JP2008064042A - 消音構造及び消音方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔部３を有する消音装置１において消音効果を向上させることである。
【解決手段】音源から生じる音の伝搬経路に設けられた多孔部３と、前記伝播経路において前記多孔部３の下流側に空気層２２１を介して設けられ、前記多孔部３を通過した音を前記多孔部３側に反射する反射面２４と、前記伝播経路において前記多孔部３の下流側に設けられ、前記多孔部３に気体流れを発生させるために、前記空気層２２１に外部から空気を供給又は前記空気層２２１から外部へ空気を排出する空気流通口２３と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、多孔部を用いた消音構造及び消音方法に関し、特に、多孔部に流れる気体流れの流速と音圧による粒子速度とに起因する圧力損失による消音効果を利用した消音構造及び消音方法に関するものである。

機械又は環境騒音を低減させる吸音材料としては、グラスウール又はウレタンフォーム等の多孔質材料が一般的に用いられている。

一方、多孔質材料のみでは吸音効果が低いことから、近時、吸音効果を向上させるために多孔板を用いた消音構造についての研究が行われている。

例えば、特許文献１に示すように、配管と、その配管内に軸方向に設けられ、配管を２つの空間に区画する多孔板と、多孔板で区画された空間の一方を複数の小室に仕切る仕切板とを備えた消音構造が考えられている。この構造は、多孔板の前後で生じる圧力差で発生する振動的な流速の２乗形の圧力損失が発生することに着目してなされたものであり、この圧力損失を利用して圧力変動エネルギを消散させることにより、騒音を低減することができるものである。

しかしながら、この消音構造は大音圧を前提としており、消音効果が得られるのは、ジェットエンジンの出口近傍等の音圧が１３０ｄＢを超える領域に限られる。

また、非特許文献１に示すように本願発明者により、多孔板に定常流を通すと吸音効率が向上することが報告されている。

しかしながら、非特許文献１に開示されている構造は多孔板を管路上に設けたものであり、音の伝播経路において多孔板の下流側がオープンな構造である。そうすると、多孔板を通過した音は後方に伝播してしまい、消音効果を十分に得ることができないという問題がある。
特開２００５−９４８３号公報 ４点マイク法による定常流下の多孔板の減衰特性同定研究（日本機械学会Dynamics and Design Conference 2002 ＣＤ−ＲＯＭ論文集）

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、多孔部を有する消音構造において消音効果を向上させることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る消音構造は、音源から生じる音の伝搬経路に設けられた多孔部と、前記伝播経路において前記多孔部の下流側に空気層を介して設けられ、前記多孔部を通過した音を前記多孔部側に反射する反射面と、前記伝播経路において前記多孔部の下流側に設けられ、前記多孔部に気体流れを発生させるために、前記空気層に外部から空気を供給又は外部へ空気を排出する空気流通口と、を備えていることを特徴とする。ここで、「音に伝播経路に多孔部が設けられる」とは、伝播経路を遮るように多孔部が設けられることを示すだけでなく、伝播経路の少なくとも一部を形成するように多孔部が設けられること、つまり伝播経路に臨むように多孔部が設けられることを含む概念である。

また、本発明に係る消音方法は、音源から生じる音の伝播経路に設けられた多孔部と、当該多孔部の下流側に空気層を介して設けられ前記多孔部を通過した音を反射する反射面と、前記伝播経路において前記多孔部の下流側に設けられ、前記多孔部に気体流れを発生させるために、前記空気層に外部から空気を供給又は前記空気層から外部へ空気を排出する空気流通口とを用いて、前記多孔部に気体流れを発生させていることを特徴とする。

このように本発明は、多孔部を流れる気体流れの流速と音波の粒子速度とが重畳する状況を意図的に作り出して、（多孔部を通過する気体流れの流速）×（音波の粒子速度）に起因する圧力損失を生じさせることに着目してなされたものであり、このようなものであれば、本来の多孔部の消音効果に加えて、多孔部を通過する気体流れの流速と音波の粒子速度とが重畳して圧力損失が生じることにより、消音効果を向上させることができる。また、多孔部の下流側に反射面を設けているので、多孔部を通過した音が多孔部の後方に伝播することがないので、消音効果をさらに向上させることができる。

また、本発明の消音効果を一層向上させるためには、前記多孔部と前記反射面との距離を、前記音の波長の４分の１としていることが望ましい。これならば、多孔部を通過した音と、反射面により反射した音とが共鳴しやすくなるので消音効果を向上させることができる。

