JP7144853B2 - Manufacturing method of muffler with acoustic phase shifter - Google Patents
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Description
本発明は、電源不要な純音響式のフェイズシフタを備えた消音装置の製造方法に関するものである。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method of manufacturing a silencer equipped with a pure acoustic phase shifter that does not require a power source.
(従来の干渉型消音器)
干渉型消音器(いわゆる、パッシブ型消音器)は、主管と枝管とからなる消音器である。これらの消音器の原理は、主管に入射した音波を枝管に分岐させ、主管へ再び合流させる際に、その枝管に分岐した音波を主管の音波に対して逆位相の音波とすることで、重ね合わせの原理を利用し音波を打ち消すことで消音するものである。
(Conventional interference silencer)
An interference muffler (so-called passive muffler) is a muffler composed of a main pipe and a branch pipe. The principle of these mufflers is that the sound wave that entered the main pipe is branched into a branch pipe, and when it is rejoined with the main pipe, the sound wave branched into the branch pipe is made into a sound wave of opposite phase to the sound wave of the main pipe. , cancels sound waves by using the principle of superposition.
(従来の干渉型消音器の問題点)
しかしながら、上述した干渉型消音器では、特定の周波数においてのみ、有意義な消音性能を得ることができるが,それ以外の周波数ではあまり効果的とはいえない場合が多い。
(Problems with conventional interference silencers)
However, with the above-described interference type muffler, significant muffling performance can be obtained only at specific frequencies, but it is often not very effective at other frequencies.
(従来のアクティブノイズコントロール)
一方、より広い周波数域での消音を目指したものがアクティブノイズコントロールである。この手法は、通常、電子制御回路を用いてマイクで測定した音波を逆位相にしてスピーカから出力し合流させることで、より広帯域での消音を可能にするものである。
(traditional active noise control)
On the other hand, active noise control aims to reduce noise in a wider frequency range. This method normally uses an electronic control circuit to reverse the phases of sound waves measured by a microphone and output them from a speaker to merge them, thereby enabling noise reduction over a wider band.
(従来のアクティブノイズコントロールの問題点1)
しかしながら、アクティブノイズコントロールは、(1)コストが掛かり、(2)電源も必須で、(3)装置の故障も多くて、その保守も大変なことから、今後も、消音器の主流になるとは考えにくい。
(
However, active noise control is (1) costly, (2) requires a power source, and (3) frequently breaks down, and maintenance is difficult. Very Hard to think.
(従来のアクティブノイズコントロールの問題点2)
また、アクティブノイズコントロールのもう一つの問題点は、制御時に膨大な計算量が必要となることである。ターゲットとなる周波数域を定め、その帯域を細かく分割し、各々の周波数に対して、振幅と位相とを検出する必要がある。アダプティブ音源用の信号は、アダプティブ音源の位置を想定して、各々の周波数成分について(1)逆位相で、(2)振幅が等しい信号を生成し、それらを合成して得られる。さらに誤差を修正するための制御も必要である。
(
Another problem with active noise control is that it requires a huge amount of calculation during control. It is necessary to determine a target frequency range, subdivide the range, and detect amplitude and phase for each frequency. A signal for the adaptive sound source is obtained by assuming the position of the adaptive sound source, generating signals of (1) opposite phases and (2) equal amplitudes for each frequency component, and synthesizing them. In addition, a control for correcting errors is also required.
(本発明の目的)
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、低コストで、電源も不要で、故障も少なく、その保守も容易なフェイズシフタを備えた消音装置を提供することである。
(Object of the present invention)
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a low-cost, low-cost, power-free, less likely to malfunction, and easy-to-maintain noise suppressor equipped with a phase shifter.
(音響式フェイズシフタ)
ここで、本発明におけるフェイズシフタは、従来のアナログ或いはデジタル式のフェイズシフタ(例えば、特許文献1,2)とは異なり、純音響式のフェイズシフタである。
(acoustic phase shifter)
Here, the phase shifter in the present invention is a pure acoustic phase shifter, unlike conventional analog or digital phase shifters (for example,
本発明者は、アクティブノイズコントロールで必須の処理のうち、上記(1)の逆位相の信号の生成プロセスを、電源が不要でかつ計算や制御回路も用いることの無い純音響式フェイズシフタ(つまり、可動部がない音響構造)により自動的に行うことを見出し、本発明を完成するに至った。 Among the processes essential for active noise control, the present inventors have applied the process of generating the opposite-phase signal in (1) above to a pure acoustic phase shifter (that is, , an acoustic structure with no moving parts), and completed the present invention.
