Annular whistle

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ホーンを装着したとき比較的高い効率で一方向性の音を発生し比較的低圧（例えば１５ゲージpsi）
の空気または蒸気のいずれでも作動できる環状（トロイド状）笛に関する。 本発明の笛は、そのように制限されたものでないが、船舶上で、民間防衛の警報機器として、エーロスペース産業の部品の音響応力試験用に、さらに符号通信および／または警報機器として有用である。

本発明の笛は、440ヘルツの周波数のとき、軸線上100フイートで135デシベルの音響出力を発生する。 220ヘルツの周波数のとき、本発明による笛は、１２マイルまでの距離で５５デシベルまでの騒音レベルを発生することが可能であろう。

〔従来の技術〕

本出願人に対し1984年２月７日に発行された米国特許第
4,429,656号は、440ヘルツの周波数のと100フイートで1
25デシベルまでのレベルを発生することのできる環状封鎖チャンバーの笛を開示している。 この特許の笛は、中空シリンダに配設されたトーラスと、トーラスの頂部の取付けられた円形カバーと、シリンダからの空気通路に整合しトーラスを囲繞するカバーから直角に垂下する環状テーパ付リツプとを設け、トーラス、リツプ、カバーが音波を発生する環状室を形成する。 従つて、テーパ付リツプと整合する空気通路は環状室の外径部に配列される。 環状音響室の長さは該室の幅の３倍であり、室の外径は発生音の基礎波長の約0.625倍である。 この特許の笛は二方向性の音を発生する。

エイ． フイツツ（Ａ． Fitts）に対する1865年７月２
５日発行の米国特許第48,921号とエル． バートレツト（Ｌ． Bartlett）に対する1897年１２月２８日発行の米国特許第596,257号は、先行技術を代表する初期の蒸気笛を開示しており、これは少なくとも約４０乃至６０
psigの蒸気圧を必要とし、筒状笛ベルを設けており、該笛ベルの各々は環状スリツトに整合された外縁まわりに垂下するリツプを有し、蒸気は圧力下で環状スリツトを通過し、それによつて音を発生する。

1896年１月に発行されたドイツ特許第84,935号および19
31年４月に発行されたドイツ特許第523,008号は幾分類似の構造物を開示しており、このものでは円形の垂下するテーパ付リツプは音響室を囲繞し、該リツプは圧力下の蒸気を通過させる幅の狭い環状スリツトに整合している。 ドイツ特許第84,935号に開示されている笛の下部は、渦形笛の横断面に似た横断面を有し、このタイプは普通の筒状笛の出力より小さい出力である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

笛は、放射マウスの面積（テーパ付リツプと狭幅の環状スリツトとの間）が室の横断面積に等しいとき、最大の音響出力を発生する。 放射マウス面積が室の面積より大きくなっても、必要とする作動圧力が高まるだけで音響出力は高まらない。 マウス面積の減少は出力の損失となる。 例えば、マウス面積が室の横断面積の半分になると、約１２デシベルの損失が予想される。 従つて、ドイツ特許第84,935号の図面に示されている構成では、高出力は不可能であろう。

