JP2010085994A - 音響減衰システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】騒音抑制装置の音響減衰特性を高めるための方法及び装置を提供する。
【解決手段】幾つかの実施形態では、音響減衰導管(68)は、音響減衰特性を高めた改良型の形状を有する。他の実施形態では、音響減衰導管(68)は、互いに積重ねられかつ空気流れ断面を増大させるような形状にされる。さらに他の実施形態は、改良型の音響減衰導管(68)を備えた機械を提供する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、総括的には騒音抑制技術に関し、より具体的には、改善した音響減衰特性を備えたシステム及び方法に関する。
航空機、自動車及びその他の最新の機械(装置)によって引き起こされる環境騒音は、しばしば迷惑なものとなるおそれがある。騒音を許容レベル以下に維持するために、騒音抑制技術が用いられることが多い。従って、騒音抑制は、広範な産業及び住宅用途における重要技術になってきた。騒音抑制装置は、多くの場合、暖房、換気及び空調(HVAC)システム、産業機械及び複合施設、輸送用乗物、並びに許容不能な高レベルの騒音を発生する傾向になるあらゆる機械(装置)に適用される。
従って、騒音を抑制するための様々な装置及び技術が存在している。例えば、暖房及び空調システムが発生する騒音を低減するためには、通風ダクト、換気吸入口及び排出口、空気取入れ口等々内に騒音抑制装置が取付けられることが多い。産業装置においては、騒音抑制技術は多くの場合、排気ダクト、排気筒、及び圧縮機のような機械への吸気ダクトに適用される。環境騒音をさらに低減するために、大騒音の機械は多くの場合、音響減衰バリヤ壁を取付けた音響エンクロージャ内に格納される。音響エンクロージャのための空気循環を行いながら依然として騒音を低減するために、通気口には多くの場合、音響フード、ルーバ、消音器又はそれらの組合せが装備される。
そのような装置によって得られる音響低減つまり減衰のレベルは、その装置の挿入損失によって表されることが多い。挿入損失は、音響伝導チャネル内に音響減衰装置を挿入することによって生じる音振幅の減少であり、多くの場合にデシベルで測定される。音響伝導チャネルの出口において音振幅を測定するテスト装置では、挿入損失は、音響減衰装置が挿入されている場合の音振幅(A2)に対する音響減衰装置が挿入されていない場合の音振幅(A1)の比として定義することができる。従って、この比は、次式で表すことができる。
挿入損失(db)=20log(A1/A2)
一般的に、そのような装置の挿入損失は、その装置の長さが増すにつれて増大する。さらに、許容空気流量を維持するために、装置の全断面積を拡大して、音響減衰要素によって生じる空気流れ抵抗を補償することができる。従って、騒音抑制装置は、嵩高かつ高価になりがちである。
従って、改善した音響減衰を有する装置を提供することは、有益であると言える。
本発明の実施形態は、一部の騒音抑制装置の音響減衰特性を高める方法及び装置を提供する。より具体的には、本実施形態は、音響減衰特性を高めた改良型の形状を有する音響減衰導管を含む。幾つかの実施形態では、音響減衰導管は、互いに積重ねられかつ空気流れ断面を増大させるような形状にされる。さらに他の実施形態は、改良型の音響減衰導管を備えた騒音発生機械を提供する。
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様並びに利点は、図面全体にわたって同じ参照符号が同様の部分を表している添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことより一層理解されるようになるであろう。
ある実施形態によりそれに対して音響減衰装置を取付けることができる様々な騒音源を示す例示的な建物の環境図。 ある実施形態によりそれに対して音響減衰装置を取付けることができるガスタービンエンジンを有する例示的なシステムのブロック図。 ある実施形態による、図1及び図2に示した様々な騒音源に適用することができる例示的な音響減衰導管を示す斜視図。 ある実施形態による、図3に示した例示的な音響減衰導管を示す断面図。 音響減衰導管の別の実施形態を示す断面図。 ある実施形態による互いに積重ねられた幾つかの音響減衰導管を示す斜視図。 図3及び図4に示した音響減衰導管の改善した音響減衰特性を示すグラフ図。
