JP2006249947A - 消音装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 消音装置の小型化を図りつつ、温度の高い場所に配置でき、より確実に騒音の消音を図る。
【解決手段】 外部から空気流が導入されて笛の原理により、騒音源から出力される騒音の周波数を有し、前記騒音の位相とは逆位相を有する消音用音波を発生する音波発生部７１と、騒音源から出力される前記騒音の周波数および前記位相を検出し、前記消音用音波の周波数および位相を制御するコントローラ７３と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、消音装置に係り、特にアクティブ・ノイズ・コントロール技術によりマフラーより出力される騒音の低減を図ることが可能な消音装置に関する。

従来より、騒音源であるエンジンに接続される排気管には、消音を行うための膨張室により音を減衰させる排気マフラーが接続されている。この排気マフラーによる騒音の抑制は非常に効果があることが知られているが、要請器を必要とするため、さらなる静音化を図ることについては限界があった。

そこで、特許文献１に示すように、アクティブ・ノイズ・コントロール技術を応用し、排気管の近傍にスピーカを配置し、さらに排気管の開口端部にマイクを配置し、マイクで集音した排気管の騒音とは逆位相の消音用音波をスピーカから出力することにより、排気管から放射される騒音を打ち消す作用を行うものが提案されている。
特開平１１−２２４０９２号公報

上記従来の消音装置においては、エンジンが高温（４５０℃以上）の排気ガスを発生するため、音波発生器としてのスピーカを配置可能な場所は制限されるとともに、マフラーがかえって大きくなる場合があった。特に排気管近傍にスピーカを配置しようとすると、スピーカの振動板を排気管からの放射熱に対して遮蔽すべく別途対策が必要であった。

また、原理的にアクティブ・ノイズ・コントロール技術を応用して消音を行う場合には、騒音源により近い場所で騒音を打ち消す作用を行わせるのが好ましいが、例えば、排気マフラー等では、騒音源に近い場所ほど温度が高いため、スピーカの配置はより困難になるという課題があった。
そこで、本発明の目的は、消音装置の小型化を図りつつ、温度の高い場所に配置でき、騒音源に近い場所に配置することにより、より効果的に騒音の消音を図ることができる消音装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、騒音源から出力される騒音と同期する周波数で、前記騒音の位相とは逆位相を有する消音用音波を発生する音波発生部と、前記騒音源から出力される前記騒音の周波数および前記位相を検出し、前記消音用音波の周波数および位相を制御する消音制御部と、を備える消音装置において、前記音波発生部は、外部から空気流を導入する空気流導入手段と、前記空気流により音波を発生させる空気流音波発生手段と、を備えることを特徴としている。

上記構成によれば、消音制御部は、騒音源から出力される前記騒音の周波数および位相を検出し、音波発生部における消音用音波の周波数および位相を制御する。
これらの結果、音波発生部の空気流導入手段は、外部から空気流を導入し、空気流音波発生手段は、導入された空気流により消音用音波を発生させる。
したがって、電気的に発音する音波発生部を用いる必要がなく、比較的高温な場所に消音装置を配置できるので、騒音源により近い位置で、効果的に騒音の消音を図ることができる。

この場合において、前記音波発生部は、有効管長を変更することにより前記消音用音波の周波数を変更可能な管長変更部と、前記外部からの空気流の導入タイミングを制御し、発音タイミングを制御することにより前記消音用音波の位相を前記騒音の位相とは逆位相にする位相変更部と、を備えるようにしてもよい。この構成によれば、機械的な構成を主とする音波発生部で消音用音波を生成することができ、比較的高温の場所でも適用が可能となる。

また、前記空気流は外部のコンプレッサにより供給され、前記位相変更部は、電磁弁により前記空気流の導入タイミングを制御するようにしてもよい。この構成によれば、簡単な構成でより効率的に消音用音波を発生させることができる。