すなわち本発明は、例えば、以下の構成・特徴を備えるものである。
(態様1)
主管と枝管とを有した消音装置の製造方法であって、
前記主管に空の管を利用し、前記枝管に、隙間厚さbで離間した複数の板材で仕切られた中空筒体を有した音響式フェイズシフタを利用する工程S1と、
前記板材間の隙間における音速Vの関係式を導出する工程S2と、
前記主管の音速に対して逆位相となる音速V’の関係式を導出する工程S3と、
前記音速Vと前記音速V’とが一致するように前記主管の寸法と前記フェイズシフタの寸法を決定する工程S4と、
を含み、かつ、
前記工程S2では、以下の数式1で表される伝搬定数γを用い、
前記伝搬定数γを以下の数式2により実部αと虚部βとに分けたうえで、
を特徴とする消音装置の製造方法。
(態様2)
前記工程S4では、前記主管の各周波数における位相変化量θAと、前記フェイズシフタ位相変化量θFと、の差(θA-θF)を求め、
前記差(θA-θF)が180°から±15°以内であることを、前記音速Vと前記音速V’とが一致するかどうかの判断基準とすること
を特徴とする態様1に記載の消音装置の製造方法。
(態様3)
前記消音装置に、マイクと、フィルタと、増幅器と、スピーカと、を用意する工程を、
さらに含み、
前記マイクは、前記フェイズシフタ通過後の音波を測定し、
前記増幅器は、前記フェイズシフタ内で減衰した分だけ前記音波を増幅し、
前記スピーカは、前記増幅器で増幅した前記音波を、前記フェイズシフタと前記主管との合流部に向けて出力することで、前記主管中を伝搬する音波を消音すること
を特徴とする態様1又は2に記載の消音装置の製造方法。
That is, the present invention has, for example, the following configurations and features.
(Aspect 1)
A method for manufacturing a silencer having a main pipe and a branch pipe,
step S1 of using an empty pipe as the main pipe and using an acoustic phase shifter having a hollow cylinder partitioned by a plurality of plate members separated by a gap thickness b as the branch pipe;
a step S2 of deriving a relational expression of the sound velocity V in the gap between the plate materials;
A step S3 of deriving a relational expression of the sound speed V′ having an antiphase with respect to the sound speed of the main pipe;
step S4 of determining the dimensions of the main pipe and the phase shifter so that the sound velocity V and the sound velocity V'match;
and
In the step S2, using the propagation constant γ represented by the
After dividing the propagation constant γ into a real part α and an imaginary part β by the following
A method of manufacturing a silencer, characterized by:
(Aspect 2)
In step S4, the difference (θ A - θ F ) between the phase change amount θ A at each frequency of the main channel and the phase shifter phase change amount θ F is obtained,
(Aspect 3)
preparing a microphone, a filter, an amplifier, and a speaker in the muffler;
further includes
The microphone measures sound waves after passing through the phase shifter,
The amplifier amplifies the sound wave by the amount attenuated in the phase shifter,
本発明の音響式フェイズシフタは、電源や可動部も全く不要な音響構造のみを使って、広い周波数域で主管の音波と逆位相の信号を自動的かつ受動的に生成することができる。したがって、アクティブノイズコントロールで必須であった「逆位相を生成するデジタル信号処理」が全く不要になる。また、本発明の音響式フェイズシフタでは位相の制御が不要になるため、アダプティブ信号は、ゲインの周波数特性を線形フィルタにより調整するのみで生成できる。 The acoustic phase shifter of the present invention can automatically and passively generate a signal in a wide frequency range that is opposite in phase to the sound waves of the main pipe, using only an acoustic structure that does not require a power source or moving parts. Therefore, the "digital signal processing to generate opposite phases", which is essential for active noise control, is completely unnecessary. In addition, since the acoustic phase shifter of the present invention does not require phase control, the adaptive signal can be generated only by adjusting the frequency characteristic of the gain using a linear filter.
本発明によれば、非常にシンプルな構造を有し、低コストで、電源が不要で、故障が無く保守が不要な消音装置が提供されることになる。つまり、本発明の消音装置は、通常のアクティブノイズコントロールでは達成されにくかった騒音制御の簡素化、消費電力低減、及び信頼性向上に貢献するものである。 According to the present invention, it is possible to provide a muffler that has a very simple structure, is low in cost, does not require a power supply, is trouble-free, and does not require maintenance. In other words, the muffler of the present invention contributes to simplification of noise control, reduction in power consumption, and improvement in reliability, which are difficult to achieve with ordinary active noise control.
