Active noise control system for the helicopter gearbox mount

【０００１】
【技術分野】
本発明は、ヘリコプタキャビン内の好ましくない音響ノイズを低減するためのヘリコプタトランスミッションマウントのための能動型ノイズ制御システムに関する。
【０００２】
【背景技術】
機内音響ノイズは、ヘリコプタを運航する上で、主要な問題の１つである。 ヘリコプタの運航中に音響ノイズを発生する振動源としては、例えば、メインロータアッセンブリ、メインギアボックス、エンジン、テールロータアッセンブリ、油圧システム、空気力学的影響など、多数の振動源が存在するが、メインギアボックスで発生し構造部材を伝わる高い振動数を有する振動が、機内の音響ノイズ、すなわちコックピットやキャビンの音響ノイズに、最も大きな影響を与える。
【０００３】
シコルスキーエアクラフトコーポレイション社（Ｓｉｋｏｒｓｋｙ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）Ｓ−９２ ^TMヘリコプタ（Ｓ−９２ ^TMは、シコルスキーエアクラフトコーポレイション社の商標である）では、メインギアボックスは、三段の減速ギアを備える。 各エンジン出力用の第１段は、入出力ベベルギアから構成される。 第２段は、メインベベルギアを駆動する２つの駆動用ベベルピニオンから構成される。 最終段は、サンギアと相互作用する複数の一次プラネッタリピニオンと、固定リングギアと相互作用する複数の二次プラネッタリピニオンと、を有する積層複式プラネッタリギアトレーンから構成される（Ｓ−９２ヘリコプタのメインギアボックスの動作についてより詳しくは、キッシュに与えられ、ユナイティッドテクノロジーコーポレイション社（Ｕｎｉｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に譲渡された米国特許第５，４７２，３８６号「ヘリコプタのための改善を施したパワートレーン装置のための積層複式プラネッタリギアトレーン」に記載されている）。
【０００４】
メインギアボックスで発生する高い振動数を有する振動は、メインギアボックスサポート部材を介して、ヘリコプタの機体構造体に伝わり、この振動により、機体構造体の多数の固有モードによる振動応答が誘起される。 これらの振動応答により、コックピットやキャビンの音響空間において音響固有モードが励振し、コックピットやキャビンにおいて好ましくないレベルで音響ノイズが発生する。
【０００５】
通常運航時のＳ−９２ヘリコプタでは、コックピットやキャビンで支配的な音響ノイズレベルは、主として、積層複式プラネッタリギアトレーン内で二次プラネッタリピニオンと固定リングギアとの間でギアが噛み合うことで発生する高い振動数を有する振動に起因する。 図１に示すように、Ｓ−９２ヘリコプタのメインギアボックスの第１、第２減速段で発生する振動や、一次プラネッタリピニオンとサンギアとの間でギアが噛み合うことで生じる振動は、非常に高い振動数２、４Ａ、４Ｂ（１０００Ｈｚを超える）を有する。 これらの振動により、コックピットやキャビンで音響ノイズが発生する。 これらの音響ノイズは、二次プラネッタリピニオンと固定リングギアとの間でギアが噛み合うことで生じる音響ノイズに比較すると低いレベルである。 二次プラネッタリピニオンと固定リングギアとの間でギアが噛み合うことで生じる音響ノイズは、基本振動が約６８７．７Ｈｚ（１００％Ｎｒ）で発生し、６１８．９Ｈｚ（９０％Ｎｒ）から約７２２．１Ｈｚ（１０５％Ｎｒ）の範囲で変動する。 具体的には、二次プラネッタリピニオンと固定リングギアとの間でギアが噛み合うことで生じるこの高い振動数を有する振動により、コックピットやキャビンで、会話の妨げになる領域で音響ノイズが発生するため、この振動は好ましくない。
【０００６】
そのような音響ノイズを、一般に、機内のコックピットやキャビンで、受動型の音響処理を施すことによって、効果的に緩和させることは不可能である。 音響パネルやブランケットなどを用いる受動処理は、非常に高い振動数で誘起された音響ノイズに対しては、部分的に効果があるが、３００から１０００Ｈｚの範囲で誘起された音響ノイズに関しては、それほど効果的でない。 さらに、そのような音響パネルやブランケットを用いると、重量に関して不利になるので、ヘリコプタの性能に悪影響が生じる。
