JP3858179B2

JP3858179B2 - 位相反転消音装置

Info

Publication number: JP3858179B2
Application number: JP05972294A
Authority: JP
Inventors: 晃八百板
Original assignee: ビーバ株式会社
Priority date: 1994-02-21
Filing date: 1994-02-21
Publication date: 2006-12-13
Anticipated expiration: 2021-12-13
Also published as: JPH07234689A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は高速道路や高速鉄道などの防音壁、自動車のマフラーや送風ダクト、および、音波拡散防止フード付きスピーカなどと共に用いられる位相反転消音装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、高速道路や高速鉄道などの走行車両から発生される騒音は防音壁を設けたり、また自動車のエンジンの爆発音による排気騒音は消音マフラーを取り付けたりするなどして、騒音の発生による障害を軽減するための対策が施されている。
近年では、こうした受動的な騒音防止対策に止まらず、能動的な騒音防止対策が各方面で実施されるようになってきた。
【０００３】
能動的な騒音防止方法としては、騒音源から放射される音波をマイクロホンで捕らえて音圧や位相を補正したり、あるいはＡ／Ｄ変換して処理したり、コンピュータで計算したりするなどして反騒音をスピーカから出し、元の音を物理的に打ち消す方法のものなどを上げることができる。しかし、これらの方法を用いた消音装置は、いずれも、ダクトや車の室内、ヘッドホンなど限られた空間を制御するものが多く、周期的に発生する低い周波数の音を対象に取り扱ったものが多い。
【０００４】
【従来の技術の欠点】
前述の消音方法は、特定の周波数について、特に波長の長い周波数については位相誤差を吸収しやすいため有効な場合もあるが、波長の短い周波数は位相回転が早いので、位相の誤差や反射などによる影響が大きく出るため取り扱いが難しく、広帯域にわたる周波数を含む音波を効率よく消去するということになると更に難しくなり、解決されなければならない技術的課題は少なくない。
また、騒音発生源と消音スピーカの発音源の中心部とは当然のことながら位置が異なるため、騒音の進行波と消音用の音の進行波との干渉は複雑となり、周波数や位置によっては騒音が逆に増大してしまう場合も生ずることがある。こうした不具合を解消するためには、補助的な対策がいろいろと必要となり、電気的回路網も大きくなるなど、実用性が乏しくならざるを得ない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、消音し得る音波の周波数の範囲を特に低い周波数と限定することなく、広い帯域の周波数成分から成る音波の一部をそのまま集め、集めた音波の位相を１８０゜回転させて逆相の音波に変換し、この逆相の音波に変換された音波と元の音波とを干渉させることによって、元の音波の一部を特に周波数帯域を限定することなく効率よく消去することのできる装置を提供する点にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
