JP4731829B2 - 消音装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばトンネルの換気ファンに接続されたダクトの途中に設けられ、換気ファンから発せられる騒音を減少させるのに用いられる消音装置に関する。

新たな道路を建設するに当たり、山間部では長い距離のトンネル道路が建設されるとともに、都市部では用地確保が困難となっていることや土地の有効活用の観点から地下トンネル道路が建設され始めている。これらのトンネル道路では、トンネル内に充満する自動車の排気ガスを換気するため、図５の垂直断面図に示すように、トンネル１１内から上方に向かって外気１２に通じる通風路１３に大型の換気ファン１４が設置されている。そして、このような大型の換気ファン１４から発せられる騒音を低減するため換気ファン１４に接続されたダクト１５の途中に消音装置１が取り付けられるようになってきた。特に都市部ではより厳しい静粛性が求められるためこのような消音装置１の設置が不可欠となっている。

〔従来技術１〕
このように通風路１３内に設置される消音装置１には、通風性能を維持しつつ消音性能を発揮することが求められる。このため消音装置１として、一般的には、図６の水平断面図に示すように、筒状外板３の内壁に吸音材４を装着してなるセル形消音器２を複数台、それらの長手方向を図５のダクト１５の流路方向に沿わせて並べたものが用いられている。ところが、このような構造の消音装置１では、通風性能と消音性能とは相反する性能である。すなわち、吸音材４の厚みを増して開口率を小さくすると消音性能（挿入損失、後述）が向上する（図７参照）が、セル形消音器２の流路（開口部）５の断面積が小さくなり圧力損失が増大し通風性能が低下する（図８参照）。このため、換気ファンの駆動力を大きくする必要があり、設備コストおよび消費電力の増大を招く。さらには、流路５内の風速が上昇することにより、消音装置１自身から発生する騒音（セルフノイズ）が大きくなり、消音効果が減殺されることになる（図９参照）。一方、通風性能を向上させるために流路（開口部）５の断面積を大きくすると、セルフノイズも小さくできるが、吸音材の厚みが減少し、消音性能が低下する。この消音性能の低下は、消音装置１（セル形消音器２）の長さを長くすれば補えるが、設備コストが高くなるうえ、大きな設置スペースが必要となる。したがって、従来の消音装置では通風性能と消音性能とを両立させることが困難であり、設備コスト、運転コスト（電力消費量）および設置スペースを増大することなく、消音性能を向上させたいとする要請に答えることができなかった。

なお、上記図７〜９のデータを得るために用いた実験装置および実験方法を以下に示す。

(1)挿入損失の測定
消音装置により減音される騒音源のパワーレベルの低下分（挿入損失）を測定するため、図１０に概略を示す測定装置を用いた。この測定装置は、換気ファンからの騒音を模擬したスピーカからのノイズ（騒音）を入口導入部ダクトを介して消音装置に導入し、消音装置を透過した減音後のノイズ（騒音）を消音装置の出口側に設置した出口導入部ダクトの途中に設けた騒音観測面で計測するように構成されている。出口導入部ダクトの他端には、音波の反射を防止するため吸音材を充填している。そして、スピーカからノイズ（騒音）を発生させ、出口導入部ダクト内の騒音観測面に設置したマイクロフォンで、減音後の音圧レベルと周波数を計測する。次に、消音装置を、消音性能を有しないただのダクトに取り替え、スピーカから上記と同じ強度のノイズ（騒音）を発生させて同様の計測を行う。消音装置の消音性能の指標となる挿入損失は、消音性能を有しないダクトを設置して計測した音圧レベルから、消音装置を設置して計測した音圧レベルを差し引くことにより求めた。

(2)セルフノイズおよび圧力損失の測定
消音装置から発生するセルフノイズおよび消音装置を空気が通過する際に生じる圧力損失を測定するため、図１１に概略を示す測定装置を用いた。この測定装置は、消音装置の一端に、整流用の導入部ダクトと、風量を測定するための計測部ダクトとを介して風洞を接続するとともに、消音装置の他端から一定距離の騒音観測面にマイクロフォンを設置している。そして、風洞で空気を吸引することにより、計測部ダクトおよび導入部ダクトを介して消音装置内を空気が通過してセルフノイズが発生するとともに、圧力損失が生じる。消音装置を通過する風量は、消音装置から排出された空気流を導入部ダクトで整流した後、その風速分布を計測部ダクト内の風速計側面でピトー管により計測し、この風速分布から算出した。消音装置から発生したセルフノイズは騒音観測面に設置したマイクロフォンで音圧レベルを計測し、騒音発生源から騒音観測面までの面積拡大を考慮してセルフノイズのパワーレベルを算出した。また、導入部ダクト内で圧力（負圧）を計測し、これを消音装置の圧力損失とした。

