JP4675887B2 - 中低周波数における音響性能を向上させたマフラ - Google Patents

Description

図１に示される典型的な吸収タイプのサイレンサ又はマフラ１０（消散型サイレンサとしても知られる）は、外側シェル１２、及び内燃機関からの排気を流体連通するための入口パイプ１４Ａと出口パイプ１４Ｂとを接続する多孔性パイプを含む。吸音材料１８は、多孔性パイプ１４とマフラチャンバの内側面との間に充填されている。吸収型サイレンサは、吸音材料１８の吸音特性によって中高周波数（通常２００Ｈｚを超える）の音響エネルギを効率的に低減させる。自動車の排気用途においては、音響エネルギの「広帯域」の吸収が求められ、これは、エンジンによって発生する音響エネルギが、エンジン回転速度（ＲＰＭ）の変化及び排気ガスの温度変化に伴って変化することに起因する。

別のタイプのサイレンサは、通常、反射型サイレンサと呼ばれる。反射型サイレンサにおいては、構成要素は、エンジンから生じる音波と打ち消すように干渉する音波を反射又は発生するように設計されている。１つのタイプの音響反射要素は、ヘルムホルツ共鳴器として公知である。ヘルムホルツ共鳴器は、オープンスロート部を備えたチャンバである。チャンバ及びスロート部内に収容されたある容積の空気は、チャンバ内の空気の周期的な圧縮によって振動する。ヘルムホルツ共鳴器は、図３に示されるように内燃機関の排気ダクトに取り付けて、内燃機関のピストンの燃焼によって生じる雑音（通常３０〜４００Ｈｚ）を相殺することができる。図３は、硬質の外側シェル５２、内径Ｄ_T及び長さＬ_Tを有するスロート部分５４ａ、並びに内径Ｄ_C及び長さＬ_Cを有するチャンバ部分５４ｂを含むヘルムホルツ共鳴器５４を備えたマフラ５０を概略的に示している。

典型的には、音エネルギの最大減衰周波数、すなわち最大透過損失が生じる周波数は、ヘルムホルツ共鳴器５４のチャンバ部分５４ｂの容積、並びにスロート部分の内径Ｄ_T及び長さＬ_Tの関数である。例えば、チャンバ容積が増大し且つスロート部分の内径Ｄ_T及び長さＬ_Tが同じままである場合には最大減衰周波数は減少し、チャンバの容積が減少すると、最大減衰周波数は増加する。

図３に示されているようにヘルムホルツ共鳴器がサイドブランチとして取り付けられる場合には、該サイドブランチは質量（慣性）とコンプライアンスの両方を有する。この音響システムは、ヘルムホルツ共鳴器と呼ばれ、単一の質量ばね制振システムと極めて類似した動作を行う。共鳴器は、直径Ｄ_T及び面積Ｓ_bのスロート部、Ｌ_eff＝Ｌ＋０．８５Ｄ_Tの有効ネック長、並びにキャビティ容積Ｖ（Ｄ_C及びＬ_Cの関数）を有する。キャビティ容積は、ある周波数で共鳴し、共鳴の過程においてエネルギと相互作用する。音響サイクルの一部の間に共鳴器によって吸収された全エネルギは、サイクルの後半でパイプに戻される。位相関係は、エネルギがエネルギ源に戻り、ダクトには送られないようにされる。システムからエネルギが除去されないので、ブランチインピーダンスの実数部は、Ｒ_b＝０となる。インピーダンスの虚数部は、共鳴器のコンプライアンス項及び慣性項で表すことができ、すなわちＸ_b＝ｐ（ωＬ_eff／Ｓ_b−ｃ²／ωＶ）となり、その結果、音圧伝達係数の式は、式（１）で示すように記述することができる。

式（１）において共鳴器の共鳴周波数であるω＝ω₀の時に伝達される力はゼロであり、この時、全エネルギはエネルギ源に向かって反射して戻される。これらのフィルターは、共鳴周波数近傍の帯域内で音を低減し、他の全ての周波数を通過させる。エンジン回転速度（ＲＰＭ）の変化及び排気ガス温度の変化に伴い音響エネルギの周波数が変化することになるので、干渉が生じる周波数領域が狭いことは、通常は自動車の排気における望ましい条件ではない。

本発明は、内燃機関用の排気サイレンサ又はマフラに関し、特に、内燃機関用のヘルムホルツ共鳴器の制振特性及び消散型サイレンサの吸収特性を備えたサイレンサに関する。本発明の１つの目的は、１つ又はそれ以上の消散型サイレンサ要素及び１つ又はそれ以上のヘルムホルツ共鳴器のような反射要素の両方を組み込んだ内燃機関に使用するための改良型サイレンサ又はマフラを提供することである。本発明の別の目的は、このようなマフラで使用するための改良型の分散要素及び共鳴器を提供することである。本発明の更なる目的は、従来技術と比べて性能がより優れ、標準的な自動車組立技術の使用に好適な単一のマフラ組立部品において消散型サイレンサと共鳴器の組み合わせを提供することである。

図１Ａのマフラ１０は、第１及び第２のシェル部品１２ａ及び１２ｂによって定められる硬質の外側シェル１２を含む。シェル部品１２ａ及び１２ｂは、金属、樹脂、又は、例えば強化繊維及び樹脂材料からなる複合材料で形成される。好適な外側シェルの複合材料の実施例は、名称「バンパ／マフラ組立体」の米国特許第６，６６８，９７２号において記載されている。また外側シェルは、単一のシェル部品、或いは２つ又はそれ以上のシェル部品を択一的に含み得ることが企図される。外側シェル１２を通って延びているのは、例えばステンレス鋼で形成された有孔金属パイプ１４である。また、外側シェルの内側チャンバ１３ａには、鋼、他の金属、樹脂、又は米国特許第６，６６８，９７２号で開示された外側シェル複合材料のうちの１つなどの複合材料で作られたバッフル１５又は隔壁が備えられている。バッフル１５は、内側チャンバ１３ａを実質的に同じ大きさの第１及び第２の内側チャンバ１３ｂ、１３ｃに分離する。またバッフル１５は、内側チャンバ１３ａを異なる大きさの第１及び第２のチャンバに分離できることも企図される。

繊維材料１８が外側シェル１２内に設けられ、且つパイプ１４及びシェル１２間に位置付けられている。繊維材料１８は、第１及び第２のチャンバ１３ｂ及び１３ｃの両方を実質的に充填する。繊維材料１８は、1つまたはそれ以上の連続ガラスフィラメント・ストランドで形成することができ、各ストランドは、加圧空気によって分離又は製織されて外側シェル１２内で緩いウールタイプの生成物を形成するようになる複数のフィラメントを含む（例えば、米国特許第５，９７６，４５３号及び第４，５６９，４７１号を参照されたい）。フィラメントは、例えばＥ−ガラス、Ｓ２−ガラス、又は他のガラス組成物などの連続ガラスストランドで形成することができる。連続ストランド材料は、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇから商標ＡＤＶＡＮＴＥＸ（登録商標）で市販されている、低ホウ素、低フッ素、高温ガラス等のＥ−ガラスロービング、又はＯｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇから商標ＺｅｎＴｒｏｎ（登録商標）で市販されているＳ２−ガラスロービングを含むことができる。

また、外側シェル１２の充填に、ガラス繊維材料の代わりにセラミック繊維材料を用いることも企図される。セラミック繊維を用いて、シェルに直接充填してもよく、或いはマフラの予備成形品を形成した後でシェル１２内に配置してもよい。また予備成形品は、ロックウール処理、又は住宅用及び商業用途の繊維ガラス断熱材を作るのに用いられるスピナー処理のうちの１つなどのスピナー処理により生成された不連続ガラス繊維生成物、もしくはガラスマット生成物で作ることも企図される。

更に、連続ガラスストランドは、製織されて１つ又はそれ以上の予備成形品に形成可能であきることが企図され、これは、予備成形品を形成するために該シェル部品１２ａ及び１２ｂを結合する前に、シェル部品１２ａ及び１２ｂ内に配置することができる。このような予備成形品を形成するための処理及び装置は、米国特許第５，７６６，５４１号及び第５，９７６，４５３号において開示されている。繊維材料１８は、例えばＥガラス繊維のような緩やかな不連続のガラス繊維、又はセラミック繊維を含有することができ、シェル１２内に手作業で又は機械的に挿入される。