例えば、同一音源から放射された音波が、回転放物軸に平行な気体柱を進行方向に２つに縦割りされたルートを進むとき、２つに分割された一方は回転放物鏡面で反射され、マイクロホンで集音され、電気的に増幅され、位相を１８０°回転された音波として再びスピーカにより放音されるルートを進む。他方は回転放物鏡面で進行を遮られることなく直進する音波として進む。２つのルートを進む音波の疎密波が搬送媒体である気体の中を進むときの距離を等しくして、それぞれが距離相当分の位相の遅れを以て位相回転を行い、互いに逆相関係を保ちながら同期進行させ、位相が１８０°回転された音波を第１の音波反射鏡面で進行を遮られることなく直進した音波の伝搬状態と同じ状態になるようにして、これら２つのルートを進む音波を再び合流させ、それぞれ相互干渉させると、双方の波動エネルギーを効率よく消耗させることができる。
【０００７】
本発明は、上述した原理に基づいて前記の課題を解決したものであって、本発明に係る位相反転消音装置は次のようなものである。
まず本発明に係る位相反転消音装置は、前方の音源Ｓから放射された音波を、回転放物面の一部を用いて反射させる第１の音波反射鏡１と、該第１の音波反射鏡１の焦点Ｆ_１に収束された音波を集音する集音マイクロホン３と、該集音マイクロホン３に入力される入射波の位相を１８０゜回転させて入射波と逆相の音波を放射する逆相音波放射スピーカ５とを具備するものである。
【０００８】
また、上記逆相音波放射スピーカ５から放射される球面波を焦点Ｆ_２より出力し、反射平面波として後方へ放射する回転放物面の一部を用いた第２音波反射鏡１３を具備するものもある。
【０００９】
なお、上記第１および第２の音波反射鏡１、１３の反射面の一部に音波が通過する通気部を設けてもよく、また、上記第１の音波反射鏡１に回転楕円面の一部を用いたものであってもよい。
【００１０】
【作用】
上述した各発明の構成によれば、前方の音源Ｓから放射された音波を、位相の乱れの出ないように回転放物面の一部を用いた第１の音波反射鏡１により反射させ、焦点Ｆ_１に集めることによって音波のエネルギーを高めて、位相ひずみの少ない良質な信号として集音マイクロホン３で集音し、集音マイクロホン３で集音された音波は、増幅器４によって増幅されたのち、逆相音波放射スピーカ５によって位相が１８０゜回転されて放音される。
【００１１】
前方の音源Ｓから放射された音波のうち第１の音波反射鏡１によって進行を遮られずに直進した音波と、上記逆相音波放射スピーカ５より放射された逆相の音波とは、双方の搬送媒体となる気体中を伝わる距離を等しくとった位置では、互いに距離相当の位相遅れの位相回転関係にある。この伝搬距離を同じ距離に合わせた位置で、逆相音波放射スピーカ５より放射された逆相の音波を、第１の音波反射鏡１によって進行を遮られることなく直進した音波の伝搬状態に合わせて、双方の音波を再び合流させると、逆相関係にある音波を互いに干渉させることになって、前方の音源から放射された音波の波動エネルギーを合流点近傍で大きく低下させることができる。
【００１２】
【実施例】
実施例１
本発明による位相反転消音装置を図１および図２Ａ，図２Ｂによって説明する。図１は本発明による位相反転消音装置を半無限障壁上端に設置されている位相反転消音装置付き防音壁の動作原理図であり、１は第１の音波反射鏡、２は第１ホーン、３は集音マイクロホン、４は増幅器、５は逆相音波放音スピーカ、６はスピーカボックス、７は収納ケース、８は集音開口部、９は放音開口部、１０は半無限障壁であり、Ｓは音源、Ｌ_１は回転軸、Ｆ_１は反射鏡の焦点、π_１は回転軸に垂直な面、Ｐ_１は反射面上の点、Ｈは垂線の足を示すものであり、１〜９は本発明の位相反転消音装置を構成する。以下その動作について説明する。
【００１３】
第１の音波反射鏡１は回転放物面の一部を用いた音波反射鏡であり、音波反射鏡面に対応する回転軸Ｌ_１を前方音源Ｓの方向に向けて設置されている。第１の音波反射鏡１の焦点Ｆ_１には集音マイクロホン３が取り付けられており、集音開口部８から入射された遠方前面の音源Ｓから放射された音波は、同相の平面波として第１の音波反射鏡１の反射面で反射され、同相の球面波に変換されて、第１ホーン２を通り収束されて、第１の音波反射鏡１の焦点Ｆ_１に置かれた集音マイクロホン３に入射され、電気信号に変換される。