以下、添付の図面を参照しながら下記の具体的な実施形態に基づき本発明を説明するが、本発明はこれらの実施形態に何等限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described based on the following specific embodiments with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to these embodiments.
(音響式フェイズシフタの設計方法の概要)
図1に本発明の音響式フェイズシフタを設計するためのフローチャートを示す。本発明も、従来のサイドブランチ型消音器同様に、主管と枝管とを備えた干渉型消音構造の採用を前提とするが、本発明では、この枝管に後述する音響式フェイズシフタを利用すること(工程S1)に留意されたい。
(Outline of design method of acoustic phase shifter)
FIG. 1 shows a flow chart for designing the acoustic phase shifter of the present invention. The present invention also assumes the adoption of an interference muffling structure having a main pipe and branch pipes, as in the conventional side branch muffler. (step S1).
(音響式フェイズシフタの構造)
本実施例では、図1に示すように、空の管を主管2に利用し、音響式フェイズシフタ1(以下、単に「フェイズシフタ」とも呼ぶ。)を枝管に利用する(工程S1)。これは、図5(b)に示すように、矩形断面を有した中空筒体内に隙間を持たせて板材(薄板)を重ねたアナログ制御装置である。この音響式フェイズシフタ1では、中空管からなる枝管の場合と異なり、板材間の隙間に入射した音波の音速が境界層の働きにより周波数に依存して変化し、これを利用して位相も変化させることができる可能性があることを本発明者は見出したのである。
(Structure of Acoustic Phase Shifter)
In this embodiment, as shown in FIG. 1, an empty pipe is used as the
(音響式フェイズシフタと通常の枝管との違い)
もし、枝管に通常の中空管(図示せず)が使用された場合、これに入射した音波の音速は一定であり、これを主管2に再合流させても、ある特定の周波数域でしか有意義な消音性能を得ることができない。
(Difference between acoustic phase shifter and normal branch pipe)
If a normal hollow pipe (not shown) is used for the branch pipe, the sound velocity of the incident sound wave is constant, and even if this is rejoined with the
(音響式フェイズシフタを備えた消音装置)
図2(a)に、フェイズシフタ1を含んだ消音装置10の概略を示す。この消音装置10では、騒音源3から発生した音波が、主管2である中空管と、枝管であるフェイズシフタ1とを通過する。音波がフェイズシフタ1を通過すると、主管2を通過した音波と逆位相の音波が得られる。なお、フェイズシフタ1内の音波は減衰するため、通過後の音波をマイク5で測定し、フィルタ6(イコライザ)を通過した後、減衰した分だけ該音波を増幅器7で増幅する。その後、この増幅した音波をスピーカ8から主管2中の合流部4へ出力することで、主管2中を伝搬する音波に向けて、逆位相かつ同一振幅の音波が合流することとなり、音波の重ね合わせの原理により音波を打ち消し、消音する。
(muffler with acoustic phase shifter)
FIG. 2(a) shows an outline of a
フェイズシフタ1を通過した音波はゲインの周波数特性を持つため、その周波数特性を打ち消して平坦な周波数特性に戻す必要がある。このため、フィルタ6にて上記周波数特性と逆の周波数特性を音波に与える処理を行う。なお、フィルタ6として、例えば、技術的に容易な線形フィルタを使用することができる。
Since the sound wave that has passed through the
(決定すべき消音装置のパラメータ)
ただし、主管2とフェイズシフタ1とは、上記消音メカニズムが上手く発揮される幾何学的関係が成立している必要があり、各要素の寸法を決定する必要がある。本実施例では、板材間(二平面間)の隙間における音速Vと、主管2の音速に対して逆位相となる音速V’と、をそれぞれ算出し(工程S2,S3)、これらのVとV’とを比較することで、消音効果のキーファクターとなる、フェイズシフタ1の管長LF及び隙間bと、主管2の管長LAとを決定する。
(Parameters of silencer to be determined)
However, the
(板材間(二平面間)の隙間における音速Vの導出)
管内における空気の粘性を考慮した伝搬定数や特性インピーダンスの導出については、様々な報告がある。本実施例は、Stinsonの方法(非特許文献1参照)を応用し、板材間(二平面間)の隙間における音速Vの算出を試みた。具体的には、直交座標系を図2(b)のようにとり、Navier-Stokes方程式、連続の式、気体の状態方程式、エネルギー方程式、熱伝達を表す散逸関数を用いた三次元解析により、各周波数における伝搬定数γ及び板材間の隙間における音速Vを導出することとした(工程S2)。
(Derivation of sound velocity V in gap between plate materials (between two planes))
There are various reports on the derivation of the propagation constant and the characteristic impedance considering the viscosity of the air inside the tube. In this example, Stinson's method (see Non-Patent Document 1) was applied to attempt to calculate the sound velocity V in the gap between plate materials (between two planes). Specifically, a rectangular coordinate system is taken as shown in FIG. The propagation constant γ in frequency and the sound velocity V in the gap between the plate materials were derived (step S2).
