JP6221051B2 - 能動型消音装置 - Google Patents

Description

本発明は、通風路に付設して送風に伴う送風ダクト内の騒音を消音するための能動型消音装置に関するものである。

従来、ダクト用能動型消音装置としては、図７の断面図に示すように、ダクト１０１の内部に上流側から適宜間隔をそれぞれ設けて順次付設された内部原音のリファレンスマイク１０２，消音用スピーカ１０３，エラーマイク１０４ と、それらとそれぞれ接続された演算制御器１０５とから構成されるものが知られている（例えば特許文献１参照）。そして、送風に伴いダクト１０１内に発生する騒音は気流音に比べて騒音源である送風機が発する騒音が支配的であり、この送風機から発生する騒音を消音対象音とするものである。

この種の装置において、ダクト１０１内を気流１０６とともに伝搬する発生音は、リファレンスマイク１０２で周波数等が検出され、演算制御器１０５で上記原音と逆位相の信号が作成され、それが消音用スピーカ１０３からダクト１０１内に放出され上記原音をキャンセル消音し、エラーマイク１０４がダクト内部音をモニターし、演算制御器１０５でエラーマイク１０４の出力が零になるように消音用スピーカ１０３を自動的に調整している。

このようにリファレンスマイク１０２とエラーマイク１０４双方の検出信号から消音信号を決定する制御方法を用いた能動型消音装置において消音効果を得るためには、リファレンスマイク１０２とエラーマイク１０４の間に高い相関性（以下コヒーレンス）を得る必要がある。しかしながら、気流が生じるダクト内では気流に起因する騒音をマイクが検出することによってコヒーレンスが低下し、十分な消音効果を得ることができない。また、エラーマイク１０４を有さず、リファレンスマイク１０２の検出信号からのみ消音信号を決定する制御方法を用いた能動消音装置においても、予めリファレンスマイク１０２と制御点の間の伝達関数を計測し初期の音響特性を用いて消音信号を決定するため、リファレンスマイク１０２が気流に起因する騒音をマイクが検出すると消音効果は低下する。特に風速の速い場合は、気流に起因する騒音は増大し、マイクに与える影響も大きくなる。

このため、気流がマイクに与える影響を低減する通風路用能動消音ユニットとして、マイクを取り付ける膨張室をダクトの一部に設けたものが知られている（例えば特許文献２参照）。

以下、その能動型消音装置について図８を参照しながら説明する。

図８に示すように、送風用のファン２０２を備えたダクト２０１の一部について気流方向に垂直な断面積を拡張して膨張室２０３を形成し、膨張室２０３内にマイク２０４を取り付けるようにしたものである。膨張室２０３を設けることにより、ダクト２０１内の気流はこの膨張室２０３に到達すると、その気流方向に垂直な断面積が大きくなるので、その風速が下がる。よって気流がマイク２０４に与える影響を低減でき、消音効果の低下を抑制することが期待できる。

実開平５−１１１９８号公報 特開平７−１６２９７９号公報

しかしながら上記特許文献２に記載の能動型消音装置では、ダクトと膨張室の境界部のエッジ部分で気圧が変化することで剥離による気流の渦が発生し、その渦が膨張室へと侵入してマイクの振動板に衝突し、コヒーレンスが低下するという課題がある。特に、換気能力の高い送風ファンを使用する場合には、気流の風速が大きくなり、ダクト内で気流の乱れや渦が生じやすくなる。そのため、大風量の送風ファンを付設したダクトにおいて、上記特許文献２に記載の能動型消音装置では、気流の乱れや渦が拡張室内へ侵入してしまい、気流がマイクに与える影響を十分に低減することができず、十分な消音効果が得ることができない。

そこで本発明は、上記課題を解決するものであり、通風路内においても、気流がマイクに与える影響を低減することで、送風に伴う送風ダクト内の騒音に対して高い消音効果を得ることができる能動型消音装置を提供することを目的とする。

