JP2021066392A - 車両の消音構造 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の骨格部材１における騒音の管内伝播を広い周波数範囲で低減させる。【解決手段】複数のヘルムホルツ型共鳴器１１を骨格部材１の内部に骨格部材１の長手方向に間隔をおいて周期的に設け、共鳴器１１各々のキャビティ１２を骨格部材１の内部を長手方向に延びる空洞部１３に該長手方向に間隔をおいて開口させる。【選択図】図２

Description

本発明は車両の消音構造に関する。

特許文献１には、車両の骨格部材の閉断面を利用してヘルムホルツ共鳴器を構成することが記載されている。この特許文献１では、車両のフロアパネルと表皮層の間に多孔質材料を用いた中間層が設けられている。車両の骨格部材は、その車両前後方向に延在する内部空間が仕切板によって複数の空洞部に分割されている。各空洞部に上記中間層に連通する開口を設けることにより、骨格部材の長手方向に並ぶ複数のヘルムホルツ共鳴器が構成されている。フロアパネル上の表皮層と中間層からなる防音材からの放射音を、骨格部材を利用したヘルムホルツ共鳴器によって低減するものである。

特開２００８−１１４６９７号公報

ところで、車両ではロードノイズによって車室の静粛性が阻害されるという問題がある。ロードノイズは、車両走行中にタイヤと路面の摩擦や衝突によって生ずる騒音であり、骨格部材の内部を伝播する管内伝播音の低減がロードノイズ対策の一つとなる。

この管内伝播音の低減のためにヘルムホルツ共鳴器を骨格部材に設けることが考えられる。特許文献１に記載されたヘルムホルツ共鳴器はキャビティがフロアパネル側に開口しているから、骨格部材の管内伝播音の対策にはならないが、そのキャビティを骨格部材の管内に開口させると、管内伝播音の消音になる。しかし、このような共鳴による消音は基本的にはピンポイントの共振周波数にしか効果がない。ヘルムホルツ共鳴器のキャビティに弾性体を設けるなどして消音特性の広帯域化を図るにしても、限界がある。すなわち、例えば、騒音域が５００〜１０００Ｈｚという広い範囲にわたるロードノイズの低減は難しいというのが実情であった。

本発明は、車両の骨格部材におけるロードノイズ等の騒音の管内伝播を広い周波数範囲で低減させることを課題とする。

本発明は、上記課題を解決するために、複数のヘルムホルツ共鳴器を骨格部材内に周期的に配列するようにした。

ここに開示する車両の消音構造は、車体を構成する閉断面構造の骨格部材を備え、
上記骨格部材の内部に設けられ、該骨格部材の長手方向に間隔をおいて並ぶ複数のヘルムホルツ型の共鳴器を備え、
上記複数の共鳴器各々のキャビティが、上記骨格部材の内部を該骨格部材の長手方向に延びる空洞部に、該長手方向に間隔をおいて開口していることを特徴とする。

一般に、周期構造物では、波動が伝播し得る周波数帯の他に、波動が伝播しない周波数帯（禁制帯）を生ずることが知られている。上記複数の共鳴器が骨格部材の長手方向（音の伝達方向）に並ぶ当該構造は周期構造物の一種である。この構造の場合、骨格部材長手方向に延びる空洞部における当該長手方向に相隣る共鳴器の開口部間で波動の局所循環を生ずることにより、共鳴器の共振周波数を含む高周波数側に広がった禁制帯を生ずる。これにより、骨格部材における騒音の管内伝播が幅広い周波数帯で抑えられ、車室の静粛性向上に有利になる。

一実施形態では、上記複数の共鳴器各々は、上記骨格部材の周方向に間隔をおいて配置された複数のキャビティを備え、各共鳴器の複数のキャビティ各々が上記骨格部材の長手方向に延びる空洞部に、上記周方向に間隔をおいて開口している。これにより、上記禁制帯における音の透過損失が大きくなり、車室の静粛性向上に有利になる。また、複数のキャビティが骨格部材の周方向に間隔をおいて配置されていることにより、骨格部材の外部から内部への音の入力も抑えられる。