【０００７】
他の受動型の技術として、メインロータアッセンブリ／メインギアボックスと機体構造体との間の境界に防振装置を使用する技術が挙げられる。 そのような防振装置では、その固有の柔軟性によって、音響ノイズを発生する高い振動数を有する振動成分だけが低減されてヘリコプタの機体に伝わる。 しかしながら、これらの防振装置は、ヘリコプタの主要な荷重経路に介在させる必要があり、一様な飛行荷重が掛かったギアボックスが偏ると、エンジンからトランスミッションへ高速で駆動するシャフトがぶれる可能性があり、シャフトの信頼性に悪影響を及ぼす可能性や、さらに飛行制御システムに誤った命令を誘発する恐れがある。
ホジソン等に与えられ、ロードコーポレイション社（Ｌｏｒｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に譲渡された米国特許第５，５２６，２９２号「広帯域のノイズと振動の低減装置」には、広帯域の制御が可能な能動型のノイズと振動の消去システムが開示されている。 このシステムでは、コントローラが、エラーセンサから広帯域の外乱信号とエラー信号を受け取る。 コントローラ内部にアダプティブフィルタを備えているため、このエラーセンサにより、室内に配置してある１つ以上のアクチュエータで発生する制御信号の消去能力が向上する。
【０００８】
ユェルキー等に与えられ、ユナイテッドテクノロジーコーポレイション社（Ｕｎｉｔｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に譲渡された米国特許第５，３１０，１３７号（「'１３７特許」と称する）「ヘリコプタ能動型ノイズ制御システム」には、ギアボックス／機体の境界においてギアボックスから発生する１つ以上の高い振動数を有する振動が消滅するように効果的に機能し、ヘリコプタ機内の騒音レベルがかなり低減する、ヘリコプタ用の能動型ノイズ制御システムが開示されている。 この能動型ノイズ制御システムでは、必要とするアクチュエータの数を最少限に抑えるように設計を最適化しており、システムアクチュエータが作動することにより発生する余分な力を極力抑えるように設計上の最適化がなされている。 能動型ノイズ制御システムは、１つ以上の高い振動数を有する振動に対して剛体として機能するように機械的に補強、改良を施したトランスミッションビームと、改良を施したトランスミッションビームと組み合わせて配置した複数のアクチュエータと、改良を施したトランスミッションビームと組み合わせて配置し、それぞれのアクチュエータと平行して間隔をとって関連して機能するように配置した複数のセンサと、関連して機能するそれぞれのセンサに個々のアクチュエータを相互に接続するコントローラと、を備える。
【０００９】
'１３７特許に開示された能動型ノイズ制御システムの欠点は、トランスミッションビーム上にアクチュエータとセンサを配置するとセンサ位置で高い振動数を有する振動が局所的に消滅するが、センサやアクチュエータの位置がギアボックス／機体の境界から離れているので、ギアボックス／機体の境界とセンサ位置との間の空間を通して、ヘリコプタ機体内に、高い振動数を有する振動が「リーク」する可能性があることである。 従って、センサからコントローラに高い振動数を有する振動が消滅したことを示すデータは戻り得るが、キャビンにおいて好ましくない音響ノイズが継続して発生する可能性は、依然として存在する。
【００１０】
【発明の開示】
従って、本発明の目的は、ヘリコプタのキャビン内の好ましくない音響ノイズを効果的に低減するヘリコプタのための能動型ノイズ制御システムを提供することである。
【００１１】
本発明のこれらの目的と他の目的は、キャビン構造体により画定されたキャビン内の好ましくない音響ノイズを低減するためのヘリコプタのための能動型ノイズ制御システムにより達成される。 この好ましくない音響ノイズは、ギアボックスで発生する高い振動数を有する構造上の振動により生じる。 このギアボックスは、複数の構造上の境界においてギアボックスをキャビン構造体に構造上接続する複数のアタッチメント脚部を備える。
【００１２】
