JP4358665B2 - 多孔板消音構造 - Google Patents

Description

本発明は、装置または装置間の給気または排気用の配管路における消音構造の技術に関する。

従来から、消音構造の技術は公知となっている。例えば、非特許文献１と特許文献２に開示されるものがある。この非特許文献１には、図１に示す消音ダクトＡと図２に示す共鳴形消音器Ｂなどが開示されている。図１に示す消音ダクトＡは、断面が四角のダクト１１と多孔質消音材１２とで構成されている。ダクト１１内に多孔質消音材１２（例えば、グラスウールや金属繊維など）がダクト１１内壁に沿って、一定の厚みをもって配置されていて、この多孔質消音材１２で音エネルギを消散させる消音構造である。図２に示す共鳴形消音器Ｂは、配管路２１と配管路２１に開けられた小孔２３を囲む拡大室２４とから構成されている。共鳴形消音器Ｂは、配管路２２を通過するｆ_p＝（ｃ／２π）√｛ｓ_p／（Ｖ・ｍ_p）｝の計算式で定まる周波数の騒音を選択的に消音する。ここで、ｆ_pは消音したい騒音の最高周波数、ｃは媒質の音速、ｓ_pは小孔の径、Ｖは拡大室の体積、ｍ_pは小孔の深さである。

特許文献２には、図３に示す多孔質防音構造体Ｃが開示されている。図３に示す多孔質防音構造体Ｃは、外装板３１と多数の貫通穴３２ａを有した内装板３２とを対向配置して形成されている。内装板３２は、板厚、穴径および開口率が貫通穴３２ａを流通する空気に粘性作用を発生させる設計条件を満足するように設定されていて、その粘性作用により音波のエネルギを消散させるものである。

日本機械学会編 「機械騒音ハンドブック」 産業図書 特開２００３−５０５８６号公報

しかし、上記非特許文献１の消音ダクトＡの構成では、配管路の流速変化、温度変化、結露などにより、多孔質消音材自体が経年変化や劣化を起こして飛散し、消音性能が低下するだけでなく、圧縮機、タービン、ポンプなどの装置に入り込み、これらの装置の性能を著しく低下または故障させるという不具合があった。また、消音ダクトを廃棄する場合、グラスウールなどの多孔質消音材は産業廃棄物となるため、分離して処理する費用が発生するという不具合があった。また、上記非特許文献１の共鳴形消音器Ｂの構成では、特定の周波数の騒音だけしか消音できないので、広い周波数域で消音効果を得るには、異なった周波数に調節した複数の共鳴形消音器を連結しなければならず、また、配管路の小孔を囲む拡大室を配管路の外側に設ける必要があり、全体として大きな消音構造になってしまうという不具合があった。さらに、上記特許文献２の多孔質防音構造体Ｃの構成では、通常、開口が狭いほど消音性能は高くなるが、圧縮機などで使用すると、開口が狭いので、スス、ごみ、油滴、液滴が開口を塞いでしまう可能性が高くなり、消音性能が低下するという不具合があった。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段及びその効果を説明する。

即ち、本発明においては、消音構造が、配管路と、配管路の軸方向に延設された第一仕切り部材と、第一仕切り部材で区切られた配管路の軸方向を複数の小室に仕切る第二仕切り部材とを備え、第一仕切り部材の流路側に面した部分の全部または一部に多孔が形成されているものである。

この構成によると、配管路と、配管路の軸方向に延設された第一仕切り部材と、第一仕切り部材で区切られた配管路の軸方向を複数の小室に仕切る第二仕切り部材とを備え、第一仕切り部材の流路側に面した部分の全部または一部に多孔が形成されているので、配管路の定常流には影響を与えずに、周期的な圧力変動を多孔板の孔部の往復運動に変換し、圧力損失の形で圧力変動エネルギを消散させることができ、騒音を消音することができる。また、本実施形態では、配管路内部に消音構造を有するものであるため、余分な装置などを配管路外部に設置することはないので、設備が大型なものとならない。さらに、例えばグラスウールのような多孔質消音材を使用しないので、経年変化や劣化による多孔質消音材自体の飛散による消音性能の低下や、この飛散した多孔質消音材が圧縮機、タービン、ポンプなどの装置に入り込んで、これらの装置の性能を著しく低下または故障させてしまうという問題がない。また、多孔質消音材自体の費用やこの多孔質消音材を保護するための表面保護材などの費用が発生しないという利点もあり、多孔質吸音材を使用する場合に比べ製造コストを抑えることができる。

