JP2006097570A - 共鳴器 - Google Patents

Abstract

【課題】 設置スペースが小さく、高い消音効果を維持しやすい共鳴器を提供することを課題とする。
【解決手段】 共鳴器１は、外気を取り入れる吸気口と、吸気口とエンジンの燃焼室とを連通する吸気通路９５と、を区画する管体部を持つ吸気システムに配置され、吸気通路９５を伝播する吸気騒音を抑制する。共鳴器１は、一端が管体部に分岐接続され、他端が閉口し、内部に消音室を区画する分岐管体部２と、分岐管体部２の内部に、吸気通路９５と遮断された隔室５０〜５３を区画する隔壁３０〜３３と、を備える。隔室５０〜５３には、同温度かつ大気圧の空気よりも、密度の小さい気体が封入されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、車両の吸気システムの吸気騒音を抑制する共鳴器に関する。

従来から、吸気システムの吸気騒音を抑制するために、サイドブランチタイプの共鳴器やヘルムホルツタイプの共鳴器が用いられている。しかしながら、これら従来の共鳴器によると、吸気騒音のうち比較的周波数の低い低周波成分の音圧を抑制する場合、共鳴器の配置スペースが大きくなってしまう。

例えば、サイドブランチタイプの共鳴器の場合、固有周波数は、サイドブランチの長さに依存している。一方、低周波成分の波長は比較的長い。このため、サイドブランチタイプの共鳴器により低周波成分を抑制しようとすると、サイドブランチの長さを長くする必要がある。したがって、共鳴器の配置スペースが大きくなる。

また、ヘルムホルツタイプの共鳴器の場合、固有周波数は、次式により表すことができる。

式中、ｆは固有周波数（共鳴周波数）を、ｃは音速を、ｌはスロート室の長さを、Ｖは空洞室の体積を、Ｓはスロート室の断面積を、それぞれ示す。低周波成分を抑制する場合、固有周波数ｆを小さくする必要がある。固有周波数ｆを小さくするためには、Ｓに対してｌあるいはＶを大きくする必要がある。したがって、この場合も、共鳴器の配置スペースが大きくなる。
実開平２−８０７１０号公報

これに対して、特許文献１には、配置スペースの小さい共鳴器が紹介されている。同文献記載の共鳴器は、弾性膜とカップ部材とを備えている。カップ部材は、カップ開口が伏せられた状態で、サージタンクに取り付けられている。カップ開口とサージタンクとの間には、弾性膜が介装されている。弾性膜により、カップ内部とサージタンク内部とは、遮断されている。

弾性膜の固有周波数は、サージタンク内部の気柱共鳴の共鳴周波数と等しくなるように、設定されている。同文献記載の共鳴器によると、当該弾性膜の膜振動効果により、サージタンク内部の気柱脈動を抑制することができる。

ところが、同文献記載の共鳴器の場合、所望の消音効果を長時間維持するのは困難である。すなわち、弾性膜の固有周波数は、気柱共鳴の共鳴周波数と等しい周波数に、常時維持しておく必要がある。ここで、弾性膜の固有周波数は、弾性膜の張力に依存している。しかし、弾性膜の張力は、弾性膜設置から時間が経つに連れ、徐々に小さくなる。このため、同文献記載の共鳴器の場合、所望の消音効果を長時間維持するのは困難である。

本発明の共鳴器は、上記課題に鑑みて完成されたものである。したがって、本発明は、設置スペースが小さく、高い消音効果を維持しやすい共鳴器を提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するため、本発明の共鳴器は、外気を取り入れる吸気口と、該吸気口とエンジンの燃焼室とを連通する吸気通路と、を区画する管体部を持つ吸気システムに配置され、該吸気通路を伝播する吸気騒音を抑制する共鳴器であって、一端が前記管体部に分岐接続され、他端が閉口し、内部に消音室を区画する分岐管体部と、該分岐管体部の内部に、前記吸気通路と遮断された隔室を区画する隔壁と、を備え、該隔室には、同温度かつ大気圧の空気よりも、密度の小さい気体が封入されていることを特徴とする。

つまり、本発明の共鳴器は、隔壁により、吸気通路から独立した隔室を配置するものである。隔室には、同温度かつ大気圧の空気より、密度の小さい気体が封入されている。消音器の音響インピーダンスＺは、次式により表すことができる。