そして、本発明は上記目的を達成するために、一端が騒音源に接続された送風ダクトに付設され、前記送風ダクト内を伝播する騒音を検出するリファレンスマイクと、リファレンスマイクによって検出された騒音とは逆位相の音を前記送風ダクトに放出する二次音源スピーカとから構成された能動型消音装置であって、前記騒音源から前記リファレンスマイク、前記二次音源スピーカの順に配置されており、前記送風ダクト壁面を基準面として、前記送風ダクトに連通するように前記リファレンスマイクの設置部が最奥面となるよう壁面に埋め込まれ、前記基準面と前記最奥面の間に前記最奥面よりも面積の大きい第二基準面を形成し、前記基準面から前記第二基準面までの空間を第一窪み空間とし、前記第二基準面から前記最奥面までの空間を第二窪み空間とする二段窪み構造を設けたものであり、これによって所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、気流がマイクに与える影響を低減する構成として、騒音源から前記リファレンスマイク、二次音源スピーカの順に配置されており、送風ダクト壁面を基準面として、前記リファレンスマイクの設置部が最奥面となるよう壁面に埋め込まれ、最奥面の面積は前記リファレンスマイクの振動板の面積と同等程度であり、前記基準面と前記最奥面の間に前記最奥面よりも面積の大きい第二基準面を形成し、前記基準面から前記第二基準面までの空間を第一窪み空間とし、前記第二基準面から前記最奥面までの空間を第二窪み空間とする二段窪み構造を設けたものであり、一端が騒音源に接続された送風ダクト内に能動型消音装置を設置しても、気流がマイクに与える影響を低減しコヒーレンスの低下を抑え、高い消音効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１の能動型消音装置を示す断面図 同能動型消音装置のマイク近傍の平面視図 同能動型消音装置のマイク近傍の断面図 本発明の実施の形態２の能動型消音装置を示す断面図 同能動型消音装置のマイク近傍の断面図 本発明の実施の形態３の能動型消音装置を示す断面図 従来の能動型消音装置を示す断面図 従来の能動型消音装置を示す断面図

本発明の請求項１記載の能動型消音装置は、一端が騒音源に接続された送風ダクトに付設され、送風ダクト内を伝播する騒音を検出するリファレンスマイクと、リファレンスマイクによって検出された騒音とは逆位相の音を送風ダクトに放出する二次音源スピーカとから構成された能動型消音装置であって、騒音源からリファレンスマイク、二次音源スピーカの順に配置されており、送風ダクト壁面を基準面として、リファレンスマイクの設置部が最奥面となるよう壁面に埋め込まれ、最奥面の面積はリファレンスマイクの振動板の面積と同等程度であり、基準面と最奥面の間に最奥面よりも面積の大きい第二基準面を形成し、基準面から第二基準面までの空間を第一窪み空間とし、第二基準面から最奥面までの空間を第二窪み空間とする二段窪み構造を設けたものである。

これにより、二段窪み構造部では気流方向に垂直な断面積が大きくなるので、ダクト内の気流の風速が下がる。そして、気流がマイクに与える影響を低減することができる。また、ダクト壁面近傍で剥離により発生する渦が第一窪み空間内に進入しても、最奥面の面積は第二基準面の面積より十分小さいことから渦が第二窪み空間内に進入しにくくなり、第二窪み空間の最奥面に設置されているリファレンスマイクに渦が到達することを抑制できる。これにより、気流がリファレンスマイクに与える影響を低減することができる。

また、請求項２記載の能動型消音装置は、送風ダクト内部音をモニターするエラーマイクを、騒音源からリファレンスマイク、二次音源スピーカ、エラーマイクの順に配置し、送風ダクト壁面を基準面として、エラーマイクの設置部が最奥面となるよう壁面に埋め込まれ、最奥面の面積はエラーマイクの振動板の面積と同等程度であり、基準面と最奥面の間に最奥面よりも面積の大きい第二基準面を形成し、基準面から第二基準面までの空間を第一窪み空間とし、第二基準面から最奥面までの空間を第二窪み空間とする二段窪み構造を設けたものである。

これにより、リファレンスマイクを設置した二段窪み構造による効果と同様の効果をエラーマイクにおいても得ることができ、気流がエラーマイクに与える影響を低減することができる。

また、請求項３記載の能動型消音装置は、リファレンスマイクを配置する二段窪み構造の基準面を、エラーマイクを配置する二段窪み構造の基準面と向かい合う送風ダクト壁面とするものである。

これにより、気流の上流側に配置されるリファレンスマイクもしくはエラーマイクの設置箇所を通過する際に二段窪み構造を構成するエッジ部により生じた気流の乱れや渦が気流の下流側に配置される他方のマイクに与える影響を低減することができる。