本発明の消音構造が、消音させる騒音の最高周波数をｆ、媒質の音速をｃ、仕切り板の間隔をｂとするときに、ｂ＜ｃ／（４ｆ）の関係を満たすものである。

この構成によると、消音させる騒音の最高周波数をｆ、媒質の音速をｃ、仕切り板の間隔をｂとするとき、ｂ＜ｃ／（４ｆ）の関係を満たすので、配管路の定常流には影響を与えずに、確実に周期的な圧力変動を多孔板の孔部の往復運動に変換し、圧力損失の形で圧力変動エネルギを消散させることができ、騒音を消音することができる。

本発明の多孔板の開口率を１〜１０％としたものである。これによると、多孔板の開口率を１〜１０％としたので、１３０〜１８０ｄＢに達する領域でも高い消音効果が発揮される。

本発明において、多孔板の開口率が、流路の上流から下流に向かって小さくなったものである。この構成によると、開口率を徐々に小さくすることで、下流側の低くなった音圧下での多孔部の空気振動速度を速くし、吸音に最適な値にすることができ、消音性能をよくすることができる。

次に、発明の実施の形態を説明する。図４は本発明に係る第一実施形態を示す図である。図４の消音構造Ｄは、筒状の配管路４１と、配管路４１の内部に配管路４１の軸方向に延設され、配管路４１の配管路断面を区切るように配置された多孔板４２と、多孔板４２で区切られた配管路４１を配管路の軸方向に複数の小室４４に仕切る仕切り板４３とを備えて成る。

配管路４１は、圧縮機、タービン、ポンプ、原動機などの給気又は排気配管路の途中に形成される。この配管路４１は、円形断面を有する長尺形状を有している。この配管４１は、給気又は排気に伴って衝撃を発する気体が通過する。多孔板４２は、板状であって、配管路４１の軸方向に平行に配設されている。この配置により、多孔板４２'は、配管路４１の断面を、気体が通過する空間と、気体が通過しない空間とに区画する。多孔板４２は、多数の孔が開口しており、孔の開口率は好ましくは１〜１０％である。仕切り板４３は、多孔板４２が区画する気体が通過しない部分を軸方向に仕切る。仕切り板４３は軸方向に所定間隔ｂを有するように配設される。ここで、ｂは、消音したい騒音の最高周波数をｆ、媒質の音速をｃとして、ｂ＜ｃ／（４ｆ）で表される。

次に、本実施形態の配管路４１内における音波の挙動について説明する。音波は主流路４５を通ってきて、多孔板４２の孔部４６を通過して小室４４内に入射し、小室４４内で反射して再び孔部４６を通過する。この音波の入反射が多孔板４２の孔部４６を介して各小室４４において繰り返されるものである。

本実施形態により、配管路の定常流には影響を与えずに、周期的な圧力変動を多孔板の孔部の往復運動に変換し、圧力損失の形で圧力変動エネルギを消散させることができるので、騒音を消音することができる。特に、多孔板の開口率を１〜１０％としているので、１３０〜１８０ｄＢに達する領域では高い消音効果が発揮される。また、本実施形態では、配管路内部に消音構造を有するものであるため、余分な装置などを配管路外部に設置することはないので、設備が大型なものとならない。

さらに、本実施形態では、例えばグラスウールのような多孔質消音材を使用しないので、経年変化や劣化による多孔質消音材自体の飛散による消音性能の低下や、この飛散した多孔質消音材が圧縮機、タービン、ポンプなどの装置に入り込んで、これらの装置の性能を著しく低下または故障させてしまうという問題がない。さらに、多孔質消音材自体の費用やこの多孔質消音材を保護するための表面保護材などの費用が発生しないという利点もあり、製造コストを抑えることができる。