能動型ノイズ制御システムは、キャビン内の好ましくない音響ノイズを検出するためにキャビンと組み合わせて配置したセンササブシステムと、複数のアタッチメント脚部の少なくとも１つと組み合わせて配置したアクチュエータサブシステムと、センササブシステムをアクチュエータサブシステムに機能上相互に接続するコントローラと、を備える。 このコントローラは、少なくとも１つの高い振動数を有する逆振動を発生するために、センササブシステムから入力を受け取り、この入力に応じて命令信号をアクチュエータサブシステムに送るように機能する。 この少なくとも１つの高い振動数を有する逆振動は、キャビン内の好ましくない音響ノイズを低減するために高い振動数を有する振動と相互作用する。
【００１３】
本発明のさらに他の目的と効果は、以下の詳細な説明から、当業者には容易に明らかになるであろう。 この詳細な説明では、発明を実施するための十分に考えられた最良の態様を簡潔に示すことにより、本発明の好ましい実施態様が図示、説明される。 理解されるように、本発明から全く外れることなく、本発明は様々な点で変更が可能である。 従って、図面および説明は、本質的に例示であると見なされるべきであり、限定と考えるべきものではない。
【００１４】
【発明を実施するための最良の形態】
図面を参照する。 ここで、複数の図面を通して同じ参照符号は同一または類似の構成要素を表す。 図２は、シコルスキーエアクラフトコーポレイション社のＳ−９２ ^TMヘリコプタ１０（Ｓ−９２ ^TMは、シコルスキーエアクラフトコーポレイション社の商標である）の概略図である。 ヘリコプタ１０は、ヘリコプタ１０のキャビン１４内の好ましくない音響ノイズを低減するために、本発明の特徴を具体化する能動型ノイズ制御システム１２を備える。 ここで使用するように、キャビン１４は、また、ヘリコプタ１０のコックピット１５やその他の機内室（図示せず）を備える。
【００１５】
図３は、Ｓ−９２ヘリコプタ１０のためのメインギアボックス１６を示す。 当業技術で知られるように、メインギアボックス１６は、タービンエンジン（図示せず）を、ヘリコプタ１０のメインロータドライブシャフト１１とテールロータドライブシャフト（図示せず）に機械的に結合し、トルクをタービンエンジンからそれぞれのドライブシャフトへ伝えるように機能する。 メインギアボックス１６は、メインギアボックス１６を複数のメインギアボックスサポート部材２０に固定するために、複数のアタッチメント脚部１８を備える。 これによって、固定位置に複数の構造上の境界２２が画定される。 図２、図３を参照すると、さらに複数のメインギアボックスサポート部材２０は、キャビン１４を画定するキャビン構造体２４に、構造上結合する。
【００１６】
能動型ノイズ制御システム１２は、キャビン１４と組み合わせて配置したセンササブシステム２６と、構造上の境界２２に隣接して配置したアクチュエータサブシステム２８と、センササブシステム２６をアクチュエータサブシステム２８に機能上相互に接続するコントローラ３０と、を備える。
【００１７】
上記の実施態様では、センササブシステム２６は、キャビン内に配置した複数の通常のマイクロフォン３２を備える。 マイクロフォン３２の個数や位置はいろいろな要因に左右されて変わることは理解されるであろう。 これらの要因としては、キャビン１４内の全体で低減することが望まれる音響ノイズの程度、所定の個数のマイクロフォン３２を配置するのに伴う費用、指定した個数のマイクロフォン３２で発生する信号を処理するのに少なくとも必要になるかあるいは利用可能になる演算処理能力などがあげられる。
【００１８】
図２Ａに示す別の実施態様では、センササブシステム２６は、キャビン構造体２４と組み合わせて配置した複数の通常の加速度計３３を備えることができる。
【００１９】
図６を参照すると、別の実施態様では、センササブシステム２６は、メイントランスミッションギアボックス１６のアタッチメント脚部１８と組み合わせて配置した複数の加速度計５０を備える。 図６に示す実施態様では、複数の加速度計５０は、複数の互いに直交する軸に沿った振動検出情報を得るために、これら複数の互いに直交する軸に沿って機能するように配置してある。 加速度計の個数や配置を、これらを用いることで高い振動数を有する振動がキャビン１４に伝わるのを効果的に最小限に抑えるように、最適化できることは、理解されるであろう。
【００２０】
