超音速ジェット騒音に関する流体構造を計測できる、3次元時空間超解像計測技術を開発東北大学

東北大学大学院工学研究科の野々村拓准教授らの研究グループは2023年6月29日、空間解像度と時間解像度を大幅に拡張できる3次元時空間超解像計測技術を発表した。3次元可視化計測と音響計測を組み合わせ、音響データから高時間解像度の3次元流体構造を再構成している。

ロケットや超音速ジェット機のエンジンから排出される噴流（ジェット）は、非常に大きな騒音を発することから、騒音問題や構造物破壊の原因となっている。これらの問題の解決には、詳細に超音速ジェットの物理現象を理解する必要があるが、時間解像度の低い従来の観測技術では十分に解明できなかった。

そこで研究グループは、3次元可視化手法である3D-BOS計測と音響計測を同時に実施し、両者のデータに、データ駆動科学技術である線形モデルを適用することで、空間解像度の大幅な拡張や撮影速度の向上を実現できる3次元時空間超解像技術を開発した。

実験セットアップ

開発した技術は、200kHz（5μs時間間隔）で計測した音響データから流体場を再構成できる。これにより超音速ジェット騒音に関連する流体構造を、3D-BOS計測のみの場合の40倍（3D-BOS計測の撮影速度は5kHz）となる、200kHzの撮影速度で計測できる。さらに、3次元流体構造を音響データから再構成できる。

音速より1.2倍速い超音速ジェット（1+2モード）は、今回初めて、時計回りのらせん構造（1モード）と反時計回りのらせん構造（2モード）より形成されることを可視化した。また、超音速ジェット（1＋2モード）の流体構造とその強さが、時間によって変化することを初めて可視化し、らせん構造の時間変化のメカニズムを解き明かした。

開発した技術は今後、騒音低減デバイスの性能向上などにつながる可能性がある。また、さまざまな流体分野に適用することで、複雑な流れや超音速の流れといった極限的な条件での流体現象の理解を飛躍的に発展させることが期待される。

超音速ジェット騒音に関する流体構造を計測できる、3次元時空間超解像計測技術を開発　東北大学