JP4408237B2 - 消音器 - Google Patents

Description

本発明は、流体の流れ重畳する音波を消音する消音器に関するものである。

これまでに、空気に含まれる騒音を吸音するために、様々な構造が提案されている。例えば、特許文献１には、共鳴（ヘルムホルツの原理）を利用した吸音構造が記載されている。特許文献１に記載の吸音構造体は、空気が流通する配管に設けられた小孔と、小孔よりも大きい中空とを有している。そして、流通する空気が小孔から中空に入ると、中空内の空気がバネの作用をし、それにより小孔部分で空気の出入りが激しく行われる。その結果、小孔を空気が通過するときの小孔部分の壁面での粘性減衰と、小孔に空気が出入りするときの圧力損失とによって、音響エネルギーが熱エネルギーに変換されて、吸音を実現している。

特開２００１−１９９２８７（図４）

しかしながら、特許文献１の構造は、共鳴を起こさせるための中空、即ち、配管内に空気層を設ける必要があり、構造自体が大きくなってしまうという問題点がある。

そこで、本発明の目的は、省スペースで、十分に吸音することができる消音器を提案することである。

課題を解決するための手段及び効果

本発明は、音波を含む流体の流路を形成する配管と、配管の軸方向に延設し、副流路を形成するように流路を仕切る仕切部材と、仕切部材に設けられ、流体が通過する貫通孔と、貫通孔の表裏において音波の音圧差が生じるように、伝搬する音波の一部を反射し、音圧分布を配管の断面方向において不均一とする、副流路に設けられた反射部材を有している。

この構成によると、伝搬する音波の一部を反射することで、音圧分布が配管の断面方向において不均一となる、つまり、貫通孔の表裏で音圧差が生じるようになり、それに伴って流体が貫通孔を移動するようになる。そして、流体が貫通孔を通過することによって騒音を吸音することができる。また、反射部材を設けることで生じる音圧差を利用して流体を貫通孔に通過させるため、共鳴の原理（ヘルムホルツ）を利用した消音の構造、即ち、配管内に背後空気層を設ける構造との対比において、配管のスペースを小さくすることができる。

本発明の反射部材が、仕切部材および／または配管に配設されていることが好ましい。これによると、反射部材を施工性等により設置位置を適宜変更することができる。

別の観点において、本発明は、音波を含む流体の流路を形成する配管と、配管の軸方向に延設し、副流路を形成するように流路を仕切る仕切部材と、仕切部材に設けられ、流体が通過する貫通孔と、配管および／または仕切部材に設けられ、副流路を伝搬する音波の一部を反射する反射部材とを有している。

本発明は、２以上の副流路のそれぞれに２以上の反射部材が設けられており、同一の副流路に配設されている反射部材の軸方向における間隔が、副流路毎に異なることが好ましい。これによると、副流路毎の反射部材の間隔を異ならせることで、貫通孔の表裏における音圧差がさらに生じやすくなり、吸音性能を向上させることができる。

本発明は、同一の副流路に配設されている反射部材の前記軸方向における間隔が、不均一であってもよい。この構成によると、反射部材の間隔により決まる吸音周波数帯域を様々な周波数にすることで、吸音帯域を広帯域化できる。

以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。本実施形態に係る消音器１は、例えば自動車や鉄道車両、建設車両、船舶、自動搬送装置のように内部にエンジン等の駆動機構を備えた移動装置、モータやギヤ等の駆動機構を内部に備えた設備機械等から騒音を含む、つまり、騒音が重畳した気流（気体）を排出する際に用いる排気筒、または、圧縮機等、圧縮気体の流れに重畳して騒音が伝搬する配管等に好適に使用される。尚、本実施の形態では、消音器１に流通する流体を気体として説明するが、水や油などの液体であってもよい。

消音器１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、騒音等の音波が重畳した気流が流通する流路２を形成する、四角断面を有する長尺形状の配管１ａと、板状の多孔板３（仕切部材）と、板状の反射板４（反射部材）とを有している。これらの配管１ａ、多孔板３および反射板４は、鉄やアルミニウム等の金属や合成樹脂により形成されている。尚、配管１ａ、多孔板３および反射板４は、リサイクル時の分別処理を不要にするように、同一の材質で形成されていることが望ましい。