(伝搬定数γ)
減衰を考慮した二平面内における伝搬定数γは、以下の数式(1)のように示される。ここで、xは直交座標系の長手方向の位置、yおよびzは隙間断面内の座標、cは空気中の音速(343.7m/s)、κは空気の比熱比、σはプラントル数、ρは空気の密度、μは空気の粘度、ωは角周波数、bは隙間の厚さである。
(propagation constant γ)
A propagation constant γ in two planes considering attenuation is expressed by the following formula (1). Here, x is the position in the longitudinal direction of the orthogonal coordinate system, y and z are the coordinates in the cross section of the gap, c is the speed of sound in air (343.7 m / s), κ is the specific heat ratio of air, σ is the Prandtl number, ρ is the air density, μ is the air viscosity, ω is the angular frequency, and b is the gap thickness.
また、伝搬定数γの実部を減衰定数α、虚部を位相定数βとすれば、数式(1)は、次の形(数式(2))に置き換えることができる。 Further, if the real part of the propagation constant γ is the attenuation constant α and the imaginary part is the phase constant β, the equation (1) can be replaced with the following form (equation (2)).
各周波数における二平面間の隙間の厚さbにおける音速Vは、伝搬定数の虚部(位相定数)βを用いて、次の数式(3)のように求めることができる。 The sound velocity V at the thickness b of the gap between the two planes at each frequency can be obtained by the following formula (3) using the imaginary part (phase constant) β of the propagation constant.
上述の数式(1)及び(2)より、数式(3)において変数となるのは、隙間の厚さbのみなので,各周波数fにおける二平面間の隙間における音速Vは、隙間の厚さbを決定することで求めることが可能である(すなわち、V=V(b))。 From the above equations (1) and (2), the only variable in equation (3) is the gap thickness b (ie, V=V(b)).
(主管の音速に対して逆位相となる音速V’の導出)
管内に入射する音波の入射部XIでの正弦波yIと、終端部XCでの正弦波yCとは、それぞれ、次の数式(4)と、数式(5)とで表される(図2(c)も参照)。
(Derivation of sonic velocity V′ that is in opposite phase to the sonic velocity of the main pipe)
The sine wave yI at the incident portion XI and the sine wave yC at the end portion XC of the sound waves entering the pipe are expressed by the following equations (4) and (5), respectively. (See also FIG. 2(c)).
このときの管内での各周波数における位相変化量θは次の数式(6)より求められる。ここで、fは周波数、Lは管長、νは管内の音速である。 At this time, the phase change amount .theta. at each frequency in the tube is obtained from the following equation (6). Here, f is the frequency, L is the tube length, and ν is the speed of sound in the tube.
