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 熱音響デバイスの 出力が不安定になる 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］ 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 u Stack LPF D/A PC PwAMP SPK 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 Heat Exchanger (hot) TH Heat Exchanger (cool) TC 実験装置概要 スタックのパラメータ 全長：50mm cpi値：600 直径：47.8mm 本実験装置の共振周波数 約120Hz 290 mm 250 mm 120 mm 700 mm 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 1.温度勾配なし(TC =TH =28℃) 2.温度勾配あり(TC =5℃：TH =280℃) Stack SPK MIC Heat Exchanger (hot) TH Heat Exchanger (cool) TC 制御系概要 マイク出力rを12.5Vに 追従させる SPK K yとrの差をz (z=0)とする コントローラKを設計する u 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 -7.2dB 目標値の約6割達成できる 温度勾配あり -6dB 目標値の約5割達成できる 実験結果-マイク出力 目標値 勾配なし 勾配あり 1.25V(r) 0.7V(y) 0.5V(y) 実験結果-スピーカ入力電圧 勾配なし 勾配あり 1.8V(u) 0.8V(u) 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 スピーカの位置 腹 節 音圧 スピーカ マイクの位置 むだ時間大 むだ時間小 スタック スピーカ マイク マイク ωτ cpi値：600 → 1(mm2/cell) 流路半径を0.5~0.6mmとする 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
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