さらに、前記音波発生部は、車両の排気マフラー内に配置されているようにしてもよい。この構成によれば、車両の小型化を維持しつつ、より効率的に消音が行える。

本発明によれば、設置スペースを必要以上に大きくすることなく、騒音源により近い高温の場所に配置することを可能としながら、消音効果を向上させることができる。

次に、本発明の好適な実施の形態について図面を参照して説明する。なお説明中、前後および左右といった方向の記載は、車体に対してのものとする。
［１］第１実施形態
図１は、本実施形態に係る自動二輪車の全体構成の側面図を示している。この自動二輪車１は、車体フレーム２と、車体フレーム２の前端部に回動可能に支持された左右一対のフロントフォーク３と、これらフロントフォーク３の上端部に取り付けられて車体前部の上部に配置された操舵用の左右一対のバーハンドル４と、フロントフォーク３に回転自在に支持された前輪５と、車体フレーム２に支持されたエンジン６と、エンジン６の前方に配置されたラジエータ７と、エンジン６の後端と車体フレーム２によって鉛直方向に揺動可能に支持されたリヤフォーク８と、このリヤフォーク８の後端部に回転自在に支持された後輪９と、車体フレーム２の上部に配置された燃料タンク１０と、この燃料タンク１０の後方に配置された運転者が着座する乗車用シート１１および同乗者が着座するピリオンシート１２とを備えており、車体前部のほぼ全体がフロントカウル１５によって覆われている。なお、ピリオンシート１２は、乗車用シート１１の後側に配置されたリヤカウル１３に設けられている。

車体フレーム２は、前端のヘッドパイプ１６と、このヘッドパイプ１６から左右にわかれて後方かつ斜め下方に延び、その前後に下方に延びる前側エンジンハンガ１７ａ、ならびに後側エンジンハンガ１７ｂが、一体的に設けられた左右一対のメインフレーム１７と、このメインフレーム１７の後部上側に連結された左右一対の連結板１９と、メインフレーム１７および連結板１９に連結されて後方かつ斜め上方に延びる左右一対のシートレール１８とを備えている。なお、シートレール１８は、連結板１９に連結されて後方かつ斜め上方に延びる左右一対のアッパーパイプ１８ａと、メインフレーム１７の後端部の連結部２０に連結されて後方かつ斜め上方に延びる左右一対のロワーパイプ１８ｂとを有しており、これらアッパーパイプ１８ａおよびロワーパイプ１８ｂは後端部が互いに溶接されている。また、上記したリヤカウル１３の前端部は、メインフレーム１７の連結部２０の近傍で締結されている。

エンジン６は、シリンダヘッドカバー２１Ａを有するシリンダヘッド２１を備えたシリンダブロック２２と、このシリンダブロック２２の下に連設されたクランクケース２３とを備え、シリンダブロック２２内に、左右方向に４本のシリンダ（気筒）が並列に配された並列４気筒４サイクル型エンジンである。このエンジン６は、シリンダブロック２２がやや前傾した状態で、このシリンダヘッド２１が、メインフレーム１７の前側エンジンハンガ１７ａに、またクランクケース２３の後端上部がメインフレーム１７の後端の後側エンジンハンガ１７ｂにそれぞれボルト止めされることにより、車体フレーム２に支持されている。

また、シリンダブロック２２の前部には、４つのシリンダ毎に排気管２５（図１では左端の１本のみ図示）が接続され、４本の排気管２５は、シリンダヘッド２１に対する接続端部２５ａから下方に延び、エンジン６の下方において２本ずつの排気管２５に揃えられ、さらに、クランクケース２３の下面に沿って後方に延び、クランクケース２３の後方において、１本の集合排気管２５ｂにまとめられている。そして、この集合排気管２５ｂは、右斜め後方に立ち上がりながら後輪９の右側に沿って配置され、その後端部には、真円筒形状のマフラー２６が接続されている。このマフラー２６には、マフラーバンド２６ａが取り付けられ、このマフラーバンド２６ａは、同乗者用ステップのブラケットを介して、シートレール１８のロワーパイプ１８ｂに固定されている。

リヤフォーク８は、その前端の基部３０から左右一対のフォーク部３１が後方に延びてなるもので、基部３０がエンジン６の後端部に設けられたピボット６Ａに枢支されることにより、このピボット６Ａを軸に鉛直方向に揺動可能となっている。また、リヤフォーク８の基部３０とメインフレーム１７の後端との間にはリヤクッションユニット３２が介装されており、これにより後輪９が路面から受ける振動を緩和吸収している。なお、フォーク部３１の上部には、後輪９の前部上方を覆うリヤフェンダ３３が取り付けられており、リヤカウル１３の下部にも後輪の中間上方を覆うリヤフェンダＡ３４が取り付けられ、さらに、このリヤフェンダＡ３４の後部にも、後輪の後部上方を覆うリヤフェンダＢ３５が取り付けられている。

加えて、フロントカウル１５には左右一対のフロントウインカ３６が取り付けられており、リヤフェンダＡ３４およびリヤフェンダＢ３５の境界部分には左右一対のリヤウインカ３７が取り付けられている。さらに、リヤカウル１３の後端部とこのリヤカウル１３の下側に取り付けられるリヤフェンダＡ３４の後端部とで囲まれる部分の内側に尾灯ユニット４０が配置されている。