この数式(6)を利用することで、主管2(中空の管)と枝管1(フェイズシフタ)それぞれの各周波数における位相変化量θA,θFは、次のように求めることができる。ここで、LAは主管の管長、LFはフェイズシフタ1の管長、cは空気中の音速(343.7m/s)、V’はフェイズシフタ1側の音速である。
By using this formula (6), the phase change amounts θ A and θ F at each frequency of the main pipe 2 (hollow pipe) and the branch pipe 1 (phase shifter) can be obtained as follows. Here, LA is the length of the main pipe, LF is the length of the
主管2の合流部4において、逆位相の音波をフェイズシフタ1から合流させるためには、この主管2とフェイズシフタ1それぞれの各周波数における上記位相変化量θA,θFの差が、180°(πラジアン)でなければならない。すなわち、次の数式(9)を満たす必要がある。
In order to join opposite-phase sound waves from the
つまり、各周波数における逆位相となるためのフェイズシフタ1側の音速V’の条件は、数式(7)、数式(8)、及び数式(9)を用いて、次の数式(10)のように求めることができる。
That is, the condition of the sound velocity V' on the
数式(10)において変数となるのは、主管2とフェイズシフタ1の管長LA,LFである。つまり、各周波数における逆位相となるためのフェイズシフタ1側の音速V’は、それぞれの管長LA,LFを決定することで求めることが可能である(V’=V’(LA,LF))。
Variables in expression (10) are the pipe lengths L A and L F of the
(音速V,V’の比較による消音装置の寸法の決定)
上述の工程S2、S3の実行により、板材間の隙間における音速Vと逆位相となるためのフェイズシフタ1側の音速V’の条件を求めることが可能となる。具体的には、これらを比較し、上記音速Vの条件と上記音速V’の条件とが一致するような隙間の厚さbと管長LA,LFを求める(工程S4)。
(Determining the dimensions of the silencer by comparing the sound velocities V and V')
By executing the steps S2 and S3 described above, it is possible to obtain the condition of the sound velocity V′ on the side of the
(工程S5:音速V,V’の比較に有効な判断手法)
なお、図1に示すように、上述の工程S4では、主管2の各周波数における位相変化量θAと、フェイズシフタ1の位相変化量θFと、の差(θA-θF)を求め、この差(θA-θF)が180°から±15°以内であるかいなかを、音速Vと音速V’とが一致するかどうかの判断基準とすることが好ましい(工程S5)。
(Step S5: Judgment method effective for comparison of sound velocities V and V')
As shown in FIG. 1, in the above step S4, the difference (θ A - θ F ) between the phase change amount θ A of the
(工程S6: フェイズシフタ内の音波の減衰に対する対策)
なお、上述の工程S4(好ましくは工程S5)まで終了すると、フェイズシフタ1の所望の寸法等の決定は終了する。しかしながら、実際に消音装置として使用する際にはフェイズシフタ1内で音波の減衰が生ずるため、以下の工程S6も追加することが好ましい。すなわち、図1に示すように、消音装置10に、マイク5と、フィルタ6と、増幅器7と、スピーカ8と、を用意する(工程S6)。
(Step S6: Measures against Attenuation of Sound Waves in Phase Shifter)
It should be noted that the determination of the desired dimensions and the like of the
ここで、マイク5は、フェイズシフタ1通過後の音波を測定する。フィルタ6では、フェイズシフタ1によって透過損失が負の値になる周波数域の音波を増幅しないように処理を行う。増幅器7は、フェイズシフタ1内で減衰した分だけ音波を増幅する。スピーカ8は、増幅器7で増幅した音波を、フェイズシフタ1と主管2との合流部4に向けて出力することで、主管2中を伝搬する音波を消音することができる。
Here, the
(ある隙間厚さbでの音速V,V’の対比)
以下に、工程S4の具体例を示す。図3(a)に、フェイズシフタ1の隙間の厚さbを0.1mmとした場合の音速Vを実線で示す。また、図3(a)には、LA及びLFの値を適宜入力して得た3種類の音速V’の曲線も描画している。
(Comparison of sound velocities V and V' at a certain gap thickness b)
A specific example of step S4 is shown below. In FIG. 3A, the solid line shows the sound velocity V when the thickness b of the gap of the
この図3(a)から、隙間の厚さbを0.1mmとしたとき、主管2の管長LAを290mm,フェイズシフタ1の管長LFを270mmとすると(すなわち、図3(a)中の破線の場合)、二つの音速V,V’の差が最も小さくなることが判った。
From FIG. 3(a), when the thickness b of the gap is 0.1 mm, the pipe length LA of the
(フェイズシフタの音波と主管の音波の位相差の検討)
各管長LA,LFを決めるにあたり、フェイズシフタ1の音波と主管2の音波の位相差についても検討し、比較してみた。具体的には、決定された隙間の厚さb=0.1mmを数式(1)に代入し、数式(2)及び(3)より音速Vを求めた。このVの値を数式(8)の音速V’に代入した。その後、数式(7)及び数式(8)より各管長LA,LFを変化させた際の各位相変化量の理論値を算出し、フェイズシフタ1と主管2における音波の位相差の理論値を比較した。その結果を図4に示す。
(Examination of the phase difference between the sound wave of the phase shifter and the sound wave of the main pipe)