ここで、Ｋｄはばね定数を、ｋは波数を、ｃは音速を、Ｃｄは減衰係数を、ｍは気体の質量を、ρは気体の密度を、Ｓは隔室における吸気騒音伝播方向に対して垂直方向の隔室の断面積を、Ｌは隔室の吸気騒音伝播方向の長さを、それぞれ示す。

［数２］より、気体の密度ρが小さくなると、音響インピーダンスＺも小さくなることが判る。音響インピーダンスＺが小さくなると、消音効果が高くなる。このように、本発明の共鳴器は、封入気体の密度を小さくすることにより、広い周波数域において、高い消音効果を確保することができる。

また、本発明の共鳴器は、広い周波数域において高い消音効果を有するため、従来の共鳴器と同等の抑制対象周波数において同等の消音効果を得たい場合、より共鳴器の体格を小さくすることができる。このため、共鳴器の設置スペースを小さくすることができる。

また、本発明の共鳴器は、前出特許文献１に記載の共鳴器のように、膜振動効果を利用するものではない。このため、共鳴器の隔壁の張力が小さくなり、隔壁の固有周波数が低下しても、継続して高い消音効果を維持することができる。

（２）好ましくは、前記分岐管体部は、前記管体部において、前記吸気騒音の前記抑制対象周波数の定在波の腹が位置している部位に、配置されている構成とする方がよい。定在波の腹は音圧が大きい。このため、本構成によると、より効果的に抑制対象周波数の音圧を抑制することができる。

（３）また、上記課題を解決するため、本発明の共鳴器は、外気を取り入れる吸気口と、該吸気口とエンジンの燃焼室とを連通する吸気通路と、を区画する管体部を持つ吸気システムに配置され、該吸気通路を伝播する吸気騒音を抑制する共鳴器であって、一端が前記管体部に分岐接続され、他端が閉口し、内部に消音室を区画する分岐管体部と、該分岐管体部の内部に、前記吸気通路と遮断された隔室を区画する隔壁と、を備え、該隔室には、同温度の空気よりも、音速の小さい気体が封入されていることを特徴とする。

共鳴器の固有周波数ｆは、次式により表すことができる。

上式から判るように、音速ｃが小さくなると、固有周波数ｆも小さくなる。したがって、本発明の共鳴器によると、従来の共鳴器と同形状の場合、より低い周波数の音圧を抑制することができる。なお、消音効果を高くする場合は、前出［数２］の右辺の分子がより小さくなるように、波数ｋを設定すればよい。

並びに、本発明の共鳴器によると、従来の共鳴器と同等の抑制対象周波数において消音効果を得たい場合、より共鳴器の体格を小さくすることができる。すなわち、共鳴器の設置スペースを小さくすることができる。

また、後述する実施例から明らかなように、音速が小さくなると、固有周波数（共鳴周波数）における音圧低減幅が大きくなる。したがって、本発明の共鳴器は、低周波数域における消音効果が高い。

また、本発明の共鳴器は、前出特許文献１に記載の共鳴器のように、膜振動効果を利用するものではない。このため、共鳴器の隔壁の張力が小さくなり、隔壁の固有周波数が低下しても、継続して高い消音効果を維持することができる。

（４）好ましくは、上記（３）の構成において、前記分岐管体部は、前記管体部において、前記吸気騒音の前記抑制対象周波数の定在波の腹が位置している部位に、配置されている構成とする方がよい。定在波の腹は音圧が大きい。このため、本構成によると、より効果的に抑制対象周波数の音圧を抑制することができる。

（５）好ましくは、上記（３）の構成において、前記気体の密度は、同温度かつ大気圧の空気の密度よりも、小さい構成とする方がよい。前出［数２］より、気体の密度ρが小さくなると、音響インピーダンスＺも小さくなり、消音効果が高くなる。このため、本構成によると、低周波数域のみならず、広い周波数域において、高い消音効果を確保することができる。