このように構成された集音器は、第１の音波反射鏡１の反射面上に音波を散乱するものがないので、広帯域にわたって周波数特性がよく、また、すぐれた集音性能を持つものである。
【００１４】
増幅器４は、集音マイクロホン３に入射された音波を電気信号に変換して再び音波を放射させるための逆相音波放音スピーカ５を駆動する増幅器である。第１の音波反射鏡１に対応する回転軸Ｌ_１に垂直な面π_１を、回転放物面によって分けられる焦点Ｆ_１を含まない外側に置き、第１の音波反射鏡１の反射面上の点Ｐ_１から面π_１に引いた垂線の足をＨとして、点Ｐ_１からＨに至る距離Ｐ_１Ｈが点Ｐ_１から焦点Ｆ_１に至る距離Ｐ_１Ｆ_１と同じになるようにする。逆相音波放射スピーカ５は音を発生する音源の中心部が面π_１上のＨ部に設置され、放音開口部９より後方外部へ向けて第１の音波反射鏡１によって進行を遮られることなく直進してきた音源とは逆相の関係を有する音波を放射する。
【００１５】
遠方前面の音源Ｓから放射された音波は、回折によって進行方向に立てられた垂直な半無限障壁１０の裏側へも伝搬される。このときの音波の伝搬される様子を、図２Ａ、図２Ｂによって説明する。図２Ａは音源Ｓから放射された音波の進行を示す立面の動作原理図であり、図２Ｂは平面の動作原理図である。
【００１６】
図２Ａにおいて、音源Ｓから放射された音波は、音源Ｓを中心とする球面波となり空気中を伝搬していくが、半無限障壁１０の上端の稜線Ｅを境にして半無限障壁１０から遠いＡ付近では、平面波に近く、伝搬によって音圧はあまり減衰されずに拡がり、半無限障壁１０の陰になる奥のＣ付近では、稜線Ｅ点が新たな音源となり、音波が球面波として伝搬し、回り込む。
【００１７】
ここで半無限障壁１０の上端に本発明の位相反転消音装置を、第１の音波反射鏡１の回転軸Ｌ_１を音源Ｓに向けて設置し、前方の音源Ｓからの音波を集音開口部８に入射させ、逆相音波放射スピーカ５より入射音波と逆相の音波を放音開口部９より後方へ放射する。逆相音波放射スピーカ５は稜線Ｅと同一の位置に設置されているものとみることができるから、稜線Ｅを同一音源として、音源Ｓからの音波と、音源Ｓからの音波と逆相の音波とが同時に同じ方向に向けて放音された状態になり、半無限障壁１０の後方Ｂ付近への音源Ｓの伝搬音圧、およびＣ付近へ稜線Ｅから回り込む回折波の音圧を低減することができる。
【００１８】
次に図２Ｂにより、音源Ｓから放射された音波の平面的な波面の拡がりについて説明する。半無限障壁１０の上端稜線上の各点Ｅ_１，Ｅ_２，Ｅ_３・・・に、それぞれ本発明の位相反転消音装置が設置されているとき、音源Ｓからの音波は同時には各点Ｅ_１，Ｅ_２，Ｅ_３・・・に到達しない。Ｅ_１が最も早く、Ｅ_２，Ｅ_３と順次おくれて到達するため、位相反転消音装置より放音される音源Ｓからの音波と逆相の音波の放射も、Ｅ_１からが最も早く、Ｅ_２，Ｅ_３・・・と順次おくれて放射される。このため逆相の音波の伝搬はＥ_１の波面が最も大きく拡がり、Ｅ_２，Ｅ_３・・・は順次小さく、逆相の音波を合成した波面はＢ_１，Ｂ_２，Ｂ_３・・・上を拡がる。半無限障壁１０の後方Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３・・・の各点では、ちょうど音源Ｓから逆相の音波が放射されたときと同じような波面となって拡がる。従ってＢ_１，Ｂ_２，Ｂ_３・・・周辺では、音源Ｓからの音波と、音源Ｓからの音波と逆相の音波とが干渉して、音波エネルギーが消耗されるため音圧が低減する。
【００１９】
以上本発明の位相反転消音装置を半無限障壁１０に取り付けた位相反転消音装置付き半無限障壁について説明したが、半無限障壁１０のＥ_１，Ｅ_２，Ｅ_３・・・Ｅ_ｎのＥ_１とＥ_ｎを一致させると一定の地域を囲むことができることは言うまでもない。
【００２０】