また、繊維材料１８は、プラスチックシート、或いはガラス又は有機材料のメッシュで作られたバッグに充填され、続いてシェル部品１２ａ及び１２ｂ内に配置されることも企図される（例えば、米国特許第６，０６８，０８２号及び米国特許第６，６０７，０５２号、「マフラシェルの充填処理及び繊維材料が充填されたマフラ」を参照）。更に繊維材料１８は、名称「マフラシェルを繊維材料で充填するための処理」の米国特許第６，４４６，７５０号、名称「マフラを充填するための処理及び繊維材料で充填されたマフラ」の米国特許第６，４１２，５９６号、及び名称「マフラシェル充填処理、繊維材料で充填されたマフラ、及び真空充填装置」の米国特許第６，５８１，７２３号で開示されている何れかの処理によって外側シェル１２に挿入可能であることが企図される。

更に、１つ又はそれ以上の連続ガラスフィラメント・ストランドが、シェル部品１２ａ及び１２ｂが一緒に結合された後に、加圧空気と共に外側シェル１２の開口（図示せず）内へ送られ、その結果、繊維が互いに分離されて外側シェル１２内で膨張し、外側シェル１２内で「綿毛状の」又はウールタイプの生成物を形成することも企図される。マフラシェルへ送られるガラスストランド材料を製織する処理及び装置は、米国特許第４，５６９，４７１号及び第５，９７６，４５３号において記載されている。更に、繊維材料１８は、連続又は不連続繊維のマット形態でマフラに挿入可能であることが企図される。不連続ガラス繊維の刺し縫いされたフェルトマットは、予備成形品としてマフラへ挿入することができ又は、後でマフラへ挿入される有孔チューブ内へ巻き入れることができる。

音響エネルギは、有孔パイプ１４を介して音響エネルギを分散するよう機能する繊維材料１８まで通る。繊維材料１８はまた、パイプ１４を通過する高温排気ガスから伝達される熱の形態のエネルギから外側シェル１２を熱的に保護又は遮断するように機能する。

上述のように、サイレンサの内側チャンバ１３ａが２つの吸収チャンバ１３ｂ及び１３ｃへ分割されるように、バッフル又はプレート１５をサイレンサの内側チャンバ１３ａ内に配置することにより、吸収性材料１８が充填されたサイレンサ又はマフラ１０の透過損失を特定の周波数領域において高めることができる。以下の寸法：シェル長Ｌ＝６０ｃｍ；外側シェル直径Ｄ_S＝２０．３２ｃｍ；有孔チューブ１４の内径Ｄ_P＝５．０８ｃｍ；チューブ１４の各穿孔の直径０．２５ｃｍ；有孔チューブ１４における全体の多孔率、すなわち有孔表面積／有孔及び無孔チューブ表面積×１００＝２５％；及び１００グラム／リットルの吸収性材料充填密度を有する単一のバッフルを備え、図５に示されるように構成されたマフラ１０について、モデル化された透過損失（ｄＢ）データが図２Ａに示されている。

透過損失は、音波がマフラを通過するときに減衰される音エネルギの量のｄＢでの測定である。換言すると、所与の周波数での透過損失は、所与の周波数でのサイレンサ又は他の方法によって減衰が生じない音レベル（ｄＢ）から、同じ周波数でサイレンサ等によりある減衰が生じた音レベル（ｄＢ）を差し引いたものに等しい。図２Ａに示されているように、バッフル１５が内側チャンバ１３ａ内に設けられている場合には、透過損失又は減衰された音エネルギは、約１５０Ｈｚから約１９００Ｈｚまでの領域に入る周波数帯において、同じ寸法であるがバッフル１５がないマフラを用いたときの同じ周波数で生じる透過損失に比べて増大している。従って、バッフル１５により内側チャンバ１３ａを第１及び第２吸収チャンバ１３ｂ及び１３ｃに分離することにより、中高域周波数において音レベルの低減、すなわち音エネルギ減衰の増大を達成することができる。更に１つより多いバッフル１５が備えられ、内側チャンバ１３を３つ又はそれ以上の内側チャンバ（図示せず）に分離可能であることも企図される。

０、１又は２つのバッフルを有するマフラについて実測された透過損失（ｄＢ）データが図２Ｂに示されている。１つのバッフル１５を備えている場合には、サイレンサの内側チャンバ１３は、２つの実質的に等しい容積のチャンバに分離されており、２つのバッフルが備えられていた場合には、サイレンサの内側チャンバ１３は、３つの実質的に等しい容積のチャンバに分離された。各マフラは、以下の寸法：シェル長Ｌ＝５０．８ｃｍ；外側シェル直径Ｄ_S＝１６．４ｃｍ；有孔チューブ１４の内径Ｄ_P＝５ｃｍ；チューブ１４の孔の各直径が０．２５ｃｍ；有孔チューブ１４の全体多孔率、すなわち有孔表面積／無孔チューブ表面積×１００＝８％；及び１００グラム／リットルの吸収性材料充填密度を備え、図１Ａに示されている構成であった。

図２Ｂから明らかであるように、１つ又は２つのバッフルを備えていた場合には、透過損失又は減衰音エネルギは、約１５０Ｈｚから約１９００Ｈｚまでの領域に入る周波数帯において、同じ寸法であるがバッフルがないマフラを用いたときの同じ周波数帯で生じる透過損失に比べて増大した。従って、１つまたは２つのバッフル１５によりサイレンサの内側チャンバを２つ又は３つのチャンバに分離することにより、中高域周波数において音レベルの低減、すなわち音エネルギ減衰の増大を達成することができる。

図３は、金属、樹脂、又は、例えば強化繊維及び樹脂材料を含む複合材料で形成された硬質の外側シェル５２を含むマフラ５０を概略的に示している。外側シェルの複合材料の実施例は、名称「バンパ／マフラ組立体」の米国特許第６，６６８，９７２号で説明されている。マフラ５０は、無孔の排気管６０に結合される。

マフラ５０は、内径Ｄ_T及び長さＬ_Tを有するスロート部５４ａ、及び内径Ｄ_C及び長さＬ_Cを有するチャンバ部５４ｂを備えたヘルムホルツ共鳴器５４を含む。

通常、音エネルギの最大減衰周波数、すなわち最大透過損失が生じる周波数は、ヘルムホルツ共鳴器５４のチャンバ部５４ｂの容積及びスロート部の内径Ｄ_T並びに長さＬ_Tの関数である。例えば、チャンバ容積が増大し且つスロート部の内径Ｄ_T及び長さＬ_Tが一定のままである場合には、最大減衰周波数は減少し、チャンバ容積が減少すると最大減衰周波数は増加する。

チャンバ部分５４ｂの1つ又はそれ以上の内壁を吸音材料７０で覆うことによって、チャンバ部分５４ｂの容積を増大させることなく最大減衰周波数が低減される。図３の実施形態では、チャンバ部分５４ｂの第１及び第２の内壁５５ａ及び５５ｂは、繊維材料７０ａで覆われている。第３の壁５５ｃは覆われていない。或いは、内壁５５ａ〜５５ｃのいずれか１つ又はそれ以上を覆ってもよい。

繊維材料７０ａは、１つ又はそれ以上の連続ガラスフィラメント・ストランドで形成することができ、各ストランドは、緩いウールタイプの生成物を形成するように加圧空気により分離又は製織された複数のフィラメントを含む（米国特許第５，９７６，４５３号及び第４，５６９，４７１号を参照されたい）。フィラメントは、例えば、Ｅ−ガラス又はＳ２−ガラス、或は他のガラス組成物で形成することができる。連続ストランド材料は、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇから商標ＡＤＶＡＮＴＥＸ（登録商標）で市販されているＥ−ガラスロービング、又は商標Ｏｗｅｎｓ ＣｏｒｎｉｎｇからＺｅｎＴｒｏｎ（登録商標）で市販されているＳ２−ガラスロービングを含むことができる。

また、連続又は不連続のセラミック繊維材料を、チャンバ部分５４ｂの壁５５ａ〜５５ｂを覆うガラス繊維材料の代わりに用いることも企図される。繊維材料７０ａはまた、緩い不連続ガラス繊維（例えばＥガラス繊維）、又はセラミック繊維、或いはロックウール処理又は住宅用及び商業用途の繊維ガラス断熱材を作るのに使用される処理に類似するスピナー処理によって生成された不連続ガラス繊維生成物、又はガラスマットを含むことができる。図３は、硬質の外側シェル５２、内径Ｄ_T及び長さＬ_Tのスロート部分５４ａ及び内径Ｄ_C及び長さＬ_Cのチャンバ部分５４ｂを有するヘルムホルツ共鳴器５４を含むこうしたマフラ５０の概略図である。

図３Ａで示されているように、ヘルムホルツ共鳴器５４がサイドブランチとして取り付けられており、実施例１で検討されるような繊維材料を含み、或いは該繊維材料で内側が覆われている場合には、透過損失対周波数曲線は、実質的に広くなり、より広い周波数領域において損失が改善された。