図７を参照すると、さらにもう１つ別の実施態様では、センササブシステム２６は、複数のアクチュエータ３４と組み合わせて配置した複数の加速度計５０'を備える。 図７に示す実施態様では、複数の加速度計５０'のそれぞれは、機能上関連するアクチュエータ３４に対して、平行に間隔をとって機能上関連するように配置してある。
【００２１】
他の別の実施態様では、センササブシステム２６は、アタッチメント脚部１８および複数のアクチュエータ３４と組み合わせて配置した複数の加速度計を備える。 さらに他の別の実施態様では、センササブシステム２６は、キャビン１４内に配置したマイクロフォンと、加速度計との組み合わせからなる。 この加速度計は、アタッチメント脚部１８やアクチュエータ３４と、あるいはこれらの組み合わせと、組み合わせて配置してある。
【００２２】
図２〜図５を参照すると、記載したアクチュエータサブシステム２８の実施態様は、メインギアボックス１６のアタッチメント脚部１８と組み合わせて配置した複数の慣性質量アクチュエータ３４を備える。 アタッチメント脚部１８のそれぞれは、このアタッチメント脚部１８から延びる複数のフランジ３６、３７、３８を備える。 この複数のフランジ３６、３７、３８は、間隔をとって、構造上の境界２２に隣接して配置してある。 この複数のフランジ３６、３７、３８のそれぞれは、少なくとも１つのアクチュエータ３４を装着できる形状にする。 具体的には、図４、図５に示すように、フランジ３６は、２つの合わせ面３６ａ、３６ｂを備える。 この各合わせ面３６ａ、３６ｂは、合わせ面３６ａ、３６ｂの面に垂直に、合わせ面３６ａ、３６ｂの中に形成したねじ穴４０を有する。 このねじ穴４０は、アクチュエータ３４を貫通して延びるねじボルト４２がねじ込まれる形状にする。 フランジ３６においては、合わせ面３６ａ、３６ｂは、ねじボルト４２をねじ穴４０の中に締め付け固定すると、アクチュエータ３４が複数の互いに直交する軸に沿うように、配向してある。 記載した実施態様では、フランジ３７は、１つの合わせ面３７ａを備える。 フランジ３８は、互いに直交した軸に沿ってアクチュエータ３４を取り付けるのに対応した３つの合わせ面３８ａ、３８ｂ、３８ｃを備える。 この実施態様の累積効果は、様々なフランジ３６、３７、３８に取り付けたアクチュエータ３４が、複数の互いに平行な軸と直交する軸に沿って配置してあることである。
【００２３】
別の実施態様では、フランジ３６、３７、３８のそれぞれの合わせ面は、アクチュエータ３４を、互いに平行でない軸あるいは直交していない軸に沿って、あるいは互いに平行でも直交してもいない軸に沿って取り付けるような形状とし、配向させることもできる。
【００２４】
当業者には理解されるように、フランジ３６、３７、３８と組み合わせたアクチュエータ３４の個数や配向により、構造上の境界２２のそれぞれにおいてアクチュエータ３４の生成する力やモーメントの種類や方向（すなわち、自由度）が決まる。 従って、複数の別の実施態様では、アクチュエータ３４とフランジ３６、３７、３８の個数や配向は、特定の用途に対する運航上の必要性に合わせるために、記載した実施態様の個数や配向とは異なり得る。 記載した実施態様では、慣性質量アクチュエータ３４は合わせ面３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３８ａ、３８ｂ、３８ｃにねじボルト４２を用いて締め付け固定してあるが、複数の別の実施態様では、キャビン１４内の好ましくない音響ノイズを低減する際に使用する高い振動数を有する逆振動を発生させるために、通常の取り付け技術を用いて、他の通常のアクチュエータを構造上の境界２２に隣接して配置できることも、理解されるであろう。
【００２５】
記載した実施態様では、コントローラ３０は、通常の型式のものであり、入力信号をマイクロフォン３２から受け取り、この入力信号に応じてコントローラ３０のプログラムに従い命令信号をアクチュエータ３４に伝える。 記載した実施態様では、電気式増幅器３１が、アクチュエータ３４に伝える命令信号を増幅するために、コントローラ３０とアクチュエータ３４との間に置いてある。
【００２６】