リヤカウル１３は、上側のアッパーパイプ１８ａと下側のロワーパイプ１８ｂとで構成されるシートレール１８の外側を覆っており、特にロワーパイプ１８ｂについては、これを完全に覆っている。すなわち、自動二輪車を側方から見ても、ロワーパイプ１８ｂは一切見ることができない。

図２は、マフラーの部分断面図である。
さて、この実施形態では、図２に示すように、マフラー２６が筒状本体６０を有し、この本体６０内が、円盤状の隔壁６１を介して、第１膨張室Ｘおよび第２膨張室Ｙに仕切られている。
このマフラー２６の前端部には、集合排気管２５ｂの延長管２５ｃが貫通して固定され、この延長管２５ｃの出口２５ｄは、第一膨張室Ｘに連通されている。

隔壁６１には、この隔壁６１の中心から若干径方向ずれた位置（図２では、上方向にずれた位置）に、連通管６３が貫通して固定され、第一膨張室Ｘと第二膨張室Ｙとの間が連通されている。

隔壁６１には、さらに、連通管６３と干渉しない位置に、消音装置７０を構成する音波発生部７１が貫通して固定されている。

ここで、消音装置７０の構成について説明する。
消音装置７０は、大別すると、音波発生部７１と、マイク７２と、コントローラ７３と、モータ７４と、電磁弁７５と、コンプレッサ８０と、を備えている。
音波発生部７１は、マフラー２６の外部に配置されたコンプレッサ８０から金属製のパイプ８１を介して空気流が導入され、笛の原理に基づいて騒音源であるエンジン６から出力される騒音（排気音）の周波数を有し、騒音の位相とは逆位相を有する消音用音波を発生する。

マイク７２は、騒音源であるエンジン６から燃焼による排気音として出力される騒音を集音し、騒音信号としてコントローラ７３に出力する。
コントローラ７３は、マイク７２が出力した騒音信号に基づいて騒音の周波数および位相を検出し、コンプレッサ８０、電磁弁７５およびモータ７４を制御して、騒音を消音する。なお、制御の詳細については後述する。

モータ７４は、コントローラ７３の制御下で消音用音波の周波数を変更可能に開口部７１Ａ（いわゆるトーンホール）の位置を変更して、音波発生部７１の有効管長を変更する周波数変更部として機能する。
電磁弁７５は、位相変更部として機能し、コントローラ７３の制御下でコンプレッサ８０からの空気流を金属製のパイプ８１に導入するタイミングを変更して発音タイミングを制御し、消音用音波の位相を騒音の位相とは逆位相にする。

次に音波発生部７１の構成について説明する。
図３は、音波発生部の正面図である。また、図４は、音波発生部の分解図である。
音波発生部７１は、大別すると、ヘッド９１と、ヘッド９１に一体に形成された内管部９２と、内管部９２を回動可能に収納する外管部９３と、を備えている。
ヘッド９１は、大別すると、ウィンドウェイ９４と、窓９５と、ラピューム９６と、を備えている。

ウィンドウェイ９４は、コンプレッサ８０からの空気流が導入される空気導入路を構成している。
窓９５は、ウィンドウェイ９４により導かれた空気流をラピューム９６の傾斜面９６Ａに当接させつつ、マフラー２６の第二膨張室Ｙ内に導く。
ラピューム９６は、導かれた空気流に振動を与え、内管部９２内の気体を共振させて消音用音波を発生させることとなる。

ここで、消音用音波の周波数調整について説明する。
内管部９２は、図４に示すように、螺旋状のスリット９２Ａを有しており、このスリット９２Ａに対向する位置に外管部９３は、直線上のスリット９３Ａを有している。
外管部９３は、マフラー２６の第２膨張室Ｙ内に固定金具９７（図２参照）により固定されており、内管部９２がその内部で回動可能に挿入されている。この結果、スリット９２Ａとスリット９３とは、協働してトーンホールとして機能する開口７１Ａを形成することとなる。

この場合において、開口７１Ａの形成位置は、内管部９２の回動位置で図３中、左右方向に移動し、左側に位置するほど内管部９２の有効管長が短くなり、共振する空気中の長さが短くなって、消音用音波の周波数が高くなる。逆に右側に位置すると内管部９２の有効官庁が長くなり、共振する空気中の長さが長くなって、消音用音波の周波数が低くなる。