図３Ａに示されているように、塩化ポリビニル（ＰＶＣ）で形成された硬質の外側シェル５２を含むマフラ５０が準備された。マフラ５０は、直径Ｄ_T＝４ｃｍ及び長さＬ_T＝８．５ｃｍのスロート部分５４ａ、並びに内径Ｄ_C＝１５．２４ｃｍ及び長さＬ_C＝２０．３２ｃｍのチャンバ部分５４ｂを含むヘルムホルツ共鳴器５４を備えていた。第１の試験では、内側チャンバ部分５４ｂの内壁は繊維材料７０ａで覆われなかった。第２の試験では、第１及び第２の壁５５ａ〜５５ｂは、約１００グラム／リットルの充填密度で、およそ１インチ（２．５４センチメートル）の繊維材料７０ａで覆われた。第３の試験では、第１及び第２の壁５５ａ〜５５ｂは、約１００グラム／リットルの充填密度において、およそ２インチ（５．０８センチメートル）の繊維材料７０ａで覆われた。第４の試験では、チャンバ部分５４ｂ全体が、約１００グラム／リットルの充填密度において、繊維材料７０ａで充填された。第５の試験では、第１及び第２の壁５５ａ〜５５ｂは、約６３グラム／リットルの充填密度において、およそ１インチ（２．５４センチメートル）の繊維材料７０ａで覆われた。試験２〜５については、繊維材料７０ａは、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇから製品名ＡＤＶＡＮＴＥＸ（登録商標）１６２Ａで市販されている製織ガラスフィラメントを含んでいた。試験２、３、及び５については、繊維材料７０ａは、７５％の開口面積又は多孔率を有するワイヤメッシュスクリーンにより内壁５５ａ〜５５ｂに固定された。

図４は、実施された５つの試験の各々についての周囲温度における透過損失対周波数を示している。図４から明らかなように、チャンバ部分５４ｂ内に充填がなされなかった第１の試験では、最大周波数減衰は約９７Ｈｚにおいて生じた。９７Ｈｚにおける透過損失はおよそ３９ｄＢであった。その曲線上の半値周波数減衰点は、８９Ｈｚ及び１０６Ｈｚの周波数において生じた。８９Ｈｚ及び１０６Ｈｚにおける透過損失はおよそ２０ｄＢであった。

第１及び第２の壁５５ａ〜５５ｂが約１００グラム／リットルの充填密度においておよそ１インチ（２．５４センチメートル）の繊維材料７０ａで覆われた第２の試験では、最大周波数減衰は約９０Ｈｚにおいて生じた。９０Ｈｚにおける透過損失はおよそ３０ｄＢであった。第２の試験の曲線上の半値周波数減衰点は、７５Ｈｚ及び１０８Ｈｚの周波数においてであった。７５Ｈｚ及び１０８Ｈｚにおける透過損失はおよそ１５ｄＢであった。

第１及び第２の壁５５ａ〜５５ｂが約１００グラム／リットルの充填密度においておよそ２インチ（５．０８センチメートル）の繊維材料７０ａで覆われた第３の試験では、最大周波数減衰は、約８１Ｈｚにおいて生じた。８１Ｈｚにおける透過損失はおよそ２２ｄＢであった。第３の試験の曲線上の半値周波数減衰点は、５８Ｈｚ及び１１７Ｈｚの周波数に存在した。５８Ｈｚ及び１１７Ｈｚにおける透過損失はおよそ１１ｄＢであった。

チャンバ部分５４ｂ全体が約１００グラム／リットルの充填密度において繊維材料７０ａで充填された第４の試験では、最大周波数減衰は、約７４Ｈｚにおいて生じた。７４Ｈｚにおける透過損失はおよそ１２ｄＢであった。透過損失曲線は、実質的に平坦な形状であった。

第１及び第２の壁５５ａ〜５５ｂが約６３グラム／リットルの充填密度においておよそ１インチ（２．５４センチメートル）の繊維材料７０ａで覆われた第５の試験では、最大周波数減衰は、約９１Ｈｚにおいて生じた。９１Ｈｚにおける透過損失はおよそ３０ｄＢであった。第５の試験の曲線上の半値周波数減衰点は、７５Ｈｚ及び１１３Ｈｚの周波数においてであった。７５Ｈｚ及び１１３Ｈｚにおける透過損失はおよそ１５ｄＢであった。

チャンバ部分５４ｂの壁５５ａ〜５５ｂが繊維材料７０ａで覆われた試験２、３、及び５の各々に関しては、最大音エネルギ吸収が生じた周波数は低下し、最大減衰周波数において生じる透過損失のおよそ半分に等しい透過損失における周波数の領域は広がった。従って、チャンバ部分５４ｂの壁５５ａ〜５５ｂを繊維材料７０ａで覆うことによって、より広い半値減衰領域（すなわち、最大減衰周波数の透過損失のおよそ１／２に等しい透過損失が生じた透過損失曲線上の端点間の周波数領域）が得られた。最大吸収又は減衰周波数は通常、温度変化とともにシフトすることに留意されたい。また、減衰されることになる最大騒音周波数は通常、エンジンＲＰＭとともにシフトする点に留意されたい。従って、車両の運転中、すなわちエンジン速度が変化するときに、最大騒音周波数が減衰領域から外れる可能性があるため、狭い半値減衰領域を有するマフラ又はサイレンサは許容できないと考えられる場合がある。本発明の態様によって広い半値減衰領域が提供されるので、車両の運転中、すなわち車速が変化し、二次的にはマフラ温度が変化するときにマフラ５０によりもたらされる減衰は、おそらくは許容可能と考えられることになる。更に、試験２、３及び５に関しては、チャンバ部分５４ｂ又はスロート部分５４ａの寸法を増大させることなく、最大減衰の周波数が減少することに留意されたい。

また、チャンバ部分５４ｂの壁５５ａ〜５５ｂを繊維材料７０ａで覆うことによって、壁５５ａ〜５５ｂへの熱伝達が減少し、これによりマフラの外側シェル５２をより低温に保つことができる。この結果、外側シェル５２は、複合材料などの熱耐性閾値が低い材料で形成することができる。

図５は、本発明の別の態様の第１実施形態に従って構成されたマフラ又はサイレンサ５００の断面図である。サイレンサ５００は、消散型サイレンサ構成部品５１０及び反応要素構成部品５２０、すなわちヘルムホルツ共鳴器を含む混成サイレンサを含む。サイレンサ５００は更に、消散型サイレンサ構成部品５１０をヘルムホルツ共鳴器構成部品５２０と接合又は接続するための接続構成部品５３０を含む。消散型サイレンサ構成部品５１０は、繊維材料５１２ａなどの吸音材料５１２を含み、約１５０Ｈｚを超える周波数において望ましい広帯域騒音減衰を示す。ヘルムホルツ共鳴器構成部品５２０は、低速内燃機関騒音並びに低次の空気伝播騒音に特有の、例えば２５℃で約５０Ｈｚから約１２０Ｈｚまでの低周波数において望ましい騒音減衰を示す。従って、サイレンサ５００は、広範な周波数にわたる有効な減衰器である。

サイレンサ５００は、金属、樹脂、又は、例えば強化繊維及び樹脂材料を含む複合材料で形成される硬質の外側シェル５０２を含む。外側シェル複合材料の実施例は、名称「バンパ／マフラ組立体」の米国特許第６，６６８，９７２号に記載されている。図示された実施形態では、外側シェル５０２は実質的に楕円形である。外側シェル５０２は、消散型サイレンサ構成部品５１０及びヘルムホルツ共鳴器構成部品５２０が所要の減衰をもたらすのに必要な容積が保持される限り、他の任意の幾何形状であってもよい。

通常図５に示されているほぼ直線状のパイプ６００のような急激な曲げがないパイプは、硬質の外側シェル５０２に結合され、外側シェル５０２の全長にわたって延びる。急激な曲げのないパイプは、若干の曲げ又は角度を有するパイプ、すなわちＳ字型パイプ等を含むことができる。図示されてはいないが、従来型の排気管は、パイプ６００の外側の端部と結合することができる。パイプ６００は急激な曲げがなく形成されているので、サイレンサ５００全体の背圧及び流れ損失は低減される。好ましくは、パイプ６００は外側シェル５０２の内壁５０２ａから十分な間隔を置いて配置して、パイプ６００とシェルの内壁５０２ａとの間に十分な量の繊維材料５１２を設けるようにして、外側シェル５０２の十分な熱的及び音響的絶縁を可能にし、且つ消散構成部品５１０による音響減衰に関する外側シェル５０２による干渉を防ぐようにする。