本発明によると、設置スペースが小さく、高い消音効果を維持しやすい共鳴器を提供することができる。

以下、本発明の共鳴器の実施の形態について説明する。

まず、本実施形態の共鳴器の配置について説明する。図１に、本実施形態の共鳴器が配置された吸気システムの概要図を示す。図に示すように、吸気システム９は、吸気ダクト９０とエアクリーナ９１とエアクリーナホース９２とスロットルボディ９３とインテークマニホールド９４とを備えている。吸気システム９の内部には、吸気ダクト９０上流端（以下、空気の流れ方向に沿って、上流側、下流側を定義する。）に形成された吸気口９００と、インテークマニホールド９４の下流端に分岐接続された燃焼室９６と、を連通する吸気通路９５が区画されている。吸気通路９５を介して、外部から燃焼室９６に吸気が導入される。また、吸気通路９５を介して、燃焼室９６から外部に吸気騒音が伝播する。共鳴器１は、吸気ダクト９０に分岐接続されている。共鳴器１は、吸気騒音の抑制対象周波数の定在波の腹位置に接続されている。

図２に、本実施形態の共鳴器の断面図を示す。図に示すように、共鳴器１は、分岐管体部２と隔膜３０〜３３とを備えている。隔膜３０〜３３は、本発明の隔壁に含まれる。分岐管体部２は、取り付け部２０と、連結部２１〜２３と、底部２４と、を備えている。

取り付け部２０は、樹脂製であって、小径部２００と大径部２０１とを備えている。小径部２００は、円筒状を呈している。小径部２００の開口端には、小径部側フランジ部２００ａが形成されている。一方、吸気ダクト９０の側壁からは、ダクト側フランジ部９０１が突設されている。小径部側フランジ部２００ａは、ダクト側フランジ部９０１に、スクリュー（図略）により、固定されている。小径部２００内部には、スロート室４が配置されている。吸気通路９５は、スロート室４に連通している。大径部２０１は、小径部よりも大径の円筒状を呈している。大径部２０１の開口端には、大径部側フランジ部２０１ａが形成されている。

連結部２１は、樹脂製であって、大径部２０１と同径の円筒状を呈している。連結部２１の内部には、隔室５０が区画されている。連結部２１の両方の開口端には、各々、連結部側フランジ部２１０、２１１が形成されている。連結部側フランジ部２１０は、大径部側フランジ部２０１ａに、スクリュー（図略）により、固定されている。

隔膜３０は、ゴム製であって、肉厚の薄い円板状を呈している。隔膜３０は、前記スクリューにより、連結部側フランジ部２１０と大径部側フランジ部２０１ａとの間に、挟持固定されている。

連結部２２は、連結部２１同様の形状を呈している。連結部２２の内部には、隔室５１が区画されている。連結部２２の両方の開口端には、各々、連結部側フランジ部２２０、２２１が形成されている。連結部側フランジ部２２０は、連結部２１の連結部側フランジ部２１１に、スクリュー（図略）により、固定されている。

隔膜３１は、隔膜３０同様の形状を呈している。隔膜３１は、前記スクリューにより、連結部側フランジ部２２０と連結部２１の連結部側フランジ部２１１との間に、挟持固定されている。

連結部２３は、連結部２２同様の形状を呈している。連結部２３の内部には、隔室５２が区画されている。連結部２３の両方の開口端には、各々、連結部側フランジ部２３０、２３１が形成されている。連結部側フランジ部２３０は、連結部２２の連結部側フランジ部２２１に、スクリュー（図略）により、固定されている。

隔膜３２は、隔膜３１同様の形状を呈している。隔膜３２は、前記スクリューにより、連結部側フランジ部２３０と連結部２２の連結部側フランジ部２２１との間に、挟持固定されている。

底部２４は、樹脂製であって有底円筒状を呈している。底部２４の内部には、隔室５３が区画されている。底部２４の開口端には、底部側フランジ部２４０が形成されている。底部側フランジ部２４０は、連結部２３の連結部側フランジ部２３１に、スクリュー（図略）により、固定されている。

隔膜３３は、隔膜３２同様の形状を呈している。隔膜３３は、前記スクリューにより、底部側フランジ部２４０と連結部２３の連結部側フランジ部２３１との間に、挟持固定されている。