以下に、本発明の1以上の特定の実施形態を説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施の全ての特徴については、説明しないことにする。あらゆるそのような実際の実施の開発においては、あらゆる工学又は設計プロジェクトにおいてそうであるように、実施毎において変化する可能性があるシステム関連及びビジネス関連の制約の遵守のようなその開発者の特定の目標を達成するために、数多くの実施特有の決定を行わなくてはならないことを理解されたい。さらに、そのような開発努力は複雑でありかつ時間がかかる可能性があるが、それにも拘わらず、本発明の利点を得る当業者にとっては、設計、製作及び製造に関係した日常的作業であると言えることを理解されたい。
本発明の態様は、改良された騒音抑制技術に関する。具体的には、ある実施形態による騒音抑制導管は、騒音低減特性を改善するような形状にされる。この改良型の導管形状は、本明細書に記載した技術により製作した騒音抑制装置の挿入損失を増大させる。その結果、本実施形態による騒音抑制導管は、匹敵するレベルの挿入損失をもたらす他の騒音抑制導管と比べて、より小さい、より軽量なかつより安価なものとすることができる。さらに、ある実施形態では、導管の形状は、積重ね導管構成を可能にし、この積重ね導管構成は、導管積重ね体(スタック)の利用可能断面積の有効使用を可能にし、従って導管スタックを通して高いレベルの空気流量を供給する。
次に図を参照すると、図1は、様々な騒音源と、騒音がそこから外部環境に逸出するおそれがある様々な吸入及び排出箇所とを備えた例示的な建物10を示している。建物10は、産業用複合施設又は居住用建物とすることができる。建物10は、暖房システム、空調システム、モータ、タービン、圧縮機、ポンプ、工作機械等々を含む可能性がある機械装置12のような1以上の騒音源を含む。これらの騒音源が発生した騒音は、その建物10の内部又は周辺の人々に迷惑を及ぼすおそれがある。
機械12は、例えば該機械12の気体圧縮機に対して空気を供給することができる吸気口14を含むことができる。建物10はまた、換気システムを含むことができる。従って、建物10は、外部から空気を引込み、空気ダクト18を通して建物10全体に空気を分配する換気吸入口16を含むことができる。建物10はまた、該建物10内の例えば空調ユニットのような機械に外部空気を供給するための空気取入れ口20を含むことができる。建物10はまた、換気排出口22を含むことができる。加えて、機械12は、排気ガスを発生する場合があり、その排気ガスは、排気筒24を通して流出させることができる。
吸入及び排出箇所は、建物10内で発生した騒音が外部環境に逸出する機会を与える可能性があることが分かるであろう。政府制定の安全及び環境基準を遵守するためにまたそうでなくても騒音を低減するために、建物10全体にわたる騒音源に対して、開示した実施形態による様々な音響減衰装置を音響的に結合することができる。例えば、空気取入れ口20及び換気排出口22は、遮音ルーバ26を含むことができる。建物10の外壁にはまた、騒音遮断パネル28を取付けることができる。加えて、空気ダクト30及び排気ダクト32にはまた、機械12が発生した音を吸収する消音器を取付けることができる。さらに、大騒音の機械は、バリヤ壁36を備えることができかつ騒音遮断換気フード38を取付けることができるエンクロージャ34内に格納することができる。
図2は、本技術の実施形態による音響減衰装置に対して音響的に結合されたガスタービンエンジン42を含む例示的なシステム40のブロック図である。例えば、このシステム40には、航空機、船舶、機関車、発電システム又はそれらの組合せが含まれる。従って、負荷44としては、発電機、プロペラ、変速機、駆動システム又はそれらの組合せが含まれる。図示したガスタービンエンジン42は、吸気セクション46、圧縮機48、燃焼器セクション50、タービン52及び排気セクション54を含む。タービン52は、シャフト56を介して圧縮機48に対し駆動結合される。
