Hartmann Generatorによる放射音響特性に関する基礎実験

摘要

一端を閉じた管内に高速噴流が流入すると、管内圧力の変動によって共鳴音が発生する。1918 年にHartmannによって見出されたこの空力音響現象は、高音圧で離散的な周波数音を発生させる。このHartmann Generator と呼ばれる空力音響現象は、噴流を放出するノズルと共鳴管との間で作動流体の圧力変動がもたらす周期的なフィードバック機構として発見された。共鳴の原理は、ノズルからの噴流が共鳴管に流入することによって管内圧力が最大になると、その開口端部に形成される衝撃波面（stand-off shock）が管内圧力の上昇にともなって押し出されるように管軸方向を噴流上流側に移動し、噴流が形成する衝撃波セル構造を横断して準静的といわれる領域まで到達する。その後stand-off shock は、管内圧力が降下するにしたがって、ノズル噴流により共鳴管の開口端部に押し戻される。これら一連の現象が繰り返されることによって、連続的なフィードバック機構が形成されて共鳴現象となると説明されている。近年の研究では、この共鳴現象は共鳴管に流入する噴流の圧力やノズルと共鳴管との距離（ノズル－共鳴管距離、S）に依存した3 つのモードに分類され、それぞれJet Instability Mode（JIM）、Jet Regurgitant Mode（JRG）、Jet Screech Mode（SCM）と呼称される。JIMモードは噴流が亜音速領域で見られる現象で、ノズルから周期的に放出される円環状の渦に付随して弱い圧縮波が共鳴管内に形成されることにより発生する。噴流が超音速領域に到達すると共鳴管端部にstand-off shock が形成されるようになる。このstand-off shockの動作に連動して、噴流が共鳴管内に流入と流出を繰り返すことによりJRG モードが形成される。SCM モードはノズルと共鳴管との距離S と大気圧とノズル出口の圧力比（NPR）に関係して励起され、10 kHz 相当あるいはそれ以上の高周波数帯に離散的な鋭い共鳴音を発生させる。JRG モードからSCM モードへの遷移は、ノズルからの自由噴流が形成する、たる型形状の衝撃波セル構造の長さよりS がより短くなったときにSCM モードが励起される。