パイプ６００の無孔の第１の部分６０２は、ヘルムホルツ共鳴器構成部品５２０のキャビティ５２２を貫通して延びている。パイプ６００の第２の部分６０４は、有孔であり、消散型サイレンサ構成部品５１０の一部を形成する。パイプ６００の第３の部分６０６もまた有孔であり、上述のように消散構成部品５１０を反応構成部品５２０と接合する接続構成部品５３０の一部を形成する。パイプ６００の第２の部分６０４は、約５％〜約６０％の間の多孔率（すなわち閉鎖面積に対する開口面積のパーセンテージ）を有するように穿孔されている。パイプ６００の第３の部分６０６は、約２０％〜約１００％の間の多孔率になるように穿孔されている。

図示された実施形態では、消散型サイレンサ構成部品５１０は、長さＬ２、高さＬ５、幅Ｌ４の実質的に楕円形のキャビティ５１０ａを含む（図５及び図５Ａを参照）。キャビティ５１０ａを通って消散型サイレンサ構成部品５１０の一部を形成しているのはパイプ部分６０４である。ヘルムホルツ共鳴器構成部品５２０のネック部分５２４ａを形成するパイプ５２４もまた、キャビティ５１０ａを通るが、消散型サイレンサ構成部品５１０の一部を形成してはいない。

消散型サイレンサ構成部品５１０は更に、繊維材料５１２ａを含む。繊維材料５１２ａは、１つ又はそれ以上の連続ガラスフィラメント・ストランドで形成することができ、各ストランドは緩いウールタイプ生成品を形成するように加圧空気によって分離又は製織された複数のフィラメントを含む（米国特許第５，９７６，４５３号及び第４，５６９，４７１号を参照）。フィラメントは、例えば、Ｅ−ガラス又はＳ２−ガラス、或いは他のガラス組成物で形成することができる。連続ストランド材料は、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇから商標ＡＤＶＡＮＴＥＸ（登録商標）で市販されているＥ−ガラスロービング又は商標Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇから商標ＺｅｎＴｒｏｎ（登録商標）で市販されているＳ２−ガラスロービングを含むことができる。

また、キャビティ５１０ａを充填するために、ガラス繊維材料の代わりに連続又は不連続のセラミック繊維材料を用いることが企図される。繊維材料５１２ａはまた、緩い不連続ガラス繊維、例えばＥガラス繊維、又はセラミック繊維、或いはロックウール処理又は住宅用及び商業用途の繊維ガラス断熱材を作るのに使用される処理に類似するスピナー処理によって生成された不連続ガラス繊維生成物、又はガラスマットを含むことができる。

直径Ｄ２を備えた第１の開口５１４ｃ及び直径Ｄ１を備えた第２の開口５１４ｄを各々が有する端部プレート５１４ａ及び５１４ｂは、キャビティ５１０ａにおいて繊維材料５１２ａを保持するために備えられる。端部プレート５１４ａ及び５１４ｂは、外側シェル５０２に結合されており、楕円形である。端部プレート５１４ａ及び５１４ｂは、キャビティ５１０ａの繊維材料による充填を容易にするために１つ又はそれ以上の追加の穴を有することができる。

ヘルムホルツ共鳴器構成部品５２０は、キャビティ部分５２２及びネック部分５２４ａを含む。キャビティ部分５２２は、断面においてほぼ楕円形であり、長さＬ１、高さＬ５、及び幅Ｌ４を有する（図５及び図５Ａを参照）。キャビティ部分５２２を通っており、ヘルムホルツ共鳴器構成部品５２０の一部を形成していないのは、パイプ部分６０２である。ネック部分５２４ａは、断面積Ａｎ、直径Ｄ２及び長さＬ２のパイプ５２４によって定められる。

接続構成部品５３０は、長さＬ３、高さＬ５及び幅Ｌ４のほぼ楕円形のキャビティ５３０ａを含む（図５Ａを参照）。キャビティ５３０ａを通って接続構成部品５３０の一部を形成しているのは、パイプの第３の部分６０６である。長さＬ３は、例えば約１ｃｍ〜約１０ｃｍで、できる限り短いことが好ましく、これは通常短い長さＬ３が低周波数での最大減衰周波数に対応するためである。パイプ６００の第３の部分６０６が、約２０％〜約１００％の間の高い多孔率（すなわち閉鎖面積に対する開口面積のパーセンテージ）を有するように穿孔されることが更に望ましい。

図６は、本発明の別の態様に従って構成されたマフラ又はサイレンサ７００の断面図である。サイレンサ７００は、消散型サイレンサ構成部品７１０及び反応要素構成部品７２０、すなわちヘルムホルツ共鳴器を含む混成サイレンサを含む。サイレンサ７００は更に、消散型サイレンサ構成部品７１０をヘルムホルツ共鳴器構成部品７２０と接合する接続構成部品７３０を含む。消散型サイレンサ構成部品７１０は、繊維材料５１２ａなどの吸音材料５１２を含み、約１５０Ｈｚよりも高い周波数において望ましい広帯域騒音減衰を示す。ヘルムホルツ共鳴器構成部品７２０は、例えば、２５℃で約５０Ｈｚから約１２０Ｈｚまでの、低速内燃機関騒音並びに低次の空気伝播騒音に特有の低周波数において望ましい騒音減衰を示す。従って、サイレンサ７００は、幅広い周波数領域にわたる有効な減衰器である。

サイレンサ７００は、金属、樹脂、又は例えば強化繊維及び樹脂材料を含む複合材料で形成される硬質の外側シェル７０２を含む。外側シェル複合材料の実施例は、名称「バンパ／マフラ組立体」の米国特許第６，６６８，９７２号に記載されている。図示された実施形態では、外側シェル７０２は、ほぼ円筒状の形状を有する。外側シェル７０２は、消散型サイレンサ構成部品７１０及びヘルムホルツ共鳴器構成部品７２０が要求される減衰をもたらすために必要な容積が保持される限り、他のどのような幾何形状をも有することができる。

ほぼ直線状のパイプ８００は、外側シェル７０２に結合され、外側シェル７０２の全長にわたって延びる。従来の排気管（図示せず）は、パイプ８００の外側端部に結合することができる。パイプ８００は急激な曲げがなく形成されているので、サイレンサ７００全体の背圧及び流れ損失が減少する。

パイプ８００の実質的に中実で孔の無い第１の部分８０２は、ヘルムホルツ共鳴器構成部品７２０のキャビティ７２２を通って延びている。パイプ８００の第２の部分８０４は、穿孔され消散型サイレンサ７１０の一部を形成する。パイプ８００の第３の部分８０６もまた穿孔され、上述のように消散構成部品７１０を反応構成部品７２０と接合する接続構成部品７３０の一部を形成する。パイプ８００の第２の部分８０４は、約５％〜約６０％の間の多孔率になるように穿孔されている。パイプ８００の第３の部分８０６は、約２０％〜約１００％の間の多孔率になるように穿孔されている。

図示されている実施形態では、消散型サイレンサ構成部品７１０は、内側のほぼ直線状の無孔パイプ７１１とパイプ８００との間に形成されるほぼ円筒状キャビティ７１０ａを含む。キャビティ７１０ａは、外径Ｄ３、内径Ｄ１、及び長さＬ２を有する（図６及び図６Ａを参照）。キャビティ７１０ａを通って消散型サイレンサ構成部品７１０の一部を形成するのはパイプ部分８０４である。消散型サイレンサ構成部品７１０は更に、図５及び図５Ａにおいて示されている実施形態に関して上述されたような繊維材料５１２ａを含む。

各々が直径Ｄ１を備えた第１の開口７１４ｃを有する端部プレート７１４ａ及び７１４ｂは、キャビティ７１０ａにおいて繊維材料５１２ａを保持するために備えられる。端部プレート７１４ａ及び７１４ｂは、パイプ８００に溶接、或いは接合することができる。更に、支持要素（図示せず）は、プレート７１４ａ及び７１４ｂから延びて、外側シェル７０２に結合することが可能である。端部プレート７１４ａ及び７１４ｂは、キャビティ７１０ａの繊維材料による充填を容易にするために１つ又はそれ以上の追加の穴を有することができる。

ヘルムホルツ共鳴器構成部品７２０は、キャビティ部分７２２及びネック部分７２４ａを含む。キャビティ７２２は、断面においてほぼ円筒形であり、長さＬ１、外径Ｄ２、及び内径Ｄ１を有する。キャビティ部分７２２を通り、ヘルムホルツ共鳴器７２０の一部を形成していないのは、パイプ部分８０２である。ネック部分７２４ａは、長さＬ２、外径Ｄ２、及び内径Ｄ３を有する中空の環状キャビティ７２４ｂを定める（図６及び図６Ａを参照）。