矢印で示すように、空気は、吸気セクション46を通って圧縮機48内に流れ、圧縮機48は、燃焼器セクション50内への流入に先立って空気を加圧する。図示した燃焼器セクション50は、圧縮機48とタービン52との間でシャフト56の周りに同心的又は環状に配置された燃焼器ハウジング58を含む。燃焼器ハウジング58の内部において、燃焼器セクション50は、シャフト56の周りの円形又は環状構成として複数の半径方向位置に配置された複数の燃焼器60を含む。圧縮機48からの加圧空気は、燃焼器60の各々に流入し、次にそれぞれの燃焼器60内で燃料と混合されかつ燃焼して、タービン52を駆動する。得られた動力の一部又は全てを使用して、シャフト56を駆動して回転させ、圧縮機48及び/又は負荷64に動力を供給するようにすることができる。幾つかの実施形態では、排気は、ジェット飛行機のような乗物のための推力源として使用される。
図2に示すように、システム40は、騒音が逸出する2つの主区域を含む。具体的には、燃焼器セクション50、圧縮機セクション48、タービンセクション52又はそれらの組合せから生じる騒音は、音波66で示すように吸気セクション46及び排気セクション54においてシステム40から逸出する傾向になる。システム40から放出される騒音を許容レベルまで低減するために、システム40は、流路内又は流路に沿って、吸気セクション46から排気セクション54まで/排気セクション54から吸気セクション46までの間に消音器のような本実施形態による音響減衰装置を含むことができる。音響減衰装置は、以下においてさらに説明するが、空気が通過するのを可能にしながら、音振幅を減少させる。
図3は、実施形態による上記の様々な音響減衰装置において使用することができる例示的な音響減衰導管68を示している。導管68は、六角形とすることができ、また空気の流れを導きかつ該導管68を通して移動(伝播)する音波を減衰させる側壁70を含むことができる。導管68は、例えばプラスチック又は金属薄板のようなあらゆる適当な材料で形成することができる。以下においてさらに説明するように、導管68の六角形状は、先行技術による方形又は矩形導管と比べて音響減衰を増大させると同時に、有効な積重ね構成を可能にする。本発明は、便宜的に空気導管に関して述べているが、開示した実施形態はまた、それを通して音が伝播することができるあらゆる気体又は流体を導く導管を含むことができることが分かるであろう。
導管68は、図2に示すタービン52又は圧縮機48のような騒音発生装置に対して音響的に結合することができる。導管68はまた、図1に示すように機械12に対して或いは空気ダクト18及び30内に音響的に結合することができる。図3に示す実施形態では、導管68を通って流れる空気の方向は、矢印74で示しており、他方、導管68を通して伝播する音の方向は、矢印72で示している。空気及び音の方向によって示しているように、図3に示すような導管68は吸気導管であることが分かるであろう。しかしながら、幾つかの実施形態では、導管68又は導管68の列はまた、排気導管として作用させることもでき、その場合には音及び空気は同一の方向に移動することができる。図示するように、導管68の六角形状は、導管及び流体通路の長手方向軸線(例えば、矢印72、74に沿った)に対して略横断方向(例えば、垂直方向)である六角形断面を特徴とすることができる。
音を吸収するために、導管68の側壁70は、音響減衰空洞77を形成する中空エンクロージャとすることができる。本出願で使用する場合における「中空」という用語は、側壁70の形態を記述するためのものであり、側壁70が音響減衰材で充填されているか否かについて述べるものではないことに注目されたい。導管68の内表面に沿って、音が音響減衰空洞77に入るのを可能にする幾つかの開口部76を設けることができる。音響減衰のレベルを高めるために、空洞77は、ミネラルウール、ガラス繊維、発泡材、又は音を減衰させるのに適したその他のあらゆる材料のような音響減衰材78で充填することができる。さらに、幾つかの実施形態では、以下においてさらに説明するように、導管68の音響減衰を高めるために、同軸バッフル86を設けることができる。
