JP6618240B2 - 騒音低減装置 - Google Patents

Description

本発明は、騒音低減装置に関する。

建設重機（発電機、コンプレッサ、バックホウ、移動式クレーン等）は、長時間稼働し続けることが多く、近隣問題になりやすい。特にエンジンから発生する低周波音は、従来からの騒音低減方法である遮音や回折では減音量が小さく、空気中の伝搬減衰量も小さい。このため、これら従来の方法では所望の減音量が得られない場合がある。

低周波音を低減するために、これまでは、建設重機のエンジンカバーの遮音材料を厚くしたり、塀を厚くし、かつ、高さを高くするなどの重厚な対策を行ってきた。しかし、構造上の問題やコストの点から、従来の対策には限界がある。
建設重機の騒音（エンジン騒音）の低減技術には、例えば特許文献１がある。

特許文献１は、建設重機が発生させたエンジン騒音を、フィードバック型のアクティブ騒音低減システムを用いて低減させる技術である。
具体的には、騒音値の大きい排気口の近傍に２次音源（スピーカ）を設置し、排気口の前方にマイクロホンを設け、マイクロホンからの出力に基づいて、制御装置で、排気口から放射されるエンジン騒音と逆位相の音響信号を生成し、この逆位相の音響信号でスピーカを制御して、スピーカが生成したエンジン騒音と逆位相の制御音で、排気口から放射されたエンジン騒音を低減している。

特開２０１０−２４８７６号公報

しかし、低周波用の制御スピーカはサイズが大きく、重量も大きくなることから、特許文献１の構成では、建設重機のボデーの形状によっては、排気口の近傍にスピーカを設置できない場合がある。このような建設重機では、脚立や足場などを利用して、脚立にスピーカを設置する方法も考えられる。しかし、この方法では、走行機能を備え、騒音源が移動する建設重機には適用できない。

本発明は、上記事実に鑑み、建設重機のボデーの形状や走行機能の有無に左右されず、建設重機の騒音源から発せられる騒音を低減する騒音低減装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る騒音低減装置は、振動板と、前記振動板を建設重機のボデーとの間に隙間を空けて振動可能に支持する支持部材と、前記振動板を振動させる駆動部材と、前記建設重機の騒音源から発せられる騒音を集音し、音響信号として出力するマイクロホンと、前記マイクロホンから出力された前記音響信号に基づいて前記駆動部材を制御し、前記振動板を振動させて前記騒音を減衰させる制御音を発生させる制御手段と、を有することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、振動板が、支持部材を介して建設重機のボデーに隙間を空けて取付けられ、振動板が振動可能となっている。この振動板は、建設重機のボデーのどこへでも取付けることができるので、建設重機の騒音源に近づけて配置することができる。また、振動板は、建設重機のボデーと対向させて配置されるので、必要面積の確保が容易となると共に、振動板が建設重機のボデーから突出ることがなく、作業の邪魔にならない。
また、制御手段が、マイクロホンから出力された音響信号に基づいて駆動部材を制御し、駆動部材が、振動板を振動させて、騒音を減衰させる制御音を発生させる。
これにより、建設重機のボデーの形状や走行機能の有無に左右されずに、建設重機が発生させた騒音を、振動板を振動させて発生させた制御音で低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の騒音低減装置において、前記振動板は、可撓性の板材であり、前記ボデーの外面形状に沿って曲げられていることを特徴としている。

これにより、建設重機のボデーのコーナー部や曲面上でも、騒音源に近づけて振動板を設置することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の騒音低減装置において、前記駆動部材は、前記振動板に貼付けされる膜型圧電素子であることを特徴としている。

これにより、振動板と駆動部材を薄く一体化でき、振動板の設置上の制約を軽減できる。また、別途、可動機構を必要とせずに、印加電圧に基づいて振動板を振動させることができる。

本発明は、上記構成としてあるので、建設重機のボデーの形状や走行機能の有無に左右されず、建設重機の騒音源から発せられる騒音を低減する騒音低減装置を提供することができる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る騒音低減装置の基本構成を示す正面図であり、（Ｂ）は振動板の基本構成を示す斜視図である。 （Ａ）、（Ｂ）はいずれも、本発明の第１実施形態に係る騒音低減装置を建設機械に適用した例を示す斜視図である。 （Ａ）は建設機械の排気口近くの騒音レベルを示す特性図であり、（Ｂ）は騒音源と２次音源間の距離と減音量の関係を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係る騒音低減装置で使用される振動板の基本構成を示す正面図である。