接続構成部品７３０は、長さＬ３、外径Ｄ２、及び内径Ｄ１を有するほぼ円筒状キャビティ７３０ａを含む（図６及び図６Ａを参照）。キャビティ７３０ａを通り、接続構成部品７３０の一部を形成しているのは、パイプ部分８０６である。長さＬ３は、例えば約１ｃｍ〜約１０ｃｍで、できる限り短いことが好ましく、これは通常短い長さＬ３が低周波数での最大減衰周波数に対応するためである。パイプ８００の第３の部分８０６が、約２０％〜約１００％の間の高い多孔率（すなわち閉鎖面積に対する開口面積のパーセンテージ）を有するように穿孔されることが更に望ましい。

図６及び図６Ａに示されている円筒状キャビティ７１０ａのように単純な消散型サイレンサ構成部品の幾何形状及び低周波数に対しては、以下に説明するように、１次元分析法を用いて、消散型サイレンサ構成部品７１０の音響特性を予測することができる。図６及び図６Ａのパイプ部分８０４及び円筒状キャビティ７１０ａの両方における高調平面波伝播では、平均流が無い場合において、連続及び運動量方程式を与える。

ここでρ₀及びｋは、それぞれ空気中の密度及び波数を示し、

円筒状キャビティ７１０ａの壁におけるデカップリング法及び厳しい境界条件（ｕ＝０）を考慮すると、消散型サイレンサ構成部品のパイプ部分８０４の入口（ｘ＝０）及び出口（ｘ＝Ｌ２）における音響圧（ｐ）並びに粒子速度（ｕ）は、以下の式（４）で関係付けることができる。

これは、転送行列成分Ｔ_ij（ｃ₀＝音速）を定義する。一定の断面積を有するパイプ部分８０４に対しては、透過損失は転送行列により以下のように計算することができる。

境界面での音響圧を関係付ける。吸収性繊維材料５１２ａに面する孔の半経験的音響インピーダンスは、穴幾何形状及び吸収性繊維材料５１２ａの音響特性に関して以下のように表すことができる。

ここでｔ_wはパイプ部分８０４の壁の厚さ、ｄ_kは孔の穴径、φはパイプ部分８０４の多孔率、Ｃ₁及びＣ₂は経験的に決定される係数である。吸収性材料の音響特性もまた、実験的に得ることができ、周波数（ｆ）及び流れ抵抗（Ｒ）の関数として表される。

ここで係数Ｃ₃〜Ｃ₆及び指数ｎ₁〜ｎ₄は、吸収性繊維材料５１２ａの特性に依存する。この分析の詳細は、Ａ．Ｓｅｌａｍｅｔ、Ｉ．Ｊ．Ｌｅｅ、Ｚ．Ｌ．Ｊｉ、及びＮ．Ｔ．Ｈｕｆｆの「有孔吸収型サイレンサの音響減衰性能」、ＳＡＥ騒音及び振動会議並びに展示会、４月３０日〜５月３日、ＳＡＥ論文Ｎｏ．２００１−０１−１４３５、ミシガン州トラバースシティに記載されている。

ヘルムホルツ共鳴器構成部品５２０及び７２０は、低周波数における有効な音響減衰装置である。各々は、キャビティ部分５２２、７２２及びネック部分５２４ａ、７２４ａの組み合わせによって決定付けられる共鳴、すなわち最大減衰周波数、これらの寸法、並びに相対的な向きを有する。共鳴周波数は、以下により与えられる典型的な集中分析によって概算することができる。

ここでＣ₀は音速、Ａｎはネック部分の断面積、Ｖ_cはキャビティ部分の容積、ｌ_nはネック部分の長さである（図５、図６及び図６Ａを参照のこと）。従って、内燃機関の減衰応用などの音減衰応用における望ましい低共鳴周波数は、大きなキャビティ部分容積（図５における長さＬ１、Ｌ４、及びＬ５、並びに直径Ｄ１、又は図６における長さＬ１並びに直径Ｄ１及びＤ２に相当）及び長いネック部分（主として、図５における長さＬ２及び直径Ｄ２、又は図６における長さＬ２及びＤ３に相当）により達成することができる。大きな断面積Ａ_n（図５における長さＬ２及び直径Ｄ２、並びに図６における直径Ｄ２及びＤ３の間に形成される面積に相当）は低共鳴周波数にとっては好ましくないが、望ましい広域の透過損失をもたらすことができる。図５及び図６のヘルムホルツ共鳴器構成部品５２０及び７２０は、これらの基準に基づいて設計されている。ヘルムホルツ共鳴器５２０、７２０の特定の寸法は、減衰対象の用途において支配的な低周波数音源によって決定されることになる。前述の方程式に基づいた初期の設計は、有限要素法などの多次元の音響予測手段を用いて改善及び確定することができる（Ａ．Ｓｅｌａｍｅｔ、Ｉ．Ｊ．Ｌｅｅ、Ｚ．Ｌ．Ｊｉ、及びＮ．Ｔ．Ｈｕｆｆの「有孔吸収型サイレンサの音響減衰性能」、ＳＡＥ騒音及び振動会議並びに展示会、４月３０日〜５月３日、ＳＡＥ論文Ｎｏ．２００１−０１−１４３５、ミシガン州トラバースシティを参照されたい）。

サイレンサは、図５及び図５Ａに示されているように、以下の寸法：Ｌ１＝９ｃｍ；Ｌ２＝４８ｃｍ；Ｌ３＝３ｃｍ、パイプ６００の第３の部分６０６において約３０％の多孔率で生成された孔；Ｌ４＝１７．８ｃｍ；Ｌ５＝２２．９ｃｍ、；Ｌ６＝１．９ｃｍ；Ｌ７＝５．７ｃｍ；Ｄ１＝５．１ｃｍ；Ｄ２＝８．９ｃｍを有するように構成された。楕円形のキャビティ５１０ａは、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇから製品名ＡＤＶＡＮＴＥＸ（登録商標）１６２Ａで市販されている製織ガラスフィラメントを含む繊維材料５１２ａにより約１００グラム／リットルの充填密度で充填された。

音エネルギ源、パイプ６００の入口に結合された入口パイプ、及びパイプ６００の出口に結合された出口パイプを含む試験装置（図示せず）が準備された。入口及び出口パイプにマイクを備え、これらの位置において約２０Ｈｚ〜約３２００Ｈｚの周波数に対して音圧レベルを感知した。各周波数での音透過損失は、これらのマイクによって生成された信号から求められた。実験は全ての要素を用いて周囲温度で行われた。

第１の試験動作中、入口及び出口パイプは、直径２インチであり、パイプ６００の直径とおよそ同じであった。第２の試験動作中、入口及び出口パイプは直径３インチであった。入口及び出口パイプとパイプ６００の入口及び出口端部との間に３インチから２インチの移行区間が設けられた。

図７Ａ及び図７Ｂは、２つの試験動作の各々についての透過損失対周波数曲線を示している。第１の試験動作は「試作品ＯＣファイナル２インチ」で示されている。第２の試験動作は「試作品ＯＣファイナル３インチ」で示されている。

また図７Ａ及び図７Ｂに示されているのは、従来型の三路反射型製品マフラ、すなわちどのようなタイプの繊維材料も含まない、試作品マフラと同じ外形寸法を有していたマフラに相当する２つのプロットである。製品マフラは、該マフラを貫通して延びる３インチの有孔パイプを含んでいた。図７Ａ及び７Ｂで示されるように、「製品ＯＣ２インチ」で示された第１の試験動作では、試験機器の入口及び出口パイプは直径が２インチであった。２インチ（５．０８センチメートル）−３インチ（７．６２センチメートル）の移行区間が試験装置の入口及び出口パイプと有孔パイプの入口及び出口の端部との間に設けられた。図７Ａ及び７Ｂにおいて、「製品ＯＣ３インチ」で示された第２の試験動作では、入口及び出口パイプは直径が３インチ（７．６２センチメートル）であった。

図７Ａ及び図７Ｂから明らかなように、「試作品ＯＣファイナル２インチ」の試験動作は、約９２Ｈｚで最大減衰周波数を有し、この時透過損失は約２０ｄＢであった。約９２Ｈｚ〜約１５０Ｈｚの周波数では、透過損失曲線は約３ｄＢを超えない範囲で若干減少した。約１７５Ｈｚ以降では、透過損失曲線は約２０ｄＢより上を維持した。「試作品ＯＣファイナル３インチ」の試験動作は、約９６Ｈｚで最大減衰周波数を有し、この時透過損失は約２２ｄＢであった。約９２Ｈｚ〜約１１２Ｈｚの周波数では、透過損失曲線は、約２ｄＢを超えない範囲で若干減少した。約１４０Ｈｚ以降では、透過損失曲線は約２２ｄＢより上を維持した。これとは対照的に、従来型の製品マフラの両方の動作とも、透過損失が１５ｄＢを上回るのが約２００Ｈｚより下の狭い周波数領域である透過損失曲線が得られる結果となった。