また、請求項４記載の能動型消音装置は、第二基準面の気流方向長さを、最奥面の気流方向長さの２倍以上とするものである。

これにより、気流方向に垂直な断面積が大きくなる部分を増やすことができ、二段窪み構造部の風速を低減させる効果を向上させることができる。更に、基準面と第一窪み空間の境界部とマイクの振動板との距離が十分に確保できるため、基準面と第一窪み空間の境界部のエッジ部分で発生し第一窪み空間内に進入した渦が第二窪み空間内に進入することを抑制する効果が期待でき、これにより気流がリファレンスマイクやエラーマイクに与える影響を低減することができる。

また、請求項５記載の能動型消音装置は、第二基準面に対し、最奥面を気流方向の上流側に配置するものである。

これにより、二段窪み構造部では気流の風速が下がり空気密度が低下するが、二段窪み構造部へ到達した主気流は下流へと流れつつ徐々に第一窪み空間内へ進入するため、第一窪み内の気流上流側は下流側と比べて空気密度が小さくなり、気流の渦が発生しにくいのでマイクが受ける気流の影響を低減できる。更に、第一窪み空間を構成する気流下流側の側壁面からの距離を確保することができるため、第一窪み空間を構成する気流下流側の側壁面に気流が衝突することで生じる渦が第二窪み空間内へと進入することも抑制することができる。したがって気流がリファレンスマイクやエラーマイクに与える影響を低減することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態について、図１、図２、図３を参照しながら説明する。

図１の能動型消音装置７の断面図に示すように、本実施の形態の能動型消音装置７は、一端が騒音源となる送風ファン２に接続された送風ダクト１に付設された、送風ダクト１内を伝播する騒音を検出するリファレンスマイク４と、キャンセル音を送風ダクト１に放出する二次音源スピーカ５と、ダクト内部音をモニターするエラーマイク６とから構成されている。

そして、騒音源である送風ファン２からリファレンスマイク４、二次音源スピーカ５、エラーマイク６の順に配置されている。

送風ダクト１は、断面が矩形であって、送風ダクト１の１つの壁面を基準面８として、リファレンスマイク４とエラーマイク６の設置部は、前記壁面に連続する平面であって、送風方向の中心軸から最も離れて位置する最奥面９に埋め込まれている。

つまり、リファレンスマイク４とエラーマイク６の設置部が最奥面となるよう壁面に埋め込まれ、また、最奥面９の面積は、それぞれリファレンスマイク４とエラーマイク６の振動板の面積と同等程度にしている。

また、基準面８と最奥面９の間には、第二基準面１０を形成し、基準面８から第二基準面１０までの空間を第一窪み空間１１とし、第二基準面１０から最奥面９までの空間を第二窪み空間１２とする二段窪み構造１３を形成する。

つまり、リファレンスマイク４とエラーマイク６の設置部には、第一窪み空間１１と第二窪み空間１２によって構成する二段窪み構造１３をそれぞれ設けたものである。

そして、本実施の形態の能動型消音装置７は、リファレンスマイク４が送風ダクト１内を伝播する音波を検出し、演算制御器（図示せず）で作成される上記音波と逆位相の信号が二次音源スピーカ５から送風ダクト１内に放出されて送風ダクト１内の騒音を消音し、エラーマイク６が送風ダクト１内部音をモニターし、演算制御器（図示せず）でエラーマイク６の出力が零になるように二次音源スピーカ５を自動的に調整するものである。

ここで、図２のマイク近傍の構成は、平面視図に示すように、最奥面９の面積はリファレンスマイク４とエラーマイク６の振動板の面積と同等程度とし、第二基準面１０の気流方向の長さは最奥面９の長さの２倍以上とする。

上記構成により、吸込口１４から吸い込まれた空気は送風ダクト１内を通過した後、吹出口１５から排気される。このとき能動型消音装置７を備えているために、送風に伴う送風ダクト１内の騒音は低減されて吸込口１４から放射されることとなる。

ここで、図３のリファレンスマイク４もしくはエラーマイク６（（以下両方を総称する場合にマイク１８とする）近傍の断面図を用いて、二段窪み構造１３により消音効果を向上する作用・効果を説明する。

図３に示すように、二段窪み構造１３部では気流方向に垂直な断面積が大きくなるので、ダクト内の気流の風速が下がる。風速が大きいほど気流がマイク１８に与える影響は大きくなるため、風速が下がることで気流３がマイク１８に与える影響を緩和することができる。ここで、第二基準面１０の気流方向長さを、最奥面９の気流方向長さの２倍以上とすることで、気流方向に垂直な断面積が大きくなる部分を増やすことができ、二段窪み構造１３部の風速を低減させる効果を更に向上させることができる。

