JP2005031599A - 反射板式消音装置 - Google Patents

Abstract

【目的】 騒音による音波放射体の各面から放射状に放出される音波のうち任意の一定方向へ進む音波を、騒音の発生源近傍であるいは伝播される途上で捕捉し、放射音の拡散エネルギーを効率よく低減する装置を提供する。
【構成】 断面が焦点を有する楕円の一部となる音波反射板と、該音波反射板の第１の焦点を回折エッジとする回折抑制板と、前記音波反射板の第２の焦点近傍へ達する音波を集束する音波集束器と、該音波集束器を介して導入された音波の波動エネルギーを低減する音波干渉器とから成り、騒音源と前記音波反射板とを前記回折抑制板を含む平面で２分するとき、前記音波反射板側を表側とし前記騒音源側が裏側となるように前記回折抑制板を傾斜させたことを特徴とする反射板式消音装置。
【選択図】 図１

Description

発明の詳細な説明

産業上の利用分野

本発明は、騒音の発生源や反射面が特定される騒音を音波発生源とするとき、騒音による音波放射体の各面から放射状に放出される音波のうち任意の一定方向へ進む音波を、騒音の発生源近傍であるいは伝播される途上で捕捉し、放射音の拡散エネルギーを効率よく低減する反射板式消音装置に関するものである。

大気中に放射される騒音としては、騒音の発生源から周囲の空間へ拡散される騒音や、管路内を伝播して開口端から放出される騒音などを挙げることができる。これらの騒音を低減するための対策として、騒音の拡散を遮る防音壁を設けたり、吸音材を壁面に取り付けたり、管路に消音マフラーを取り付けたりするなど、いろいろな手法が考案されている。

発明が解決しようとする課題

三次元空間へ拡散する騒音を抑制するために用いられる防音壁の代表的な例として、自動車や鉄道などの交通騒音対策に用いられる防音壁がある。これらの防音壁は安全や景観あるいは構造上の理由から高さや厚みに制約があるため、防音壁と防音壁で囲われた内部の騒音レベルや、防音壁から外部へ漏れ出る騒音を十分に満足できるレベルにまで低減できない場合がある。特に低い周波数帯域の騒音については、装置を大型化したり吸音材の厚みを十分厚くしたりできないと、騒音対策を施す上でおのずと大きな制約を受けることになる。

また、管路による騒音としては、自動車のマフラーをはじめとして、大はトンネルや航空機エンジン、小は居室用換気口やパソコンの冷却ファンなどがある。管路内を伝播する騒音を低減する装置に関しては、実用上、軽量コンパクト、単純な構造で、空気や排気ガスなどの流通機能に支障を与えることなく騒音を効果的に低減するものが求められる。空気や排気ガスなどの圧力損失によるロスを抑えながら騒音を低減するということは、管路の径や長さ、低減装置の大きさなどの二律背反の関係を考慮してかからなければならず、装置の設計は容易ではない。

本発明は、上述の問題点を鑑みて成されたもので、騒音の発生源や反射面が特定される騒音について、コンパクトな構造でありながら高い周波数から低い周波数の音まで広い周波数範囲の音波を反射板を用いて確実にキャッチし、捕捉された音波の波動エネルギーを効率よく低減することによって、従来のパッシブ消音の技術的限界を補うことのできる反射板式消音装置を提供するものである。

課題を解決するための手段

騒音を音波反射板と音波干渉器とによって波動吸収する反射板式消音装置において、断面が第１および第２の２つの焦点を有する楕円の一部となる音波反射板と、該音波反射板の第１の焦点を回折エッジとする回折抑制板と、前記音波反射板の前記第２の焦点近傍へ達する音波を集束する音波集束器と、該音波集束器を介して導入された音波の波動エネルギーを低減する音波干渉器とから成り、騒音源と前記音波反射板とを前記回折抑制板を含む平面で前記音波反射板側を表側として表側と裏側に２分するとき、前記騒音源および騒音の反射伝搬の経路となる反射面を含めた音波放射体が前記回折抑制板を含む平面の裏側となるように前記回折抑制板を傾斜させたものである。

上記の反射板式消音装置において、複数個の音波反射板を順次並べて消音装置を構成し、それぞれの音波反射板で捕捉された音波を、全体を一まとめにした容積の大きな共通の音波干渉器内へ導入する。