サイレンサは、図５及び図５Ａに示されているように、以下の寸法：Ｌ１＝１２ｃｍ；Ｌ２＝４５ｃｍ；Ｌ３＝３ｃｍ、パイプ６００の第３の部分６０６において生成された多孔率３０％の孔；Ｌ４＝１７．８ｃｍ；Ｌ５＝２２．９ｃｍ；Ｌ６＝１．９ｃｍ；Ｌ７＝５．０４ｃｍ；Ｄ１＝５．０８ｃｍ；Ｄ２＝８．９ｃｍを有するように構成された。楕円形のキャビティ５１０ａは、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇから製品名ＡＤＶＡＮＴＥＸ（登録商標）１６２Ａで市販されている低ホウ素、高温の製織ガラスフィラメントを含む繊維材料５１２ａにより約１２５グラム／リットルの充填密度で充填された。

音エネルギ源、パイプ６００の入口に結合された入口パイプ、及びパイプ６００の出口に結合された出口パイプを含む試験装置（図示せず）が準備された。入口及び出口パイプにマイクを備え、これらの位置において約２０Ｈｚ〜約３２００Ｈｚの周波数に対して音圧レベルを感知した。各周波数における音透過損失は、これらのマイクの出力によって求められた。実験は全ての試験要素を用いて周囲温度で行われた。

図８Ａ及び図８Ｂは、第１のサイレンサを用いた２つの試験動作の各々についての透過損失対周波数曲線を示している。第１の試験動作は「試作品ＯＳＵ」で示されている。第２の試験動作は「試作品ＯＣ」で示されている。

図８Ａ及び図８Ｂの「試作品ＯＳＵ」及び「試作品ＯＣ」で示されている試験動作では、入口及び出口パイプは、直径が２インチであり、パイプ６００の直径とおよそ同じであった。

図８Ａ及び図８Ｂにはまた、従来型の三路反射型製品マフラに対応する２つのプロットが示されている。このマフラは、どのようなタイプの繊維材料も含んでおらず、試作品マフラと同じ外形寸法を有していた。マフラは、該マフラを貫通して延びる３インチの有孔パイプを含んでいた。第１及び第２の試験動作で、試験機器の入口及び出口パイプは直径が約２インチ（５．０８センチメートル）であった。従って、２インチ−３インチ移行区間が試験装置の入口及び出口パイプと有孔パイプの入口及び出口の端部との間に設けられた。

図８Ａ及び図８Ｂから明らかであるように、「試作品ＯＳＵ」及び「試作品ＯＣ」の試験動作は、約８８Ｈｚで最大減衰周波数を有し、この時透過損失は約２５ｄＢであった。約７０Ｈｚ以上の周波数では、透過損失曲線は約１５ｄＢ以上であった。対照的に、従来型の製品マフラの両方の動作とも、透過損失が１５ｄＢを上回るのが約２００Ｈｚより下の狭い周波数領域である透過損失曲線が得られる結果となった。

図９は、本発明の第３の態様の実施形態に従って構成されたマフラ又はサイレンサ９００の断面図である。サイレンサ９００は、第１及び第２の消散型サイレンサ構成部品９１０ａ及び９１０ｂ、並びに反応要素構成部品９２０、すなわちヘルムホルツ共鳴器を含む混成サイレンサを備える。サイレンサ９００は、消散型サイレンサ構成部品９１０ａ及び９１０ｂをヘルムホルツ共鳴器構成部品９２０と接合する接続構成部品を含んでいない。消散型サイレンサ構成部品９１０ａ及び９１０ｂは、繊維材料５１２ａのような吸音材料５１２を含む。

サイレンサ９００は、金属、樹脂、又は例えば強化繊維及び樹脂材料を含む複合材料で形成される硬質の外側シェル９０２を含む。外側シェル複合材料の実施例は、名称「バンパ／マフラ組立体」の米国特許第６，６６８，９７２号に記載されている。図示された実施形態では、外側シェル９０２は、ほぼ円筒状の形状を有する。しかしながら、外側シェル９０２は、消散型サイレンサ構成部品９１０ａ及び９１０ｂ並びにヘルムホルツ共鳴器構成部品９２０が要求される減衰をもたらすために必要な容積が保持される限り、他のどのような幾何形状をも有することができる。

各々が急激な曲げがなく形成されている第１及び第２の有孔パイプ９８０ａ及び９８０ｂは、外側シェル９０２に結合され通常は外側シェル９０２を貫通して途中まで延びて、シェル９０２内で２つのパイプ９８０ａ及び９８０ｂ間に間隙９８２が設けられるようにする（図９を参照）。従来型の排気管（図示せず）は、シェル９０２の外側に位置するパイプ９８０ａ及び９８０ｂの外側端部に結合することができる。パイプ９８０ａ及び９８０ｂは、急激な曲げがなく形成されているので、サイレンサ９００全体にわたる背圧及び流れ損失が減少される。パイプ９８０ａ及び９８０ｂは、約５％〜６０％の多孔率を有するように形成される。

図示された実施形態では、消散型サイレンサ構成部品９１０ａ及び９１０ｂは各々、内部のほぼ直線状の無孔パイプ９１４ａ、９１４ｂとパイプ９８０ａ、９８０ｂのうちの１つとの間で定められるほぼ円筒状キャビティ９１２ａ、９１２ｂを含む。支持ブラケット（図示せず）は、パイプ９１４ａ、９１４ｂから延びて、外側シェル９０２に結合することができる。キャビティ９１２ａは、外径Ｄ２、内径Ｄ１及び長さＬ１を有し、キャビティ９１２ｂは、外径Ｄ２、内径Ｄ１及び長さＬ３を有する。各消散型サイレンサ構成部品９１０ａ、９１０ｂは、図５及び図５Ａで図示された実施形態に関して上述されたように、繊維材料５１２ａで充填することができる。更に、パイプ９８０ａは、消散型サイレンサ構成部品９１０ａの一部を含み、パイプ９８０ｂは、消散型サイレンサ構成部品９１０ｂの一部を含む。

各々が直径Ｄ１を備えた第１の開口９２５ｃを有する円盤状端部プレート９２５ａ及び９２５ｂは、キャビティ９１２ａ及び９１２ｂにおいて繊維材料５１２ａを保持するために備えられる。端部プレート９２５ａ及び９２５ｂは、パイプ９８０ａ、９８０ｂ、９１４ａ、９１４ｂに溶接、或いは結合することができる。

ヘルムホルツ共鳴器構成部品９２０は、キャビティ部分９２２及び間隙９８２によって定められるネック部分９２４を含む。キャビティ９２２は、断面において円筒形状であり、長さ＝Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３、外径Ｄ３及び内径Ｄ２を有する。ネック部分９２４は、内径Ｄ１、外径Ｄ４、及び長さＬ２を有する円盤状開口を定める。ネック部分９２４は、端部プレート９２５ａ及び９２５ｂで定められる。或いは、ネック部分９２４は、円錐、円柱及び正方形管体のような他の幾何形状を有することができる。キャビティ部分９２２への延長部を用いてネック部分９２４を長くすることは、より低い共鳴周波数を実現するのに役立つ（上記式（７）を参照）。消散型サイレンサ構成部品９１０ａと９１０ｂとの間の長さＬ２を短くすることもまた、低周波数で高い透過損失を達成するのに役立つ場合がある。ネック部分の位置を含む幾何形状の影響は、有限要素法を用いて正確に予測することができる。

図１０は、本発明の他の態様の実施形態に従って構成されたマフラ又はサイレンサ１０００の断面図である。サイレンサ１０００は、消散型サイレンサ構成部品１０１０及び反応要素構成部品１０２０、すなわちヘルムホルツ共鳴器を含む混成サイレンサを備える。サイレンサ１０００は更に、消散型サイレンサ構成部品１０１０をヘルムホルツ共鳴器構成部品１０２０と接合又は接続するための接続構成部品１０３０を含む。消散型サイレンサ構成部品１０１０は、吸音材料１０１２を含み、周囲温度で約１５０Ｈｚを超える周波数において望ましい広帯域騒音減衰を示す。ヘルムホルツ共鳴器１０２０は、例えば室温で約５０から約１２０Ｈｚまでの、低速内燃機関騒音並びに低次の空気伝播騒音に特有の低周波数において望ましい騒音減衰を示す。従って、サイレンサ１０００は、幅広い周波数領域にわたる有効な減衰器である。図１０Ａは、消散型サイレンサ構成部品１０１０を別個のチャンバ１０１０ａ及び１０１０ｂに分離するため該構成部品においてバッフル１０１４ｃを含む本発明の消散型サイレンサを示している。