音が導管68を通して伝播する時に、音の幾らかは、開口部76を通して音響減衰空洞77に入りかつ音響減衰材78により減衰され、それによって導管68から外に出る音の振幅が減少する。しかしながら、導管68の内表面に衝突する音の幾らかは、音響減衰空洞77内に吸収されるのではなく反射することになる。反射した音波は次に、導管を通して伝播した後に、導管68の別の内表面に衝突し、ここでも、音の一部分が音響吸収空洞に入りかつ減衰されることになる。
図4に移ると、ここに示すのは、図3に示した例示的な音響減衰導管68の断面図を示している。図4に示すように、側壁70は、導管68の外面を形成した外側壁88と導管68の内表面を形成した内側壁90とを含む。外側壁88及び内側壁90は、協働して音響減衰空洞77を形成し、この音響減衰空洞77は、上述したように音響減衰材78で充填することができる。内側壁90に沿って、導管68内部の音波が音響減衰空洞77内に入るのを可能にする幾つかの開口部が配置される。同軸バッフル86は、第2の音響減衰空洞94を形成した中空シリンダ92とすることができ、この第2の音響減衰空洞94もまた、音響減衰材78で充填することができる。シリンダ92内の付加的開口部76は、音が第2の音響減衰空洞94に入るのを可能にする。幾つかの実施形態では、同軸バッフル86はまた、該同軸バッフル86の内部で音波をさらに減衰しかつ反射させる働きをする1以上の隔壁96を含むことができる。加えて、同軸バッフル86はまた、方形、六角形又はその他のあらゆる形状とすることができる。幾つかの実施形態では、同軸バッフル86は、排除することができる。
図3及び図4に示すように、側壁70の断面は、導管68が六角柱の形状のものになるように等辺六角形を形成することができる。様々な実施形態では、側壁は、3辺、5辺、6辺、又は6辺よりも多い辺を備えたあらゆる多角形状を形成することができる。多角形状はまた、多数の導管をそれらの間に如何なる空間の無駄もない状態でのマトリックスとして互いに適合させることができるように選択することができる。言い換えると、多角形状は、各導管の各辺が隣接する導管の壁と直接当接するのを可能にする。さらに、側壁70及び同軸バッフル86は、導管68の端部において丸味状又はテーパ状にして、導管の空気力学的性能を増大させることができる。
導管68の寸法は、導管68の音響減衰特性と空気流れ特性とをバランスさせるように制御することができる。例えば、導管68の騒音減衰は、壁厚さ80を増大させることによって高めることができ、壁厚さ80を増大させることにより、音響減衰空洞77の寸法及び側壁70内に含まれる音響減衰材78の量を増大させることができる。加えて、導管68の音響減衰特性を改善するために、長さ82を増大させることができる。しかしながら、壁厚さ80及び/又は長さ82を増大させることはまた、導管68の空気流抵抗を増大させることにもなる。従って、空気流量を維持又は向上させるために、導管68のセグメント長さ84を増大させることによって体積流量を増大させることができる。しかしながら、導管の寸法を増大させることはまた、装置の重量、空間消費及びコストを増大させる。加えて、多くの用途では、騒音抑制装置のために使用できる空間の量には限りがある。これらの理由から、より小さな空間内ある導管の音響減衰を改善することが望まれる。
従って、本出願の実施形態は、所定の寸法の導管における音響減衰を増大させる(高める)ことを可能にする。この音響減衰の増大は、音波が導管68のより短い長さ内でより多くの音響減衰表面から反射されがちになるように側壁70が相互に60°の角度を成しているという事実によるものである。このようにして、導管68の音響減衰は、他の導管と比べて高めることができる。導管68の形状により、高い音響減衰が行われるので、他の導管と比べて短い長さ82又は薄い壁厚80を有する導管68を用いて、所望のレベルの音響減衰を得ることができる。壁厚さ80及び長さ82を減少させることにより、導管68を通る空気流量を増大させることができると同時に、より小形の装置によるコストの節減、空間の節約及び重量の軽減を得ることもできる。