作用

騒音源および反射や振動によって発生する二次騒音の発生源を音波放射体として、音波放射体と音波反射板とを回折抑制板を含む平面で２分するとき、音波反射板側を表側、音波放射体側が裏側となるように回折抑制板は傾斜して設置されている。したがって、音波反射板の先端エッジと回折抑制板の先端の回折エッジとで挟まれて成る音波入射面の内側からは回折エッジで陰となり音波放射体を見通せない部分が生ずる。
音の発生源から空気粒子の運動として伝播される音波の波動エネルギーは、全方向に等しい確率で均一に放射されるものと考えられる。音波放射体から放射され側方周辺へ拡散される音波は、側方周辺に設けられた反射板式消音装置の音波入射面へ入射する。入射される音波の一部は回折エッジに衝突し、回折エッジを新たな音波発生源のようにして回折エッジ後背、すなわち回折抑制板と音波反射板で挟まれた空間内へ回り込む。回折エッジと楕円面の第１の焦点は同位置であり、第１の焦点から楕円面で成る音波反射板へ入射された音波は、反射され第２の焦点へ進む。一方、回折エッジ上方を直進して音波反射板へ直接入射された音波は、反射して第２焦点の近傍へ進む。
回折エッジを回折して進む音波と回折エッジの上方を直進して進む音波の２つのルートを進む音波は、それぞれ音波反射板で反射され、音波反射板と音波干渉器間に設けられた音波集束器によって音波の波束密度が高められ、スリット状の狭い開口から音波干渉器内へ導入される。

音波干渉器の壁面は変則的な反射面で構成され、音波干渉器の内部には多孔性材料が充填されている。音波干渉器内へ一たんとじ込められた音波は音波干渉器内の各壁面で多重反射をくり返すが、狭い音波導入口を逆方向へ進み、再び音波干渉器外へ逆戻りする音波の割合は小さい。
音波干渉器内で多重反射をくり返す音波は、伝播媒体となる空気の粘性抵抗や多孔性材料との摩擦などでエネルギーが熱変換されるとともに、音波干渉器内の任意の位置で多数の周波数成分によって構成される音波のうち、共通の同期振動の運動特性を有する同一周波数成分の音波と逆位相関係で干渉し合う位置が生じ、干渉し合うたびごとに音波の波動としてのエネルギーは波動吸収される。
音波の波動としての空気粒子の振動は、密度が小さく透過損失のきわめて小さい多孔性材料内をくぐり抜けるとき各所で散乱がくり返されるため、波動としての振動の方向性が次第に乱雑となり、ついには振動の方向性のランダムな音波となって次々と伝播していく。このように音波干渉器内では多数の周波数成分によって構成される各周波数の音波は、それぞれランダムな方向性の失われた空気粒子の振動の音波に変換される。

空気粒子の振動の方向性のランダムな２つの同一周波数の音波が逆位相関係で重ね合わされると、２つの音波の波動としてのエネルギーは干渉作用によって確率的な頻度で波動吸収される態様となる。２つの同一周波数の音波が音波干渉器内で逆位相関係で、かつ振動の方向性が一致する確率は、とじ込められた音波が音波干渉器内に滞留する時間の大きさに比例し、波長の大きさに反比例する関係となる。特に、干渉し合う音波の空気粒子の振動の方向性と、振幅の大きさが逆位相関係で一致する場合は、音波の波動としてのトータルエネルギーは瞬時かつ劇的に低減される。
このように、回折エッジと音波反射板の先端エッジ部で挟まれた面に向けて放射された音波は、たとえ過渡的あるいは一過性であったり、過大なレベルであったり、コンパクトな装置ではなかなかはかばかしい効果の得られないような波長の長い低い周波数の音波のようなものであっても確実に捕捉されて、ちょうど吸音率が高く容積の大きな部材によって効率よく吸収されたような状態で、音波の波動エネルギーは効果的に低減される。