なお、上記実施形態における多孔板４２の設置位置は、例えば、主流路４５を広く取りたいときは配管路４１内壁に近づけて設置してもよいし、主流路４５の広さにこだわらなければ、任意の位置に設置してもよい。また、上記実施形態においては、多孔板４２を配管路４１の配管路に平行に設置しているが、例えば、主流路４５の広さにこだわらないときは、配管路４１の配管路に平行に設置する必要は必ずしもなく、任意の角度傾けて設置してもよい。これは、以下の実施形態においても同様である。

図５は本発明に係る第二実施形態を示す図である。図５の消音構造Ｅは、配管路４１の軸を中心として、上記第一実施形態の消音構造Ｄの小室４４と対称側の配管路４１内部に同様の小室４４'を複数設置したものである。即ち、本実施形態の消音構造Ｅは、上記消音構造Ｄと、配管路４１の内部に配管路４１の軸方向に延設され、配管路４１の配管路断面を区切るように配置された多孔板４２'と、多孔板４２'で区切られた配管路４１の配管路の軸方向を複数の小室４４'に仕切る仕切り板４３'とからなる。

配管路４１は、圧縮機、タービン、ポンプ、原動機などの給気又は排気配管路の途中に形成される。この配管路４１は、円形断面を有する長尺形状を有している。この配管４１は、給気又は排気に伴って衝撃を発する気体が通過する。多孔板４２'は、板状であって、配管路４１の軸方向に平行に配設されている。この配置により、多孔板４２'は、配管路４１の断面を、気体が通過する空間と、気体が通過しない空間とに区画する。多孔板４２'は、多数の孔が開口しており、孔の開口率は好ましくは１〜１０％である。仕切り板４３'は、多孔板４２'が区画する気体が通過しない部分を軸方向に仕切る。仕切り板４３'は軸方向に所定間隔ｂを有するように配設される。ここで、ｂは、消音したい騒音の最高周波数をｆ、媒質の音速をｃとして、ｂ＜ｃ／（４ｆ）で表される。

小室４４'は、多孔板４２が区画する気体が通過しない部分の配管路４１内壁と、上記多孔板４２'と、間隔ｂで隣り合う上記仕切り板４３'とで囲まれてなる。

なお、多孔板４２、仕切り板４３、小室４４は上記第一実施形態の消音構造Ｄと同様のものである。

次に、本実施形態の配管路４１内における音波の挙動について説明する。音波は主流路５５を通ってきて、多孔板４２、４２'のそれぞれの孔部４６、４６'を通過して小室４４、４４'内に入射し、小室４４、４４'内で反射して再び孔部４６、４６'を通過する。この音波の入反射が多孔板４２、４２'の孔部４６、４６'を介してそれぞれの各小室４４、４４'において繰り返されるものである。

本実施形態により、第一実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本実施形態の変形例として、多孔板４２、４２'の開口率を流路５５の上流から下流に向かって小さくする構造であってもよい。具体的には、多孔板４２、４２’の開口率が、各小室４４、４４'に臨む領域毎に異なり、下流に向かうに従い開口率が小さくなっている。例えば、流路５５の上流側に形成された小室に臨む多孔板の領域における開口率を８％とする。そして、下流側に隣接する小室に臨む多孔板の領域における開口率を５％とする。以下、同様に繰り返し、下流側に向かって小室毎に開口率が小さくなっている構造である。

多孔板４２、４２’の孔部４６、４６'における気体の振動速度は、孔部４６、４６'加わる音波の音圧と開口率とにより決定される。流路５５において、下流側の音圧よりも上流側の音圧の方が高いため、下流側の多孔板４２、４２'の開口率を小さくすることで、孔部４６、４６'を通過する気体の振動速度を大きくすることができ、消音性能を大きくすることができる。これは、第一実施形態や以下の実施形態においても同様である。尚、開口率は小室４４、４４'に臨む領域に関係なく徐々に小さくする構造であってもよい。

図６は本発明に係る第三実施形態を示す図である。図６の消音構造Ｆは、配管路４１と、配管路４１の内部に配管路４１の軸方向に延設された配管路４１断面を区切る多孔筒６２と、多孔筒６２外壁と配管路４１内壁の間の空間を配管路４１の軸方向を仕切るよう、環状に複数枚設置された仕切り板６３とを備えて成る。