In determining the pipe lengths LA and LF , the phase difference between the sound wave of the
透過損失は、位相差が180°から±15°以内のときに10dB以上の値を取ることができるため、この範囲内に位相差が収まる条件の管長LA,LFを採用することが好ましい(工程S5)。この点も踏まえて、上述のように、隙間の厚さbを0.1mmとしたとき、フェイズシフタ1の管長LF=270mm、主管の管長LA=290mmが最も適切であると判断した。
Since the transmission loss can take a value of 10 dB or more when the phase difference is within ±15° from 180°, it is preferable to adopt the tube lengths LA and LF under the condition that the phase difference falls within this range. (Step S5). Based on this point as well, when the thickness b of the gap is set to 0.1 mm as described above, it was determined that the pipe length L F of the
(別の隙間厚さbでの音速V,V’の対比)
一方、図3(b)に、フェイズシフタ1の隙間の厚さbを0.2mmとした場合の音速Vを実線で示す。また、図3(b)にも、LA及びLFの値を適宜入力して得た3種類の音速V’の曲線も描画している。
(Comparison of sound velocities V and V' at different gap thickness b)
On the other hand, FIG. 3B shows the sound velocity V when the thickness b of the gap of the
隙間の厚さbを0.2mmとしたときは、主管2の管長LAを1080mm,フェイズシフタ1の管長LFを1000mmとすると(すなわち、図3(b)中の一点鎖線の場合)、二つの音速V,V’の差が最も小さくなることが判った。しかしながら、この場合、音速V,V’の差を小さくしようとすると各管長LA,LFが1.0mを超えてしまう。また、板材間の隙間の厚さbをさらに大きくすると、これに伴い管長LA及びLFも増大する。
When the thickness b of the gap is 0.2 mm, the pipe length LA of the
(消音装置製作の検討)
次に、本発明のフェイズシフタ1を試作し、その音響性能の評価を行った。上述の工程S4により、音速V,V’の条件を比較することにより、消音装置10の重要な寸法(板材間の隙間の厚さb、各管長LA,LF)を幾つか決定することができた。このうち、消音装置10として現実的に検討できるのは、隙間の厚さbが0.1mmの場合での上記最適な条件と判断した。
(Examination of the production of silencers)
Next, the
(フェイズシフタの試作)
図5(a)に実際に試作したフェイズシフタ1の画像を、図5(b)にフェイズシフタ1の概略図を、その諸元を以下の表1にそれぞれ示す。
(Prototype phase shifter)
FIG. 5(a) shows an image of the
本実施例のフェイズシフタ1は、矩形管内(外径は縦25.6mm×横25.6mm,内径は縦24.6mm×横24.6mm)に隙間を作るための治具(厚さb=0.1mm)と板材(幅24.6mm,厚さ0.1mm)を交互に積み重ね、これらの板材を固定した後、治具を抜くことで製作した。図5(a)は、製作したフェイズシフタ1の後ろに「A」と書かれた紙を置き、隙間が出来ていることを示したものである。フェイズシフタ1の隙間厚さbと管長LFは、上述した設計工程により得られたb=0.1mm及びLF=270mmを採用している。また、主管2についても管長LA=290mmとして作成した。
The
また、後述の音響性能試験を行う際には、フェイズシフタ1を測定装置内に安定して設置するために、このフェイズシフタ1を、厚さ10mmのアルミ合金板(図示せず)で囲んで固定・保持するようにした。
In order to stably install the
(フェイズシフタの変形例)
なお、本実施例のフェイズシフタ1(1A)では、矩形断面を有した中空筒体を想定したが、必ずしもこれに限定されない。例えば、円形断面や四角形以外の多角形(例えば、図5(c)の左側に示す六角形)断面を有した中空筒体1Bであってもよい。なお、本発明の板材(隙間厚さbを仕切る物体)は、上記実施例の平板に限られず、曲面を有した板材、シート状の薄板、又はフィルム状の膜体であってもよい。例えば、図5(c)の右側に示すように、円形断面の中空筒体の内部を、隙間厚さbで離間するように直径が徐々に小さくなる複数の同心円状の筒体で仕切った構造のフェイズシフタ1Cを採用してもよい。
(Modified example of phase shifter)
In addition, in the phase shifter 1 (1A) of the present embodiment, a hollow cylindrical body having a rectangular cross section is assumed, but it is not necessarily limited to this. For example, the
(位相変化量の測定装置)
位相変化量の測定には、4マイクロホンインピーダンス管とFFTアナライザを用いた。測定装置の概略図を図6(a)、測定装置の写真を図6(b)に示す。測定試料(主管2又はフェイズシフタ1)は所定の位置に設置し、マイクロホンは測定試料の前後に1本ずつ取り付けられる。
(Equipment for measuring the amount of phase change)
A four-microphone impedance tube and an FFT analyzer were used to measure the amount of phase change. A schematic diagram of the measuring device is shown in FIG. 6(a), and a photograph of the measuring device is shown in FIG. 6(b). A measurement sample (
(位相変化量の測定方法)
音源より基準信号(リニアマルチサイン波)による音波を発生させて、測定試料の入射側及び透過側の音波をマイクロホンで検出し、マイクロホン用の信号増幅器を介してFFTアナライザで解析することで、位相変化量の算出を行った。本実施例では、本発明の消音装置10の性能評価の前段階の評価として、フェイズシフタ1の位相変化量と主管の位相変化量とを別々に測定し、これらの測定結果を用いて消音装置の音響性能を予測・検証した。