なお、逆相音波放射スピーカ５に折り返しホーンのようなスピーカ発音源の中心部とホーン開口面との距離が外形寸法よりも実質的に大きい構造を有する変則的なスピーカを使用する場合は、第１の音波反射鏡１の反射面上の点Ｐ_１とスピーカ発音源の中心部との距離を大きくとり、音源Ｓからの音波と、音源Ｓからの音波と逆相の音波との搬送媒体の気体中を進む２つのルートの伝搬距離が合流点で等しくなるようにするとよい。
【００２１】
実施例２
図３に基づいて実施例２を説明する。図３は本発明による位相反転消音装置を消音ダクト内に取り付けたもので、位相反転消音装置付き消音ダクトの動作原理図であり、図１と共通の部分は、同一符号を付してある。１１は第２ホーン、１２は音波障壁、１３は第２音波反射鏡、１４は消音ダクト、１５は第１の音波反射鏡１の通気部、１６は第２音波反射鏡１３の通気部、１７は通気管であり、Ｆ_２は第２音波反射鏡１３の焦点、Ｐ_２は第２音波反射鏡１３の反射面上の点を示すものであり、Ｌはダクト１４の中心軸、Ｌ_２は第２音波反射鏡１３に対応する回転軸である。以下、位相反転消音ダクトの動作について説明する。
【００２２】
第１および第２の音波反射鏡１，１３は、回転放物面の一部を用いた音波反射鏡で、反射面を互いに背にする位置関係にあり、第１および第２の音波反射鏡１，１３に対応する回転軸Ｌ_１，Ｌ_２を消音ダクト１４の中心軸Ｌと平行に置く。回転軸Ｌ_１とＬ_２に垂直な面π_１は第１および第２の音波反射鏡１，１３の反射面上の点Ｐ_１とＰ_２の中間にあり、点Ｐ_１，Ｐ_２から面π_１へ引いた垂線の足がそれぞれ１点Ｈで重なり合う位置とし、点Ｐ_１から焦点Ｆ_１に至る距離をＰ_１Ｆ_１、点Ｐ_２から焦点Ｆ_２に至る距離をＰ_２Ｆ_２、点Ｐ_１から面π_１上のＨに至る距離をＰ_１Ｈ、点Ｐ_２から面π_１上のＨに至る距離をＰ_２Ｈとするとき、Ｐ_１Ｆ_１とＰ_２Ｆ_２の和とＰ_１ＨとＰ_２Ｈの和とが等しくなるような位置に第１および第２の音波反射鏡１，１３を設置し、第１および第２の音波反射鏡１，１３の中央部には、消音ダクト１４の前方の音源Ｓより放射され、集音開口部８を通過した音波が進行を遮られることなく直進することのできる通気部１５，１６が設けられており、通気部１５，１６は吸音材料を用いた通気管１７によって連結されている。
【００２３】
音源Ｓより放音された音波は、消音ダクト１４内を伝搬し、集音開口部８を通過したのち第１の音波反射鏡１の反射面で反射され、同相の球面波に変換され、第１ホーン２を通り収束され、第１の音波反射鏡１の焦点Ｆ_１に置かれたマイクロホン３に入射され、電気信号に変換される。増幅器４は、音波の電気信号を増幅して逆相音波放射スピーカ５を駆動する。逆相音波放射スピーカ５は、音を発生する音源の中心部が第２音波反射鏡１３の焦点Ｆ_２に置かれている。逆相音波放射スピーカ５より発せられた音波は、第２ホーン１１と音波障壁１２の間を通過し、第２音波反射鏡１３の反射面で反射され、平面波に変換されて、放音開口部９より第１および第２の音波反射鏡１，１３によって進行を遮られることなく直進してきた音波とは逆相の関係を有する音波として放射される。第１および第２の音波反射鏡１，１３によって進行を遮られることなく通気管１７内を通過した音波と、第１の音波反射鏡１の反射面で反射されたのち、入射された元の音波と位相が１８０°回転されて第２音波反射鏡１３の反射面より出力された音波とは、媒体となる気体中を伝搬する距離が等しいから２つのルートを進む双方の音波の位相回転は逆相関係が保たれたまま進行する。消音ダクト１４内の通気管１７の延長面を境にして双方の音波を合流し、互いに干渉させると、双方の波動エネルギーを大きく低下させることができる。
【００２４】
消音ダクト１４の径が大きい場合や、消音ダクト１４の径に対する音波の波長の大きさの割合が十分に大きくないなどの場合は、消音ダクト１４に取り付けられる本発明による位相反転消音装置の設置箇所を必要に応じて増やし、それぞれの位相反転消音装置が受け持つ空間の範囲を狭めることによって位相回転誤差から生ずる影響を少なくできる。