次に図5に移ると、導管68によって得られる音響減衰のレベルを高めるために異なるバッフル98を備えた音響減衰導管68の別の実施形態を示している。図5に示すように、バッフル98は、導管68の内部断面を分割しかつ音響減衰空洞100を形成した中空パネルとすることができる。バッフル98は、平行シート102によって形成することができかつ音響減衰材78で充填することができる。さらに、バッフル98の両側面は、開口部76を含むことができる。バッフル98を備えることによって、導管68内の音響減衰表面積の量を増大させ、従って所望のレベルの音響減衰を得ることになる導管68の長さ82を短縮することができる。しかしながら、導管68内にバッフル88を配置することはまた、導管68内における空気流抵抗を増大させる傾向になる可能性があり、これは、導管68の断面積を増大させることによって補償することができる。バッフル98は、導管68の全長にわたり延びるようにすることができ、或いは全長にわたっては延びないようにすることができる。
次に図6に移ると、ここに示すのは、実施形態による互いに積重ねられた幾つかの音響減衰導管68を示す斜視図である。幾つかのケースでは、騒音抑制装置を使用する様々な設備又は装置は、互いに近接して密集配置される場合がある。例えば、特定のガスタービン吸気口又は排気口は、幾つかのケースでは30フィートほどもの高さ及び30フィートほどもの幅である場合がある。そのような大きな開口部により放出される騒音を有効に低減させるためには、数百の音響減衰導管68を使用して、開口部の全断面積を覆うことができる。従って、図6に示すように、音響減衰導管68を積重ねることが有用となる可能性がある。この図示した実施形態では、7つの六角形導管68を互いに積重ねて、導管スタック(積重ね)104を形成している。導管68は、それらが六角形であるので、ハニカム又はマトリックス構成として互いに適合し、導管の外表面間のギャップは、実質的に減少されるか又は完全に排除される。このようにして、導管スタック104の所定の全面積に対する断面流れ面積を増大させながら、その他の導管と比べて依然として高い音響減衰が得られる。
次に図7に移ると、ここに提示するのは、図3及び図4に示した音響減衰導管68の改善した音響減衰特性を示すグラフ図である。グラフ図106は、様々な音響減衰導管によって得られた挿入損失を周波数の関数として示している。挿入損失は、導管68によって得られる音振幅における低下をデシベル(dB)で測定して表している。従って、挿入損失が大きければ大きいほど、音を減衰させることにおけるその導管の有効性つまり性能が大きい。グラフ図106は、コンピュータシミュレーション及び計算によって得られた音響減衰結果を表していることに注目されたい。従って、実際の結果は、変化する可能性がある。
実線108は、内部バッフルを備えた長い矩形導管の挿入損失を表している。点線110、112、114及び116は、本技術の実施形態による同軸バッフルを備えた六角形導管68によって得られた挿入損失を表している。具体的には、線110は、長い矩形導管108に等しい長さの六角形導管について表しており、また線112、114及び116は、線108で表した長い矩形導管の長さの1/2、3/8及び1/4である長さを有する六角形導管について表している。長い六角形導管及び長い矩形導管は、略等しい断面積及び空気流抵抗を示す。しかしながら、グラフ図106から分かるように、長い六角形導管は、線108で表すような内部バッフルを備えた等しい長さの矩形導管と比べて、全ての周波数において大幅に増大した挿入損失を示す。幾つかの実施形態では、六角形導管の挿入損失は、内部バッフルを備えた等しい長さの矩形導管よりも数デシベルだけ大きくなる。線112で表した短い六角形導管は、長い矩形導管の約半分の長さであるが、矩形導管と比べて、低い周波数においては略等しい挿入損失を示しまた高い周波数においては大幅に増大した挿入損失を示す。線114で表したさらに短い六角形導管は、矩形導管と比べて、高い周波数においてより良好な挿入損失を示す。最後に、線116で表した1/4の長さの六角形導管は、全ての周波数において低い挿入損失を示すが、長い矩形導管に略匹敵している。言い換えると、矩形導管と比べて大きく減少させた長さにおける場合に、1/4の長さの六角形導管によって得られた挿入損失は、特に高周波数において依然として大きい状態にある。
