空力騒音を解析する方法（２）
でも説明していますね．SYSNOSIE を利用するメリットはそちらをご覧下さい．
ここでは，SYSNOISE を利用する場合の問題について概説しましょう．
（これを理解するためには，正の音源・負の音源，そして，周波数分析に
について，ある程度理解している必要があります．そちらもご覧下さい．）
『SYSNOISE では，CFD解析結果から空力騒音源を取り出し音の伝播解析を実施
します．』
っと宣伝しています．このことを少し具体的に説明しましょう．，
１．LESなどの非定常CFD解析結果から，次のデータを出力します．
・音源であろうと思われる壁面の圧力変動データ
・音源であろうと思われる空間の速度変動データ
２．１で得たデータを SYSNOISE に入力します．
このデータを SYSYNOISE で分析し，伝播解析が可能となります．
以上のように書くと，とても便利なように思えます．恐らくはその期待を
裏切らないケースが多くあるだろうと思います．
ところが．．．．．
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空力騒音を解析する方法として，一昨年ごろから市販されているものに
SYSNOISE があります．
■空力騒音を解析する方法（２）
でも説明していますね．SYSNOSIE を利用するメリットはそちらをご覧下さい．
ここでは，SYSNOISE を利用する場合の問題について概説しましょう．
（これを理解するためには，正の音源・負の音源，そして，周波数分析に
について，ある程度理解している必要があります．そちらもご覧下さい．）
『SYSNOISE では，CFD解析結果から空力騒音源を取り出し音の伝播解析を実施
します．』
っと宣伝しています．このことを少し具体的に説明しましょう．，
１．LESなどの非定常CFD解析結果から，次のデータを出力します．
・音源であろうと思われる壁面の圧力変動データ
・音源であろうと思われる空間の速度変動データ
２．１で得たデータを SYSNOISE に入力します．
このデータを SYSYNOISE で分析し，伝播解析が可能となります．
以上のように書くと，とても便利なように思えます．恐らくはその期待を
裏切らないケースが多くあるだろうと思います．
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周波数分析とは
■周波数分析とは
騒音はマイクで測定します．測定した後は，周波数分析器（FTT）で分析す
ることが一般的です．
したがって，流体騒音解析においても計算結果の音圧を周波数分析する必要
があります．これができないと計算結果の検証もできないことになります．
ということで，今回は周波数分析について勉強しましょう！(^-^)
周波数分析とは，あらゆる時系列の信号を様々な周期・振幅のサイン波信
号に分解することです．
世の中の現象は，いろんなセンサーで測定しますよね．
例えば，歪は歪ゲージ，圧力は圧力センサ，音はマイクロフォン，等々．
それらのセンサーは測定値を電気信号（電圧の変化や電流の変化）として
出力します．
それらの信号は図にするとこんな感じです．
こういう信号を大小様々なスケールのサイン波信号に分解できます．
（逆にいえば，サイン波信号で近似できるということです．）
それがフーリエ解析であり，それを素早く実行する方法がＦＦＴ
Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅ Ｔｒａｎｓｆｏｍａｔｉｏｎ
です．その機能を簡便に提供してくれるのが小野測器などから販売されてい
るＦＦＴアナライザー（周波数分析器）になります．
一つの信号は，大きさと時間という情報が持っています．これをＦＦＴで分
析すると，
周波数スペクトル図（横軸が周波数，縦軸が大きさ）
位相スペクトル図（横軸が周波数，縦軸が位相）
が得られます．
周波数スペクトルが大きさの情報，位相スペクトルが時間情報となります．
周波数スペクトルは，各周波数ごとの大きさ（振幅の大きさやエネルギーの
大きさ）を表しています．
位相スペクトルは，各周波数ごとの位相（−180度〜＋180度）を表していますが，基準は１次成分をゼロとして位相差として求められます．
通常，定常的に発生する騒音の場合，位相スペクトルはあまり気にしません．
エンジン騒音など騒音源がはっきりしている場合は，位相スペクトルつまり
エンジン回転を基準にした時間情報も有効になってきます．
「この音はエンジン回転に対して，○○度位相がずれている」．．．とかね．
ＦＦＴについて詳しく知りたい方は，以下の小野測器のページで勉強してく
ださいね．
http://www.onosokki.co.jp/HP-WK/c_support/newreport/analyzer/index.htm
さて，音源には正の音源と負の音源があると説明しましたね．
正の音源・負の音源 http://kurikisouon.blog7.fc2.com/blog-entry-34.html
絶対値が同じ大きさの”正の音源と負の音源”はそれぞれ何が違うでしょうか？
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騒音はマイクで測定します．測定した後は，周波数分析器（FTT）で分析す