一実施形態では、上記複数の共鳴器各々は、上記骨格部材の周方向に等間隔で配置された４つのキャビティを備えている。これにより、骨格部材の外部から内部への様々な方向の音の入力抑制に有利になる。

一実施形態では、上記骨格部材は、当該車両のサイドシル又はルーフサイドレールである。これにより、車室の静粛性向上に有利になる。

一実施形態では、上記複数の共鳴器は同一規格品であり、
上記複数の共鳴器各々と上記骨格部材の内壁面の間に発泡材が充填されている。複数の共鳴器を同一規格品とすることにより、コスト低減に有利になる。そうして、骨格部材の内径が骨格部材の長手方向において変化している場合でも、共鳴器と骨格部材の内壁面との間に充填される発泡材によって、共鳴器を骨格部材の内部に保持することができ、しかも、発泡材による消音（吸音）効果が得られる。

一実施形態では、上記共鳴器が上記骨格部材の長手方向に３個以上並んでいる。これにより、骨格部材における騒音の管内伝播を効果的に抑制することができる。骨格部材の長手方向に並ぶ共鳴器数は５以上１０以下であることがさらに好ましい。

本発明によれば、複数のヘルムホルツ型の共鳴器を閉断面構造の骨格部材の内部に長手方向に間隔をおいて設け、その共鳴器各々のキャビティを骨格部材の内部を長手方向に延びる空洞部に該長手方向に間隔をおいて開口させたから、共鳴器の共振周波数を含む高周波数側に広がった、音の伝播が抑制される禁制帯を生じ、よって、骨格部材における騒音の管内伝播が幅広い周波数帯で抑えられ、車室の静粛性向上に有利になる。

車両の骨格部材を示す斜視図。 音響メタマテリアルの縦断面図。 音響メタマテリアルの横断面図。 音響メタマテリアルを垂直に切断して示す斜視図。 音響メタマテリアルを水平に切断して示す斜視図。 キャビティの配列周期ｄが禁制帯域に及ぼす影響を示すグラフ図。 周波数と透過損失の関係を示すグラフ図。 音響メタマテリアルにおける粒子速度のベクトル図。 ＣＡＥ解析モデルを示す図。 キャビティの並列配置数が透過損失特性に及ぼす影響をみたグラフ図。 キャビティの直列配置数が透過損失特性に及ぼす影響をみたグラフ図。 キャビテイの直列配置数を増加したときの透過損失特性に及ぼす影響をみたグラフ図。 キャビティの直列配置数と５００〜１０００Ｈｚの周波数帯における透過損失のＯ・Ａ平均の関係を示すグラフ図。 共鳴器の他の例を示す斜視図。 上記他の例の共鳴器の骨格部材における配置例を示す斜視図。 上記他の例の共鳴器を配置した骨格部材の横断面図。 上記他の例の共鳴器を配置した骨格部材の別の箇所の横断面図。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜本発明の適用例＞
本実施形態は図１に示す車両前後方向に延びるサイドシル１に本発明に係る消音構造を適用したものである。同図において、２はセンターピラー、３はリヤピラーである。図示は省略しているが、センターピラーの前方にフロントピラーが設けられている。車両は、フロントピラーとセンターピラー２及びリヤピラー３の各上端を結んで車両前後方向に延びるルーフサイドレールを備えている。

サイドシル１、センターピラー２、リヤピラー３、フロントピラー及びルーフサイドレールは、車体を構成する骨格部材であり、いずれも内部に各々の長手方向に延びる空洞を有する閉断面構造になっている。サイドシル１、センターピラー２、フロントピラー及びルーフサイドレールによって、車室側面前側の開口４が形成され、サイドシル１、センターピラー２、リヤピラー３及びルーフサイドレールによって、車室側面後側の開口５が形成されている。