上記初期の特許に開示されているタイプの単室笛は、単室の容積により音響出力に制限があり、かなり効率が悪く（約１％乃至３％）、高圧の蒸気または空気を必要とする。 そのような笛の出力は、室の長さと室の直径の割合として３：１を採用すれば、100フイートで約110デシベルとなるであろう。 筒状室の直径をそれの長さに対して大きくしても、出力を著しく増大するのでなく、一層圧縮された蒸気または空気を必要とする。 出力を向上させる試みとして、上述２つの特許は、単一系内に２つ以上の室を組込むことを開示している。 しかしながら、そのような系は、放射マウスが小さいことにより方向性のある出力を発生することができず、また個々の笛室が単一ピツチに相を封鎖することができないため、同じピツチの幾つかの笛を鳴らそうとしても、実際には出力の減少を招くことになる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、一方向性出力を発生させるための単一音色変調系環状笛を提供するもので、 (a)封鎖状基端部、筒状側壁、開放頂単部を有する中空シリンダと、 (b)該シリンダの中空内部への圧力下空気または蒸気通過用入口となる中央円形開口を有する、前記シリンダの基端部と、 (c)前記基端部に対し平行に且つ前記入口の内径の約四分の一に等しい距離前記基端部から離間して前記中空シリンダ内に同軸状に配設され、実質上直角の外縁を有し該縁と前記シリンダとの間に環状開口を設けるように寸法決めされた円形プレートと、 (d)前記シリンダの前記側壁から前記円形プレートの前記縁に向つて内方に突出し前記環状開口を占め、前記プレートの前記外縁から約十六分の一インチ離間してテーパ付内縁を有し、空気または蒸気の通過用環状スリツトを形成するようにした環状フランジと、 (e)前記シリンダの前記頂端部に固定されたもので、前記シリンダの前記頂端部に固定され該シリンダの前記側壁に対し実質上法線を成して内方に突出する環状カバーと、該環状カバーから垂下し内部空室を形成し前記シリンダの前記側壁に対し同軸状にあつて前記環状スリツトに整合し該環状スリツトに向い且つ該スリツトから離間して突出するテーパ付リツプで終結する筒状内壁とから成るトーラスと、 (f)前記プレートに固定され前記トーラスと同軸関係に該トーラスの前記内部空室内に突出する放物線軸方向断面の円形整相プラグと、 (g)前記シリンダの基端部から遠隔の前記トーラスの端部に取付けられた指数ホーンと、 (h)前記トーラスと前記シリンダの前記側壁とが環状音響室を形成し、該音響室の作用長さが前記環状フランジと前記環状カバーとの間の距離であり、前記作用長さが圧力下の空気または蒸気が前記環状スリツトを通過することで発生され前記テーバ付リツプに衝撃を与える音の波長を決定することから成る。

〔発明の作用効果〕

本発明の笛は、出願人の上述特許第4,429,656号の笛とは、テーパ付リツプを環状室の外壁でなく内壁に設けてトーラスを中空シリンダに取付けた点で区別される。 これにより、同じパワー出力を得るのに圧力下の空気または蒸気の使用量が少なくて可能であつて、２５％にも昇る予想し難い効率向上が可能となつた。 同量の空気を使用すると、それに応じて大きなパワー出力が発生され、
ホーンの装着によりこの出力は６０°分散の単一方向性音響ビームに凝集し、軸線上での出力を１０デシベルにまで大きくする。 勿論、本発明の笛は、所望なればユニツトを回転させることにより全360゜を包含するように使用することができる。

既述の通り、米国特許第4,429,656号は二方向性である。 本発明の笛は、ホーンなしで実質上全方向性であるが、ホーンを装着したときは一方向性である。

本発明の笛では、環状室の内径部から環状室に吹き込むことで米国特許第4,429,656号と同様に放射状領域（トーラスの内径部と外径部との間の領域）を十分に励起するものの、同じ蒸気または空気の圧力でそのように行うのに作動領域（トーラスの内径部内の領域）の約７５％
しか使用しない。 例えば、本発明の直径２０インチの笛は直径約１５インチの環状スリツトをもつことになり、
それに対し米国特許第4,429,656号の直径２０インチの笛は、外径部から吹き込まれるため直径２０インチの環状スリツチをもつことになる。 これに関連して、普通の筒状笛は外縁のみしかもたないことは当然であり、したがつて外径部からしか吹き込まれることはない。

純粋の笛は可動部材を一切備えず、そのため可動部材を必要とするサイレン、エアホルン、ダイアフオンのような音を発生する他の器具に比べて保守および耐久性の観点から有利である。 この利点に加えて、本発明の笛は、
極めて強力且つ効率的であり、約１０乃至２０psigの圧力の空気または蒸気のいずれでも操作できる。

