This thesis studies active control for suppression of flow-induced noise from open cavities. When a strong wind flows over a cavity, loud noise and powerful flow disturbance are generated. This phenomenon is a cavity resonance, in which a flow disturbance induced by instability of flow and an acoustic pressure caused by bumping the flow disturbance on the downstream edge of the cavity are amplified by each other. This cavity resonance causes many troubles such as break down of landing gear of the airplane, explosion accidents in the weapons bay of fight-bombers, and noise from the sunroof of a vehicle.
Two kinds of active control methods can suppress the cavity resonance, which is a feedback mechanism between acoustic waves of the cavity and fluctuations in the pressure of the cavity flow. One method is active flow suppression, which diminishes the flow disturbance in a flow field. The other method is active noise canceling, which interferes with the cavity noise in an acoustic field. Consequently these two active control methods can respectively weaken the cavity resonance. But most research on cavity resonance control is focused on suppressing the flow disturbance. Hence, the various schemes of a flow control are poorly understood.
This thesis proposes a time-delayed phase control method to reduce the global noise of the cavity. The acoustic feedback of the cavity noise, which amplifies the flow disturbance, is reduced in this control method. Thus, regardless of the complex flow physics, the feedback of the cavity noise is limited. The control algorithm is a feedback algorithm that uses phase shifter and filter. In the phase analysis, the positions of the sensor and the actuator are determined in relation to a comparison of the control efficiency.
The experiments verify that the proposed control method is fairly effective to reduce resonance sound. These empirical results confirm that the time-delayed phase control method can regulate the suppression or amplification of the cavity resonance. A three dimensional effect of control sound producing at one point brings a noise reduction in wide phase range compared with expected range. A power saturation of a loudspeaker causes a drop in control performance.
In addition, this thesis develops basic schemes of the active flow control. The basic control methods are passive control, open-loop control, closed-loop control, and active adaptive flow control. Experiments of the various control methods confirm the performance and the good and bad points of active flow control. The experimental results confirm that the proposed control method is just as good as the active flow control methods in control performance, and it is better in power performance.
공동위에 강한 바람이 불면 큰 소음과 강한 유동난류가 생성된다. 이때 생성된 소음이 유동의 불안정성을 자극하고, 자극받은 유동이 더 큰 소음을 생성하는 현상을 공동 공명이라 부른다. 이와 같은 공동공명은 비행기 랜딩기어의 빠른 노후, 폭격기의 폭탄투하 시 폭발, 그리고 자동차 선루프의 소음과 같이 여러 문제를 실생활에서 일으키고 있다. 본 논문은 이와 같은 공동공명 현상의 원인 들 중 하나인 소음을 저감하는 능동 제어방법을 제안한다.
공동공명을 저감할 수 있는 능동적인 방법은 공동내의 유동을 제어하는 방법과 공동내의 소음을 제어하는 방법이 있다. 능동 유동 제어는 소음을 일으키는 원인이 되는 유동변화를 저감시키는 방법이다. 능동 소음 제어는 공동내 소음을 저감시켜 소음이 유동의 불안정을 자극하는 것을 막는 방법이다. 따라서 이 두가지 능동 제어 방법은 모두 공동 공명현상을 약화시킬 수 있다. 그러나 대부분의 공동공명을 저감시키는 연구는 유동에 초점이 맞추어져서, 공동 공명현상을 제어하는 다양한 연구가 부족한 상황이다.
본 논문은 공동 내에서 전역적인 소음저감을 할 수 있는 시간지연위상제어(time-delayed phase control, TDPC)방법을 제안한다. 이 제어방법은 유동을 증폭시키는 공동소음의 되먹임현상을 막기위해, 음향학적 되먹임현상이 발생하는 공간에서 공동의 공명소음을 저감시키는 방법이다. 따라서 이 방법은 복잡한 유체역학에 대한 해석없이 공동소음을 제한시킨다. 이 제어방법은 필터와 위상변화를 이용하는 되먹임 알고리즘을 사용한다. 그리고 소음저감할 공간에 원하는 위상차를 유지시킬 수 있도록 센서와 구동기를 위치시켰다.
이 TDPC의 실험결과는 제안한 제어방법이 공명소음저감에 있어서 충분한 효과를 보여줌을 확인했다. 이 실험결과를 통해 TDPC가 공동의 공명현상을 더 강하게 또는 약하게 조절할 수 있음을 보였다. 공동공명에서 위상지연 0.25가 생기는 것에 대해 분석했고, 제어음을 한 점에서 내보내는 3차원 효과로 이론적인 값보다 더 넓은 위상차에서 소음저감을 만들수 있음을 알았다. 스피커의 출력파워제한은 공명소음저감양을 제한시키는 중요한 원인이 됨을 확인했다.
또한 본 논문은 능동 유동 제어 방법에 관한 기본적인 제어방법을 만들고 실험했다. 수동제어부터 능동적인 폐루프제어까지 여러 제어알고리즘을 이용한 실험결과를 이용하여 능동 유동 제어방법에 관하여 장단점 및 성능을 확인했다. 이를 통하여 본 논문에서 제안한 제어방법인 TDPC가 일반적인 능동 유동 제어방법에 비해 소음저감량이 뒤지지 않으며, 소모전력은 더 적은 장점이 있음을 확인했다.