(Method for measuring phase change amount)
A sound wave is generated by a reference signal (linear multisine wave) from a sound source, and the sound waves on the incident side and transmission side of the measurement sample are detected by a microphone. The amount of change was calculated. In this embodiment, as a pre-stage evaluation of the performance evaluation of the
(フェイズシフタの位相変化量の測定結果)
図7(a)に、フェイズシフタ1における位相変化量θFの理論値と実験値の比較を示す。ここで、理論値と実験値を比較すると、周波数1600Hz以下において実験値が理論値より位相の変化が小さい値となっている。また周波数4500Hz~6000Hzにおいては実験値が理論値より大きい値を示している。
(Measurement result of phase shift amount of phase shifter)
FIG. 7(a) shows a comparison between the theoretical value and the experimental value of the phase change amount θF in the
(主管の位相変化量の測定結果)
一方、図7(b)に、主管2における位相変化量θAの理論値と実験値の比較を示す。こちらの実験値は全体を通して、おおよそ理論値と一致している。しかし、周波数2000Hz以下では、実験値に多少の乱れが見られる。
(Measurement result of phase change amount of main pipe)
On the other hand, FIG. 7(b) shows a comparison between the theoretical value and the experimental value of the phase change amount θA in the
(フェイズシフタ内の音波と主管内の音波との位相差)
上述の各位相変化量の結果を利用して、フェイズシフタ1と主管2の位相差を算出した結果を図8(a)に示す。図中一点鎖線で示す理論値では、周波数1500Hzより大きくなると位相差が180°に漸近していき、周波数5000Hzになると180°に一致する。それ以上の周波数では位相差が180°より徐々に大きくなることが分かる。
(Phase difference between sound wave in phase shifter and sound wave in main pipe)
FIG. 8(a) shows the result of calculating the phase difference between the
一方、実験値では、周波数1600Hz以下では理論値と大きく乖離しており、あまり位相を反転させることができていないことが判る。周波数1600Hz~4500Hzにおいては180°に近い位相差を得ることができているが、周波数4500Hz~6000Hzでは位相差が理論値よりずれてしまっている。このような理論値とのズレが発生している原因は、試作したフェイズシフタ1の寸法精度の誤差などに起因したフェイズシフタ1側の位相変化が理想的ではないためであると考えられる。
On the other hand, the experimental values deviate greatly from the theoretical values at frequencies of 1600 Hz or less, indicating that the phase cannot be significantly inverted. A phase difference close to 180° can be obtained at frequencies of 1600 Hz to 4500 Hz, but the phase difference deviates from the theoretical value at frequencies of 4500 Hz to 6000 Hz. It is considered that the reason why such a deviation from the theoretical value occurs is that the phase shift on the
(透過損失の算出)
次に、位相変化量のデータを利用し、音波を正弦波で表し、その振幅データより音波を合流させた際の透過損失TLを算出した。その算出方法を、以下に示す。先ず、フェイズシフタ1と主管2の入射部XIにおける正弦波yIは次の数式11で表される。なお、図8(b)は、消音装置10の各地点(入射部、合流部)における正弦波を示した図である。
(Calculation of transmission loss)
Next, using the phase change amount data, the sound wave is represented by a sine wave, and the transmission loss TL when the sound waves are combined is calculated from the amplitude data. The calculation method is shown below. First, the sine wave yI at the incident portion XI of the phase shifter 1 and the
このとき、主管2及びフェイズシフタ1の終端部XCA,XCFでの正弦波yA,yFは、それぞれ以下の数式12,13で表すことができる。
At this time, the sine waves y A and y F at the end portions X CA and X CF of the
また、フェイズシフタ1側の音波を合流させる際に、フェイズシフタ1内で減衰した分を増幅器7を用いて増幅し元の主管2の音波の振幅と同等にするため、実際に合流する際のフェイズシフタ1側の音波の正弦波は、次のように表される。
Further, when the sound waves on the
これより、音波が合流した際の合成波の正弦波yCは、音波の重ね合わせの原理により次の数式15のように表される。 From this, the sine wave yC of the composite wave when the sound waves join is expressed by the following formula 15 according to the principle of superposition of sound waves.
