JP4486534B2 - アクティブ消音装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（エンジン）により発生する騒音を低減するアクティブ消音装置に関する。詳しくは、エンジン発電機から発生する低周波騒音を、発電電圧から騒音信号を生成してアクティブ消音装置により低減するための技術に関する。

従来から、内燃機関から発生する騒音を低減するために、排気ダクトにパッシブ型消音装置やアクティブ型消音装置を配置する技術は公知となっている（例えば、特許文献１参照）。パッシブ消音装置は、主に高周波を消音するために用いられる。これは、高周波は波長が短いためパッシブ消音装置も短く構成することができコンパクトに構成できるからである。一方、低周波をパッシブ消音装置で消音しようとすると、低周波の波長は長いため、パッシブ消音装置も大きくなり、重量も大きくなって、パッシブ消音装置が占めるスペースも大きくなって、エンジン発電機を収納する部屋に収納できなくなることがある。そこで、低周波はアクティブ消音装置により消音するようにしていた。

特許文献１に示される従来技術におけるアクティブ消音装置は、エンジン発電機のエンジンの排気ダクトの中途部に音波干渉部を設け、該音波干渉部の騒音源側にパッシブ消音装置を連通し、該パッシブ消音装置の騒音源側に騒音を検知するための手段としてセンサマイクを配置し、また、音波干渉部の下流側（排出側）に消音後の騒音信号を検知する手段としてエラーマイクを配置し、音波干渉部には分岐管を連通して該分岐管にスピーカを配置していた。

そして、該スピーカとセンサマイクとエラーマイクとを、制御手段となるコントローラに接続し、コントローラはセンサマイクで検知した被消去騒音に対して逆位相で振幅が等しい干渉音を生成してスピーカから放射することで、音波干渉部でこの二つの音波が干渉し合って打ち消し合い消音するようにしていた。そして更に、この消音の結果をエラーマイクで検知して、消音されていない音波をフィードバックし、コントローラで補正して、その補正した干渉音をスピーカから発するようにすることで、消音効果を更に高めるようにしていた。
特開２００１−２２１０２６号公報

ところで、エンジン発電機は供給電力が少ない場合（需要が小さい場合）は一つのエンジン発電機を駆動するだけで電力を賄うことができるが、病院や複合ビル等の大型の施設で発電を行う場合には、複数のエンジン発電機を並列に設置して、電力需要（負荷）に合わせて稼働台数も増減できるように制御して、エネルギーを有効に利用し、大電力供給も可能に構成している。

そして、複数のエンジン発電機のうち、特定のエンジン発電機が常時稼働するように制御すると、その特定のエンジン発電機が最も寿命が短く、その他の負荷が大きいときのみ使用するエンジン発電機は寿命が長くなり、エンジンや発電機自体の耐久性にバラツキが生じるとともに、部品交換やメンテナンス等の時期もバラバラになってしまうのである。そこで、複数のエンジン発電機の稼働時間がそれぞれ略同じ時間となるように、各エンジン発電機の始動と停止を電力需要に合わせて選択されて、長く使用したエンジン発電機は負荷が小さい時に早く停止させ、トータル使用時間の短いエンジン発電機は長く作動するように制御されている。

従って、このような制御を行うと、複数のエンジン発電機は作動しているものと停止しているものが混在し、需要電力が増減したときに、それらエンジン発電機のうち、どのエンジン発電機が作動を開始し、どの発電機が次に停止させるかは特定することが難しい状態で運転されている。よって、エンジンの排気部にアクティブ消音装置を配設して消音を図る場合、それぞれのエンジンの排気ダクトにセンサマイクを取り付ける必要があった。また、それぞれのセンサマイクを接続する配線も必要なることから、コストアップとなり、複雑な回路と制御が必要となっていた。そこで本発明は、アクティブ消音装置におけるセンサマイクを廃止して、低周波騒音が発電機の発電周波数に比例したものであることを利用して、発電電圧信号から消音信号を生成して、低周波騒音を消音しようとするものである。