環状笛は、同ピツチの多数の普通の筒状笛であれば位相上一緒に吹き込んで操作するため、環状笛の同じ直径の単一の大きなシリンダーよりむしろ高い音響出力を発生する。 直径の大きい単一シリンダの笛は非常に非効率的であり、蒸気または空気の高い圧力および容量を必要とし、同じ直径の環状笛の音響出力に対しかなり低い割合の出力しか発生しない。

サイレンは、ホーンへの空気量を調整する回転チヨツパーを使用している。 ほとんどのサイレンの遠方地域での性能は、出力の高調波成分に制限され、この高調波成分の出力は近隣地域で高いデシベルが読み取られる点で寄与するものの、高周波が大気で吸収されるため遠方地域の伝搬性能には何ら寄与しない。 高調波成分も耳障りとなる。

被変調エア拡声器は、ホーンへの空気量を調整するためにボイスコイル調整弁として作動する。 これらは、一般的に約４乃至５％で効率が低いものである。

強力な音響雑音発生器は複雑であり、ホーンへの高圧気流を調整するポペツト弁を含む可動部材を利用する。

通称タイホンホーンは、ホーンへの気流を調整するために振動ダイアフラムを使用している。 そのような器具の周波数は、ホーンの長さで決まる。 そのようなホーンは非常に協力であるが、効率は５％乃至１０％のオーダーであり、高圧空気が必要である。

ダイアフオンはホーンへの空気量を調整するのに振動する溝付ピストンを使用しており、これも低効率である。

本発明の環状笛の周波数は、環状室の作用長さで決まる。 広範囲の周波数が可能であるが、信号としては200
乃至1000ヘルツの周波数が最も有効である。 周波数は、
マウス面積が環状室の横断面積に等しいとき、以下の公式により決めることができる。

０は、供給パイプおよびコンプレツサ（図示せず）からの空気または蒸気が通過する中央開口１２を除き封錯された基端部１１を含む。 シリンダ１０はさらに筒状側壁１３と開放頂部１４を含む。

側壁１３から内方に突出する環状フランジ１５が設けられ、該フランジはテーパ付内縁で集結し、テーパの角度は好ましくは側壁に向つて外方に約30゜である。 円形プレート１６は、基端部１１に対し平行に且つ中央開口１
２に設けられ供給パイプを接続される入口の内径の約四分の一に等しい距離該基端部から離間してシリンダ内に同軸状に位置決めしてある。 プレート１６は環状フランジ１５に整列し、環状フランジ１５のテーパ付内縁から約十六分の一インチで終結する実質上直角の外縁を有し、入口開口１２から圧力下の空気または蒸気が通過するための符号１７で示した環状スリツトを設けるようにしてある。

基端部１１と円形プレート１６に沿つた環状フランジ１
５との間隔が入口の内径の約四分の一であること、並びに環状スリツト１７が約十六分の一の幅を有し入口面積が環状スリツトの面積以上にしてあることが重要である。 本発明の笛のサイズの如何にかかわらず、環状スリツトは約十六分の一インチの幅をもつことになる。 約十六分の一インチより大きい幅をもつ環状スリツトは、ガス蒸気を適正に指し向けることなく、出力を増加させないでただ空気や蒸気を浪費するだけとなる。 他方、実質上約十六分の一より小さい環状スリツトは必要な操作圧力を大幅に増大させ効率を低下させる。 笛の室の長さと幅の指定割合は指定流量（圧力の如何にかかわらず）に依存するため、環状スリツトの幅が例えば三十二分の一インチに減少すると、同じ流量を得るためには４倍の操作圧力を必要とし、効率が四分の一に減少することになる。

入口面積が環状スリツトの面積に等しいかまたはこれより大きいように直径の変化する笛について入口面積（中央開口１２の内径とこれに接続される供給パイプにより決まる）が変わることが重要である。 入口の内径は、基端部１１の直径の平方根によつて変化するべきである。
従つて、２０インチ直径の笛が３インチの入口直径をもつべきであるとすれば、１０インチの笛は2.12インチの最小入口直径をもつべきであり、また４０インチ直径の笛は4.24インチの最小入口直径をもつべきである。