多孔板３は、配管１ａの軸方向に延在し、流路２を２つの副流路２ａ・２ｂに分割している。また、多孔板３は、気体が通過する貫通孔３ａを有しており、貫通孔３ａを介して、気体は、副流路２ａ・２ｂ間を移動することができるようになっている。尚、多孔板３の板厚、貫通孔３ａの開口率および穴径等のパラメータは、貫通孔３ａを通過する気体に対して粘性作用および圧力損失による減衰効果を生じさせるように設定されていることが好ましい。

さらに、気体が常温、常圧の空気の場合、貫通孔３ａの穴径は、特に範囲が限定されるものではないが、１ｍｍ以下であることが望ましい。そして、このように貫通孔３ａの穴径を１ｍｍ以下に設定した場合には、貫通孔３ａを流動する気体に粘性作用および圧力損失を確実に発生させることができる。

尚、貫通孔３ａの直径の下限値は、０．２ｍｍであることが好ましい。この理由は、貫通孔３ａの直径が０に近づくと、その吸音率のピークが理論上１．０になるが、現実的には１．０に至ることはなく、直径が０．２ｍｍ以下のように極めて小さくなると、貫通孔３ａの空気の粘性が大きくなりすぎるため、貫通孔３ａの空気の流れに対する抵抗が大きくなり、吸音率が却って低下すると考えられるからである。また、直径が０．２ｍｍ以下のように極めて小さくなると、製造が大幅に困難となり、使用環境によってはゴミや埃等により貫通孔３ａが閉塞し易くなるからである。尚、貫通孔３ａの径は、上述の数値に限定されることはなく、気体の状態、特性、消音したい音波の周波数等で好適な数値を決定すればよい。

また、貫通孔３ａは、楕円形状や矩形状、多角形状、スリット状であっても良いし、同一のサイズおよび形状に設定されていても良いし、各種のサイズや形状が混在していても良い。各種のサイズや形状が混在している場合には、十分な吸音性能を発揮する周波数帯域幅を拡大することができる。

反射板４は、副流路２ａ・２ｂを伝搬する音波の一部を反射させ音圧分布が配管１ａの断面方向において不均一となるように、つまり、伝搬する音波を遮るように配管１ａの内壁に垂直に配設されている。また、反射板４は、副流路２ａ・２ｂにそれぞれ軸方向に等間隔で、多孔板３と対向する壁面に複数配置されている。副流路２ａ側に配置されている反射板４は、間隔Ｌａで配置されており、副流路２ｂ側に配置されている反射板４は、間隔Ｌｂで配置されている。ここで、反射板４の配置間隔Ｌ（Ｌａ・Ｌｂ）は、ほぼＬ＝ｃ／２ｆとなるように設定されている。尚、ｃは音速、ｆは各副流路内を流通する気体に含まれる音波の周波数である。つまり、反射板４の間隔は、音波のほぼ半波長となっている。

反射板４を設けることにより、副流路２ａ・２ｂを伝播する音波は一部が反射されるため、気体に含まれる音波の音圧分布が、各副流路において図１（ａ）に示す曲線のようになる。副流路２ａ・２ｂで、音圧分布がそれぞれ異なることにより、貫通孔３ａの表裏で音圧差が生じるようになる。ここで、貫通孔３ａの表とは、副流路２ａ側、貫通孔３ａの裏とは、副流路２ｂ側を言う。

貫通孔３ａの表裏で音圧差が生じることにより、図１（ｃ）中の矢印に示すように、空気は、音圧の高い方から低い方へと移動するようになる。従って、副流路２ａを流通する気体は、音圧差により、貫通孔３ａを通って、副流路２ｂに移動するようになる。このため、貫通孔３ａに気体を通過させることができ、貫通孔３ａと気体との粘性作用および圧力損失により、吸音することができるようになっている。