配管路４１は、圧縮機、タービン、ポンプ、原動機などの給気又は排気配管路の途中に形成される。この配管路４１は、円形断面を有する長尺形状を有している。この配管４１は、給気又は排気に伴って衝撃を発する気体が通過する。多孔筒６２は、孔６６が多数開けられている筒状のものであって、配管路４１の軸方向に平行に配設されている。この配置により、多孔筒６２は、配管路４１の断面を、気体が通過する空間と、気体が通過しない空間とに区画する。多孔筒６２は、多数の孔が開口しており、孔の開口率は好ましくは１〜１０％である。仕切り板６３は、多孔筒６２が区画する気体が通過しない部分を軸方向に仕切る。仕切り板６３は軸方向に所定間隔ｂを有するように配設される。ここで、ｂは、消音したい騒音の最高周波数をｆ、媒質の音速をｃとして、ｂ＜ｃ／（４ｆ）で表される。

小室６４は、多孔筒６２が区画する気体が通過しない部分の配管路４１内壁と、上記多孔筒６２と、間隔ｂで隣り合う上記仕切り板６３とで囲まれてなる。

次に、本実施形態の消音構造Ｆの製作方法について説明する。まず、筒に孔を開けて多孔筒６２とし、この多孔筒６２外側に環状の仕切り板６３の内側を溶接する。これを隣り合う仕切り板６３の間隔がｂとなるようにしながら、必要な枚数繰り返す。そして、各仕切り板６３の外側を配管路４１の内側に溶接することで、消音構造Ｆは完成する。なお、配管路４１そのものに孔を開けこれを多孔筒とし、その外側に別の外管を配置することでも製作できる。

次に、本実施形態の配管路４１内における音波の挙動について説明する。音波は主流路６５を通ってきて、多孔筒６２のそれぞれの孔部６６を通過して小室６４内に入射し、小室６４内で反射して再び孔部６６を通過する。この音波の入反射が多孔筒６２の孔部６６を介してそれぞれの各小室６４において繰り返されるものである。

本実施形態により、第一実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上記第一、第二実施形態の消音構造において、多孔板は一枚しか設置していないが、多孔板をさらに１枚以上設置し、これにあわせて仕切り板も必要枚数設置する消音構造として、小室をさらに形成することで、上記第一、第二実施形態の消音構造と同等以上の消音効果のある構造としてもよい。また、上記第三実施形態の消音構造において、多孔筒は一つしか設置していないが、半径の異なる多孔筒をさらに一本以上設置し、これにあわせて仕切り板も必要枚数設置する消音構造として、小室をさらに形成することで、上記第三実施形態の消音構造と同等以上の消音効果のある構造としてもよい。さらに、上記第一から第三実施形態を組み合わせた消音構造としてもよい。例えば、多孔筒と多孔板を配管路内に同時に組込み、小室を複数枚の仕切り板で形成した消音構造などである。

図１０は第三実施形態の変形例を示すものである。第三実施形態と同様の部分については説明を略すことがある。図１０に示すように、第三実施形態の変形例に係る消音構造Ｆ１は配管路を段階的に狭めていく配管路４１ａとしている点で、第三実施形態の消音構造Ｆと異なる。具体的には、配管路４１ａが、主流路６５の上流側に同じ大きさの小室６４ａを複数形成し、下流側に小室６４ａよりも配管路の断面方向における長さ（高さ）が小さい小室６４ｂを複数形成するような形状を有している。小室を大きくすることで、低音域の消音率を大きくすることができるため、消音構造Ｆ１の小室を段階的に狭めることにより、消音帯域を広帯域化することができる。

また、図１２に示すように、配管路を徐々に狭めていく配管路４１'とする構造であってもよい。消音構造Ｆ２の配管路４１'を徐々に狭めることで、仕切った小室６４ごとの共振周波数が変えられるので、幅広い周波数の騒音源に対応できる。また、これら変形例の作用は、第三実施形態と同様であるため、第三実施形態と同様の効果も得られる。

なお、図示しないが、第一、第二実施形態においても同様に、配管路を段階的に狭めたり、配管路を徐々に狭めたりすることで、上記変形例と同様の効果がある。以下の各実施形態や変形例においても同様である。