壁面近傍では剥離により気流の渦１６が生じ、第一窪み空間１１内に進入する現象が発生する。そこで、本実施の形態のように最奥面の面積は第二基準面１０の面積より十分小さくすると、渦が第二窪み空間１２内に進入しにくくなり、第二窪み空間１２の最奥面９に設置されているマイク１８に渦が到達することを抑制できる。

そのためには、最奥面９の面積は、それぞれリファレンスマイク４とエラーマイク６の振動板の面積と同等程度にすることも重要である。

更に、第二基準面１０の気流方向長さを、最奥面９の気流方向長さの２倍以上であることから、基準面８と第一窪み空間１１の境界部とマイク１８との距離が十分に確保できるため、境界部のエッジ部で発生し第一窪み空間内に進入した渦が第二窪み空間内に進入することを抑制する効果が期待でき、これにより気流がリファレンスマイクやエラーマイクに与える影響を低減することができる。

以上のように、気流がリファレンスマイク４とエラーマイク６に与える影響を低減することで、コヒーレンスの低下による消音効果の低下を抑制することができる。

なお、第一窪み空間１１は、気流方向の長さと垂直な幅を有する矩形面であり、その幅は少なくともリファレンスマイク４およびエラーマイク６を設置した最奥面９の幅以上であれば良い。また、二段窪み構造１３部では、風路を拡大することによって気流方向に垂直な断面積を大きくし、風速をより低下させるものである。そこで、コヒーレンスの低下による消音効果の低下をより大きく抑制するためには、第一窪み空間１１の幅は、制御回路や配線の取り回しの妨げにならない程度に大きく取ることが望ましい。

また、本実施の形態１では、基準面８と第二基準面１０とは垂直な壁面で接続されているが、基準面８と第一窪み空間１１の境界部のエッジ部で生じる剥離を抑制するために、気流方向に沿って、第二基準面１０は、最奥面９よりも下流の部分から基準面８までの部分をなだらかに接続してもよい。これにより、第一窪み空間１１へ侵入した気流が第一窪み空間１１を構成する側壁面へ衝突して、第一窪み空間１１内に気流の渦や乱れが生じることを防ぐ効果が期待できる。

なお、予め初期のリファレンスマイク４とエラーマイク６間の伝達関数を計測しておき、その伝達関数を固定して消音信号を計算する制御方法を用いて消音制御を行うこともできる。この場合は、エラーマイク６をなくしても良い。すなわち、騒音源である送風ファン２からリファレンスマイク４、二次音源スピーカ５の順に配置することでも気流の影響を低減して消音の効果を発揮することができる。

なお、本実施の形態では送風ダクト１は矩形ダクトとしているが、円筒ダクトとしても良い。その場合、リファレンスマイク４とエラーマイク６を設置する二段窪み構造１３は送風ダクト１内壁面上で気流方向に平行な直線上に配置する。

（実施の形態２）
実施の形態２において、実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略し、図４、図５を参照しながら説明する。

図４の能動型消音装置７の断面図に示すように、本実施の形態２の能動消音装置は、第二基準面１０に対し、最奥面９を気流方向の上流側に配置している。

図５は、リファレンスマイク４もしくはエラーマイク６（以下両方を総称する場合にマイク１８とする）近傍の断面図である。

図５に示すように、二段窪み構造１３部では、気流の風速が下がり空気密度が低下する。二段窪み構造１３部へ到達した主気流は下流へと流れつつ徐々に第一窪み空間１１内へ進入するため、第一窪み空間１１内の気流上流側は下流側と比べて空気密度が小さくなり、気流の渦が発生しにくい。つまり、第二基準面１０の最奥面９を気流方向の上流側に配置することでマイク１８が受ける気流の影響を低減できる。

また、基準面８と第一窪み空間１１の境界部のエッジ部分で剥離などにより気流の渦１６が生易い。しかし、気流の渦１６は下流側に流れながら第一窪み空間１１内へと進入することとなるため、第一窪み空間１１内の上流側は下流側と比べ、気流の渦１６の進入の影響を受けにくくすることができる。

また、第一窪み空間１１を構成する気流下流側の側壁面に気流が衝突することで気流の渦１６が第二窪み空間１２内へ浸入する恐れがある。しかし、第二窪み空間１２は、第一窪み空間１１を構成する気流下流側の側壁面からの距離を確保することができるため、気流下流側の側壁面に気流が衝突することで生じる気流の渦１６が内部へ進入することも抑制することができる。