（第１実施形態）
図１〜図３を用いて、第１実施形態に係る騒音低減装置（フィードバック型のアクティブ騒音低減システム（以下ＡＮＣシステムと略す））１０について説明する。

図１（Ａ）の正面図に示すように、ＡＮＣシステム１０は、建設重機３０のボデー１６に取付けられ制御音Ｓ１を発生させる２次音源としての振動板１２、建設重機３０が発生させる騒音Ｓ２を集音するマイクロホン２２、及び騒音Ｓ２を打ち消す制御信号を生成して振動板１２を制御するコントローラ（制御手段）２４を有している。

ここに、建設重機３０は、例えば図２（Ａ）、図２（Ｂ）の斜視図に示すユンボ（パワーショベル）や、図示しない発電機、コンプレッサ、バックホウ、移動式クレーン等であり、建設現場で使用される全ての建設重機が含まれる。

振動板１２は、建設重機３０が発生させる騒音Ｓ２の値が最も大きい場所である、排気口１８や給気口付近に設置されている。
振動板１２は、両端部に設けられた支持部材１４で、建設重機３０のボデー１６に取付けられている。このとき、振動板１２は、支持部材１４により、建設重機３０のボデー１６との間に隙間ｄを空けて支持されている。これにより、矢印Ｈの方向への振動が可能とされている。

振動板１２は、コントローラ２４からの制御信号に基づいて振動し、模式的に破線で描いた制御音Ｓ１を発生させる。また、振動板１２は、可撓性の板材で形成され、建設重機３０のボデー１６の形状に沿った曲面を有している。
これにより、振動板１２を、ボデー１６のコーナー部や、曲面部に沿わせて取付けることができる。即ち、ボデー１６から突出されて作業の邪魔になることもなく、排気口１８に極力近づけて、排気口１８の近くで制御音Ｓ１を発生させることができる。また、要求される制御音Ｓ１を発生させるのに必要な、表面積を確保することができる。

図１（Ｂ）の斜視図に示すように、振動板１２は、ボデー１６に沿って曲げられた鋼材製の芯材２５と、芯材２５の凸状とされた表面に貼り付けられた、膜型圧電素子（駆動部材）２６を有している。これにより、振動板１２を薄く形成でき、振動板１２の設置上の制約を軽減できる。

膜型圧電素子２６は、図示は省略するが、膜状とされた繊維状の圧電セラミックの両側面に、電極が印刷されたポリイミドフィルムをエポキシ樹脂で接合した構成である。膜型圧電素子２６は、圧電セラミックの両側面に取り付けられたリード線２８を介して、コントローラ２４から電圧が印加される。
これにより、印加された電圧値に従った歪が圧電セラミックに生じ、膜型圧電素子２６を変形させることができる。

芯材２５に貼付けられた膜型圧電素子２６は、矢印Ｒの方向へ伸縮可能とされており、芯材２５の両端部は、支持部材１４で支持されている。これにより、膜型圧電素子２６を矢印Ｒの方向へ伸縮させることで、芯材２５を、矢印Ｈの方向へ振動させることができる。具体的には、膜型圧電素子２６と芯材２５が、一体となって振動する。
これにより、振動板１２は、別途、可動機構を必要とせずに、印加電圧に基づいて容易に自らを振動させることができる。

即ち、曲げられた膜型圧電素子２６にコントローラ２４から電圧を印加したとき、膜型圧電素子２６が伸張され、膜型圧電素子２６により、芯材２５の曲り部の曲率が変化させられる。振動板１２は、両端部が支持部材１４に固定されているので、中央部を振動させることで、振動による制御音Ｓ１を発生させることができる。

マイクロホン２２は、建設重機３０から所定の距離だけ離した位置に取付けられ、建設重機３０の排気口（騒音源）１８から発せられる、模式的に一点鎖線で描いた運転時の騒音（主として低周波騒音）Ｓ２を集音する。マイクロホン２２は、集音した騒音Ｓ２を音響信号として、コントローラ２４へ出力する。

コントローラ２４は、マイクロホン２２が出力した音響信号に基づいて、ボデー１６から放射される騒音Ｓ２を打ち消す制御音（例えば騒音Ｓ２と逆位相の制御音）を、２次音源の制御出力として生成する。また、コントローラ２４は、この、制御出力に対応した印加電圧を生成し、膜型圧電素子２６に出力する。