そこで、コントローラ７３は、モータ７４により回動用パイプ９８を介して、ヘッド９１および内管部９２を回動させ、開口部７１Ａ（いわゆるトーンホール）の位置を変更することにより、発生する消音用音波の周波数を所望の周波数に合わせることとなる。

次に消音の原理について説明する。
エンジン６により発生された騒音は、主たる周波数成分と、従たる周波数成分と、を含んでいる。
そこで、本実施形態においては、騒音に寄与することの大きい主たる周波数成分を検出し、当該周波数成分の騒音について、逆位相、かつ、同波長の消音用音波を生成し、いわゆる重ね合わせの原理により、互いに打ち消し合わせて騒音の低減を行うのである。

ここで、消音用音波の位相合わせについて説明する。
消音用音波の位相合わせ、すなわち、逆位相の消音用音波を生成するために、電磁弁７５が設けられており、発音タイミングをずらして消音用音波を生成している。
このため、電磁弁の駆動可能速度は、消音用音波の周期よりも十分に短くなるように高速駆動が可能なものを用いる必要がある。理想的には、消音用音波の周期の１／２０以下で駆動できれば、ほぼ逆位相の消音用音波を生成することが可能となる。

次に実施形態の動作について説明する。
図５は、実施形態の処理フローチャートである。
まずコントローラ７３は、マイク２によりエンジン６からの排気音の集音を開始し（ステップＳ１）、入力された騒音信号に基づいて騒音の周波数および位相を検出する（ステップＳ２）。
続いてコントローラ７３は、まず、モータ７４を制御して、モータ７４を回転させ、回動用パイプ９８を介して、ヘッド９１および内管部９２を回動させ、開口部７１Ａ（いわゆるトーンホール）の位置を、検出した騒音の周波数（主たる周波数成分の周波数）に対応する位置に変更する（ステップＳ３）。

次にコントローラ７３は、コンプレッサ８０を駆動し、音波発生部７１により発生した消音用音波の位相が、騒音の位相の逆位相となるタイミングで、電磁弁を開状態とする（ステップＳ４）。
この結果、音波発生部７１から、騒音の周波数と同一の周波数、かつ、逆位相の消音用音波が生成、出力され、消音が行われることとなる。
この状態で、コントローラ７３は、マイク７２から入力されている消音対象周波数の音高（音量）を測定し、消音処理前と比較して低減されているか否かを判別する（ステップＳ）。

ステップＳ５の判別において、騒音が低減していない場合には（ステップＳ５；Ｎｏ）、処理を再びステップＳ１に移行し、処理を繰り返す。
ステップＳ５の判別において、騒音が低減した場合には（ステップＳ５；Ｙｅｓ）、一端処理を終了することとなる。
以上の説明のように、本実施形態によれば、消音装置７０を騒音源に近い場所に配置して効果的に騒音を抑制することが可能となる。

［２］第２実施形態
上記第１実施形態では、開口７１Ａ（トーンホール）の位置を変更することにより周波数調整を行っていたが、本第２実施形態では、音波発生部にスライダを設け、直接的に有効管長、すなわち、空気中の長さを変更する場合の実施形態であり、消音装置７０に代えて、消音装置１００を備えている。

図６は、第２実施形態のマフラーの部分断面図である。図６において、図２と同様の部分には同一の符号を付すものとする。
まず、消音装置１００の構成について説明する。
消音装置１００は、大別すると、音波発生部１０１と、マイク７２と、コントローラ７３と、スライダ駆動モータ１０２と、電磁弁７５と、コンプレッサ８０と、を備えている。

音波発生部１０１は、マフラー２６の外部に配置されたコンプレッサ８０から金属製のパイプ８１を介して空気流が導入され、スライド笛（スライドホイッスル）の原理に基づいて騒音源であるエンジン６から出力される排気音の周波数を有し、騒音の位相とは逆位相を有する消音用音波を発生する。
マイク７２は、騒音源であるエンジン６から出力される排気音を集音し、騒音信号としてコントローラ７３に出力する。

コントローラ７３は、マイク７２が出力した騒音信号に基づいて騒音の周波数および位相を検出し、コンプレッサ８０、電磁弁７５およびスライダ駆動用モータ１０２を制御して、騒音を消音する。なお、制御の詳細については後述する。
スライダ駆動用モータ１０２は、コントローラ７３の制御下で消音用音波の周波数を変更可能にスライダバー１０２Ａを駆動し、スライダバー１０２Ａの先端に設けられたスライダヘッド１０２Ｂの位置を変更して、音波発生部１０１の有効管長を変更する周波数変更部として機能する。