また、反射面を確保する観点及び消音構造を小型化するためには、前記多孔部の断面積が、前記空気流通口の開口面積に対して１０倍〜２０倍であることが望ましい。

種々の用途に適用可能とするためには、前記伝播経路において前記多孔部の上流側、つまり、前記多孔部の前記反射面とは反対側に、前記多孔部と略平行に外部気体流れが生じていることが望ましい。つまり、外部気体流れを妨害しないように、その外部気体流れに略平行となるように多孔部を設けていることが望ましい。

具体的な実施の態様としては、前記多孔部が、気体を流通させる配管内に軸方向に設けられ、その配管断面を区画するものであり、前記反射面が、前記多孔部により区画された一方の配管の側壁に形成され、前記多孔板により区画された他方の空間に外部気体流れが生じていることが考えられる。ここで、外部気体とは、配管を流れる気体であり、給気又は排気に伴って騒音を発するものである。

このように構成した本発明によれば、多孔部に気体流れを生じさせているので、気体流れの流速と音波の粒子速度とが重畳して圧力損失が生じることにより、消音効果を向上させることができる。また、多孔部の下流側に反射面を設けているので、多孔部を通過した音が多孔部の後方に伝播することがないので、消音効果をさらに向上させることができる。

＜第１実施形態＞
次に本発明に係る消音構造を用いた消音装置の第１実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る消音装置１は、例えば圧縮機、タービン、ポンプ又は原動機等の給気又は排気経路上に設けられるものであり、図１及び図２に示すように、配管２と、その配管２内を軸方向に沿って２つの空間に区画する多孔部３と、多孔部３で区画された空間の一方を複数の小室に仕切る仕切部４とを備えている。

配管２は、例えば断面円形状の筒体であり、この配管２には、給気又は排気に伴って騒音を発する外部気体が通過する。つまり、本実施形態では、外部気体が流れる流通経路と伝播経路とが同一である。

多孔部３は、複数の細孔３１を一様に開けた多孔板である。細孔３１の具体的な形状は、平板の表面と裏面とを貫通するように形成された円形状の貫通孔である。本実施形態における多孔板３、例えば平板鋼に細孔３１を多孔率２．０％の割合で設けたものである。

そして、多孔板３は、特に図２に示すように、配管２内に軸方向に沿って設けられ、その配管２の断面を２つに区画するものである。具体的に多孔板３は、給気又は排気に伴う外部気体が流通する主流路２１と、後述する小室２２１が形成される副流路２２とに区画するものである。なお、主流路２１を伝播している音波は、ホイヘンスの原理により多孔板３の細孔３１に垂直に入射して、副流路２２に入る。

仕切部４は、軸方向に副流路２２を複数の空気層（小室）２２１に仕切る板であり（図１参照）、その小室２２１を形成する配管２の内周面２ａが、多孔板３を通過した音波を多孔板３側に反射する反射面２４となる。

しかして、本実施形態に係る消音装置１は、前記小室２２１それぞれに空気を供給するための空気流通口２３と、その空気流通口２３に接続され、外部から空気を供給するための空気流通管５と、その空気流通管５に接続された空気源であるエアポンプ６とを備えている。

空気流通口２３は、それぞれの小室２２１を形成する配管２の内周面２ａに設けられる。

空気流通管５は、外部気体が流通する主流路２１と別に独立して、多孔板３に定常流を流すための空気を流通する流通経路を形成するものである。これにより、外部気体の流速に関係なく、多孔板３に流れる定常流の流速を制御することができる。

エアポンプ６は、多孔板３に定常流を流すためのものであり、具体的には、定常流の流速Ｕ_Ｓが、後述する吸音率αが最大となる流速Ｕ_Ｓとなるように空気層である小室２２１に空気を供給する。なお、エアポンプ６により、小室２２１の空気を外部に排出するようにして多孔板３に定常流を生じさせても良い。