サイレンサ１０００は、金属、樹脂、又は例えば強化繊維及び樹脂材料を含む複合材料で形成される硬質の外側シェル１００２を含む。外側シェル複合材料の実施例は、名称「バンパ／マフラ組立体」の米国特許第６，６６８，９７２号に記載されている。図示された実施形態では、外側シェル１００２は、ほぼ楕円の形状を有する。外側シェル１００２は、消散型サイレンサ構成部品１０１０及びヘルムホルツ共鳴器構成部品１０２０が要求される減衰をもたらすために必要な容積が保持される限り、他のどのような幾何形状をも有することができる。

ほぼ直線状のパイプ１０６０、１０６４のようなパイプは、硬質の外側シェル１００２に結合され、外側シェル１００２の全長にわたって延びる。パイプは、若干の曲げ又は角度を有するパイプ、すなわちＳ字パイプ等を含むことができる。図示されてはいないが、従来型の排気管は、パイプ１０６０、１０６４の外側の端部と結合することができる。好ましくは、パイプ１０６４は外側シェル１００２の内壁１００２ａから十分な間隔を置いて配置して、パイプ１０６４とシェルの内壁１００２ａとの間に十分な量の繊維材料１０１２を設けるようにして、外側シェル１００２の十分な断熱を可能にし、且つ消散構成部品１０１０による音響減衰に関する外側シェル１００２による干渉を防ぐようにする。

パイプ１０６０の無孔の部分１０６２は、ヘルムホルツ共鳴器１０２０のキャビティ１０２２を貫通して延びている。パイプ１０６４は有孔であり、消散型サイレンサ１０１０の一部を形成する。パイプ１０６０と１０６４との間には、接続構成部品１０３０があり、これは消散型サイレンサ構成部品１０１０及び反応構成部品１０２０をパイプ１０６２に接合する。通常パイプ１０６４は、約５％〜約６０％の間の多孔率（すなわち閉鎖面積に対する開口面積のパーセンテージ）になるように穿孔されている。

ヘルムホルツ共鳴器のキャビティ１０２２は、任意選択的に音響特性を改善するガラス、鉱物、又は金属繊維などの繊維材料１０７０を含むことができる。従って、本発明のサイレンサは、周囲温度で約１５０Ｈｚより高い周波数において望ましい広帯域騒音減衰を示す消散型サイレンサ、及び例えば周囲温度で約５０から約１２０Ｈｚまでの低周波数において望ましい騒音減衰を示す共鳴構成部品を含み、広範囲の周波数にわたって有効な減衰器を形成する。

当該者であれば、本説明及び図面が種々の形態で実施することができる広範な教示を形成することが理解されるであろう。本発明は、特定の実施例及び図面を参照しながら説明してきた。しかしながら、図面、明細書及び請求の範囲を精査すると、当業者であればその修正及び変形は明らかであることから、本発明の真の範囲は特定の実施例及び図面に限定されるものはない。

従来技術の吸収型マフラの平面図である。 内部バッフルを含む吸収型マフラの平面図である。 内部バッフルを備えた消散型サイレンサ及びこうしたバッフルが無い消散型サイレンサについて境界要素法（ＢＥＭ）予測の空気流の無い透過損失（ｙ）対周波数（ｘ）のグラフである。 １つ及び２つの内部バッフルを含む消散型サイレンサ及びこのようなバッフルが無い消散型サイレンサについて生成された実験データの空気流の無い透過損失（ｙ）対周波数（ｘ）のグラフである。 排気システムにサイドブランチとして配置された従来技術のヘルムホルツ共鳴器の平面図である。 排気システムにサイドブランチとして配置された、繊維材料で内側を覆われた従来技術のヘルムホルツ共鳴器の平面図である。 様々な量の繊維質充填材料を含むヘルムホルツ共鳴器について生成された実験データの空気流の無い透過損失（ｙ）対周波数（ｘ）のグラフである。 本発明のサイレンサの平面図である。 線５Ａに沿って取られた図５の断面図である。 本発明のサイレンサの平面図である。 線６Ａに沿って取られた図６の断面図である。 本発明の実施形態によるサイレンサの４つの試作品と、２つの異なる寸法の入口及び出口パイプを備えた従来技術による反射型マフラを用いたサイレンサとについて生成された実験データの空気流の無い透過損失（ｙ）対周波数（ｘ）のグラフである。 本発明の実施形態によるサイレンサの４つの試作品と、２つの異なる寸法の入口及び出口パイプを備えた従来技術による反射型マフラを用いたサイレンサとについて生成された実験データの空気流の無い透過損失（ｙ）対周波数（ｘ）のグラフである。 本発明による４つのマフラの実施形態について生成された実験データの空気流の無い透過損失（ｙ）対周波数（ｘ）のグラフである。 本発明による４つのマフラの実施形態について生成された実験データの空気流の無い透過損失（ｙ）対周波数（ｘ）のグラフである。 本発明によるサイレンサの平面図である。 線９Ａに沿って取られた図９の断面図である。 本発明の少なくとも１つの実施形態によるバッフルを含むサイレンサの平面図である。 図１０のサイレンサに有用なバッフルを含む吸収型マフラの平面図である。

Claims (35)