スライダバー１０２Ａは、具体的には、外ねじがきられ、スライダ駆動用モータ１０２により回転駆動された回転シャフト１０２Ａ１と、スライダヘッド１０２Ｂが先端に設けられるととともに、内ねじがきられ回転シャフト１０２Ａ１の外ねじに螺合して、図６中、左右方向にスライドするスライドシャフト１０２Ａ２を有しており、回転シャフト１０２Ａ１の回転に伴って、スライダヘッド１０２Ｂの位置が変更されることとなる。
電磁弁７５は、位相変更部として機能し、コントローラ７３の制御下でコンプレッサ８０からの空気流を金属製のパイプ８１に導入するタイミングを変更して発音タイミングを制御し、消音用音波の位相を騒音の位相とは逆位相にする。

ここで、消音用音波の周波数調整について説明する。
図５に示すように、スライダバー１０２Ａを駆動して、スライダバー１０２Ａの先端に設けられたスライダヘッド１０２Ｂを、図５中、左右方向に移動し、左側に位置するほど有効管長が長くなり、共振する空気中の長さが長くなって、消音用音波の周波数が低くなる。逆に右側に位置するほど内管部９２の有効管長が短くなり、共振する空気中の長さが短くなって、消音用音波の周波数が高くなる。

そこで、コントローラ７３は、スライダ駆動用モータ１０２によりスライダバー１０２Ａを介して、スライダヘッド１０２Ｂを移動させ、有効管長を調整して、発生する消音用音波の周波数を所望の周波数に合わせることとなる。
本第２実施形態によっても、消音装置１００を騒音源に近い場所に配置して効果的に騒音を抑制することが可能となる。

［３］実施形態の効果
以上の説明のように、各実施形態によれば、機械的構成を主とする音波発生部により、消音装置７０を実現しているので、マフラーの温度の高い場所にも配置可能であり、騒音源に近い場所に配置して効果的に騒音を抑制することが可能となる。

［４］実施形態の変形例
以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、以上の説明では、二室構造の排気マフラーへの適用例を示したが、三室構造以上の排気マフラーに用いても良い。
また、以上の説明では、自動二輪車の排気構造について説明したが、三輪車両や四輪車両等の他の排気構造にも適用可能である。
さらには、排気マフラーへの適用に限定されるものでなく、四輪車の者室内騒音の低減やエンジンルーム内への適用も可能である。

実施形態に係る自動二輪車の全体構成の側面図である。 第１実施形態のマフラーの部分断面図である。 音波発生部の正面図である。 音波発生部の分解図である。 実施形態の処理フローチャートである。 第２実施形態のマフラーの部分断面図である。

符号の説明

１…自動二輪車（車両）
６…エンジン
２６…マフラー（排気装置）
７０…消音装置
７１…音波発生部
７２…マイク
７３…コントローラ
７４…モータ
７５…電磁弁
８０…コンプレッサ
９１…ヘッド
９２…内管部
９３…外管部
９４…ウィンドウェイ
９５…窓
１００…消音装置
１０１…音波発生部
１０２…スライダ駆動用モータ
１０２Ａ…スライダバー
１０２Ｂ…スライダヘッド
Ｘ，Ｙ…膨張室

Claims (4)

1. 騒音源から出力される騒音と同期する周波数で、前記騒音の位相とは逆位相を有する消音用音波を発生する音波発生部と、前記騒音源から出力される前記騒音の周波数および前記位相を検出し、前記消音用音波の周波数および位相を制御する消音制御部と、を備える消音装置において、
   前記音波発生部は、外部から空気流を導入する空気流導入手段と、
   前記空気流により音波を発生させる空気流音波発生手段と、
   を備えることを特徴とする消音装置。
2. 前記音波発生部は、有効管長を変更することにより前記消音用音波の周波数を変更可能な管長変更部と、
   前記外部からの空気流の導入タイミングを制御し、発音タイミングを制御することにより前記消音用音波の位相を前記騒音の位相とは逆位相にする位相変更部と、
   を備えたことを特徴とする消音装置。
3. 請求項１または請求項２記載の消音装置において、
   前記空気流は外部のコンプレッサにより供給され、
   前記位相変更部は、電磁弁により前記空気流の導入タイミングを制御する、
   ことを特徴とする消音装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の消音装置において、
   前記音波発生部は、車両の排気マフラー内に配置されていることを特徴とする消音装置。
   
   

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