図２にサイドシル１の内部を縦断面図で模式的に示すように、サイドシル１の内部には、音響メタマテリアル１０が設けられている。音響メタマテリアル１０は、複数のヘルムホルツ型共鳴器１１をサイドシル１の長手方向に間隔をおいて周期的に設けたものである。図３に示すように、各共鳴器１１は、サイドシル１の周方向に等間隔で配置された４つのキャビティ１２を備え、その各キャビティ１２がサイドシル１の中央部をサイドシル長手方向に延びる導波路（空洞部）１３にネック１４を介して開口している。ここに、共鳴器１１はサイドシル長手方向に間隔をおいて設けられているから、図４及び図５にも示すように、当該サイドシル１は、その長手方向に間隔をおいて直列的に配置された複数のキャビティ１２を備える周期構造物であるということができる。また、サイドシル１は、その周方向に間隔をおいて並列的に配置された複数のキャビティ１２を備えている。

＜分散性＞
ヘルムホルツ型共鳴器１１の共振周波数ｆ_Ｒは、キャビティ１２の体積Ｖ、ネック１４の補正高さＬ及びネック１４の断面積ｓで決まる。

ｆ_Ｒ＝(ｃ／２π)・√(ｓ／Ｖ・Ｌ)（ｃ；空気中の音速） ……（１）

ネック１４の補正高さＬは、ネック１４の高さｈに開口端補正（０．８√(ｓ／π)）を加算したものであり、Ｌ＝０．８√(ｓ／π)＋ｈである。

波動における分散性（波数ｋ_ｉと角周波数ωの関係）を表す理論式は次のとおりである。

cos(ｋ_ｉｄ)＝cosψ＋Ｆ_ｉψsinψ／２[(ω／ω_０)^２−１] ……（２）

ここに、ψ＝ωｄ／ｃ（ｄ；直列方向に並ぶキャビティ１２の周期（ピッチ））、Ｆ_ｉ＝Ｖｉ／Ｓｄ（ｉ；キャビティ並列配置数，Ｓ；導波路の断面積）、ω_０＝２πｆ_Ｒである。

上記ｋ_ｉｄから当該周期構造物の禁制帯域が求まり、その禁制帯域は図６に示すように周期ｄ（単位；ｍｍ）に応じて変化する。図６は表１に示す共鳴器１１の周期配列設定において禁制帯域を求めたものである。表１において、キャビティ及びネック各々の高さは、導波路から離れる方向の寸法である。キャビティ及びネック各々の幅は導波路長手方向の寸法である。キャビティ及びネック各々の奥行はキャビティ及びネック各々の高さ方向及び導波路長手方向に直交する方向の寸法である。

図６によれば、周期ｄを７０ｍｍ以下にすると、禁制帯域を５００Ｈｚ付近から９５０Ｈｚの範囲として幅広い周波数帯で騒音を低減させることができることがわかる。そうして、禁制帯域を５００Ｈｚ付近から１０００Ｈｚ以上の範囲に広げるには、周期ｄを４５ｍｍ以上６０ｍｍ以下にすることが好ましいことがわかる。

＜透過損失＞
表１に示す共鳴器１１の周期配列設定において、周期ｄを６５ｍｍとし、全長を１６００ｍｍとして、透過損失ＴＬを測定した。点音源のホワイトノイズ（０．１〜６．４ｋＨｚ）の放射位置と共鳴器周期配列の入口の間隔は１０００ｍｍとし、当該入口における入射音の音圧Ｐ_ｉｎ及び空気粒子の粒子速度Ｖ_ｉｎ、並びに出口における透過音の音圧Ｐ_ｏｕｔ及び粒子速度Ｖ_ｏｕｔを、それぞれ粒子速度マイクで測定し、（３）式によって透過損失ＴＬを求めた。当該周期配列の出口側には遮音壁を立てて点音源からの音が出口側の粒子速度マイクに入らないようにした。結果を図７に示す。

ＴＬ＝10log_１０(Ｐ_ｉｎＶ_ｉｎ／Ｐ_ｏｕｔＶ_ｏｕｔ) ……（３）

図７によれば、狙いとする５００〜１０００Ｈｚの周波数域に透過損失が大きな禁制帯が現れている。

＜ＣＡＥ解析＞
上記透過損失の測定に係る点音源及び共鳴器１１の周期配列をモデル化し（点音源から共鳴器周期配列の入口までの空気のＦＥＭモデルと共鳴器周期配列のＦＥＭモデルを組み合わせ）、境界条件は完全吸音とし、点音源からホワイトノイズを放射するという解析条件で、粒子速度のベクトル図（絶対値）を出力した。粒子速度は共鳴器周期配列の入口端の共鳴器とその隣の共鳴器の２つに跨がる範囲で出力した。結果を図８に示す。