〔従来技術２〕
特許文献１には、運搬および組み立てを簡単にする目的で、セル形消音器の筒状外板を鋼板製とし、該セル形消音器の複数台を直接束ね部材で束ね、該束ねた複数台のセル形消音器を直接ダクト途中に取り付けるようにした消音装置が開示されている。しかしながら、上記従来技術１で指摘したセルフノイズによる問題点およびその解決手段についてはなんら言及されていない。

〔従来技術３〕
特許文献２には、減音効果を向上させるとともに、軽量化を図ることを目的として、立方格子状の骨材と斜め格子状の骨材と、支持型材とからフレームを構成し、この支持型材の溝部にセラミック板を挿入して格子状のセルを形成し、特定のセルの端部に整流板およびシールプレートを取り付け、吸音構造にしたものが開示されている。しかしながら、この文献にも上記従来技術１で指摘したセルフノイズによる問題点およびその解決手段についてはなんら言及がない。

〔従来技術４〕
特許文献３には、低周波数帯域から高周波数帯域までの幅広い周波数帯域の音を消音することができ、圧力損失が小さく、セルフノイズの発生を防止することを目的として、超高密度グラスウール板で形成され屈曲する通気路と、この通気路に面して設けられる吸音材としてのグラスウールとを有し、通気路は、断面積が一定のまま連続する部分であって、その断面形状が長方形から正方形を経て再度長方形に連続して変化するようにした消音器（消音装置）が開示されている。なお、この消音器（消音装置）は単一の通気路のみで構成されたものである。
特開２０００−９７００９号公報 特開２００１−１６４９２２号公報 特開２００４−２８０２８号公報

そこで、本発明は、通風性能を維持しつつ、消音性能を向上させた消音装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、筒状外板の内壁に吸音材を装着してなる複数のセル形消音器を、それらの長手方向をダクトの流路方向に沿わせて前記ダクトの途中に配置して構成した消音装置であって、前記複数のセル形消音器は、筒状外板の開口部が同一の断面寸法を有するとともに、２種類以上の異なる開口率を有するものであり、前記消音装置により減音された後の騒音のパワーレベルと、前記消音装置から発生するセルフノイズのパワーレベルとがほぼ同等になるように、前記２種類以上の異なる開口率それ自体、および／または、前記２種類以上の異なる開口率を有するセル形消音器の各台数の比率を調整することを特徴とする消音装置である。ここに、「開口率」とは、吸音材を装着する前の筒状外板の開口面積に対する吸音材を装着した後の開口面積の割合をいう。

請求項２に記載の発明は、筒状外板の内壁に吸音材を装着してなる複数のセル形消音器を、それらの長手方向をダクトの流路方向に沿わせて前記ダクトの途中に配置して構成した消音装置であって、前記複数のセル形消音器は、筒状外板の開口部が同一の断面寸法を有するとともに、２種類以上の異なる開口率を有するものであり、前記消音装置の流路に垂直な断面内において、周辺寄りの領域より中心寄りの領域に開口率の小さい側のセル形消音器を多く配置したことを特徴とする消音装置である。ここに、「開口率」とは、吸音材を装着する前の筒状外板の開口面積に対する吸音材を装着した後の開口面積の割合をいう。

本発明によれば、２種類以上の異なる開口率を有するセル形消音器を組み合せることによって、通風性能を維持しつつセルフノイズを低減し、かつ騒音源の消音効果を増大できる。この結果、従来品より設備コスト、運転コスト（電力消費量）および設置スペースを増大することなく、消音性能を向上させた消音装置を提供することが実現できる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施形態において、消音装置の水平断面におけるセル形消音器２の開口率の構成以外は従来技術１の消音装置と同様の構成を有しているので、図５および図６で用いたのと同じ符号および構成部材名により説明を行う。

〔実施形態１〕
従来技術１と同様、図５に示すように、トンネル１１内から上方に向かって外気１２に通じる通風路１３に大型の換気ファン１４が設置され、この換気ファン１４に接続されたダクト１５の途中に本実施形態に係る消音装置１が取り付けられている。

この消音装置１は、図１の水平断面図に示すように、水平断面が矩形状の筒状外板３の内壁に吸音材４を装着してなるセル形消音器２を複数台、それらの長手方向をダクト１５の流路方向（図５参照）に沿わせて並べたものが用いられている。筒状外板３には、消音装置１の本体側面からの音の漏れを防止するため例えば鋼板を用い、吸音材４には、例えば軽量で吸音性能に優れるグラスウールを用いる。