実施例１
本発明の実施例１を、図１、図２，図３に基づいて説明する。
図１は、実施例１の構成および作用を示す図、図２は実施例１の作用を示す断面図、図３は実施例１の斜視図である。実施例１は、本発明を自動車道の防音壁として用いたものである。
図１，図２において、音波反射板１は、反射面を長方形の平板を曲げて第１および第２の２つの焦点を有する楕円面の形状とし、高い反射率の部材から成る音波反射板である。回折抑制板２は、音波反射板１の反射面に対向して設置され回折波の拡散を抑制する平板で、回折抑制板２の先端は回折エッジ３として音波反射板１の第１の焦点の位置に設定され、回折抑制板２の後端は回折エッジ３と音波反射板１の後端を含む面と、音波反射板１の先端と第２の焦点４を含む面との交わる交線に接している。音波集束器５は、先端となる音波導入側が広く開口し後端となる音波集束側がスリット状に狭められた筒状を成し、音波導入側の先端はそれぞれ音波反射板１の後端と回折抑制板２の後端に接続し、音波集束側の後端スリット開口部は音波干渉器６の音波導入口７に接続される。音波干渉器６は、音波集束器５の裏面と反射板式消音装置本体の背壁面とによって構成され、音波干渉器６の内部には多孔性材料８が挿入されている。９は回折抑制板２を含む平面であり、１０は騒音源としての音波放射体、１１は防水スクリーン、１２は防音壁、Ｓは騒音源である。
実施例１の本発明による反射板式消音装置は、道路端両サイドに設けられた防音壁１２の上部に、共通の音波干渉器６と複数個の音波入射面をそれぞれ内側に並列に並べて騒音の捕捉面積を拡大し、腰の部分からくの字に折り曲げ、上端が外側へ開くように傾斜させて、入射された騒音の捕捉効率が高まるように設置されている。

以下、その動作について図１，図２、図３に示した図と共に説明する。
図３で示す自動車道より沿道周辺へ拡散される騒音の主たる発生源の一つに路面とタイヤから発生する騒音が挙げられる。路面とタイヤから発生する騒音を騒音源Ｓとし、この騒音源Ｓを音波放射体１０としたとき、音波放射体１０より全方向に等しく放射状に放射された騒音による音波のうち、音波反射板１の先端と回折抑制板２の先端で挟まれた音波入射面に入射し、音波反射板１と回折抑制板２で挟まれた空間に入り込む音波は、大別すると、回折エッジ３を回折して入射する音波と回折エッジ３の上方を直進して入射する音波の２つに分けられる。
回折エッジ３を回折して入射された騒音による音波は、回折エッジ３が音波反射板１の第１の焦点上に設定されているため、音波反射板１で反射され、第２の焦点４へ集められる。回折エッジ３の上方を直進して入射された騒音による音波は、音波反射板１の第１の焦点をわずかにずれた方位から入射された音波であるため、音波反射板１で反射されたのち、音波集束器５の壁面で反射、集束されて第２の焦点４近傍へ進む。第２の焦点４および第２の焦点４近傍へ集められた音波は、スリット状の音波導入口７より音波干渉器６内へ導入される。
音波干渉器６内にとじ込められた音波は、密度が小さく透過損失の小さいグラスウールなどによる多孔性材料８内を次々に伝播し、さらに音波干渉器６の背壁面あるいは回折抑制板２の裏面などでいく重にも反射、伝播をくり返す。音波干渉器６内で散乱、反射をくり返しながら拡散する音波は、空気の粘性抵抗などでエネルギーが熱変換されるとともに、音波干渉器６内の各所でさまざまな異なる経路を伝播してきた音波と干渉し合う。これら干渉し合う音波の伝播性状が逆位相関係であり、空気粒子の振動の方向性がランダムであると、騒音による音波の波動としてのエネルギーは広い周波数帯域にわたって大きく低減される。