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を説明する。

請求項１においては、複数台のエンジン発電機（１・・）を並列運転可能に配設し、該複数台のエンジン発電機（１・・）のエンジン（１１・・）の排気部に連結した、複数の排気マニホールドダクト（５ａ・・）を、１つの消音用排気ダクト（７）の基部に連通して集中させ、該消音用排気ダクト（７）に音波干渉部（７ａ）を設け、該音波干渉部（７ａ）よりも下流側に、消音後の騒音信号を検出するエラーマイク（１７）を設け、該音波干渉部（７ａ）の基端側に該音波干渉部（７ａ）に連通する分岐ダクト（８）を連通し、該分岐ダクト（８）に騒音と逆位相の消音信号を出力するスピーカ（９）を配設し、該スピーカ（９）を制御するコントローラ（１６）を備えるアクティブ消音装置において、前記複数台のエンジン発電機（１・・）を、変圧器（２６）と周波数変換器（２５）を介してコントローラ（１６）と接続し、該エンジン発電機（１・・）の発電電圧の発電周波数を、騒音信号に変換して、逆位相の消音信号を発生して消音するものである。

請求項２においては、請求項１記載のアクティブ消音装置において、前記消音用排気ダクト（７）は鉛直方向に配置し、前記分岐ダクト（８）は消音用排気ダクト（７）の下端に連通して配置されるものである。

請求項３においては、複数台のエンジン発電機（１・・）を並列運転可能に配設し、該複数台のエンジン発電機（１・・）のエンジン（１１・・）の排気部に連結した、複数の排気マニホールドダクト（５ａ・・）を、１つの消音用排気ダクト（７）の基部に連通して集中させ、該消音用排気ダクト（７）に音波干渉部（７ａ）を設け、該音波干渉部（７ａ）よりも下流側に、消音後の騒音信号を検出するエラーマイク（１７）を設け、該音波干渉部（７ａ）の基端側に該音波干渉部（７ａ）に連通する分岐ダクト（８）を連通し、該分岐ダクト（８）に騒音と逆位相の消音信号を出力するスピーカ（９）を配設し、該スピーカ（９）を制御するコントローラ（１６）を備えるアクティブ消音装置において、前記複数台のエンジン発電機（１・・）または消音用排気ダクト（７）の近傍に振動センサ（２７）を配置し、該振動センサ（２７）を前記コントローラ（１６）と接続し、該振動センサ（２７）からの信号を騒音信号として、逆位相の消音信号を発生して消音するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、複数台のエンジン発電機（１・・）を並列運転可能に配設し、該複数台のエンジン発電機（１・・）のエンジン（１１・・）の排気部に連結した、複数の排気マニホールドダクト（５ａ・・）を、１つの消音用排気ダクト（７）の基部に連通して集中させ、該消音用排気ダクト（７）に音波干渉部（７ａ）を設け、該音波干渉部（７ａ）よりも下流側に、消音後の騒音信号を検出するエラーマイク（１７）を設け、該音波干渉部（７ａ）の基端側に該音波干渉部（７ａ）に連通する分岐ダクト（８）を連通し、該分岐ダクト（８）に騒音と逆位相の消音信号を出力するスピーカ（９）を配設し、該スピーカ（９）を制御するコントローラ（１６）を備えるアクティブ消音装置において、前記複数台のエンジン発電機（１・・）を、変圧器（２６）と周波数変換器（２５）を介してコントローラ（１６）と接続し、該エンジン発電機（１・・）の発電電圧の発電周波数を、騒音信号に変換して、逆位相の消音信号を発生して消音するので、騒音検知手段となるセンサマイクを省くことができ、コスト低減化を図ることができる。そして、エンジン発電機の発電電圧から騒音信号が生成できるため、その他発生する音波と確実に区別でき、消音しようとする目的の周波数を確実に検出して消音して騒音を低減できる。また、特に消音する低周波騒音を、パッシブ型の消音装置により低減するよりも、小型で安価に構成することが可能となったのである。

また、複数のエンジン発電機において、二台目、三台目と別々に起動されても、発電電圧から騒音信号を生成するので、各エンジンに騒音検出手段となるセンサマイクを必要とせず、コスト低減化が図れる。

請求項２においては、請求項１記載のアクティブ消音装置において、前記消音用排気ダクト（７）は鉛直方向に配置し、前記分岐ダクト（８）は消音用排気ダクト（７）の下端に連通して配置されるので、消音用排気ダクトと分岐ダクトの連通部分の上部に音波干渉部を配置することができ、エンジンと音波干渉部の間を連通するダクトをできるだけ低い位置に配置することができて、ダクト配管が容易にできるようになる。高温の排ガスが下方の分岐ダクトを介して消音信号を発する手段側へ流れ難くなる。