セル形消音器２は、吸音材４の厚みを変えて２種類の異なる開口率（例えば４８％と５８％）を有するように形成し、図１に示すように、例えば市松模様状に交互に配置する。図中、２ａは開口率の小さい側のセル形消音器を、２ｂは開口率の大きい側のセル形消音器を示す。

このように、２種類の異なる開口率のセル形消音器２ａ，２ｂを用いたことにより、開口率の大きい側のセル形消音器２ｂ内を空気が多く流れるため、開口率の小さい側のセル形消音器２ａ内の風量が制限される。その結果、消音装置１全体の通風性能が維持されて圧力損失が過度に上昇することなく、かつ消音装置１からのセルフノイズの発生を抑制できる。

なお、本発明に係る消音装置１を設置したことによる消音効果をさらに高めるには、消音装置１により減音された後の騒音のパワーレベルと、消音装置１から発生するセルフノイズのパワーレベルとをほぼ同等にすることが望ましい。このためには、前記２種類の異なる開口率それ自体、および／または、前記２種類の異なる開口率を有するセル形消音器２ａ，２ｂの各台数の比率を調整すればよい。この調整は、例えば、実際の消音装置１で、前記２種類の異なる開口率それ自体、および／または、前記２種類の異なる開口率を有するセル形消音器２ａ，２ｂの各台数を適宜変更してその消音効果が最大となるように決定してもよいし、実験等により前記２種類の異なる開口率それ自体、および／または、前記２種類の異なる開口率を有するセル形消音器２ａ，２ｂの各台数をどのように調整するのが最も消音効果が大きいかを事前に決定するようにしてもよい。

以下の実施形態２〜４に、消音装置１の流路に垂直な断面内において、周辺寄りの領域より中心寄りの領域に開口率の小さい側のセル形消音器２ａを多く配置した例を示す。

〔実施形態２〕
図２に、本発明の別の実施形態に係る消音装置の水平断面図を示す。本例は、上記実施形態１と異なり、消音装置１の流路に垂直な断面内において、中心寄りの領域に開口率の小さい側のセル形消音器２ａを集中的に配置したものである。

ダクト１５内においては、一般的に、中心近傍の風速が大きく、壁面近傍の風速が小さい。したがって、消音装置１の中心寄りの領域に開口率の小さい側のセル形消音器２ａを集中的に配置することにより、中心近傍の風速を低下させ、消音装置１断面内の風速分布がより均一化され、さらに圧力損失の上昇およびセルフノイズの発生を抑制できる。

〔実施形態３〕
図３に、本発明のさらに別の実施形態に係る消音装置の水平断面図を示す。本例は、上記実施形態２において、中心寄りの領域に配置する開口率の小さい側のセル形消音器２ａのセル形消音器２全部に対する台数の比率を増加させた場合の例である。ダクト１５内の中心近傍の風速と壁面近傍の風速の差が大きい場合に有効である。

〔実施形態４〕
図４に、本発明のさらに別の実施形態に係る消音装置の水平断面図を示す。本例は、中心寄りの領域に配置する開口率の小さい側のセル形消音器２ａの上記台数の比率を減少させた場合の例である。ダクト１５内の中心近傍の風速と壁面近傍の風速の差がそれほど大きくない場合に有効である。

［変形例］
上記実施形態では、異なる開口率の種類を２種類とする例を示したが、３種類以上としても良い。

また、上記実施形態では、消音装置１開口部の断面形状を矩形とする例を示したが、円形、三角形・六角形等の多角形などとしても良い。

また、上記実施形態では、筒状外板３開口部の形状を矩形とする例を示したが、三角形・六角形等の多角形などとしても良い。

また、上記実施形態では、吸音材４の開口部５の形状を矩形とする例を示したが、円形、楕円形、三角形・六角形等の多角形などとしても良い。

また、上記実施形態１では、セル形消音器２の配置を市松模様状とする例を示したが、例えば開口率の小さいもの２ａと大きいもの２ｂとを交互にリング状に配置するようにしても良い。

また、上記実施形態では、トンネル１１内から上方に向かう通風路１３に消音装置１を設ける例を示したが、トンネル１１内から斜め上方や側方等に向かう通風路に設けても良い。