【００２５】
ダクトの径が大きく、発音源Ｓと第１の音波反射鏡１との距離が近い場合は、第１の音波反射鏡１は回転楕円面の一部を用いた方がよい。回転楕円面の一部を用いた場合は回転軸Ｌ_１と消音ダクト１４の中心軸Ｌとは平行にはならない。
【００２６】
消音ダクト１４内の音波伝搬の媒体となる気体が速い速度をもつ場合は、気体の流れの向きによって、通気管１７内の音波の伝搬速度が増加したり減少したりした場合と等価となる。気体の流れの向きが、集音開口部８から放音開口部９の方向へ流れる場合は、第１の音波反射鏡１の反射面上の点Ｐ_１と第２の音波反射鏡１３の反射面上の点Ｐ_２との距離を大きく、また気体の流れの向きが逆の方向の場合は点Ｐ_１Ｐ_２間の距離を小さくするなど補正して、音源Ｓからの音波と、音源Ｓからの音波と逆相の音波との、搬送媒体となる気体中を進む２つのルートの音波の位相回転の関係を、互いに逆相回転の状態で同期させて合流点へ導くようにする。
【００２７】
実施例３
図４に基づいて実施例３を説明する。図４は本発明による複数の位相反転消音装置が音源となるスピーカの周囲に設けられた音波拡散防止フードの端部に並べて設置されている位相反転消音装置付き音波拡散防止スピーカの動作原理図であり、図１と共通の部分は、同一符号を付してある。１８は発音源となるスピーカ、１９はスピーカ１８の前面に取り付けられた第１フード、２０は第１フード１９と同軸上に第１フード１９より内側へ段差ができるようにして取り付けられた第２フード、２１は囲いであり、π_２は音源Ｓを中心とする球面、Ｑは球面π_２上の１点を示すものであり、本発明による位相反転消音装置は、第１フード１９と第２フード２０との段差間に集音開口部８が、第２フード２０の外周端部に放音開口部９が取り付けられ、音波拡散防止スピーカを構成する。以下その動作について説明する。
【００２８】
第１の音波反射鏡１は回転楕円面の一部を用いた音波反射鏡であり、スピーカ１８の音を発生する音源の中心部Ｓを第１の音波反射鏡１の一方の焦点に置き、もう一方の焦点Ｆ_１には集音マイクロホン３が取り付けられており、集音開口部８から入射されたスピーカ１８の発音源の中心部Ｓから放射された音波は、同相の球面波として第１の音波反射鏡１の反射面で反射され、第１ホーン２を通り収束され、第１の音波反射鏡１の焦点Ｆ_１に置かれたマイクロホン３に入射され、電気信号に変換される。
増幅器４は、音波の電気信号を増幅して逆相音波放射スピーカ５を駆動する。球面π_２は、回転楕円面に対応する長軸を２ａとしたときの音源Ｓを中心とする半径２ａの球面であり、音源Ｓおよび第１の音波反射鏡１の反射面上の点Ｐ_１を通る直線が反射面の裏側の球面π_２と交わる点をＱとすると、距離Ｐ_１Ｓと距離Ｐ_１Ｆ_１の和は２ａであるから、点Ｐ_１から点Ｑに至る距離Ｐ_１Ｑは点Ｐ_１から焦点Ｆ_１に至る距離Ｐ_１Ｆ_１と等しい。
逆相音波放射スピーカ５は、音を発生する音波の中心部を球面π_２上の点Ｑに設置され、放音開口部９より後方外部へ向けて第１の音波反射鏡１によって進行を遮られることなく直進してきた音波とは逆相の関係を有する音波を放射する。
【００２９】
スピーカ１８の音源Ｓから放射された音波は、回折によって第２フード２０の外周端Ｅが新たな音源となり、音波が球面波として囲い２１の外部側面へも伝搬され、回り込む。Ｃ付近へ回り込んだ回折波は、逆相音波放射スピーカ５から放射される逆相の音波と干渉し、音圧が低減される。回折波の音圧が低減される様子は実施例１で説明したものと同様であり、第２フード２０の外周端Ｅを図２Ａの半無限障壁１０の上端の稜線Ｅと置き替えてみることによって容易に理解できるものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、音源から放射された音波を、特に周波数帯域の制限をすることなく位相の乱れの少ない良質な音波としてマイクロホンに集音し、位相を１８０°回転した逆相の音波を得るとともに、音波の伝搬距離の違いから生ずる位相回転誤差による影響を受けないようにして、逆相の音波と元の音波とを合流し、互いに干渉させることにより合流点近傍の波動エネルギーを効率よく低減するとができる。