請求項３においては、複数台のエンジン発電機（１・・）を並列運転可能に配設し、該複数台のエンジン発電機（１・・）のエンジン（１１・・）の排気部に連結した、複数の排気マニホールドダクト（５ａ・・）を、１つの消音用排気ダクト（７）の基部に連通して集中させ、該消音用排気ダクト（７）に音波干渉部（７ａ）を設け、該音波干渉部（７ａ）よりも下流側に、消音後の騒音信号を検出するエラーマイク（１７）を設け、該音波干渉部（７ａ）の基端側に該音波干渉部（７ａ）に連通する分岐ダクト（８）を連通し、該分岐ダクト（８）に騒音と逆位相の消音信号を出力するスピーカ（９）を配設し、該スピーカ（９）を制御するコントローラ（１６）を備えるアクティブ消音装置において、前記複数台のエンジン発電機（１・・）を、変圧器（２６）と周波数変換器（２５）を介してコントローラ（１６）と接続し、該エンジン発電機（１・・）の発電電圧の発電周波数を、騒音信号に変換して、逆位相の消音信号を発生して消音するので、騒音検知手段となるセンサマイクを省くことができ、コスト低減化を図ることができる。そして、エンジン自体の振動を検知して騒音信号が生成できるため、その他発生する音波と確実に区別でき、消音しようとする目的の周波数を確実に検出して消音して騒音を低減できる。また、小型で安価に構成することが可能となったのである。

次に、発明の実施の形態を説明する。

図１はエンジン発電機とパッシブ型消音器部分の平面図、図２はパッシブ型消音器と排気ダクト部分の正面図である。

図３は排気ダクトと分岐ダクト部分の側面図、図４は本発明のアクティブ消音装置の制御ブロック図、図５はアクティブ消音装置の他の実施例を示す制御ブロック図である。

まず、エンジン発電機の概略構成について説明する。なお、本実施例ではエンジン発電機１・２・３・４を４台並列配置して、負荷に応じて各エンジン発電機１・２・３・４を作動・停止させる実施例について説明するが、この並列運転するエンジン発電機の台数は限定するものではなく、１台若しくは２台以上であってもよい。

図１、図２に示すように、エンジン発電機１・２・３・４は各エンジン１１・１２・１３・１４の出力軸に発電機２１・２２・２３・２４の回転子の軸が連結されて、エンジンの駆動力により発電機を作動させて発電する構成としている。各エンジン発電機１・２・３・４は後述するように、商用電源の周波数に合致するように同期運転して発電される。エンジン１１・１２・１３・１４の各排気管（排気マニホールド）にダクト５ａ・５ｂ・５ｃ・５ｄが連通され、該ダクト５ａ・５ｂ・５ｃ・５ｄの他端に、パッシブ型の消音器３１・３２・３３・３４が連通され、高周波領域の騒音を消音している。該パッシブ型の消音器３１・３２・３３・３４の下流側に、更にダクト６ａ・６ｂ・６ｃ・６ｄが連通され、該ダクト６ａ・６ｂ・６ｃ・６ｄに、煙道となる消音用排気ダクト７と連通される。該ダクト６ａ・６ｂ・６ｃ・６ｄと消音用排気ダクト７との連通部は、消音用排気ダクト７の基端側途中部に設けられた音波干渉部７ａに連通される。

前記消音用排気ダクト７は鉛直方向に配設され、該消音用排気ダクト７の下流側端、つまり、上端は開放され、基端側、つまり、下端には、図３に示すように、分岐ダクト８が連通される。音波干渉部７ａは消音用排気ダクト７の上下中途部に配置され、放射状にダクト６ａ・６ｂ・６ｃ・６ｄが連通されて、上下高さが高くならないようにしている。前記消音用排気ダクト７及び分岐ダクト８は角管で構成されているので、周囲４面にダクト６ａ・６ｂ・６ｃ・６ｄを連通することができる。前記分岐ダクト８は、本実施例では消音用排気ダクト７に対して直角方向に連通され、側面視Ｌ字状に構成され、消音用排気ダクト７下端から水平方向に延設される。こうして、ダクト６ａ・６ｂ・６ｃ・６ｄから消音用排気ダクト７に入った排ガス等は高温であるため上昇し、下方へ流れ難い構成としている。