ることが一般的です．
したがって，流体騒音解析においても計算結果の音圧を周波数分析する必要
があります．これができないと計算結果の検証もできないことになります．
ということで，今回は周波数分析について勉強しましょう！(^-^)
周波数分析とは，あらゆる時系列の信号を様々な周期・振幅のサイン波信
号に分解することです．
世の中の現象は，いろんなセンサーで測定しますよね．
例えば，歪は歪ゲージ，圧力は圧力センサ，音はマイクロフォン，等々．
それらのセンサーは測定値を電気信号（電圧の変化や電流の変化）として
出力します．
それらの信号は図にするとこんな感じです．
こういう信号を大小様々なスケールのサイン波信号に分解できます．
（逆にいえば，サイン波信号で近似できるということです．）
それがフーリエ解析であり，それを素早く実行する方法がＦＦＴ
Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅ Ｔｒａｎｓｆｏｍａｔｉｏｎ
です．その機能を簡便に提供してくれるのが小野測器などから販売されてい
るＦＦＴアナライザー（周波数分析器）になります．
一つの信号は，大きさと時間という情報が持っています．これをＦＦＴで分
析すると，
周波数スペクトル図（横軸が周波数，縦軸が大きさ）
位相スペクトル図（横軸が周波数，縦軸が位相）
が得られます．
周波数スペクトルが大きさの情報，位相スペクトルが時間情報となります．
周波数スペクトルは，各周波数ごとの大きさ（振幅の大きさやエネルギーの
大きさ）を表しています．
位相スペクトルは，各周波数ごとの位相（−180度〜＋180度）を表していますが，基準は１次成分をゼロとして位相差として求められます．
通常，定常的に発生する騒音の場合，位相スペクトルはあまり気にしません．
エンジン騒音など騒音源がはっきりしている場合は，位相スペクトルつまり
エンジン回転を基準にした時間情報も有効になってきます．
「この音はエンジン回転に対して，○○度位相がずれている」．．．とかね．
ＦＦＴについて詳しく知りたい方は，以下の小野測器のページで勉強してく
ださいね．
http://www.onosokki.co.jp/HP-WK/c_support/newreport/analyzer/index.htm
さて，音源には正の音源と負の音源があると説明しましたね．
正の音源・負の音源 http://kurikisouon.blog7.fc2.com/blog-entry-34.html
絶対値が同じ大きさの”正の音源と負の音源”はそれぞれ何が違うでしょうか？
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正の音源・負の音源
■ 正の音源・負の音源
■音を誘起する渦
■渦が圧力変動を引き起こす
などを通して，渦が空力音を引き起こすことを説明してきました．
さて， 渦？
お風呂の栓を抜いたとき，北半球と南半球では発生する渦の回転が逆になる？
とか聞いたこと，ありませんか？
コリオリの力によって〜うんぬん〜．．．結局，風呂桶の形などの影響の方
が大きくて，回転はそれによって変わるというのが真実らしいのですが．．．
さて，渦には回転方向があることを思い出して頂けましたね！二次元で考え
るとわかりやすいので，ここから二次元で考えましょう！
さぁ，この図を見てください．
円柱後方に発生する乱流渦です．この図はLES解析結果です．
赤い渦は左回転，青い渦は右回転です．
流体力学では，左回転を正，右回転を負と定義しています．
定義なので，つまりはルールです．
こういうルールに”何故だ？”と言ってもダメです．((((((^_^;)
それぞれの渦が．．．．．
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■音を誘起する渦
■渦が圧力変動を引き起こす
などを通して，渦が空力音を引き起こすことを説明してきました．
さて， 渦？
お風呂の栓を抜いたとき，北半球と南半球では発生する渦の回転が逆になる？
とか聞いたこと，ありませんか？
コリオリの力によって〜うんぬん〜．．．結局，風呂桶の形などの影響の方
が大きくて，回転はそれによって変わるというのが真実らしいのですが．．．
さて，渦には回転方向があることを思い出して頂けましたね！二次元で考え
るとわかりやすいので，ここから二次元で考えましょう！
さぁ，この図を見てください．
円柱後方に発生する乱流渦です．この図はLES解析結果です．
赤い渦は左回転，青い渦は右回転です．
流体力学では，左回転を正，右回転を負と定義しています．
定義なので，つまりはルールです．
こういうルールに”何故だ？”と言ってもダメです．((((((^_^;)
それぞれの渦が．．．．．
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空力騒音を解析する方法（２）
■空力騒音を解析する方法（２）
前回（空力騒音を解析する一般的方法）の続きです．
前回は ＣＦＤ＋Lighthill-Curle による方法を説明しました．
この方法で計算できる市販ソフトウェアを紹介しましょう．
【空力騒音を解析するＣＦＤソフト】