1. 本体部分並びに第１及び第２の端部を有する外側シェルと、
   前記本体部分を通って排気ガスを移送する排気ダクトと、
   前記本体内に配置され、前記排気ダクトを囲む消散型サイレンサであって、前記排気ダクトを囲む少なくとも１つのバッフルを含み、このバッフルが前記消散型サイレンサを少なくとも２つの独立した音響構成部品に分離する前記消散型サイレンサと、
   前記本体内に配置されるチャンバ及びスロート部を含むヘルムホルツ共鳴器と、を備え、前記排気ダクトが有孔排気ダクトであり、この有孔排気ダクトが少なくとも３つの孔を有し、この有孔排気ダクトの少なくとも１つの孔が前記ヘルムホルツ共鳴器のスロート部に音響的に結合され、この有孔排気ダクトの少なくとも１つの孔が前記少なくとも２つの独立した音響構成部品のそれぞれに音響的に結合されていることを特徴とする内燃機関用サイレンサ。
2. 前記排気ダクトが前記消散型サイレンサ及び前記ヘルムホルツ共鳴器のチャンバを貫通し、前記排気ダクトが該ダクトの第１及び第２の部分に沿って複数の孔を有し、且つ前記ダクトの第３の部分に沿って無孔であり、前記排気ダクトの前記第１の部分が前記ヘルムホルツ共鳴器のスロート部と音響的に結合されており、前記ダクトの第２の部分が前記消散型サイレンサと音響的に結合され、前記ダクトの第３の部分が前記共鳴器を貫通することを特徴とする請求項１に記載のサイレンサ。
3. 更に、前記ヘルムホルツ共鳴器は、チャンバ及びスロート部を含む第１及び第２のヘルムホルツ共鳴器を備え、前記消散型サイレンサは、第１及び第２の消散型サイレンサを備え、
   前記排気ダクトが前記第１及び第２の消散型サイレンサ並びに前記第１及び第２のヘルムホルツ共鳴器のチャンバを貫通し、且つ前記排気ダクトの第１、第２及び第３の部分に沿って複数の孔を有し、前記排気ダクトの第４及び第５の部分に沿って無孔であり、
   前記排気ダクトの第２の部分が、前記第１及び第２のヘルムホルツ共鳴器のスロート部と音響的に結合されており、前記排気ダクトの第１及び第３の部分が前記第１及び第２の消散型サイレンサにそれぞれ音響的に結合され、前記排気ダクトの第４及び第５の部分が前記第１及び第２のヘルムホルツ共鳴器を貫通することを特徴とする請求項１に記載のサイレンサ。
4. 前記排気ダクトの第３の部分が前記第１及び第２のヘルムホルツ共鳴器のいずれとも音響的に結合されていないことを特徴とする請求項３に記載のサイレンサ。
5. 前記共鳴器のチャンバのそれぞれが多孔性材料を含むことを特徴とする請求項１に記載のサイレンサ。
6. 前記多孔性材料が、繊維材料であることを特徴とする請求項５に記載のサイレンサ。
7. 前記多孔性材料が本質的にガラス繊維及びミネラルウール繊維からなるグループから選択されることを特徴とする請求項５に記載のサイレンサ。
8. 前記多孔性材料が耐熱ガラス繊維であることを特徴とする請求項７に記載のサイレンサ。
9. 前記サイレンサの第１の端部と、
   前記サイレンサの第２の端部と、
   を更に備え、
   前記ヘルムホルツ共鳴器のチャンバが前記サイレンサの第２の端部に配置され、
   前記消散型サイレンサが前記第１及び第２の端部の間に配置され、且つ前記ヘルムホルツ共鳴器のスロート部が、前記サイレンサの第１の端部に隣接する前記排気ダクトに音響的に結合された前記消散型サイレンサの長さに沿って実質的に延びていることを特徴とする請求項１に記載のサイレンサ。
10. 前記サイレンサの第１の端部において前記サイレンサに排気が入力されることを特徴とする請求項９に記載のサイレンサ。
11. 前記サイレンサの第２の端部において前記サイレンサに排気が入力されることを特徴とする請求項９に記載のサイレンサ。
12. 前記スロート部がほぼ輪状の断面を有し、且つ前記消散型サイレンサを囲むことを特徴とする請求項９に記載のサイレンサ。
13. 前記スロート部がほぼ円形の断面を有することを特徴とする請求項９に記載のサイレンサ。
14. 前記共鳴器内に繊維質充填材料を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のサイレンサ。
15. 前記共鳴器が少なくとも１つの壁を含み、前記繊維質充填材料が前記共鳴器の少なくとも１つの壁を覆うことを特徴とする請求項１４に記載のサイレンサ。
16. 本体部分並びに第１及び第２の端部を有する外側シェルであって、前記本体部分が長手方向に延びる中心線を備えた前記外側シェルと、
    第１及び第２の部分に沿った複数の孔、及び、無孔の第３の部分を有する排気ダクトであって、前記本体部分の中心線の一方の側にオフセットされている前記排気ダクトと、
    前記本体内に配置された、チャンバ及び前記排気ダクトの第１の部分において少なくとも１つの孔に音響的に結合されているスロート部を含む共鳴器と、
    前記本体内に配置され且つ前記排気ダクトの第２の部分を囲む消散型サイレンサと、
    を備え、
    前記排気ダクトの前記第１の部分が前記共鳴器のスロート部に音響的に結合され、前記排気ダクトの前記第２の部分が前記消散型サイレンサに音響的に結合され、前記排気ダクトの前記第３の部分が前記共鳴器のチャンバを貫通し、前記共鳴器のスロート部は、前記消散型サイレンサからオフセットされ、前記本体部分の中心線に対し前記排気ダクトとは反対側に位置していることを特徴とする内燃機関用サイレンサ。
17. 前記共鳴器のチャンバが前記外側シェルの第２の端部に配置され、前記消散型サイレンサが前記第１及び第２の端部間に配置され、前記共鳴器のスロート部が前記消散型サイレンサの長さに沿って実質的に延びており、且つ前記シェルの第１の端部に隣接する前記排気ダクトに音響的に結合されていることを特徴とする請求項１６に記載のサイレンサ。
18. 前記チャンバの第１の端部において前記サイレンサに排気が入力されることを特徴とする請求項１７に記載のサイレンサ。
19. 前記サイレンサの第２の端部において前記サイレンサに排気が入力されることを特徴とする請求項１７に記載のサイレンサ。
20. 前記スロート部がほぼ円形の断面を有することを特徴とする請求項１７に記載のサイレンサ。
21. 前記共鳴器内に繊維質充填材料を更に含むことを特徴とする請求項１６に記載のサイレンサ。
22. 前記共鳴器が少なくとも１つの壁を含み、前記繊維質充填材料が前記共鳴器の少なくとも１つの壁を覆うことを特徴とする請求項２１に記載のサイレンサ。
23. 本体部分並びに第１及び第２の端部を有する外側シェルと、
    前記本体内に配置されたチャンバ及びスロート部を含む共鳴器と、
    前記本体内に配置された消散型サイレンサと、
    前記第１の端部を通って前記外側シェルに入り、前記本体部分を通って排気ガスを移送する第１の部分、及び、前記第２の端部から出る第２の部分を有すると共に、第１及び第２の部分に沿って複数の孔を有する排気ダクトと、を備え、
    前記共鳴器のスロート部が前記消散型サイレンサを第１の音響構成部品及び第２の音響構成部品に分離するように、前記共鳴器のスロート部が前記第１の部分と前記第２の部分との間の前記排気ダクトと連通し、前記第１の音響構成部品及び前記第２の音響構成部品の各々が、前記排気ダクトから前記共鳴器のチャンバまで延びて前記共鳴器のスロート部を形成するバッフルプレートを含むことを特徴とするサイレンサ。
24. 前記共鳴器のチャンバが前記消散型サイレンサと同心であり、前記消散型サイレンサの長さに沿って実質的に延びていることを特徴とする請求項２３に記載のサイレンサ。
25. 前記チャンバがほぼ輪状の断面を有し、且つ前記消散型サイレンサを囲むことを特徴とする請求項２４に記載のサイレンサ。
26. 前記スロート部がほぼ円形の断面を有することを特徴とする請求項２４に記載のサイレンサ。
27. 前記共鳴器内に繊維質充填材料を更に含む請求項２３に記載のサイレンサ。
28. 前記共鳴器が少なくとも１つの壁を含み、前記繊維質充填材料が前記共鳴器の少なくとも１つの壁を覆うことを特徴とする請求項２７に記載のサイレンサ。
29. 第１及び第２の端部を有する外側シェルと、
    前記外側シェル内にチャンバ及びスロート部を含む共鳴器と、
    前記本体内に配置された消散型サイレンサと、
    前記第１の端部を通って前記外側シェルに入り、前記消散型サイレンサを通って排気ガスを移送する、前記消散型サイレンサ内に複数の孔を有する第１の排気ダクトと、
    前記共鳴器を貫通して、前記第２の端部を通って出る第２の排気ダクトであって、前記第１の排気ダクトからオフセットされている前記第２の排気ダクトと、
    前記外側シェル内にあり、前記第１及び第２の排気ダクト並びに前記共鳴器と流体連通した中間チャンバであって、前記消散型サイレンサを前記共鳴器から分離する前記中間チャンバと、
    前記消散型サイレンサ内で前記サイレンサを別個の音響チャンバに分離するバッフルでって、前記第１の排気ダクトの外部に配置されている前記バッフルと、
    を有することを特徴とするサイレンサ。
30. 前記共鳴器内にある繊維質充填材料を更に含む請求項２９に記載のサイレンサ。
31. 前記共鳴器が更に少なくとも１つの壁を含み、前記繊維質充填材料が前記共鳴器の少なくとも１つの壁を覆うことを特徴とする請求項３０に記載のサイレンサ。
32. 前記消散型サイレンサ内に設けられ、前記消散型サイレンサを複数の音響チャンバに分離する複数のバッフルを更に備えることを特徴とする請求項２９に記載のサイレンサ。
33. 第１及び第２の端部を有する外側シェルと、
    前記外側シェル内に配置されたチャンバ及びスロート部を含む共鳴器と、
    前記本体内に配置された消散型サイレンサと、
    前記第１の端部を通って外側シェルに入って前記消散型サイレンサを通って排気ガスを移送する、前記消散型サイレンサ内に複数の孔を有する第１の排気ダクトと、
    前記共鳴器を貫通して前記第２の端部を通って出る第２の排気ダクトであって、前記第１の排気ダクトからオフセットされている前記第２の排気ダクトと、
    前記外側シェル内にあり、前記第１及び第２の排気ダクト並びに前記共鳴器と流体連通した中間チャンバであって、前記消散型サイレンサを前記共鳴器から分離する前記中間チャンバと、を有し、
    前記消散型サイレンサ内で前記サイレンサを別個の音響チャンバに分離するバッフルを更に備えることを特徴とするサイレンサ。
34. 第１及び第２の端部を有する外側シェルと、
    前記外側シェル内に配置されたチャンバ及びスロート部を含む共鳴器と、
    前記本体内に配置された消散型サイレンサと、
    前記第１の端部を通って外側シェルに入って前記消散型サイレンサを通って排気ガスを移送する、前記消散型サイレンサ内に複数の孔を有する第１の排気ダクトと、
    前記共鳴器を貫通して前記第２の端部を通って出る第２の排気ダクトであって、前記第１の排気ダクトからオフセットされている前記第２の排気ダクトと、
    前記外側シェル内にあり、前記第１及び第２の排気ダクト並びに前記共鳴器と流体連通した中間チャンバであって、前記消散型サイレンサを前記共鳴器から分離する前記中間チャンバと、を有し、
    前記消散型サイレンサ内に複数のバッフルを更に備えることを特徴とするサイレンサ。
35. 前記共鳴器が更に少なくとも１つの壁を含み、繊維質充填材料が前記共鳴器の少なくとも１つの壁を覆うことを特徴とする請求項３３又は３４に記載のサイレンサ。

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