該分岐ダクト８の反排気ダクト側端部周囲には騒音と逆位相の干渉音を発するスピーカ９・９・９・９が配置され、該分岐ダクト８の端部には、冷却ファン１０が配置されている。言い換えると、分岐ダクト８の一端は消音用排気ダクト７の基端側に連通され、該分岐ダクト８の他端には冷却ファン１０が配置され、該冷却ファン１０の下流側の分岐ダクト８にスピーカ９が配置されている。該スピーカ９の数は限定するものではなく、騒音の大きさに合わせて数は決定される。本実施例では４つのスピーカ９・９・９・９を配置して、角管の周囲の各面に放射状に配設されている。こうして、冷却ファン１０を作動させることにより、ダクト６から逆流して熱風がスピーカ９側へ至ることがなく、スピーカ９を破損しないようにしている。

次に、図４の制御ブロック図を用いて、本発明のアクティブ消音装置を説明する。前記スピーカ９はアンプ（増幅器）１５を介して制御手段となるコントローラ１６と制御盤１８とに接続され、アンプ１５はコントローラ１６からの消音信号を増幅し、その電力は制御盤１８から供給されている。該制御盤１８は商用電源と接続されて、電力を前記コントローラ１６や冷却ファン１０や警報装置２９やアンプ等に供給可能とする。更に該制御盤１８には、エンジン１１・１２・１３・１４の始動や設定回転、設定位相で運転を維持するように回転させる制御ユニット４１・４２・４３・４４と接続される。こうして、エンジンが起動されて騒音が発生するとアクティブ消音装置が作動するように、制御盤１８から各機器に電力を供給するようにしている。

更に、前記分岐ダクト８に配置したスピーカ９よりも下流側には温度センサ１９が配置され、該温度センサ１９は制御盤１８と接続されて、分岐ダクト８内の温度を検知し、設定温度以上となると、冷却ファン１０を作動させて分岐ダクト８内を冷却し、更に高いスピーカに悪影響を及ぼす設定温度となると警報装置２９より警報を発するようにして、所定の措置、例えばエンジンを停止させるような制御を行う。

また、前記消音用排気ダクト７の音波干渉部７ａよりも下流側に消音後の騒音を検知する手段としてエラーマイク１７が配置され、該エラーマイク１７がコントローラ１６と接続されて、該エラーマイク１７により消音後の騒音を検知してフィードバックするようにしている。

また、前記コントローラ１６には周波数変換器２５と変圧器２６を介して制御盤１８と接続されて、出力電圧を変圧器２６に入力するようにしている。変圧器２６は発電機２１・２２・２３・２４により発電された交流電圧を所定の電圧に変圧するものであり、コントローラ１６に入力可能な電圧まで低下させるために変圧するものである。周波数変換器２５は発電周波数を騒音の周波数に合致させるために周波数を変換するためのものである。

このような構成において、エンジン発電機１またはエンジン発電機２またはエンジン発電機３またはエンジン発電機４のいずれか一つ、または、負荷に応じて、いずれか二つ、または何れか三つ、または全てを起動させて発電して、施設に必要電力を供給する。このとき、エンジン発電機１（または２・３・４）は制御ユニット４１（または４２・４３・４４）及び制御盤１８によって、商用電源周波数に位相及び振幅が一致するように運転される。

一方、エンジン発電機１（または２・３・４）から発する排気騒音のうち、高周波成分はパッシブ型の消音器３１（または３２・３３・３４）によって消音されるが、低周波成分は前記ダクト等によっては消音できない。しかし、この低周波成分は商用電源周波数に合わせて運転するエンジン１１（または１２・１３・１４）の回転数に比例（同期）するものとなっている。即ち、電源周波数を所定の倍数とした低周波は低周波騒音の周波数と一致させることができる。