FLUENT, FrontFlow
SCRYU/Tetra にも ＬＥＳ解析機能と騒音解析機能（予定Lighthill-curle）が
追加になるそうです．
秋のバージョンアップにて実装予定とのことでした．
▼注意点▲それぞれのソフトは機能を提供するだけです．
精度を保証するものではありませんので，ご注意ください．＿(‥ )フーン
-----------------------
さて，空力騒音を解析するもう一つの方法を紹介しましょう．
”ＣＦＤ＋音響解析”による方法です．
音響解析ソフトは，ＲＡＹＯＮ，ＡＢＡＱＵＳ，ＷＡＮＯＮ，
ＳＹＳＹＮＯＩＳＥ と幾つかあります．
どのソフトでも音源の粒子速度を入力データとして与えることができれば，
音響解析を実施することができます．
音源の粒子速度？．．．つまり，音波のみによる媒質粒子の速度です．
それは，，，いや，，，測定できないでしょう！？・・・という値です．
ＣＦＤで得られる計算結果は”流れの速度＋音波による速度”，
つまり合計の値で，それらを分離することは難しいのです．
構造振動系の音響解析の場合は，音源となっている物体表面の振動速度を
測定し音源の粒子速度として与えます．
それではＣＦＤの結果から空力騒音解析をする場合は？
音源となるであろう表面の速度（ＣＦＤ計算結果）を音響解析ソフトの
入力データとして渡せばいいんです．
まっ，粒子速度と同等でしょう！という仮定をしていることになります．
長くなりましたが，そのようなデータの引渡しを備えているソフト，
つまり，”ＣＦＤ＋音響解析”がすぐに実現できる市販ソフトは，
ＳＹＳＮＯＩＳＥ
です．現在，
【ＳＴＡＲ−ＣＤ】＋【ＳＹＳＮＯＩＳＥ】
【ＦＬＵＥＮＴ】＋【ＳＹＳＮＯＩＳＥ】
が利用可能です．音響解析によるメリットは，反射・回折なども考慮できる
ということです．
つまり，音場の中に壁がある場合，その壁での反射・透過・回折などが考慮
できるという点です．
また，音場の音圧分布を一目でわかるようにコンター図を描くこともできます．
まとめますと，空力騒音を解析計算で求める方法は
ＣＦＤ＋Lighthill-Curle による方法
ＦＬＵＥＮＴ，ＳＴＡＲ−ＣＤ
ＣＦＤ＋音響解析による方法
ＳＴＡＲ−ＣＤ＋ＳＹＳＮＯＩＳＥ
ＦＬＵＥＮＴ＋ＳＹＳＮＯＩＳＥ
があります．
．．．で，ＳＹＳＮＯＩＳＥを使うデメリットはないのでしょうか？
ふっふっふ，それは次回にお話しします．(-_☆)キラリ
前回（空力騒音を解析する一般的方法）の続きです．
前回は ＣＦＤ＋Lighthill-Curle による方法を説明しました．
この方法で計算できる市販ソフトウェアを紹介しましょう．
【空力騒音を解析するＣＦＤソフト】
FLUENT, FrontFlow
SCRYU/Tetra にも ＬＥＳ解析機能と騒音解析機能（予定Lighthill-curle）が
追加になるそうです．
秋のバージョンアップにて実装予定とのことでした．
▼注意点▲それぞれのソフトは機能を提供するだけです．
精度を保証するものではありませんので，ご注意ください．＿(‥ )フーン
-----------------------
さて，空力騒音を解析するもう一つの方法を紹介しましょう．
”ＣＦＤ＋音響解析”による方法です．
音響解析ソフトは，ＲＡＹＯＮ，ＡＢＡＱＵＳ，ＷＡＮＯＮ，
ＳＹＳＹＮＯＩＳＥ と幾つかあります．
どのソフトでも音源の粒子速度を入力データとして与えることができれば，
音響解析を実施することができます．
音源の粒子速度？．．．つまり，音波のみによる媒質粒子の速度です．
それは，，，いや，，，測定できないでしょう！？・・・という値です．
ＣＦＤで得られる計算結果は”流れの速度＋音波による速度”，
つまり合計の値で，それらを分離することは難しいのです．
構造振動系の音響解析の場合は，音源となっている物体表面の振動速度を
測定し音源の粒子速度として与えます．
それではＣＦＤの結果から空力騒音解析をする場合は？
音源となるであろう表面の速度（ＣＦＤ計算結果）を音響解析ソフトの
入力データとして渡せばいいんです．
まっ，粒子速度と同等でしょう！という仮定をしていることになります．
長くなりましたが，そのようなデータの引渡しを備えているソフト，
つまり，”ＣＦＤ＋音響解析”がすぐに実現できる市販ソフトは，
ＳＹＳＮＯＩＳＥ
です．現在，
【ＳＴＡＲ−ＣＤ】＋【ＳＹＳＮＯＩＳＥ】
【ＦＬＵＥＮＴ】＋【ＳＹＳＮＯＩＳＥ】
が利用可能です．音響解析によるメリットは，反射・回折なども考慮できる
ということです．
つまり，音場の中に壁がある場合，その壁での反射・透過・回折などが考慮
できるという点です．
また，音場の音圧分布を一目でわかるようにコンター図を描くこともできます．
まとめますと，空力騒音を解析計算で求める方法は
ＣＦＤ＋Lighthill-Curle による方法
ＦＬＵＥＮＴ，ＳＴＡＲ−ＣＤ
ＣＦＤ＋音響解析による方法
ＳＴＡＲ−ＣＤ＋ＳＹＳＮＯＩＳＥ
ＦＬＵＥＮＴ＋ＳＹＳＮＯＩＳＥ
があります．
．．．で，ＳＹＳＮＯＩＳＥを使うデメリットはないのでしょうか？
ふっふっふ，それは次回にお話しします．(-_☆)キラリ
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