定在波型熱音響エンジンの共鳴現象に 対するフィードバック制御の効果 長岡技術科学大学 ☆角島 悠太 小林 泰秀, 山田 昇
研究背景 熱音響現象を利用すると,音響パワーと熱の変換やエネルギー輸送を行うことができる 熱音響デバイスの 出力が不安定になる 熱入力が不安定 自励発振により温度勾配が小さくなり,断続的になる フィードフォワード制御によるループ管内の音場成形 ［C.Desjouy et al. 2010］ フィードバック制御による 熱音響自励振動抑制 ［A.M. Annaswamy et al. 2010］ 熱音響デバイスの 出力が不安定になる
研究背景 スピーカを利用して,管内に音場を成形する 管内音圧を目標値に追従させるフィードバック制御を行う 出力の安定化が可能になる スピーカで自励振動のきっかけを与える スタック 音 音
実験装置概要 Heat Exchanger (hot) TH u Stack D/A LPF PC PwAMP SPK Heat Exchanger (cool) TC y A/D PreAMP Stack NGK INSULATORS Loudspeaker Toptone S32U10-1 Microphone Electlet condenser type Power AMP YAMAHA P1000S Programmable filter NF FV-664 PC Dell PowerEdge840 (RTAI3.6.1/Linax kernel 2.6.20.21) A/D,D/A CONTEC AD12-16(PCI), DA12-4(PCI)(12bit,±5V,10μsec) Thermometer HAKKO DG2P Heater HAKKO SWD1020 Tiller EYELA NCC-1110A MIC
実験装置概要 本実験装置の共振周波数約120Hz スタックのパラメータ 全長：50mm cpi値：600 直径：47.8mm 120 mm 250 mm 290mm 本実験装置の共振周波数約120Hz 700mm 内径：47.8mm 厚み：1.5mm
補償器設計 生成したい管内音圧を決定、 rとおき追従させる 条件 温度勾配なし(TC =TH =28℃) Heat Exchanger (hot) TH Stack 生成したい管内音圧を決定、 rとおき追従させる SPK Heat Exchanger (cool) TC 条件 温度勾配なし(TC =TH =28℃) 温度勾配あり(TC =5℃：TH =280℃) MIC
制御系概要 マイク出力rを12.5Vに追従させる yとrの差をz (z=0)とする コントローラKを設計する SPK u K z y - MIC P(s) P(s)=P0(s)+W(s)Δ(s) r = w P0(s)=ノミナルプラント W(s)=重み関数 Δ(s)=変動 勾配なし：W(s)=0.1 勾配あり：W(s)=0.15
補償器設計-周波数応答 約120Hz 青：温度勾配なし 緑：温度勾配あり 赤：温度勾配がないときのノミナルプラント 水色：温度勾配があるときのノミナルプラント 低温度差熱音響スターリングエンジン ［T.BIWA et al. 2010]
補償器設計-ゲイン特性 温度勾配なし 温度勾配あり -7.2dB 目標値の約6割達成できる -6dB 目標値の約5割達成できる
実験結果-マイク出力 1.25V(r) 目標値 0.7V(y) 勾配なし 0.5V(y) 勾配あり
実験結果-スピーカ入力電圧 1.8V(u) 勾配なし 0.8V(u) 勾配あり
まとめ 管内音場を一定に保つような補償器を設計し,実験を行った 温度勾配があるとき,スピーカの入力電圧が半分の状態で,温度勾配がないときと同程度の目標値を達成した →不安定な熱源を用いても常に同程度の出力が 得られることが期待できる →自励発振時に熱入力が不安定になり断続的になった時も 出力の安定化を図ることができると考えられる
補足
補償器設計-重み関数 勾配なし W(s):0.1 勾配あり W(s):0.15
音圧 スピーカの位置 腹 節 スピーカ
マイクの位置 むだ時間大 むだ時間小 スタック マイク マイク スピーカ
ωτ cpi値：600 → 1(mm2/cell) 流路半径を0.5~0.6mmとする ωτ= 2πf ( r2 / 2α ) 300K：α=22.07(mm2/s) 550K：α=63(mm2/s) ωτ= 2πf ( r2 / 2α ) 300K：ωτ= 4.25 ~ 6.12 550K：ωτ= 1.5 ~ 2.2