また、上述したように、反射板４の間隔を音波のほぼ半波長とすることで、反射板４間に振幅モードが発生するため、貫通孔３ａの表裏で音圧差が生じやすくなり吸音力が大きくなるようになっている。尚、反射板４の間隔を、完全に音波の半波長とする必要はなく、音波を反射することで貫通孔３ａの表裏で音圧差が生じる間隔であればよい。例えば、配置間隔Ｌが、音波の周波数ｆを中心とした１／３オクターブの範囲、つまり、音波の周波数がｆ×^−６√２からｆ×^６√２の範囲として求められた値であれば、貫通孔３ａの表裏で音圧差が生じやすくなる。

以上説明したように、本実施形態の消音器１は、音波を含む気体の流路を形成する配管１ａと、配管１ａの軸方向に延設し、副流路２ａ・２ｂを形成するように流路２を仕切る多孔板３と、多孔板３に設けられ、気体が通過する貫通孔３ａと、副流路に設けられ、伝搬する音波の一部を反射させ、音圧分布が配管１ａの断面方向において不均一にする反射板とを有した構造となっている。

これにより、貫通孔の表裏で音圧差が生じるため、それに伴って気体が貫通孔を移動するようになり、気体が貫通孔を通過することによって騒音を吸音することができる。また、反射板４を設けることで生じる音圧差を利用して気体を貫通孔３ａに通過させるため、共鳴を利用した消音の構造、即ち、配管内に背後空気層を設ける構造との対比において、配管１ａのスペースを小さくすることができる。

また、本実施形態の反射板４が、多孔板３および／または配管１ａに配設されていることにより、反射板４を施工性等により設置位置を適宜変更することが可能となる。さらに、本実施形態において、副流路２ａ・２ｂそれぞれに２以上の反射板４が設けられており、同一の副流路に配設されている反射板４の軸方向における間隔が、副流路毎に異なることにより、貫通孔３ａの表裏における音圧差がさらに生じやすくなり、吸音性能を向上させることができる。

さらに、本実施形態において、同一の副流路に配設されている反射板４の軸方向における間隔Lが、音速をｃ、副流路を流通する気体に含まれる音波の周波数をｆとするとき、ほぼL＝ｃ／２fを満たすように設定されている。これにより、反射板４の間隔を音波のほぼ半波長とすることで、反射板４間で振幅モードが発生し、貫通孔３ａの前後における音圧差がさらに生じやすくなり、吸音性能を向上させることができる。

尚、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。

即ち、反射板４は、配管１ａの内壁にのみ配設されているが、これに限定されることはない。例えば、図３に示すように、多孔板３の表裏面に反射板４を設けるようにしても良いし、図４に示すように、配管１ａと多孔板３との両方に配設するようにしてもよい。また、流路２は、多孔板３により２つの副流路２ａ・２ｂに分割されているが、３つの流路に分割するようにしてもよいし、完全に流路２を分割せず１つの副流路を形成するようにしてもよい。さらに、配管１ａが円筒の形状を有していても良いし、円筒状の多孔板を用いて流路２を分割するようにしても良い。

また、反射板４は、音波を反射できる形状であれば、板状でなくてもよい。さらに、反射板４は、ほぼＬ＝ｃ／２ｆを満足する間隔で配置するようにしているが、これに限定されることはないし、反射板４が１つのみ設けられる構造であっても良い。尚、本実施の形態では、消音したい音波が単一の周波数を有する場合について説明しているが、音波が複数の周波数を有する場合は、複数の周波数それぞれについて求めた間隔Ｌで、反射板４を副流路に設置すればよい。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る消音器５は、副流路２ａ・２ｂに配設されている反射板４の間隔が不均一、つまり、一定でないという点において第１の実施形態と相違する。図５に示すように、副流路２ａに臨む配管５ａの内壁に配設されている反射板４は、図中左側（Ａ点）から図中右側（Ｂ点）に向かって、徐々に間隔が大きくなるように配置されている。また、副流路２ｂに臨む配管５ａの内壁に配設されている反射板４は、Ａ点からＢ点に向かって、徐々に間隔が狭くなるように配置されている。反射板４の配置間隔を一定にしないことで、各副流路において、不定期な音圧分布が発生するため、十分な吸音性能を発揮する周波数帯域幅を拡大することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係る消音器５は、第１の実施の形態の効果に加え、広帯域の音波を吸音することができるという効果を奏している。