膜型圧電素子２６は、印加電圧に応じて芯材２５を変形させ、芯材２５をボデー１６の表面と交差する方向（矢印Ｈの方向）に振動させる。これにより、ボデー１６の外側の、振動板１２の周囲の空気を振動させ、制御音Ｓ１を発生させることができる。
振動板１２が発生させた制御音Ｓ１は、ボデー１６から放射された騒音Ｓ２を打ち消すように作用するため、ボデー１６から放射される騒音Ｓ２を、ボデー１６の外で、低減させることができる。

図２（Ａ）に、建設重機（ユンボ）３０への振動板１２の取付け例を示す。
図２（Ａ）は、排気口１８の下方のボデー１６の側面に振動板１２Ａを取付けた例である。ユンボ３０の排気口１８の下方は、排気口１８の鉛直部を囲むように、ボデー１６が曲げられている。この曲面に沿って、曲げられた振動板１２Ａ（ドットが付された部分）が取付けられている。

これにより、排気口１８の近傍に振動板１２Ａを取付ることが出来るとともに、低周波音を発生させるのに必要な表面積を確保することができる。また、ユンボ３０の作業に支障を及ぼすこともなく、排気口１８から拡散された騒音Ｓ２を、排気口１８の近傍に取付けた振動板１２Ａを振動させた制御音Ｓ１で低減させることができる。

図２（Ｂ）に、建設重機（ユンボ）３０への、振動板１２の他の取付け例を示す。
図２（Ｂ）は、排気口１８の下方のボデー１６の側面及び上面に振動板１２を取付けた例である。ユンボ３０の排気口１８の下方は、排気口１８の鉛直部を囲むように、ボデー１６が曲げられている。この曲面に沿って、曲がられると共に、上部を排気口１８の取付け部まで、横方向へ折り曲げた振動板１２Ｂ（ドットが付された部分）が取付けられている。これにより、図２（Ａ）と同じ、作用、効果を得ることができる。

ここで、本実施形態のＡＮＣシステム１０を、従来のＡＮＣシステムと対比しながら説明する。
図３（Ａ）に、ユンボ３０の、排気口上部３０ｃｍの位置での音圧レベルの実測結果を示す。横軸が１／３オクターブバンド中心周波数（Ｈｚ）であり、縦軸が音圧レベル（ｄＢ）である。音圧レベルは、約３０Ｈｚ〜約２００Ｈｚの低音域では、１００ｄＢ以上に達することが分かる。

従来の、ＡＮＣシステムによる、建設重機３０のエンジンの低周波音を減音する制御方法は、図示は省略するが、騒音値の大きい排気口１８の近傍に、２次音源としての制御スピーカを設置して、制御スピーカから制御音Ｓ１を発生させ、制御音Ｓ１で騒音Ｓ２を減音する方法が用いられている。

この方法で、騒音源の放射パワーを１０ｄＢ以上低減する場合には、図３（Ｂ）に示す関係を満たす必要がある。即ち、騒音源と２次音源間の距離と減音量の関係を示す特性Ｆから、騒音源とＡＮＣシステムの制御スピーカの距離（ｄ）を、波長（λ）の１／１１以下に近づけなければならない。

ここに、図３（Ｂ）の横軸は周波数（ｋｄ＝２πｄ／λ）であり、縦軸は放射パワーの低減量である。例えば、騒音源の放射パワーを、１０ｄＢ以上低減する場合には、特性Ｆから、周波数ｋｄ＜０．５７となり、制御スピーカの距離（ｄ）と波長（λ）の関係は（ｄ／λ）＜（１／１１）となる。
具体的には、２００Ｈｚの騒音Ｓ２が騒音源１８から出ている場合、放射パワーを１０ｄＢ以上低減するためには、両者を１５ｃｍ以内に近づけなければならない。

更に、低音を出力する制御スピーカは、口径、ボックスともに大きくなるため、建設重機３０の形状によっては、排気口１８の近傍に制御スピーカを設置できない場合がある。
このため、例えば、脚立や足場を利用してスピーカを設置して対応する方法も考えられる。しかし、この方法は、騒音源１８が移動する建設重機３０には対応できない。