また、上記実施形態では、筒状外板３として鋼板を例示したが、ステンレス鋼板、アルミニウム板その他の金属板や合成樹脂板などを用いても良い。

また、上記実施形態では、吸音材４としてグラスウールを例示したが、ロックウールその他の不定形の吸音材、セラミック板などを用いても良い。

本発明の効果を確認するため、以下の３種類の消音装置を、トンネル１１内から外気１２に通じる通風路１３に設置された換気ファン１４に接続されたダクト１５の途中に取り付け、それぞれ消音装置の消音性能および通風性能を比較した。

（発明例の消音装置）
発明例の消音装置としては、上記実施形態１に示すものとし、開口率４８％および５８％をそれぞれ有する２種類のセル形消音器（長さはともに４０００ｍｍ）を同数（５０台）ずつ、図１に示す市松模様状に配置としたものを用いた。

（比較例１の消音装置）
比較例１の消音装置としては、従来技術１に示すものとし、開口率５８％のセル形消音器（長さは４０００ｍｍ）だけを１００台使用して、図６に示す配置としたものを用いた。

（比較例２の消音装置）
比較例２の消音装置としては、上記比較例１と同様、従来技術１に示すものとし、開口率４８％のセル形消音器（長さは４０００ｍｍ）だけを１００台使用して、図６に示す配置としたものを用いた。

（計測方法）
各消音装置の消音性能を比較するため、消音装置の直上０．５ｍの位置で騒音レベルを計測した。また、消音装置前後の圧力を測定し、消音装置による圧力損失を計測した。

（計測結果）
計測結果を下記の表１に示す。この表に示すように、単に全部のセル形消音器の開口率を一律に低下させるだけでは、騒音レベルはほとんど改善されないばかりか、却って圧力損失が著しく上昇し、通風性能が大幅に悪化している（比較例１→比較例２参照）。これに対し、発明例では、騒音レベルは比較例１，２より７〜８ｄＢ（Ａ）低下しており、消音性能の大幅な向上が認められた。また、発明例の圧力損失は、比較例１より少し上昇するものの許容の範囲である。

実施形態１に係る消音装置の概略を示す水平断面図である。 実施形態２に係る消音装置の概略を示す水平断面図である。 実施形態３に係る消音装置の概略を示す水平断面図である。 実施形態４に係る消音装置の概略を示す水平断面図である。 トンネルの換気装置に設置する場合における消音装置の設置位置を説明する垂直断面図である。 従来技術１の消音装置の概略を示す水平断面図である。 騒音の周波数帯域と消音装置による挿入損失との関係を示すグラフ図である。 消音装置内を通過する風量と消音装置から発生するセルフノイズのパワーレベルとの関係を示すグラフ図である。 消音装置内を通過する風量と消音装置による圧力損失との関係を示すグラフ図である。 消音装置による挿入損失を測定するための実験装置の概略構成を示す水平断面図である。 消音装置における圧力損失を測定するための実験装置の概略構成を示す水平断面図である。

符号の説明

１：消音装置
２：セル形消音器
２ａ：開口率の小さい側のセル形消音器
２ｂ：開口率の大きい側のセル形消音器
３：筒状外板
４：吸音材
５：流路（開口部）
１１：トンネル
１２：外気
１３：通風路
１４：換気ファン
１５：ダクト

Claims (2)

1. 筒状外板の内壁に吸音材を装着してなる複数のセル形消音器を、それらの長手方向をダクトの流路方向に沿わせて前記ダクトの途中に配置して構成した消音装置であって、
   前記複数のセル形消音器は、筒状外板の開口部が同一の断面寸法を有するとともに、２種類以上の異なる開口率を有するものであり、
   前記消音装置により減音された後の騒音のパワーレベルと、前記消音装置から発生するセルフノイズのパワーレベルとがほぼ同等になるように、前記２種類以上の異なる開口率それ自体、および／または、前記２種類以上の異なる開口率を有するセル形消音器の各台数の比率を調整することを特徴とする消音装置。
   ここに、「開口率」とは、吸音材を装着する前の筒状外板の開口面積に対する吸音材を装着した後の開口面積の割合をいう。
2. 筒状外板の内壁に吸音材を装着してなる複数のセル形消音器を、それらの長手方向をダクトの流路方向に沿わせて前記ダクトの途中に配置して構成した消音装置であって、
   前記複数のセル形消音器は、筒状外板の開口部が同一の断面寸法を有するとともに、２種類以上の異なる開口率を有するものであり、
   前記消音装置の流路に垂直な断面内において、周辺寄りの領域より中心寄りの領域に開口率の小さい側のセル形消音器を多く配置したことを特徴とする消音装置。
   ここに、「開口率」とは、吸音材を装着する前の筒状外板の開口面積に対する吸音材を装着した後の開口面積の割合をいう。

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