実施例２
実施例２を図４に基づいて説明する。
図４は、実施例２の断面図である。実施例２は、本発明を回折音低減装置として用いたものである。図１，図２，図３と共通の部分は、共通の符号を付してある。
実施例２の本発明による反射板式消音装置は、防音壁１２の上部に複数個の音波反射板１を、それぞれの音波反射板１の先端がたがいに平行で、かつ、それぞれの先端を含む面が円筒の一部となる曲面の形状とし、防音壁１２の上部をつつみ込むように設置して、防音壁１２の上端部を新たな発音源のようにして裏側へ回り込む回折音の伝播エネルギーを低減するものである。
騒音源Ｓとなる音波放射体１０から全方向に等しく放射された音波のうち、防音壁１２の先端に取り付けられた反射板式消音装置の方向へ放射された音波は、それぞれの音波反射板１の先端と回折抑制板２の先端で挟まれた音波入射面に入射し、それぞれの音波反射板１と回折抑制板２で挟まれた空間に入り込む。
以下、それぞれの回折エッジ３を回折して入射された騒音による音波と、それぞれの回折エッジ３の上方を直進して入射された騒音による音波とが、共通の音波干渉器６内へ導入され、騒音による音波の波動としてのエネルギーが粘性抵抗などで熱変換され、音波干渉によって波動吸収されるまでの各部の動作は、上述の実施例１の場合と同様であり、回折音の伝播エネルギーは、本発明の回折音低減装置の上端部を回折して裏側へ回り込む直前に、捕捉されて弱められる。

実施例３
実施例３を図５に基づいて説明する。
図５は、実施例３の断面図である。実施例３は、本発明を送風機騒音低減装置として用いたものである。図１，図２と共通の部分は、共通の符号を付してある。
１３はダクト、１４は軸流ファンの開口面、１５はダクトの開口面、１６はウインドスクリーンである。
実施例３の本発明による反射板式消音装置は、共通の音波干渉器６と軸流ファンの軸を回転軸とする回転楕円面を用いた複数個の音波反射板１をたがいに平行に重ね合わせたものとから成り、ダクト１３の内壁面を音波干渉器６の背壁面とするとともに、軸流ファンの開口面１４に接合されている。
軸流ファンの開口面１４が主たる騒音の発生源として音波放射体１０とするとき、音波放射体１０の面をごく小さな面に分割して着目すると、細かく分割された各面からは、それぞれ全方向に等しく音波が放射される。ダクト１３の内壁面に取り付けられた反射板式消音装置の方向へ放射された音波は、それぞれの音波反射板１の先端と回折抑制板２の先端で挟まれた音波入射面に入射し、それぞれの音波反射板１と回折抑制板２で挟まれた空間に入り込む。
以下、それぞれの回折エッジ３を回折して入射された騒音による音波と、それぞれの回折エッジ３の上方を直進して入射された騒音による音波とが、共通の音波干渉器６内へ導入され、騒音による音波の波動としてのエネルギーが粘性抵抗などで熱変換され、音波干渉によって波動吸収されるまでの各部の動作は、上述の実施例１の場合と同様である。

いま、音波放射体１０から放射された音波のうち、ダクト１３の内壁面に設けられた反射板式消音装置の方向へ向かう音波の割合と、ダクトの開口面１５の方向へ向かう音波との割合の概略をつかむために、軸流ファンの開口面１４の中心部を便宜的に音波放射体１０として、ダクト１３の長さをし、軸流ファンの開口面１４およびダクトの開口面１５の内径をＤとすると、前者と後者との比は、
［｛Ｌ^２＋（Ｄ／２）^２｝^１／２×Ｌ］
： ［Ｌ^２＋（Ｄ／２）^２−｛Ｌ^２＋（Ｄ／２）^２｝^１／２×Ｌ］
で表される。
たとえば、ダクトの長さＬと、軸流ファンの開口面１４およびダクトの開口面１５の内径ＤとをＬ＝Ｄと等しくすると、軸流ファンの開口面１４の中心部から放射される騒音の波動としてのエネルギーは、８９％がダクト１３の内壁面へ向かい、残り１１％が直接ダクトの開口面１５へ向かうという結果が得られる。
仮に、放射された騒音の全エネルギーの８９％近くが確実に捕捉されてその大部分が消滅するものとすれば、騒音の発生源と一体とみなせるほど近接させた位置で、騒音のエネルギーをおおむね１／１０近くにまで低減できることになる。言うまでもなく、各部の動作機能や効率の劣化があることを考慮したとしても、ダクトの開口面１５から大気中に放射される騒音の大きさは、ダクト１３の内壁面に設けられた反射板式消音装置の機能や性能の優劣によって大きく影響されるものとなる。