図１３は第四実施形態の配管軸方向の断面図を示すものである。上記各実施形
態と同様の部分については説明を略すことがある。図１３に示すように、消音構造Ｈは、配管路４１と、配管路４１の内部に配管路４１の軸方向に延設され、断面が扇形に区切られた多孔筒６２'と、多孔筒６２'内部の軸方向を複数の小室１０４に仕切る仕切り板１０２と、多孔筒６２'を固定支持する支持部材１０１とを備えてなる。

多孔筒６２'は断面が複数の仕切り板１０２によって８つの扇形に区切られた筒状のものであって、第三実施形態と同様に配管路４１の軸方向に平行に配設されている。この配置により、多孔筒６２'は、配管路４１の断面を、気体が通過する空間と、気体が通過しない空間とに区画する。多孔筒６２'は、多数の孔が開口しており、孔の開口率は好ましくは１〜１０％である。この多孔筒６２'は、配管路４１に支持部材１０１によって固定支持されている。この支持部材１０１は、例えば、棒状のものとして多孔筒６２'を固定支持するのに必要な箇所にのみ取り付けてもいいし、板状のものとして多孔筒６２'を固定支持してもよい。

小室１０４は、多孔筒６２'内壁と、隣り合う２枚の上記仕切り板１０２と、間隔ｂで隣り合う図示しない上記仕切り板とで囲まれてなる。

次に、本実施形態の配管路４１内における音波の挙動について説明する。音波は主流路１０５を通ってきて、多孔筒６２'のそれぞれの孔部６６を通過して小室１０４内に入射し、小室１０４内で反射して再び孔部６６を通過する。この音波の入反射が多孔筒６２'の孔部６６を介してそれぞれの各小室１０４において繰り返されるものである。

本実施形態により、第一実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本実施形態においては８つの扇形に多孔筒６２'を区切っている実施形態を示したが、これに限られず、複数の扇形に区切られていれば本実施形態と同様の効果がある。また、各扇形が均一なものでなくともよい。

図１４は第四実施形態の変形例を示すものである。第四実施形態と同様の部分については説明を略すことがある。図１４に示すように、消音構造Ｈ１は大きさの異なる小室１１４、１１５を有している点で、第四実施形態の消音構造Ｇと異なる。

小室１１４は、図１４に示すように、多孔筒６２'内壁と、多孔筒６２'断面を区切るように配置された仕切り板１１３と、この仕切り板１１３と垂直に配置された仕切り板１１２と、間隔ｂで隣り合う多孔筒６２'内部の軸方向を仕切る図示しない仕切り板とで囲まれてなる。

小室１１５は、図１４に示すように、多孔筒６２'内壁と、多孔筒６２'断面を区切るように配置された仕切り板１１３と、この仕切り板１１３と垂直に配置された仕切り板１１１、１１２と、間隔ｂで隣り合う多孔筒６２'内部の軸方向を仕切る図示しない仕切り板とで囲まれてなる。

次に、本変形例の配管路４１内における音波の挙動について説明する。音波は主流路１０５を通ってきて、多孔筒６２'のそれぞれの孔部６６を通過して小室１１４、１１５内に入射し、小室１１４、１１５内で反射して再び孔部６６を通過する。この音波の入反射が多孔筒６２'の孔部６６を介してそれぞれの各小室１１４、１１５において繰り返されるものである。

本変形例により、第四実施形態と同様の効果が得られる。また、小室ごとの共振周波数が異なるので、異なる周波数の騒音源に対応できる。

なお、本変形例では小室を上記のように構成したが、さらに仕切り板を仕切り板１１１、１１２と平行に設けることにより小室を形成すれば、これらの小室の共振周波数が異なるので、さらに異なる周波数の騒音源に対応できる。

図１５は第５実施形態の配管軸方向の断面図を示すものである。上記各実施形態と同様の部分については説明を略すことがある。図１５に示すように、消音構造Ｉは、配管路４１と、配管路４１の内部に配管路４１の軸方向に延設され、断面が四角型で一面のみ孔がある多孔筒１２１と、多孔筒１２１内部の軸方向を複数の小室１２４に仕切る図示しない仕切り板とを備えてなる。

多孔筒１２１は、断面が四角型で、主流路１２５側の一面のみに孔が多数開けられた多孔板１２２を有しているものである。なお、例えば、この多孔筒１２１の角１２３が、溶接などで配管路４１に取り付けられ、多孔筒１２１は固定される。