具体的には、エンジン発電機による発電周波数をＦ、極数をＰ、機関（エンジン）回転数をＮとすると、Ｆ＝（Ｐ×Ｎ）／１２０の関係となることは周知である。関西以西の地方においては商用電源の周波数は６０Ｈｚであり、極数は発電機に固有のもので、本実施例の発電機では極数が１０となっていることから、これらを代入して計算すると、エンジン１１（または１２・１３・１４）の回転数（同期速度）は７２０ｒｐｍとなる。つまり、エンジン１１（または１２・１３・１４）の定格回転数は７２０ｒｐｍで運転される。なお、中部以東の地方では商用電源の周波数は５０Ｈｚであるから、定格回転数は６００ｒｐｍとなる。

一方、エンジン１１（または１２・１３・１４）を７２０ｒｐｍ（７２０／６０ｒｐｓ）で運転した場合の基本排気音周波数は、定格回転数×気筒数／２となり、（７２０／６０）×６／２＝３６Ｈｚとなる。つまり、本実施例のエンジンは６気筒エンジンが使用され、エンジン１１（または１２・１３・１４）から発生する低周波騒音は３６Ｈｚの騒音となっていることから、この３６Ｈｚの騒音の逆位相で同一振幅の消音波をスピーカ９から発生させれば、消音できることになる。なお、発電周波数５０Ｈｚの場合は３０Ｈｚとなる。そして、エンジン１１（または１２・１３・１４）の回転と発電周波数と商用電源の周波数は同期しているので、このエンジン発電機１（または２・３・４）で発電した電圧を周波数変換することで容易にリファレンス信号（騒音に相当する信号）を得ることができ、従来のようなセンサマイクを必要とせず、発電電圧から低周波騒音と同一周波数が得られ、このリファレンス信号から逆位相の消音信号をコントローラ１６で生成して、アンプ１５により振幅を増幅してスピーカ９から発することで容易消音することができるのである。なお、複数の周波数の排気音を消音する場合は、複数の周波数変換器２５を並列に設置し、出力信号を加算してコントローラ１６に入力することにより消音可能となり、周波数変換器２５の出力信号（通常は方形波）の高調波成分も消音可能である。

以上のことから図４に基づいて、消音作用を説明する。エンジン発電機１（または２・３・４）が起動されると、制御盤１８にエンジン１１（または１２・１３・１４）の回転状態を入力する。そして、エンジン１１（または１２・１３・１４）の制御ユニット４１（４２・４３・４４図示せず）は商用電源の周波数と同位相となるようにエンジンの回転を制御し、発電機２１（２２・２３・２４）から商用電源と同位相で同一振幅の電圧が得られるように発電する。

この発電電圧は変圧器２６に入力されて周波数変換器２５で処理できる所定の電圧に変圧し（例えば１００Ｖから１２Ｖに変圧する）、その電圧を周波数変換器２５に入力して、エンジン１１（または１２・１３・１４）から発生する低周波騒音と同じ周波数にとなるように所定の倍数となるように変換する。つまり、本実施例では６０Ｈｚから３６Ｈｚに変換する。この変換して得られた信号がリファレンス信号（参照信号）となり、コントローラ１６に入力される。

該コントローラ１６は前記リファレンス信号と、エラーマイク１７から得られる騒音信号から、騒音と逆位相の消音信号を演算して、アンプ１５に入力し、該アンプ１５により騒音と同じ振幅となるように前記消音信号を増幅してスピーカ９から消音用音波が出力される。消音用音波は分岐ダクト８から消音用排気ダクト７に伝播され、音波干渉部７ａにおいてエンジン１１（または１２・１３・１４）から発生して音波干渉部７ａに伝播した騒音と干渉して打ち消し合って消音される。この消音されたかどうかはエラーマイク１７で検知され、コントローラ１６にフィードバックされ、偏差が演算されて、更に消音できるように演算して消音信号がアンプ１５に出力されて、スピーカ９から消音波が発せられる。

上述のように、何れかのエンジン１１・１２・１３・１４が起動されていても、発電電圧の位相は商用電源に合わせるように制御されるため、何れかのエンジンが作動すると発電されて電圧が発生し、この発電電圧からリファレンス信号を生成して消音信号を生成することが可能となる。よって、従来のように各エンジンの排気管にそれぞれセンサマイクを設ける必要がなく、騒音と同一の周波数を得ることが可能となり、アクティブ消音装置を安価に構成することが可能となったのである。