また、制御スピーカにフレキシブルのレデューサを取り付けて、排気口１８の近傍に２次音源の放射面を設置する方法も考えられる。しかし、レデューサを取り付けることによって音波伝搬路の断面積が変化し、２次音源からの放射音圧が減衰するという問題がある。例えば、制御スピーカの断面積とレデューサの断面積が１０：１の場合、断面変化による減衰量は理論上４．８ｄＢになる。この減衰量を補うには、更に大型の制御スピーカが必要となり、現実的でない。

これに対し、本実施形態においては、建設重機３０の排気口１８の近傍に、ボデー１６の表面形状に沿わせ、所定の距離ｄを開けて振動板１２を配置した構成である。これにより、振動板１２の振動空間が確保され、振動板１２を建設重機３０の騒音源１８に近づけて配置することができる。また、建設重機３０のボデー１６の形状や走行機能の有無に左右されずに、取付け位置を確保することができる。

更に、低音域の音を放射させるためには、空気の体積の大きな変化が必要である。このためには、振動板１２の放射面積を大きくする、若しくは変位量を大きくすることが必要であるが、本実施形態においては、振動板１２の放射面積を容易に大きくすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、建設重機３０のエンジンの排気口１８から放射される低周波の騒音Ｓ２を低減することができる。
この結果、建設工事に伴う騒音を従来よりも低いレベルに抑えることができ、周辺の騒音環境の保全に貢献する。建設重機３０の稼動・運転時間の制限、若しくは短縮は、工事の進捗に大きく係わるが、本実施形態の採用によって、この問題も回避することが可能とり、工事騒音が工期に及ぼす影響を少なくすることができる。

なお、本実施形態においては、膜型圧電素子２６の例として、セラミックス系の圧電素子であるＭＦＣ(Macro Fiber Composite)を用いて説明した。しかし、これに限定されることはなく、例えば、半結晶性ポリマであるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＣ(PolyVinylidene DiFluoride)）を用いてもよい。

（第２実施形態）
図４を用いて、第２実施形態に係るＡＮＣシステム４０について説明する。
ＡＮＣシステム４０は、振動板４４を、ＮＸＴ方式の平面スピーカとした点において、第１実施形態と相違する。相違点を中心に説明する。

図４に示すように、ＡＮＣシステム４０は、建設重機３０のボデー１６の表面形状に沿って曲げられた振動板４４を有している。振動板４４は、外周部の４点でクッション材４６を介してボデー１６に接合されている。振動板４４の中央付近には、エキサイタと呼ばれる駆動ユニット４２が取付けられている。

駆動ユニット４２は、振動板４４を効果的に加振する加振位置に接着されている。また、駆動ユニット４２のボデー１６側は、クッション材４６を介してボデー１６に接合されている。

駆動ユニット４２は、従来のスピーカの磁気回路・ボイスコイル５２と同様の構造になっており、コントローラ２４からの制御信号が入力されると、フレミングの左手の法則に従い、電磁力による駆動力をボイスコイル５２に発生させる。駆動力は、振動板４４に伝えられ、振動板４４に曲げ振動を起こす。その結果、振動板４４の周囲の空気を動かして制御音Ｓ１を発生させる。

これにより、振動板１２を矢印Ｎの方向へ振動させて発生させた制御音Ｓ１で、騒音源１８から放出された騒音Ｓ２を低減させることができる。
他の構成は、第１実施形態と同じであり説明は省略する。

１０、４０ ＡＮＣシステム（騒音低減装置）
１２、４４ 振動板
１４、４６ 支持部材
１６ 建設重機のボデー
１８ 排気口（騒音源）
２２ マイクロホン
２４ コントローラ（制御手段）
２６ 膜型圧電素子（駆動部材）
３０ 建設重機
４２ エキサイタ（駆動ユニット、駆動部材）
Ｓ１ 制御音
Ｓ２ 騒音

Claims (3)

1. 振動板と、
   前記振動板を建設重機のボデーとの間に隙間を空けて振動可能に支持する支持部材と、
   前記振動板を振動させる駆動部材と、
   前記建設重機の騒音源から発せられる騒音を集音し、音響信号として出力するマイクロホンと、
   前記マイクロホンから出力された前記音響信号に基づいて前記駆動部材を制御し、前記振動板を振動させて前記騒音を減衰させる制御音を発生させる制御手段と、
   を有する騒音低減装置。
2. 前記振動板は、
   可撓性の板材であり、前記ボデーの外面形状に沿って曲げられている請求項１に記載の騒音低減装置。
3. 前記駆動部材は、
   前記振動板に貼付けされる膜型圧電素子である請求項１又は２に記載の騒音低減装置。