図８によれば、波動が局所循環し波動の伝搬と共に伝搬成分が減少していことから、当該共鳴器１１の周期配列により禁制帯が現れることがわかる。

＜キャビティの並列配置数・直列配置数が透過損失に及ぼす影響＞
ＦＥＭモデルにより、共鳴器１１のキャビティ１２の並列配置数及び直列配置数を変えたときの透過損失及びそのオーバーオール平均をＣＡＥ解析によって求めた。

図９はＦＥＭモデルの一例、すなわち、キャビティの並列配置数が４である共鳴器１１を１つ設けた並列数４−直列数１のＦＥＭモデルを示す。同図において、２１は点音源、２２，２３は入口側及び出口側の受音点、２４は点音源２１から共鳴器周期配列の入口までの空気のＦＥＭメッシュ、２５はＰＶＣのＦＥＭメッシュである。モデルの断面形状は一辺が１４５ｍｍの正方形、点音源２１から入口側受音点２３までの距離は１０００ｍｍ、受音点２２，２３間の距離は１６００ｍｍ、点音源２１及び受音点２２，２３の高さは６５ｍｍとした。共鳴器１１及び導波路の設定は表１に示すとおりである。

解析は、点音源２１から０．１〜５．０ｋＨｚの音を放射、受音点２２，２３により音圧と粒子速度を出力、（３）式により透過損失を算出、次式（４）により、５００〜１０００Ｈｚの周波数帯における透過損失のオーバーオール平均（Ｏ・Ａ平均）値を算出、という条件で行なった。ＰＶＣの物性値は、ヤング率２５００Ｍｐａ、ポアソン比０．３８、密度１．４５×１０^−６ｋｇ／ｍｍ^３、損失係数０．００７である。

ＴＬ_{Ｏ・Ａ平均}＝10log_１０(Ｐ_ｉｎＶ_{ｉｎ Ｏ・Ａ平均}／Ｐ_ｏｕｔＶ_{ｏｕｔ Ｏ・Ａ平均}) ……（４）

解析結果を図１０乃至図１３に示す。

図１０は、キャビティの並列配置数を１〜４で変えたケースであり、キャビティの直列配置数は１である。同図によれば、キャビティの並列配置数を増やすと透過損失が大きくなることがわかる。但し、この並列配置数を増やしても、透過損失が大きい周波数帯の拡大は生じないということができる。

図１１は、キャビティの並列配置数を４とし、キャビティの直列配置数を１〜４で変えたケースである。同図によれば、キャビティの直列配置数が増えるに従って透過損失が大きい周波数帯が高周波数側に広がる傾向が見られる。

図１２は、キャビティの直列配置数を５、１０と増やしたケースを示す。キャビティの直列配置数が５以上になっても、透過損失が大きい周波数帯のさらなる拡大は見られないが、透過損失の増大が見られる。特に高周波数側において透過損失の増大が顕著になっている。

図１３は、キャビティの並列配置数が４である共鳴器の直列配置数の増加が５００〜１０００Ｈｚの周波数帯における透過損失の平均に及ぼす影響を見たものである。共鳴器の直列配置数が増加するに従って透過損失の平均が増大し、直列配置数１０で当該平均の増大が飽和している。同図によれば、当該直列配置数は３以上であることが好ましく、５以上１０以下であることがさらに好ましい。

＜共鳴器の他の例＞
図１４に示すヘルムホルツ型共鳴器３１は立方体状（正八胞体状）の共鳴器本体３２と、共鳴器本体３２の相対する二面を除く残り四面に設けられた矩形状閉塞板３３とによって構成されている。共鳴器本体３２は、外側立方体枠３２ａと、矩形枠を内外に対応させて外側立方体枠３２ａの中心に配置された内側立方体枠３２ｂと、外側立方体枠３２ａの六面の各矩形枠と内側立方体枠３２ｂの六面の各矩形枠を結ぶ正四角錐台の錐面状の連結壁３２ｃとを備えてなる。当該六面の各連結壁３２ｃが外側立方体枠３２ａの各面に開口した錐面状部を形成している。外側立方体枠３２ａの相対する二面を除く残り四面の矩形枠各々に閉塞板３３が設けられて共鳴器３１が形成されている。