このように、分岐管体部２の内部には、一つのスロート室４と、合計四つの隔室５０〜５３と、が形成されている。また、四つの隔室５０〜５３は、各々隔膜３０〜３３により、仕切られている。これら四つの隔室５０〜５３の各々には、二酸化炭素が封入されている。二酸化炭素は、本発明の気体に含まれる。隔室５０〜５３は、共鳴器１組み付け後において、各々、大気圧未満に減圧されている。隔室５０〜５３に封入された二酸化炭素の密度は、同温度かつ大気圧における空気の密度よりも、小さくなっている。

以上、本発明の共鳴器の実施の形態について説明した。しかしながら、実施の形態は上記形態に特に限定されるものではない。当業者が行いうる種々の変形的形態、改良的形態で実施することも可能である。

例えば、上記実施形態においては、ヘルムホルツタイプの共鳴器を基に共鳴器１を形成したが、サイドブランチタイプの共鳴器を基に共鳴器１を形成してもよい。また、共鳴器１の外形を円筒状としたが、角筒状としてもよい。また、隔膜３０〜３３の枚数は、特に限定しない。また、上記実施形態においては、隔壁として隔膜３０〜３３を配置したが、隔壁は膜状でなくてもよい。例えば、ブロック状であってもよい。また、上記実施形態においては、隔膜３０〜３３をスクリューにより固定したが、隔膜３０〜３３は接着あるいは溶着などにより固定してもよい。また、隔膜３０〜３３と、分岐管体部２の一部あるいは全部とを、一体に形成してもよい。また、吸気システム９に対する共鳴器１の取り付け位置も特に限定しない。例えば、エアクリーナ９１、エアクリーナホース９２、スロットルボディ９３、インテークマニホールド９４などであってもよい。また、単一の吸気システム９に、複数の共鳴器１を配置してもよい。この場合、各共鳴器１ごとに、抑制対象周波数を変えてもよい。

また、上記実施形態においては、本発明の気体として、二酸化炭素を用いた。しかしながら、空気よりも音速の小さい気体として、二酸化炭素の他、酸素、塩素、二酸化硫黄、酸化窒素、一酸化二窒素、アルゴン、エタン、エチレンなどを用いてもよい。

また、空気よりも密度の小さい気体として、水素、ヘリウムなどを用いてもよい。同温度かつ大気圧状態において、これらの気体の密度は、空気の密度よりも小さい。したがって、これらの気体を用いる場合、隔室５０〜５３の減圧は不要である。

以下、本発明の共鳴器に対して行ったシミュレーション結果について説明する。

＜サンプル＞
図３に、シミュレーションに用いたサンプルの模式図を示す。なお、図２と対応する部位については、同じ符号で示す。図に示すように、サイドブランチタイプの共鳴器１は、分岐管体部２と隔膜３０ａとを備えている。分岐管体部２は、有底円筒状を呈している。隔膜３０ａは、分岐管体部２の開口縁に配置されている。隔膜３０ａにより、分岐管体部２の内部には、隔室５０ａが区画されている。分岐管体部２の内径φは３０ｍｍである。また、分岐管体部２の軸方向長さＬは、５０６ｍｍである。

隔室５０ａの温度は、１５℃に設定する。実施例１のサンプルは、隔室５０ａに減圧した空気を封入したものである。実施例２のサンプルは、隔室５０ａに大気圧の二酸化炭素を封入したものである。実施例３のサンプルは、隔室５０ａに減圧した二酸化炭素を封入したものである。比較例のサンプルは、隔室５０ａに大気圧の空気を封入したものである。これら実施例、比較例サンプルを、まとめて次表に示す。

＜シミュレーション方法＞
シミュレーションは、伝達マトリックス法を使用して行った。図４に、シミュレーションに用いた装置の模式図を示す。なお、図３と対応する部位については、同じ符号で示す。図に示すように、ダクト１００は、一端が開口し他端が閉口する円筒状を呈している。ダクト１００の長さは、５０ｍｍに設定する。共鳴器１は、ダクト１００の長手方向中央に配置されている。音源位置１０１は、ダクト１００の閉口端に設定する。一方、集音位置１０２は、ダクト１００の開口端に設定する。