グラフ図106によって明らかであるように、騒音抑制装置の音響減衰特性は、上記の実施形態を使用して大幅に高めることができる。本技術の実施形態は、ダクト機構、換気装置、排出ダクト、吸入ダクト、又は騒音が外部環境に逸出するおそれのあるその他のあらゆる用途において使用することができる消音器のような広範な騒音抑止装置を含むことができる。本技術の実施形態はまた、ガスタービンエンジン又はジェットエンジンのような機械の吸気又は排気セクション内に設けた音響抑制装置を備えた一部の機械を含むことができる。上記した音響減衰装置のその他の用途もまた、当業者には想起されるであろう。
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に含まれるものとして保護することを意図していることを理解されたい。
10 建物
12 機械
14 吸気口
16 換気吸入口
18 空気ダクト
20 空気取入れ口
22 換気排出口
24 排気筒
26 遮音ルーバ
28 騒音遮断パネル
30 空気ダクト
32 排気ダクト
34 エンクロージャ
36 バリヤ壁
38 騒音遮断換気フード
40 システム
42 ガスタービンエンジン
44 負荷
46 吸気セクション
48 圧縮機
50 燃焼器セクション
52 タービン
54 排気セクション
56 シャフト
58 燃焼器ハウジング
60 燃焼器
64 負荷
66 音波
68 導管
70 側壁
72 音の方向
74 空気の方向
76 開口部
77 音響減衰空洞
78 音響減衰材
80 壁厚さ
82 長さ
84 セグメント長さ
86 同軸バッフル
88 外側壁
90 内側壁
92 中空シリンダ
94 第2の音響減衰空洞
96 隔壁
98 バッフル
100 音響減衰空洞
102 平行シート
104 導管スタック
106 グラフ図
108 内部バッフルを備えた長い矩形導管の挿入損失
110 長い矩形導管の長さと等しい長さの六角形導管の挿入損失
112 長い矩形導管の長さの1/2の長さの六角形導管の挿入損失
114 長い矩形導管の長さの3/8の長さの六角形導管の挿入損失
116 長い矩形導管の長さの1/4の長さの六角形導管の挿入損失

Claims (10)

  1. 流体入口及び流体出口を備えた流体通路と、
    内側壁(90)及び外側壁(88)を備えた側壁(70)と
    を備える音響減衰導管(68)であって、前記内側壁(90)及び外側壁(88)が、音響減衰空洞(77)を形成し、前記内側壁(90)が、前記音響減衰空洞(77)を前記流体通路に対して音響的に結合した開口部(76)を含み、前記側壁(70)が、前記流体通路の長手方向軸線に対して六角形断面を含む、音響減衰導管(68)。
  2. 前記内側壁(90)が、前記流体通路の長手方向軸線に対して六角形断面を含む、請求項1記載の音響減衰導管(68)。
  3. 前記外側壁(88)が、前記流体通路の長手方向軸線に対して六角形断面を含む、請求項1記載の音響減衰導管(68)。
  4. 前記開口部(76)が、前記内側壁(90)に沿って有孔パターンを形成する、請求項1記載の音響減衰導管(68)。
  5. 前記側壁(70)と同軸に配置された同軸バッフル(86)を含み、前記同軸バッフル(86)が、音響減衰空洞(94)を形成したエンクロージャ(92)と、前記音響減衰空洞(94)を前記流体通路に対して音響的に結合するように構成された開口部(76)とを含む、請求項1記載の音響減衰導管(68)。
  6. 前記同軸バッフル(86)が、前記長手方向軸線に対して円形断面を有する、請求項5記載の音響減衰導管(68)。
  7. 前記同軸バッフル(86)が、前記長手方向軸線に対して別の六角形断面を有する、請求項5記載の音響減衰導管(68)。
  8. 前記同軸バッフル(86)が、前記音響減衰空洞(94)内に配置されまた音を減衰しかつ反射するように構成された1以上の隔壁(96)を含む、請求項5記載の音響減衰導管(68)。
  9. 前記1以上の隔壁(96)が、前記同軸バッフル(86)の長手方向軸線に対して十字形断面を有する、請求項8記載の音響減衰導管(68)。
  10. 1以上の音響減衰空洞(100)を形成した中空パネルと前記1以上の音響減衰空洞(100)を前記流体通路に対して音響的に結合するように構成された1以上の開口部(76)とを備えた1以上のバッフル(98)を含み、前記1以上のバッフル(98)が、該導管(68)の内側壁(90)に取付けられる、請求項1記載の音響減衰導管(68)。
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