実施例４
実施例４を図６に基づいて説明する。
図６は、実施例４の断面図である。実施例４は、本発明を指向性スピーカとして用いたものである。図１，図５と共通の部分は、共通の符号を付してある。
１７はフード、１８はスピーカ音放射面である。
実施例４の本発明による反射板式消音装置は、共通の音波干渉器６と、長方形の平板を曲げて楕円面とする音波反射板１を複数個たがいに平行に重ね合わせたものとで反射板式消音ユニットを構成し、四角形の筒状フード１７の各内壁面をそれぞれ共通の音波干渉器６の背壁面とし、フード１７はスピーカ音波放射面１８に接合されている。
実施例４は、実施例３のダクト１３および軸流ファンの開口面１４が、フード１７およびスピーカ音放射面１８に置き換えられたものと同様のものであり、指向性を有するスピーカ音を放出すものである。
スピーカ音放射面１８の近傍を主たる音波放射体１０とするとき、音波放射体１０から放射された音波は、フード１７の内壁面に設けられた反射板式消音装置の方向へ向かう音波と、フード１７の開口面の方向へ向かう音波とに分けられる。音波放射体１０より放射されフード１７の内壁面の方向へ向かう音波の波動エネルギーは、上述の実施例１の場合と同様に、側方に設けられた反射板式消音装置によって捕捉され、フード１７の開口面の方向へ向かう音波の波動エネルギーは、音波伝播の媒体を担う空気粒子の振動がおおむね共通の方向性を有する波束となり、伝播方向がフード１７の開口面に対して垂直方向へほぼ均一化された波面となって直進する。

発明の効果

本発明の反射板式消音装置によれば、従来の摩擦熱変換による消音に加えて、騒音を音波反射板と音波干渉器とによって効率的に波動吸収し、軽量、コンパクトな構造であっても騒音の低減性能を維持できるため、従来のパッシブ消音の技術的限界を大きく変革する装置を提供できるものとなる。
本発明の反射板式消音装置の取り扱うことのできる音は、高低いずれの音でもよく、特に低い周波数の低減効果は他に例を見ないほどであり、音量レベルの大小についてはまったく制限はなく、一過性の衝撃音のような音であっても瞬時に、確実に処理できる。また、騒音の位置や距離については遠近いずれでもよく、騒音源からの音波の進行方向が特定されさえすれば、どのような騒音源であっても対応は可能である。
さらに、吸排気用マフラーのような空洞消音構造の必要な場合は、通気路の長さを短縮化し、圧力損失によるロスを軽減することができるため、エンジンなどのエネルギーの変換効率が改善され、省エネ対策としても大いに期待できる。
なお、音の拡散を抑制する機能を利用して、指向性スピーカを得ることができるため、ハウリングのない双方向同時通話機器などへの応用も可能である。

実施例１の構成および作用を示す図である。 実施例１の作用を示す断面図である。 実施例１の斜視図である。 実施例２の断面図である。 実施例３の断面図である。 実施例４の断面図である。

符号の説明

１ 音波反射板
２ 回折抑制板
３ 回折エッジ
４ 第２の焦点
５ 音波集束器
６ 音波干渉器
７ 音波導入口
８ 多孔性材料
９ 回折抑制板を含む平面
１０ 音波放射体
１１ 防水スクリーン
１２ 防音壁
１３ ダクト
１４ 軸流ファンの開口面
１５ ダクトの開口面
１６ ウインドスクリーン
１７ フード
１８ スピーカ音放射面
Ｓ 騒音源

Claims (2)

1. 騒音を音波反射板と音波干渉器とによって波動吸収する反射板式消音装置において、断面が焦点を有する楕円の一部となる音波反射板と、該音波反射板の第１の焦点を回折エッジとする回折抑制板と、前記音波反射板の第２の焦点近傍へ達する音波を集束する音波集束器と、該音波集束器を介して導入された音波の波動エネルギーを低減する音波干渉器とから成り、騒音源と前記音波反射板とを前記回折抑制板を含む平面で２分するとき、前記音波反射板側を表側とし前記騒音源側が裏側となるように前記回折抑制板を傾斜させたことを特徴とする反射板式消音装置。
2. 複数個の音波反射板と共通の音波干渉器とから成ることを特徴とする請求項１記載の反射板式消音装置。

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