次に、本実施形態の配管路４１内における音波の挙動について説明する。音波は主流路１２５を通ってきて、多孔筒１２１のそれぞれの孔部１２６を通過して小室１２４内に入射し、小室１２４内で反射して再び孔部１２６を通過する。この音波の入反射が多孔筒１２１の孔部１２６を介してそれぞれの各小室１２４において繰り返されるものである。

本実施形態により、第一実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本実施形態では多孔筒１２１を１つのみ配置したものであるが、この多孔筒１２１を複数配置するものとしても同様の効果が得られる。また、断面積の大きさの異なる多孔筒１２１を複数配置することで、これらの共振周波数が異なるので、異なる周波数の騒音源に対応できる。

また、上記各実施形態や各変形例では配管路を円筒としているが、配管路断面が四角などの多角形や楕円など、その他様々な形状であっても、同様に上記効果を有するものである。他に、上記各実施形態や各変形例の多孔板を配管路の軸方向に対して斜めに配置したり、階段状に配置したりしてもよい。このように配置することで、仕切った空間ごとの共振周波数が変えられるので幅広い周波数の騒音源に対応できる。さらに、上記各実施形態や各変形例は、これらの配管路の少なくとも一端にフランジなどを設けて、消音対象となるフランジなどが設けられた他の配管路に、ボルトなどによって着脱自在となるようにしておくことが好ましい。

（検証１）
本発明の消音条件ｂ＜ｃ／（４ｆ）について、検証する。例えば図４における第一実施形態において、音波は主流路４５から孔部４６を通り小室４４に進入し、小室４４内の配管路４１内壁で反射されて逆方向に孔部４６を通過する。このとき、孔部４６で圧力損失が発生する。ところが小室４４の寸法が長いと、音波は寸法の長い方向に進んでしまい、孔部４６への反射波が少なくなる。つまり、小室４４の最大寸法が音波の波長の１／２に等しくなる周波数で小室４４の共鳴現象が発生し、小室４４内だけで音波が進行と反射を繰り返して、孔部４６への反射波がなくなってしまう。従って、このような小室４６内での音波の想定外の挙動を制限するには、消音したい騒音の最高周波数をｆ、媒質の音速をｃ、仕切り板４３の間隔をｂとして、ｂ＜ｃ／（４ｆ）となるように仕切り板４３の設置間隔を調整すればよいことがわかる。第二、第三実施形態においても同様である。

（検証２）
次に、本発明における多孔板の開口率と消音効果との関係について検証する。消音時における音波エネルギ消散メカニズムは、消音構造表面に形成される境界層の粘性と、流路縮小部における交番流の動圧損失に大別できる。日常生活空間における音圧レベルでは振動振幅は微小であり、速度の２乗に比例する動圧損失は速度の１乗に比例する粘性に比べて無視できる。このため一般的な消音構造では、表面積を広くして境界層の粘性を増すことが課題であり、繊維状（グラスウールなど）や薄膜状（ウレタンなど）の形状となっている。しかし、圧縮機の吐出配管路のように圧力脈動レベルが１３０〜１８０ｄＢに達する場合は、動圧損失を無視することはできない。そこで、粘性と動圧損失を考慮した多孔板の消音理論から、本実施形態における多孔板の開口率と消音効果との関係について検証する。

図７は、消音構造Ｇの断面図である。消音構造Ｇは、筒７１と多孔板７２から構成されている。筒７１の内部には、筒７１の内部を長手方向に仕切るように多孔板７２が一枚設置されている。

多孔板の消音理論について、図７を用いて説明する。多孔板の消音理論の式は次式（１）で表され、式（１）より式（２）が導かれる。

ここで、ｐ₁は多孔板７２左面の音圧、ｐ₂は多孔板７２右面の音圧、Ｕ₁は多孔板７２左面の体積速度、Ｕ₂は多孔板７２右面の体積速度、Γは多孔部の特性、ρは空気の密度、ｃは音速、Ｓは主管の断面積、ｋは波数である。