トーラスは、シリンダ１０の頂端部１４で該シリンダに固定されて設けられる。 トーラスは側壁１３に対し実質上法線を成し内方に突出する環状カバー１８と、環状カバー１８から垂下し内部空室を規定する内部筒状壁１９
とから成る。 内部壁１９はシリンダの側壁１３と同軸であり、環状スリツト１７に整合している。 内部壁１９
は、環状スリツト１７に向つて突出しこれから離間したテーパ付リツプ２０で終結している。 好ましくは、テーパの角度は約15゜であり、内方に面をもつようにカツトしてある。

環状カバー１８と内部筒状壁１９で構成されたトーラスは、シリンダ１０の側壁１３と共に、符号２１で示した環状音響室を形成する。 音響室２１の作用長さは、環状フランジ１５と環状カバー１８との間の距離であり、好ましくは環状音響室の幅の３倍である。 テーパ付リツプ２０と環状スリツト１７（即ち放射状マウス領域）との間隔は、好ましくは音響室２１の作用長さの半分以下であり、実施例では音響室の長さの約0.4倍としてある。
最適には、放射状マウス領域は、最大出力となすためには、室２１の横断面積に等しくすべきである。

放物線の軸方向断面を有する円形の整相プラグは符号２
２で示され、トーラスと同軸関係に該トーラスの内部空室内に突出するように円形プレート１６に固定されている。 整合プラグ２２の直径は、放射状マウス領域を規制するほど大きくすべきでないが、スロート領域で位相の相殺を妨げるのに十分に大きくすべきである。 好ましくは、それは内部シリンダ１９の約半分である。 整相プラグ２２は、笛の比較的大きなスロートでの位相の相殺による干渉を避けるために設けられる。

調整された極分散と最高の有効放射力を得るために、符号２３で示すように指数ホーンが設けられる。 ホーン２
３は、ホーン２３の内端部にある円形フランジ２４により環状カバー１８に取付けることができる。 好ましくは、フランジ２４におけるホーンの直径はトーラスの内部筒状壁１９の直径と同じである。 指数ホーン２３の取付け手段は、制限を受けず、フランジ２４を貫通して側壁１３内に至る複数の等間隔に離間したねじ穴から成り、これらのねじ穴にボルト２５を螺合してもよい。 最適性能は、ホーン２３の最外部直径が音響室２１で発生される音の波長の約1.5倍に等しいときに得られる。 好ましくは、ホーン２３の共振周波数は、笛の操作周波数においてあるいはこの付近でホーンの共振が起きないようにするために音響室２１の共振周波数より実質上小さく、ホーン共振の状態は適正操作で回避することができる。

１５psigの空気で操作するとき約418ヘルツの音響周波数を発生する実施例において、本発明の笛では軸線上の
100フイートのところで135デシベルの出力が得られる。
中空シリンダは、半インチのステンレス鋼板で製作され、この場合、シリンダ１０の直径は２０インチであり、中央開口１２の内径とそれの供給パイプは３インチであり、基端部１１と円形プレート１６の間隙は0.75インチであり、音響室２１の長さは7.5インチであり、幅は2.5インチである。 既に示した通り、環状スリツト１
７の幅は約十六分の一インチである。 テーパ付リツプ２
０の環状スリツト１７からの間隔は約３インチであり、
中央整相プラグの直径は約７インチであり、一方内部筒状壁１９の直径は１４インチである。

シリンダ１０の基端部１１は、便宜上、複数のねじ穴およびボルト２６により該シリンダの側壁１３に固定される。 同様に放物線の整相プラグ２２は符号２７で示した複数のボルトにより円形プレート１６に固定される。 円形プレート１６と基端部１１との間隔は、ボルト２７を基端部１１のねじ穴に疎通させたスリーブ２８により調整することができる。