但し、リファレンス信号を得る他の手段として振動センサを用いることも可能である。即ち、エンジン１１・１２・１３・１４は並置して配設され、各エンジン１１・１２・１３・１４の排気管も一つの消音用排気ダクト７に連通されるものであるから、振動センサ２７をエンジン１１・１２・１３・１４の基台、または、その近傍、または、消音用排気ダクト７に配設し、図５に示すように、該振動センサ２７をコントローラ１６に接続する。但し、振動センサ２７とコントローラ１６との間に増幅回路を介装することもできる。

このように構成することによって、エンジン１１（または１２・１３・１４）から発生した騒音と同じ周波数の振動が振動センサ２７により検知することが可能となり、この検知した騒音信号をコントローラ１６で消音信号に演算して、アンプ１５に出力して、前記同様にスピーカ９より消音用音波を発して消音することができるのである。こうして、図４に示す、周波数変換器２５や変圧器２６を省略して、従来のセンサマイクを設ける構造に比べてコスト低減化を図ることもできるのである。

エンジン発電機とパッシブ型消音器部分の平面図。 パッシブ型消音器と排気ダクト部分の正面図。 排気ダクトと分岐ダクト部分の側面図。 本発明のアクティブ消音装置の制御ブロック図。 アクティブ消音装置の他の実施例を示す制御ブロック図。

１・２・３・４ エンジン発電機
７ 消音用排気ダクト
７ａ 音波干渉部
８ 分岐ダクト
９ スピーカ
１１・１２・１３・１４ エンジン
１６ コントローラ
１７ エラーマイク
２１・２２・２３・２４発電機
２５ 周波数変換器
２６ 変圧器
２７ 振動センサ

Claims (3)

1. 複数台のエンジン発電機（１・・）を並列運転可能に配設し、該複数台のエンジン発電機（１・・）のエンジン（１１・・）の排気部に連結した、複数の排気マニホールドダクト（５ａ・・）を、１つの消音用排気ダクト（７）の基部に連通して集中させ、該消音用排気ダクト（７）に音波干渉部（７ａ）を設け、該音波干渉部（７ａ）よりも下流側に、消音後の騒音信号を検出するエラーマイク（１７）を設け、該音波干渉部（７ａ）の基端側に該音波干渉部（７ａ）に連通する分岐ダクト（８）を連通し、該分岐ダクト（８）に騒音と逆位相の消音信号を出力するスピーカ（９）を配設し、該スピーカ（９）を制御するコントローラ（１６）を備えるアクティブ消音装置において、前記複数台のエンジン発電機（１・・）を、変圧器（２６）と周波数変換器（２５）を介してコントローラ（１６）と接続し、該エンジン発電機（１・・）の発電電圧の発電周波数を、騒音信号に変換して、逆位相の消音信号を発生して消音することを特徴とするアクティブ消音装置。
2. 請求項１記載のアクティブ消音装置において、前記消音用排気ダクト（７）は鉛直方向に配置し、前記分岐ダクト（８）は消音用排気ダクト（７）の下端に連通して配置されることを特徴とするアクティブ消音装置。
3. 複数台のエンジン発電機（１・・）を並列運転可能に配設し、該複数台のエンジン発電機（１・・）のエンジン（１１・・）の排気部に連結した、複数の排気マニホールドダクト（５ａ・・）を、１つの消音用排気ダクト（７）の基部に連通して集中させ、該消音用排気ダクト（７）に音波干渉部（７ａ）を設け、該音波干渉部（７ａ）よりも下流側に、消音後の騒音信号を検出するエラーマイク（１７）を設け、該音波干渉部（７ａ）の基端側に該音波干渉部（７ａ）に連通する分岐ダクト（８）を連通し、該分岐ダクト（８）に騒音と逆位相の消音信号を出力するスピーカ（９）を配設し、該スピーカ（９）を制御するコントローラ（１６）を備えるアクティブ消音装置において、前記複数台のエンジン発電機（１・・）または消音用排気ダクト（７）の近傍に振動センサ（２７）を配置し、該振動センサ（２７）を前記コントローラ（１６）と接続し、該振動センサ（２７）からの信号を騒音信号として、逆位相の消音信号を発生して消音することを特徴とするアクティブ消音装置。

Images