上記式（２）のＺ₁を代入して、Ｉｍ［Ｚ₁］＝０、Ｒｅ［Ｚ₁］＝Ｒｅ［Γ］＝ρｃ／Ｓとなるときに消音率が最大となる。ただし、多孔部の特性Γは次式で表される。

ここで、ｔは多孔板の板厚、ｄは多孔板の細孔直径、ρは空気の密度、μは動粘性係数、ωは角周波数、Ａは細孔の総面積、ζ₀は圧力損失係数、Ｕ₂は多孔板７２右面の体積速度である。

理論上、Ｒｅ［Γ］＝ρｃ／Ｓのときに消音率が最大となることがわかっている。正規化するためにΓの実数部に面積Ｓを乗じて、第一項（粘性項）と第二項（動圧項）の値を比較する。ただし、諸定数の代表値は以下の値を用いる。ｔ＝１ｍｍ、μ＝１．８Ｅ−５、ｆ＝１ｋＨｚ、ρ＝１．２ｋｇ／ｍ³、ｃ＝３４０ｍ／ｓ、ζ₀＝２．６、ｄ＝２ｍｍ、｜Ｕ₂｜＝Ｓ｜ｕ₂｜、ｐ＝ρｃｕ₂、ｕ₂＝２×１０^-5×１０^(L/20)である。

各音圧レベルＬで上式を満たす開口率を、常温大気とスクリュー圧縮機吐出配管路の２条件で試算して表１に整理した。ただし、開口率が数％の領域を狙うため、圧力損失係数ζ₀＝２．６として一定の値を用いている。

表１より、２条件とも、音圧レベルが１１０ｄＢで粘性項と動圧項は拮抗し、１２０ｄＢでは動圧項の比率が７４％となる。このため、２条件とも、音圧レベルが１２０ｄＢ以上では動圧項が支配的と考えてよい。このときの開口率は１．５％である。大気中で観測される最大音圧は、ジェットエンジン出口で１５０ｄＢ程度であり、開口率は７．３％程度となる。よって、余裕を持たすために開口率が１〜１０％の多孔板を用いることが望ましい。圧縮機の吐出配管路では脈動圧レベルは１３０〜１８０ｄＢで、この場合も開口率は１〜１０％の多孔板を用いることが望ましいことがわかる。

（実験１）
第一実施形態と同一の消音構造を有するスクリュー圧縮機の吐出配管路を用いて、消音効果の実験を行った。この吐出配管路において、１．多孔板と仕切り板の両方を使用、２．仕切り板を使用せず、多孔板だけを使用、３．多孔板と仕切り板どちらも使用しない、の３条件で当該消音構造の前後の圧力脈動を測定し、その圧力脈動差を消音量として表２に示した。

表２より、条件１の消音量が圧倒的に大きく、特に、耳障りな高周波となる１、２ｋＨｚのオクターブバンドで２５ｄＢの消音量が得られていることがわかる。また、条件２でも有意な消音量が得られたが、仕切り板がないため多孔板背後の全空間に圧力変動が拡散してしまい、多孔板裏表の圧力差が理論通りに形成されず、圧力脈動が十分には減衰されなかったと考えられる。条件３は単なる配管路であり、当然、消音能力はなかった。

また、図８は、上記条件１と条件３のときの吐出配管路出口部の圧力変動の周波数分析結果を示した図である。

この図８より、何も施していない条件３の吐出配管路の場合に比べて、本発明を使用した条件１の吐出配管路は、広帯域において明らかに消音効果があることがわかる。

よって、上記実験結果より、本発明に係る第一実施形態の消音構造は、広帯域において十分な消音効果を有することが確認できた。

（実験２）
第二実施形態と同一の消音構造を有するスクリュー圧縮機の吐出配管路を用いて、消音効果の実験を行った。この吐出配管路において、スクリュー圧縮機の回転数を３０００回転と４０００回転の二通り設定して、当該消音構造の前後の圧力脈動を測定し、その圧力脈動差を消音量として表２に示した。

表３により、スクリュー圧縮機の回転数が３０００回転と４０００回転どちらの場合も、広帯域において平均的に高い消音効果が発揮されていることがわかる。よって、本発明に係る第二実施形態の消音構造は、広帯域において十分な消音効果を有することが確認できた。