【００３１】
従って、本発明による装置を利用することによって、回折音による音波の回り込みを抑制したり、限られた空間を伝搬する音波の波動エネルギーを低減したりすることができるため、高速道路や高速鉄道などの防音壁の遮音、自動車のマフラーや送風ダクトなどの消音、および、スピーカの指向特性などの、機能や性能をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１を示す動作原理図である。
【図２】（Ａ）音波の進行を示す立面の動作原理図である。
（Ｂ）音波の進行を示す平面の動作原理図である。
【図３】実施例２を示す動作原理図である。
【図４】実施例３を示す動作原理図である。
【符号の説明】
１第１の音波反射鏡
２第１ホーン
３集音マイクロホン
４増幅器
５逆相音波放射スピーカ
６スピーカボックス
７収納ケース
８集音開口部
９放音開口部
１０半無限障壁
１１第２ホーン
１２音波障壁
１３第２音波反射鏡
１４消音ダクト
１５，１６通気部
１７通気管
１８スピーカ
１９第１フード
２０第２フード
２１囲い
Ｓ音源
Ｌ_１，Ｌ_２回転軸
Ｆ_１，Ｆ_２反射鏡の焦点
π_１回転軸に垂直な面
Ｐ_１，Ｐ_２反射面上の点
Ｈ垂線の足
Ｅ稜線または外周端
Ａ，Ｂ，Ｃ波面の位置
Ｌダクトの中心軸
π_２球面
Ｑ球面上の点

Claims

前方の音源（Ｓ）から放射された音波を回転放物面の一部を用いて反射させる第１の音波反射鏡（１）と、該第１の音波反射鏡（１）の焦点（Ｆ_１）に収束された音波を集音する集音マイクロホン（３）と、該集音マイクロホン（３）に入力される入射波の位相を１８０°回転させて入射波と逆位相の音波を放射する逆相音波放射スピーカ（５）と、を具備し、上記第１の音波反射鏡（１）の回転放物面に対応する回転軸（Ｌ_１）を上記前方の音源（Ｓ）の方向へ向け、該回転軸（Ｌ_１）に垂直で回転放物面によって分けられる焦点（Ｆ_１）を含まない外側に設定される面（π_１）上に上記逆相音波放射スピーカ（５）の中心部を配置し、上記逆相音波放射スピーカ（５）より入射波と逆位相の音波を放射する放音開口部（９）の開口方向を上記音源（Ｓ）から放射された音波の進行方向へ向けて設置し、上記第１の音波反射鏡（１）の反射面上の点（Ｐ_１）から面（π_１）に引いた垂線の足を（Ｈ）として、点（Ｐ_１）から（Ｈ）に至る距離（Ｐ_１Ｈ）と、点（Ｐ_１）から焦点（Ｆ_１）に至る距離（Ｐ_１Ｆ_１）を等しくすることによって、上記集音マイクロホン（３）と上記逆相音波放射スピーカ（５）とを音響的に隔離した状態で、上記音源（Ｓ）から見た上記集音マイクロホン（３）までの音波の伝搬距離と、上記音源（Ｓ）から見た上記逆相音波放射スピーカ（５）の中心部までの音波の伝搬の音響的距離を等しくしたことを特徴とする位相反転消音装置。
請求項１記載の第１の音波反射鏡（１）と、集音マイクロホン（３）と、逆相音波放射スピーカ（５）と、該逆相音波放射スピーカ（５）の中心部を焦点（Ｆ_２）とする回転放物面の一部を用いた第２の音波反射鏡（１３）と、該第２の音波反射鏡（１３）と上記第１の音波反射鏡（１）とを連結する通気管（１７）と、を消音ダクト（１４）内に設け、上記第１および第２の音波反射鏡（１）、（１３）によって進行を遮られることなく上記通気管（１７）内を通過した音波と上記第２の音波反射鏡（１３）の反射面より出力された音波が互いに逆相関係が保たれたまま同一方向へ進行するような構成として、双方の音波の波動エネルギーを低減することを特徴とする位相反転消音装置。