指数ホーン２３は半インチ厚さのアルミニウムで製作され、最外部の直径を約４５インチ、即ち波長の約1.5倍とすべきである。

再び第２図について説明する。 放射領域は、側壁１３と内壁１９との間の環状断面領域で規定されるが、作動領域は筒状内壁１９内側の断面領域で規定される。 本発明の設計では、出力および放射領域は、同じ周波数をもつ従来の筒状タイプの２８個の笛の虚円形に相当し、各円形は側壁１３と内壁１９との間の半径方向距離に等しい直径をもち、各笛の室長さと室直径の割合は３：１であり、すべての笛は同じピツチをもち位相上一緒に吹込まれる。 筒状単一室の笛は、100フイート（440ヘルツ周波数）のところで約110デシベルの最大出力を発生し、室の長さと直径の割合が３：１の場合、多数の室が重複するごとに約３デシベルが付加される。 従つて、本発明は、２８個の従来の筒状笛に相当する出力を達成するが、作動領域は約２５％少なく、実質上低い圧力で作動する。

本発明による笛は、入口開口１２、環状スリツト１７、
基端部１１と環状フランジ１５との間の間隔、および円形プレート１６を除くすべての寸法に指定数を掛けることにより任意の所望所定周波数に対し容易に設計できる。 従つて、418ヘルツの周波数の場合上述寸法を２倍にすれば、半分の周波数、即ち209ヘルツの周波数をもつ笛が結果的に得られる。 空気や蒸気に対する圧力要件は、笛のサイズの如何にかかわらず同じのままである。

第３，４，５図について説明する。 音圧レベルの等高線数値は伝搬データと極分散データに基づき推定される。
第３図に示されているように、１０マイルまでの最大搬送力は220ヘルツの周波数で得られることが明らかである。 440ヘルツおよび880ヘルツのように高い周波数で搬送力が低いのは高周波の大気吸収によるものである。 他方、低周波の笛は効率が低いが、この損失を補足する以上の大きい搬送力が得られる。

全360゜音響通信を所望するところでの使用について、本発明の笛を水平面で回転させる手段を設けることは本発明の範囲内にある。

第３乃至５図は、障害のないレベルの地勢を推定し、そのようなグラフは、設置場所を計画する上での指針として有用である。 据付高さは、不整地勢や障害物により伝搬を制限しないように、また設置場所付近の住民に対し安全性の危険の恐れを回避するように、十分なものとすべきである。 高出力のユニツトに対しての地表レベルからの最小限据付高さは、フエデラル、エマージエンシイ、マネジメント、エージエント（Federal Emergency
Management Agency）のマニユアル「屋外警報システムの指針（CPG１−１７）」で設定されている。

既述の通り、本発明の笛は、音を発生する従来の装置以上に着目すべき利点をもつて広範囲の用途に適用できる。 サイレンと異なり、笛はほとんど瞬間的な動作開始を行い、特性を衰退させる。 そのため笛は符号通信および警報の用途に理想的に適する。 所望なれば、圧縮空気または蒸気の供給ラインに振動子を据付けることによりバイブレータ効果を発生させることができ、これはゆつくりとして安定した割合で圧力を変化させる装置である。

本発明による笛は一定の周波数を発生するため、和音を発生したり、諧調をなして鳴らしたり、あるいはカライアピのような楽器を製作するために各々周波数の異なる１組の笛を設けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の環状笛の一実施例を示す垂直断面図である。 第２図は、第１図の線II−IIに沿つた断面図である。 第３図は、本発明の笛での220ヘルツの周波数における推定音圧レベル等高線グラフである。 第４図は、本発明の笛での440ヘルツの周波数における推定音圧レベル等高線グラフである。 第５図は、本発明の笛での880ヘルツの周波数における推定音圧レベル等高線グラフである。 １０は中空シリンダ、１１は基端部、１３は筒状側壁、
１４は開放頂部、１５は環状フランジ、１６は円形プレート、１７は環状スリツト、２０はテーパ付リツプ、２
３はホーン。