＜シミュレーション結果＞
図５に、シミュレーションの結果をグラフで示す。説明の便宜上、大気圧データである実施例２、比較例を細線で、減圧データである実施例１、３を太線で、各々示す。まず、気体の密度について検討する。共に空気である実施例１と比較例とを比較すると、減圧により密度が小さくなった実施例１の方が共鳴周波数（１７０Ｈｚ付近）における音圧の低減幅が大きいことが判る。並びに、共に二酸化炭素である実施例２と実施例３とを比較すると、減圧により密度が小さくなった実施例３の方が、共鳴周波数（１３３Ｈｚ付近）における音圧の低減幅が大きいことが判る。これらのことから、気体の種類が同じ場合、密度が小さい方が、音圧の低減幅が大きいことが判る。つまり、密度が小さい方が、消音効果が高いことが判る。

次に、気体の音速について検討する。共に大気圧データである実施例２と比較例とを比較すると、音速の小さい実施例２の方が、より低周波数側に、共鳴周波数があることが判る。また、音速の小さい実施例２の方が、共鳴周波数における音圧の低減幅が大きいことが判る。並びに、共に減圧データである実施例１と実施例３とを比較すると、音速の小さい実施例３の方が、より低周波数側に、共鳴周波数があることが判る。また、音速の小さい実施例３の方が、共鳴周波数における音圧の低減幅が大きいことが判る。これらのことから、気体の圧力が同じ場合、音速が小さい方が、低周波数側に共鳴周波数がシフトすることが判る。並びに、音速が小さい方が、共鳴周波数における音圧の低減幅が大きいことが判る。

本発明の一実施形態となる共鳴器が配置された吸気システムの概要図である。 同共鳴器の断面図である。 シミュレーションに用いたサンプルの模式図である。 シミュレーションに用いた装置の模式図である。 シミュレーションの結果を示すグラフである。

符号の説明

１：共鳴器、２：分岐管体部、２０：取り付け部、２００：小径部、２００ａ：小径部側フランジ部、２１〜２３：連結部、２０１：大径部、２０１ａ：大径部側フランジ部、２１０：連結部側フランジ部、２１１：連結部側フランジ部、２２０：連結部側フランジ部、２２１：連結部側フランジ部、２３０：連結部側フランジ部、２３１：連結部側フランジ部、２４：底部、２４０：底部側フランジ部、３０〜３３：隔膜（隔壁）、４：スロート室、５０〜５３：隔室、９：吸気システム、９０：吸気ダクト、９００：吸気口、９０１：ダクト側フランジ部、９１：エアクリーナ、９２：エアクリーナホース、９３：スロットルボディ、９４：インテークマニホールド、９５：吸気通路、９６：燃焼室。

Claims (5)

1. 外気を取り入れる吸気口と、該吸気口とエンジンの燃焼室とを連通する吸気通路と、を区画する管体部を持つ吸気システムに配置され、該吸気通路を伝播する吸気騒音を抑制する共鳴器であって、
   一端が前記管体部に分岐接続され、他端が閉口し、内部に消音室を区画する分岐管体部と、
   該分岐管体部の内部に、前記吸気通路と遮断された隔室を区画する隔壁と、を備え、
   該隔室には、同温度かつ大気圧の空気よりも、密度の小さい気体が封入されていることを特徴とする共鳴器。
2. 前記分岐管体部は、前記管体部において、前記吸気騒音の前記抑制対象周波数の定在波の腹が位置している部位に、配置されている請求項１に記載の共鳴器。
3. 外気を取り入れる吸気口と、該吸気口とエンジンの燃焼室とを連通する吸気通路と、を区画する管体部を持つ吸気システムに配置され、該吸気通路を伝播する吸気騒音を抑制する共鳴器であって、
   一端が前記管体部に分岐接続され、他端が閉口し、内部に消音室を区画する分岐管体部と、
   該分岐管体部の内部に、前記吸気通路と遮断された隔室を区画する隔壁と、を備え、
   該隔室には、同温度の空気よりも、音速の小さい気体が封入されていることを特徴とする共鳴器。
4. 前記分岐管体部は、前記管体部において、前記吸気騒音の前記抑制対象周波数の定在波の腹が位置している部位に、配置されている請求項３に記載の共鳴器。
5. 前記気体の密度は、同温度かつ大気圧の空気の密度よりも、小さい請求項３に記載の共鳴器。

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