次に、多孔板３の吸音率αを最大にする定常流の流速Ｕ_Ｓを求める。

多孔板３の前後の音圧ｐと粒子速度ｕの伝達方程式は、次式で表される。但し、添え字“１”及び“２”はそれぞれ多孔板３の前面及び後面を表している。

ここで、多孔板３前面の垂直入射音響インピーダンスＺ_１は、
となる。

細孔３１の円周壁面上に形成される境界層は、細孔３１が十分に小さい場合にはポアズイユ則を仮定して、

従って、多孔板３の垂直入射吸音率αが計算できる。

このとき、ｙ＝Ｉｍ［Ｚ_１］を満たす周波数のとき吸音率αが極大になるとすると、ｘ＝Ｒｅ［Ｚ_１］＝ρｃのとき、吸音率αが最大になる。

Ｕ_ｓ≫｜ｕ_２｜より、

さらに、上記（式７）における粘性項
を無視すると、

ここで、ζ：圧力損失係数、η：多孔率（＝ｄ／Ｄ）、ｃ：音速、Ｕ_Ｓ：多孔板３に流れる流速である。

したがって、（式９）から吸音率αを最大とする多孔板３の多孔率（開口率）ηと流速Ｕ_Ｓとの関係式が求まり、多孔板３の多孔率ηを決定することによって吸音率αが最大となる流速Ｕ_Ｓを決定することができる。なお、多孔板３を設けるだけの従来の消音構造によりも吸音率αを向上させるためには、流速を可及的に上記（式９）で示される流速Ｕ_Ｓに近づければ良い。

＜比較例１＞
次に、多孔板３に定常流を流さない場合と、多孔板３に定常流を流した場合との吸音率αの比較例を示す。

まず、吸音率αの測定に用いた２点マイクロフォンによる測定原理を説明する。

多孔板３の前方にマイクロフォンを２点設置して、音圧を測定する。多孔板３と多孔板３に近い方のマイクロフォンまでの距離をｓ_０、２本のマイクロフォンの間隔をｓ_１とし、測定した音圧をスピーカーに近い方からそれぞれｐ_Ａ、ｐ_Ｂとする。そうすると、一次元波動方程式より多孔板３前面の比音響インピーダンスｚ及び多孔板３の垂直入射吸音率αは次式で表される。

ここで、Ｈ（ω）＝ｐ_Ａ（ω）／ｐ_Ｂ（ω）であり、音圧の伝達関数を意味する。また、ｋは波数、ｃは音速、ρは空気密度、ωは角周波数である。

そして、多孔率２．０％の多孔板３を用いて、定常流を流さない場合と流した場合とについて０Ｈｚから２０００Ｈｚまでの周波数において吸音率αを測定した。なお、定常流の流速Ｕ_Ｓは０．０６８ｍ／ｓ、空気層長さ（多孔板３と反射面２４との距離）は２００ｍｍ、多孔板３の厚さは１ｍｍ、細孔３１の直径は２ｍｍ、多孔率ηは２．０％とした。

測定結果を図３及び図４に示す。図３は、多孔板３に定常流を流さない場合（Ｕ_Ｓ＝０ｍ／ｓ）の吸音率αの実験結果及び数値計算結果を示す図であり、図４は、多孔板３に定常流を流した場合（Ｕ_Ｓ＝０．０６８ｍ／ｓ）の吸音率αの実験結果及び数値計算結果を示す図である。

図３及び図４を比較することにより、多孔板３に定常流を流すと吸音率αが向上することが確かめられ、吸音率αが０又はピークになる周波数は実験と数値計算とでほぼ一致することが分かる。具体的には、定常流を流さなければ吸音率αが平均０．２程度であったのが、定常流を流すことにより平均０．６程度までに増大していることが分かる。また、定常流が無い場合実験で測定した吸音率αは数値計算よりも大きくなっているが、これは、実験装置の音響管が完全な閉管ではなく、空気の取り入れ口又は後壁から音が一部漏れていることが影響しているものと考えられる。

このように構成した本実施形態に係る消音装置１によれば、多孔板３に定常流を生じさせているので、本来の多孔板３の消音効果に加えて、定常流速Ｕ_Ｓと音波の粒子速度ｕとが重畳して圧力損失が生じることにより、消音効果を向上させることができる。

また、多孔板３を配管２内に流れる外部気体の流れ方向にほぼ平行に設けているので、流路抵抗を小さくして大幅な流量低下を防ぎ、配管２本来の機能を阻害することがない。さらに、ホイヘンスの原理により音波は多孔板３に垂直に入射するので、多孔板３を流れに平行に配置しても圧力損失を生じさせることができ、消音効果を得ることができる。その上、多孔板３を配管２の軸方向に沿って設けているので、多孔板３の長さを配管２に沿って長くすればするほど、吸音効果をより一層向上させることができる。