（実験３）
第ニ実施形態を有するスクリュー圧縮機の吐出配管路を用いて、多孔板の開口率が一定の場合と、第ニ実施形態の変形例である、開口率が流路の上流から下流に向かって徐々に小さくさせた場合とについて消音効果の実験を行った。尚、図５において、互いに対向する小室４４、４４’の大きさは同じである。開口率を一定にした消音構造は、軸方向における配管路の長さが１．２ｍ、断面方向における小室の長さ（高さ）が１０ｍｍ、開口率が５％のパラメータで実験を行った。尚、配管路の長さ１．２ｍ内に４つの小室を含んでいる。また、開口率が変化する消音構造は、配管路の長さ、小室の高さ及び数は同じである。そして、小室に臨む多孔板の領域における開口率は、流路の上流にある小室から順に、８％、８％、５％、３％となるパラメータで実験を行った。

図９は、消音構造の開口率が一定の場合と徐々に小さくさせた場合とにおける音波の周波数に対する消音量を表したグラフである。ここで、消音量は、流路の上流側の音量（単位は「ｄＢ」）から、下流側の音量を減算した数値であり、値が大きいほど消音効果が大きくなることを意味する。図９より、開口率を徐々に小さくした消音構造の方が、開口率が一定の場合との対比において、消音量が大きい、即ち、消音効果が大きいことが確認できた。

（実験４）
第三実施形態と同一の消音構造Ｆと図１０に示す変形例の消音構造Ｆ１とにおいて、それぞれの騒音の消音量を比較した実験を行った。多孔筒６２の開口率は５％、消音構造Ｆの小室６４の高さは１０ｍｍ、軸方向における配管路の長さは１．２ｍとし、消音構造Ｆ１の小室６４ａの高さは１０ｍｍ、小室６４ｂの高さは５ｍｍ、配管路の長さは１．２ｍのパラメータで実験を行った。配管路の長さ１．２ｍ内において、どちらも４つの小室を含んでおり、消音構造Ｆ１に関しては、小室６４ａ・６４ｂをそれぞれ２つずつ含んでいる。図１１は、音波の周波数に対する消音量を表したグラフである。図より、音波の周波数が２５００Ｈｚを越え場合、小室を段階的に変化させた消音構造Ｆ１の方が、消音量が大きく、消音できる周波数帯域が広いことが確認できた。

従来技術である消音ダクトを示す図。 従来技術である共鳴形消音器を示す図。 従来技術である多孔質防音構造体を示す図。 本発明に係る第一実施形態を示す図。 本発明に係る第二実施形態を示す図。 本発明に係る第三実施形態を示す図。 多孔板の消音理論を検証するための図。 実験１における条件１と条件３のときの吐出配管路出口部の圧力変動の周波数分析結果を示した図。 実験３における実験結果を示した図。 本発明に係る第三実施形態の変形例を示す図。 実験４における実験結果を示した図。 本発明に係る第三実施形態の変形例を示す切り欠き側面図。 本発明に係る第四実施形態を示す断面図。 本発明に係る第四実施形態の変形例を示す断面図。 本発明に係る第五実施形態を示す断面図。

符号の説明

４１、４１' 配管路
４２、４２'、７２、１２２ 多孔板
４３、４３'、６３、１０２、１１１、１１２、１１３ 仕切り板
４４、４４'、６４、１０４、１１４、１１５、１２４ 小室
４６、４６'、６６、１２６ 孔部
６２、６２'、１２１ 多孔筒
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｆ１、Ｈ、Ｈ１、Ｉ 消音構造

Claims (3)

1. 配管路と、
   前記配管路の軸方向に延設された第一仕切り部材と、
   前記第一仕切り部材で区切られた前記配管路の軸方向を複数の小室に仕切る第二仕切り部材と、を備え、
   前記第一仕切り部材の流路側に面した部分の全部または一部に多孔が形成されており、
   消音させる騒音の最高周波数をｆ、媒質の音速をｃ、前記第二仕切り部材の間隔をｂとするとき、ｂ＜ｃ／（４ｆ）の関係を満たすことを特徴とする消音構造。
2. 多孔板である前記第一仕切り部材の開口率を１〜１０％としたことを特徴とする請求項１に記載の消音構造。
3. 多孔板である前記第一仕切り部材の開口率が、前記流路の上流から下流に向かって小さくなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の消音構造。

Images