第１の実施の形態に係る消音器１についての効果を確認するため、下記の試験を行った。即ち、図１に示す消音器１に図中左側（Ａ点）から図中右側（Ｂ点）に流通させる気体に様々な周波数の騒音を載せて、Ａ点における騒音量（単位はｄＢ）と、Ｂ点における騒音量との差を計測した。図２は、上記の試験結果から、横軸に騒音の周波数（単位はＨｚ）、縦軸にＡ点の騒音量とＢ点の騒音量との低減量とし、グラフ化したものである。また、本実施例で用いた消音器１は、反射板４が周波数１３００Ｈｚの騒音を吸音する間隔で配置されており、配管１ａの軸方向の長さが１ｍ、多孔板３の板厚が１ｍｍ、貫通孔３ａの穴径が１ｍｍ、開口率が２０％に設定されている。

図２の縦軸において、上方（低減量が大きくなる方向）に行くにつれて、吸音効果がよくなるようになっている。従って、消音器１に反射板４を１つも設けていない場合は、騒音低減量は０ｄＢとなり吸音されていない状態となっている。図から読み取れるように、消音器１を流通する気体の騒音の周波数が約１３００Ｈｚ近傍で、約２０ｄＢの騒音を低減することができるようになっている。

次に、第２の実施の形態に係る消音器５についての効果を確認するため、実施例１と同様の試験を行った。消音器５は、副流路２ａに配置された反射板４の間隔は、９０、１１０ｍｍ、副流路２ｂに配置された反射板４の間隔は、５０、７０ｍｍ、他は実施例１と同様に設定されている。図６には、本実施例で用いた消音器５の試験結果の曲線６１と、実施例１で用いた消音器１の試験結果の曲線６２とが示されている。曲線６２は、周波数１３００Ｈｚ近傍から徐々に騒音低減量が低下して行き、周波数１５００Ｈｚ近傍では吸音効果がなくなっているのに対し、曲線６１は、広帯域で吸音効果を有していることが図より読み取ることができる。

本発明は、上述した装置以外にも、油圧を用いた建設機械やプレス機械、又はポンプ等の液体が流通する配管部分等にも適用することができる。

（ａ）本発明の第１の実施形態にかかる消音器の側面透視図である。（ｂ）本発明の第１の実施形態にかかる消音器の正面図である。（ｃ）図１（ａ）中の貫通孔の拡大図である。 図１（ａ）に記載の消音器を用いて行った試験結果を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態の変形例を示す図である。 本発明の第１の実施形態の別の変形例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る消音器の側面透視図である。 図５に記載の消音器を用いて行った試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 消音器
２ 流路
２ａ・２ｂ 副流路
３ 多孔板
３ａ 貫通孔
４ 反射板

Claims (5)

1. 音波を含む流体の流路を形成する配管と、
   前記配管の軸方向に延設し、副流路を形成するように前記流路を仕切る仕切部材と、
   前記仕切部材に設けられ、前記流体が通過する貫通孔と、
   前記貫通孔の表裏において前記音波の音圧差が生じるように、伝搬する音波の一部を反射し、音圧分布を前記配管の断面方向において不均一とする、前記仕切部材および／または前記配管に配設されることで前記副流路に設けられた反射部材と
   を有していることを特徴とする消音器。
2. ２以上の前記副流路のそれぞれに２以上の前記反射部材が設けられており、同一の前記副流路に配設されている前記反射部材の前記軸方向における間隔が、前記副流路毎に異なることを特徴とする請求項１に記載の消音器。
3. ２以上の前記副流路のそれぞれに２以上の前記反射部材が設けられており、
   前記副流路は、
   前記反射部材の間隔が前記軸方向に沿って徐々に大きくなる第1副流路と、
   前記第1副流路に隣接し、前記反射部材の間隔が前記軸方向に沿って徐々に狭くなる第2副流路と、を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の消音器。
4. 前記貫通孔の穴径が０．２ｍｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３の何れか1項に記載の消音器。
5. 前記反射部材の前記軸方向における間隔は、前記配管を通る音波の周波数をｆとしたときｆ× ^−６ √２からｆ× ^６ √２の範囲の周波数を有する音波の半波長であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の消音器。

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