加えて、平板鋼から形成された多孔板３を用いているので、耐久性に優れたものとすることができ、従来の安価な多孔質材料が使用できにくい環境であったエンジン消音器内等の高温ガスが流れる環境、クリーンルーム等の環境で好適に使用することができる。

＜第２実施形態＞
次に本発明に係る消音装置の第２実施形態について図面を参照して説明する。なお、前記各実施形態に対応するものには同一の符号を付している。

本実施形態に係る消音装置１は、新幹線等の鉄道車両の床下部分に設けられ、レール上を車両が走行することにより生じる車輪の転動音を低減するものであり、図５に示すように、転動音の伝搬経路に設けられた多孔板３と、当該多孔板３を伝播経路の上流側に有し、多孔板３の下流側に空気層７３を形成するケーシング７とを備え、前記ケーシング７が、伝播経路において多孔板３の下流側に設けられ、多孔板３を通過した音を多孔板３側に反射する反射面７１と、伝播経路において多孔板３の下流側に設けられ、多孔板３に気体流を発生させるために、前記空気層７３に外部から空気を供給又は前記空気層から外部へ空気を排出する空気流通口７２と、を備えている。

多孔板３は、前記第１実施形態と同じものであり、例えば平板鋼に細孔３１を多孔率２．０％の割合で設けたものである。そして、多孔板３は、車両が走行するときの空気抵抗を低減する観点から、車両の走行方向にほぼ平行となるように設けられている。

ケーシング７は、床下部分に設けられ、多孔板３を前方（伝播経路の上流側、つまり転動音が発生するレール側）に備え、当該多孔板３の後方（伝播経路の下流側）に空気層７３を形成する有底の箱体である。そして、ケーシング７は、その底壁７０１に多孔板３を通過した音を多孔板３側に反射する反射面７１を備え、その底壁７０１又は側壁７０２に多孔板３に気体流れを発生させるために、空気層に外部から空気を供給又は空気層７３から外部に空気を排出する空気流通口７２を備えている。

反射面７１は、転動音の伝播経路において多孔板３の下流側に設けられて、多孔板３を通過した音を多孔板３側に反射する平面状のものであり、例えば消音すべき音波長の４分の１波長分、前記多孔板３から離間して設けるようにしている。つまり空気層７３の厚さが消音すべき音波長の４分の１波長となるようにしている。

空気流通口７２は、ケーシング７の底壁７０１に設けられ、空気層７３に外部から空気を供給又はその空気層７３から外部に空気を排出するものである。空気流通口７２の開口面積は、多孔板３の断面積の１０分の１〜２０分の１となるようにしている。そして、空気流通口３２には、外部から空気を供給又は外部に空気を排出するための空気流通管５が接続されている。

そして、図６に示すように、空気流通管５は、例えば車両の側面に空気取り入れ口５１を有しており、車両が走行することにより空気が空気流通管５内に取り入れられて、空気層７３に供給される。つまり、車両の床下を流れる外部気体の流通経路と、多孔板３に供給される空気の流通経路とは異なるものである。そして、車両の速度に基づいて多孔板３に所定流速Ｕ_Ｓの定常流が生じる。なお、車両が所定速度で走行するときに、多孔板３に流れる定常流の流速Ｕ_Ｓが、吸音率αを最大とする流速Ｕ_Ｓとなるように、その空気取り入れ口５１の開口面積又は空気流通管５の内径及び形状を設定している。

このように構成した本実施形態に係る消音装置１によれば、新幹線などの走行車両において生じる転動音を好適に低減することができる。また、多孔板３で殆ど消音されるので、多孔板３を通過した音が床板に伝播しなくなるので、乗車快適性を向上させることもできる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記各実施形態に限られるものではない。

例えば、前記第１実施形態では、多孔板３が配管２の断面を１つの主流路２１と１つの副流路２２とに区画するものであったが、図７に示すように、１つの主流路２１と２以上（図７においては２つ）の副流路２２とに区画するものであっても良い。

また、図８に示すように、配管２と、その配管２の内部に、配管２と同心円状に設けられた多孔筒３と、多孔筒３の外周面と配管２の内周面と間の空間を、例えば軸方向に複数の小室２２１に仕切る複数の仕切部４とを備えたものであっても良い。なお、このとき、各小室２２１を形成する配管２の内周面２ａに空気流通口２３を設けるようにする。