以上により、第二基準面１０に対して最奥面９を気流方向の上流側に配置することで、気流がリファレンスマイク４とエラーマイク６に与える影響を低減し、コヒーレンスの低下による消音効果の低下を抑制することができる。

（実施の形態３）
実施の形態３において、実施の形態１、２と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略し、図６を参照しながら説明する。

本実施の形態３の能動型消音装置７では、リファレンスマイク４とエラーマイク６が配置される壁面が対向するようにエラーマイク６を設置している。すなわち、図６の能動型消音装置７の断面図に示すように、リファレンスマイク４を配置する二段窪み構造１３の基準面１９を、エラーマイク６を配置する二段窪み構造の基準面８と向かい合う送風ダクト１の壁面とする。

図６に示すように、リファレンスマイク４の二段窪み構造１３部において、窪み構造の凹凸や窪みのエッジ部などで剥離が生じて主気流１７中に渦が発生し、この渦が壁面に沿って下流へと流れていく。本実施の形態において、エラーマイク６はリファレンスマイク４とは対面する面に設置されているため、リファレンスマイク４設置部で生じた渦はエラーマイク６設置部へ到達しにくくなる。これにより、気流がエラーマイク６へ与える影響を抑制し、コヒーレンスの低下による消音効果の低下を抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態では送風ダクト１は矩形ダクトとしているが、円筒ダクトとしても良い。その場合、リファレンスマイク４を設置する二段窪み構造１３の最奥面９を含む平面とエラーマイク６を設置する二段窪み構造１３の最奥面９を含む平面が対向する側になるように配置する。

本発明にかかるダクト用能動型消音装置は、気流がマイクに与える影響を低減し、コヒーレンスの低下を抑制することで、十分な消音効果を得ることができ、フィードバック制御による消音制御であることから、大風量用で温度や湿度などの環境変化を伴う換気装置に搭載する消音装置として有用である。

１ 送風ダクト
２ 送風ファン
３ 気流
４ リファレンスマイク
５ 二次音源スピーカ
６ エラーマイク
７ 能動型消音装置
８ 基準面
９ 最奥面
１０ 第二基準面
１１ 第一窪み空間
１２ 第二窪み空間
１３ 二段窪み構造
１４ 吸込口
１５ 吹出口
１６ 気流の渦
１７ 主気流
１８ マイク
１９ 基準面

Claims (5)

1. 一端が騒音源に接続された送風ダクトに付設され、前記送風ダクト内を伝播する騒音を検出するリファレンスマイクと、リファレンスマイクによって検出された騒音とは逆位相の音を前記送風ダクトに放出する二次音源スピーカとから構成された能動型消音装置であって、前記騒音源から前記リファレンスマイク、前記二次音源スピーカの順に配置されており、前記送風ダクト壁面を基準面として、前記送風ダクトに連通するように前記リファレンスマイクの設置部が最奥面となるよう壁面に埋め込まれ、前記基準面と前記最奥面の間に前記最奥面よりも面積の大きい第二基準面を形成し、前記基準面から前記第二基準面までの空間を第一窪み空間とし、前記第二基準面から前記最奥面までの空間を第二窪み空間とする二段窪み構造を設けたことを特徴とした能動型消音装置。
2. 送風ダクト内部音をモニターするエラーマイクを、騒音源からリファレンスマイク、二次音源スピーカ、前記エラーマイクの順に配置し、送風ダクト壁面を基準面として、前記送風ダクトに連通するように前記エラーマイクの設置部が最奥面となるよう壁面に埋め込まれ、前記基準面と前記最奥面の間に前記最奥面よりも面積の大きい第二基準面を形成し、前記基準面から前記第二基準面までの空間を第一窪み空間とし、前記第二基準面から前記最奥面までの空間を第二窪み空間とする二段窪み構造を設けた特徴とした請求項１に記載の能動型消音装置。
3. リファレンスマイクを配置する二段窪み構造の基準面を、エラーマイクを配置する二段窪み構造の基準面と向かい合う送風ダクト壁面とすることを特徴とする請求項２に記載の能動型消音装置。
4. 第二基準面の気流方向長さを、最奥面の気流方向長さの２倍以上あることを特徴とした請求項１から３のいずれか一つに記載の能動型消音装置。
5. 第二基準面に対し、最奥面を気流方向の上流側に配置することを特徴とした請求項１から４のいずれか一つに記載の能動型消音装置。
   

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