この共鳴器３１では、閉塞板３３が設けられていない相対する２つの錐面状部が内側矩形枠３２ｂの内部空間を介して連通しており、この内部空間及び錐面状部が導波路３４となる。各々閉塞板３３で閉じられた残り４つの錐面状部と閉塞板３３とがなす空間がそれぞれキャビティ３５を構成し、内側立方体枠３２ｂの上記残り４つの錐面状部に対応する矩形枠がキャビティ３５と導波路３４を連通するネック３６を構成する。

図１５に示すように、共鳴器３１はサイドシル１の内部にサイドシル長手方向に間隔をおいて周期的に配列される。なお、図１５では閉塞板の図示を省略している。周期的に配列される共鳴器３１は全て、寸法及び形状が同一の規格品である。図１６及び図１７に示すように、共鳴器３１の外周面とサイドシル１の内壁面の間には発泡材３７が充填されて、共鳴器３１がサイドシル１の内部に保持される。サイドシル１はその長手方向において断面形状が異なる場合があるが（図１６での断面位置に比べて、図１７での断面位置では、サイドシル１の内径が大きくなっている。）、共鳴器３１に対するサイドシル１の形状誤差が発泡材３７の充填によって吸収される。また、発泡材３７自体が吸音材となって消音効果が高くなる。

また、本例の共鳴器３１では、導波路３４の断面積が、キャビティ３５が開口する内側立方体枠３２ｂの部位で小さく、該部位から錐面状部を介して拡大してサイドシル１における共鳴器３１が配置されていない部位において大きくなっている。この導波路３４の断面積の変化は拡張型消音器を構成しており、この拡張型消音器による消音効果も得られる。

なお、上記共鳴器３１では、共鳴器本体３２に閉塞板３３を設けてキャビティ３５を形成したが、閉塞板３３を設けることなく、発泡材によって外側立方体枠３２ａの錐面状に広がった開口を塞いでキャビティを形成するようにしてもよい。

また、上記共鳴器３１は立方体状であるが、直方体状とすることもできる。

共鳴器の周期的配列は、サイドシル１に限らず、ルーフサイドレール、ピラー、車体サイドフレームなど、車両を構成する適宜の閉断面骨格部材に設けることができる。

１ サイドシル（骨格部材）
１１，３１ 共鳴器
１２，３５ キャビティ
１３，３４ 導波路（空洞部）
１４，３６ ネック
３７ 発泡材

Claims (6)

1. 車体を構成する閉断面構造の骨格部材を備えた車両の消音構造であって、
   上記骨格部材の内部に設けられ、該骨格部材の長手方向に間隔をおいて並ぶ複数のヘルムホルツ型の共鳴器を備え、
   上記複数の共鳴器各々のキャビティが、上記骨格部材の内部を該骨格部材の長手方向に延びる空洞部に、該長手方向に間隔をおいて開口していることを特徴とする車両の消音構造。
2. 請求項１において、
   上記複数の共鳴器各々は、上記骨格部材の周方向に間隔をおいて配置された複数のキャビティを備え、各共鳴器の複数のキャビティ各々が上記骨格部材の長手方向に延びる空洞部に、上記周方向に間隔をおいて開口していることを特徴とする車両の消音構造。
3. 請求項２において、
   上記複数の共鳴器各々は、上記骨格部材の周方向に等間隔で配置された４つのキャビティを備えていることを特徴とする車両の消音構造。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一において、
   上記骨格部材は、当該車両のサイドシル又はルーフサイドレールであることを特徴とする車両の消音構造。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一において、
   上記複数の共鳴器は同一規格品であり、
   上記複数の共鳴器各々と上記骨格部材の内壁面の間に発泡材が充填されていることを特徴とする車両の消音構造。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一において、
   上記共鳴器が上記骨格部材の長手方向に３個以上並んでいることを特徴とする車両の消音構造。
   

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