さらに、前記第１実施形態では、副流路２２を仕切部４で複数の小室２２１に仕切っているが、仕切部４を設けずに小室に仕切らないものであっても良い。この場合、副流路を形成する配管２の内周面２ａに、例えば等間隔に複数の空気流通口２３を設ける。

多孔板３に関して言うと、前記第１実施形態では平板であったがこれに限られず、例えば配管２の内周面２ａに沿うように湾曲した湾曲板であっても良い。これならば主流路を大きくすることができる。

また多孔率に関して言うと、上記（式９）に示される式を満たす範囲で、気体流の流速との関係で変形可能である。

前記各実施形態では、多孔板３を一重に設けたものであったが、その他にも２重、３重等にすることも考えられる。この場合、伝播経路において少なくとも上流側（図１において上側、図３において下側）に位置する多孔板３に定常流が流れるようにする。

さらに、前記第２実施形態は、本発明に係る消音装置１を新幹線に適用したものであったが、その他にもグラスウール又はウレタンフォーム等の多孔質材料が使用しにくい環境、例えば乗用車又はトラックなどの床外面等の風雨に晒される環境、エンジンの消音器内のように高温ガスが流れる環境、クリーンルーム等の環境に用いることもできるし、トンネルの例えば入口付近の側壁、エアコン等にも用いることができる。

また、伝播経路における多孔板３の下流側にその多孔板３に連続してグラスウール等の多孔質材料を配置するようにすることもできる。この場合、多孔板３による消音効果に加えて多孔質材料の消音効果も得られるので、消音効果を一層向上させることができる。

加えて、前記各実施形態では、定常流が伝播経路の下流側から上流側に流れるようにしているが、伝播経路の上流側から下流側に流れるようにしても良い。

さらに加えて、前記実施形態では、多孔板３に流れる気体流れは定常流であったが、定常流でなくても良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の第１実施形態に係る消音装置を模式的に示す横断面図。 同実施形態における消音装置を模式的に示す縦断面図。 多孔板に定常流を流さない場合の吸音率の実験結果及び数値計算結果を示す図。 多孔板に定常流を流した場合の吸音率の実験結果及び数値計算結果を示す図。 本発明の第２実施形態に係る消音装置を新幹線等の電車に用いた場合の模式図。 同実施形態における消音装置の多孔板に定常流を発生させる方法を示す図。 その他の変形実施形態に係る消音装置を模式的に示す縦断面図。 その他の変形実施形態に係る消音装置を模式的に示す縦断面図。

符号の説明

１・・・・・・・・消音装置
２・・・・・・・・配管
３・・・・・・・・多孔部（多孔板）
３１・・・・・・・細孔
２４、７１・・・・反射面
２３、７２・・・・空気流通口
２２１、７３・・・空気層

Claims (6)

1. 音源から生じる音の伝搬経路に設けられた多孔部と、
   前記伝播経路において前記多孔部の下流側に空気層を介して設けられ、前記多孔部を通過した音を前記多孔部側に反射する反射面と、
   前記伝播経路において前記多孔部の下流側に設けられ、前記多孔部に気体流れを発生させるために、前記空気層に外部から空気を供給又は前記空気層から外部へ空気を排出する空気流通口と、を備えている消音構造。
2. 前記多孔部と前記反射面との距離が、前記音の波長の４分の１であることを特徴とする請求項１記載の消音構造。
3. 前記多孔部の断面積が、前記空気流通口の開口面積に対して１０倍〜２０倍であることを特徴とする請求項１又は２記載の消音構造。
4. 前記伝播経路において前記多孔部の上流側に、前記多孔板と略平行に外部気体流れが生じていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の消音構造。
5. 前記多孔部が、気体を流通させる配管内に軸方向に設けられ、その配管断面を区画するものであり、
   前記反射面が、前記多孔部により区画された一方の配管の側壁に形成され、
   前記多孔板により区画された他方の空間に外部気体流れが生じていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の消音構造。
6. 音源から生じる音の伝播経路に設けられた多孔部と、当該多孔部の下流側に空気層を介して設けられ前記多孔部を通過した音を反射する反射面と、前記伝播経路において前記多孔部の下流側に設けられ、前記多孔部に気体流れを発生させるために、前記空気層に外部から空気を供給又は前記空気層から外部へ空気を排出する空気流通口とを用いて、前記多孔部に気体流れを発生させていることを特徴とする消音方法。