図１、図２を参照すると、ヘリコプタ１０の運航中に、メインギアボックス１６は、高い振動数を有する振動を発生させる。 この振動は、アタッチメント脚部１８から構造上の境界２２を介して複数のメインギアボックスサポート部材２０へ伝わり、次にメインギアボックスサポート部材２０からキャビン構造２４に伝わり、さらに音響ノイズとしてキャビン１４に伝わる。 記載したＳ−９２ヘリコプタ１０の実施態様では、高い振動数を有する振動が、メインギアボックス１６で二次プラネッタリピニオン（図示せず）と固定リングギア（図示せず）とが噛み合うことにより発生する。 この振動の基本振動は、約６８７．７Ｈｚ（１００％Ｎｒ）（図１では、６として特定してある）であり、キャビン１４内に伝わると、好ましくない音響ノイズになる。 従って、記載した実施態様では、能動型ノイズ制御システム１２は、メインギアボックス１６において６１８．９Ｈｚ（９０％Ｎｒ）から約７２２．１Ｈｚ（１０５％Ｎｒ）の振動数の範囲で発生する高い振動数を有する構造上の振動を、最小限に抑えるように、最適化してある。 これにより、これらの振動数の範囲にあるキャビン１４内の音響ノイズが低減される。 しかしながら、別の実施態様では、能動型ノイズ制御システム１２は、これら以外の振動数や振動数の組み合わせでの高い振動数を有する構造上の振動と音響ノイズを、最小限に抑えることが可能である。 そのような振動数や振動数の組み合わせは、特定のヘリコプタや他の用途で運航上の特性として述べられている。
【００２７】
図２〜図５を参照すると、運航中、高い振動数を有する構造上の振動によりキャビン１４内で発生する好ましくない音響ノイズは、マイクロフォン３２により検出される。 このマイクロフォン３２は、順次、好ましくない音響ノイズの振動数と強度を示す信号を、コントローラ３０に送る。 コントローラ３０は、低減するために狙いを定めた１つあるいは複数の振動数（すなわち、好ましくない音響ノイズの振動数）を分離するために、マイクロフォン３２から受け取る信号にフィルタを掛ける。 マイクロフォン３２からの信号がコントローラ３０に入力するのと同時に、コントローラ３０は、能動型ノイズ制御システム１２のための基準位相を設定するために、タコメータ（図示せず）からの入力２９を受け取る。 このタコメータは、回転ギア（図示せず）と組み合わせてメインギアボックス１６内に配置してある。 さらに、マイクロフォン３２とタコメータから受け取る信号に、通常の最小分散制御アルゴリズムを適用する。 これにより、コントローラ３０は、構造上の境界２２に隣接して高い振動数を有する構造上の逆振動を発生するために、電気式増幅器３１を介して複数のアクチュエータ３４のそれぞれに命令信号を送る。 これらの高い振動数を有する構造上の逆振動は、構造上の境界２２を介して高い振動数を有する構造上の振動が伝わるのを最小限に抑えるために、高い振動数の構造上の振動と相互作用するように、強度、振動数、位相について、コントローラ３０により、最適化してある。 これにより、キャビン１４内の好ましくない音響ノイズが、低減される。
【００２９】
本発明が上述の全ての目的を達成することは、当業者には容易に理解されるであろう。 上記の明細書を読んだ後で、当業者は、ここに広範に開示した本発明について、様々な変更や等価物への置換、また様々な他の側面を実施できるであろう。 従って、ここで与えられる保護は、請求項とその等価物に含まれる定義によってのみ限定されるものであることが、意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 シコルスキーエアクラフトコーポレイション社のＳ−９２ヘリコプタから発生する振動の振動数スペクトルを示すグラフ。
【図２】 本発明の特徴を具体化する能動型ノイズ制御システムを備えたヘリコプタの概略図。
【図２Ａ】 図２の能動型ノイズ制御システムの別の実施態様を備えたヘリコプタの概略図。
【図３】 図２の能動型ノイズ制御システムの構成要素を示すＳ−９２ヘリコプタメインギアボックスの斜視図。
【図４】 図３のメインギアボックスの一部切欠上面図。
【図５】 外観を明確にするために能動型ノイズ制御システムの構成要素を取り去った、図３のメインギアボックスの一部切欠上面図。
【図６】 図２の能動型ノイズ制御システムの構成要素の一実施態様を示す、図３のメインギアボックスの一部切欠上面図。
【図７】 図２の能動型ノイズ制御システムの構成要素の別の一実施態様を示す、図３のメインギアボックスの一部切欠上面図。