ここで求められた合成波の振幅Cと元々の音波の振幅Aから、以下の数式16を用いて透過損失を算出できる。 From the amplitude C of the composite wave obtained here and the amplitude A of the original sound wave, the transmission loss can be calculated using Equation 16 below.
(音波の重ねあわせによる透過損失の評価)
上述の位相変化量の結果を利用して、フェイズシフタ1の音波を主管2の音波に合流させた際の透過損失TLを算出した結果を図9(b)に示す。また、参考としてフェイズシフタ1と主管2との位相差を算出した結果を図9(a)に再掲する。図9(a)は、図8(a)の位相差の結果に、位相差±15°の範囲内を示す破線と、位相差±60°の範囲内を示す実線と、を更に追加したものである。
(Evaluation of transmission loss by superposition of sound waves)
FIG. 9B shows the result of calculating the transmission loss TL when the sound wave of the
図9(a)と図9(b)とを比較すると、フェイズシフタ1と主管2との位相差が180°から±15°の範囲内にある周波数域では、安定して10dB以上の透過損失TLを得ることができていることが判る。また、図9(b)にて透過損失TLが負の値になっている周波数域があるが、これは位相差が180°から±60°以上になると音波が増幅され、合成波の振幅が合成前よりも大きくなるためである。実際にフェイズシフタ1を使用する際には、この透過損失TLが負の値になる周波数域において音波を増幅しないようなフィルタ6を掛けることが好ましい。
Comparing FIG. 9(a) and FIG. 9(b), in the frequency range where the phase difference between the
本発明によれば、非常にシンプルな構造を有し、低コストで、電源が不要で、故障が無く保守が不要な消音装置10が提供されることになる。従って、本発明は、産業上の利用可能性及び利用価値は非常に高い。
According to the present invention, the
1 音響式フェイズシフタ
2 主管
3 騒音源
4 合流部
5 マイク
6 フィルタ
7 増幅器
8 スピーカ
10 消音装置
b 板材間の隙間の厚さ
LA,LF 主管の管長,フェイズシフタの管長
1
Claims (3)
前記主管に空の管を利用し、前記枝管に、隙間厚さbで離間した複数の板材で仕切られた中空筒体を有した音響式フェイズシフタを利用する工程S1と、
前記板材間の隙間における音速Vの関係式を導出する工程S2と、
前記主管の音速に対して逆位相となる音速V’の関係式を導出する工程S3と、
前記音速Vと前記音速V’とが一致するように前記主管の寸法と前記フェイズシフタの寸法を決定する工程S4と、
を含み、かつ、
前記工程S2では、以下の数式1で表される伝搬定数γを用い、
前記伝搬定数γを以下の数式2により実部αと虚部βとに分けたうえで、
を特徴とする消音装置の製造方法。 A method for manufacturing a silencer having a main pipe and a branch pipe,
step S1 of using an empty pipe as the main pipe and using an acoustic phase shifter having a hollow cylinder partitioned by a plurality of plate members separated by a gap thickness b as the branch pipe;
a step S2 of deriving a relational expression of the sound velocity V in the gap between the plate materials;
A step S3 of deriving a relational expression of the sound speed V′ having an antiphase with respect to the sound speed of the main pipe;
step S4 of determining the dimensions of the main pipe and the phase shifter so that the sound velocity V and the sound velocity V'match;
and
In the step S2, using the propagation constant γ represented by the following formula 1,
After dividing the propagation constant γ into a real part α and an imaginary part β by the following formula 2,
A method of manufacturing a silencer, characterized by:
前記差(θA-θF)が180°から±15°以内であることを、前記音速Vと前記音速V’とが一致するかどうかの判断基準とすること
を特徴とする請求項1に記載の消音装置の製造方法。 In step S4, the difference (θ A - θ F ) between the phase change amount θ A at each frequency of the main channel and the phase shifter phase change amount θ F is obtained,
The method according to claim 1, wherein the difference (θ A - θ F ) is within ±15° from 180° as a criterion for determining whether the speed of sound V and the speed of sound V' match. A method of manufacturing the described silencer.
さらに含み、
前記マイクは、前記フェイズシフタ通過後の音波を測定し、
前記増幅器は、前記フェイズシフタ内で減衰した分だけ前記音波を増幅し、
前記スピーカは、前記増幅器で増幅した前記音波を、前記フェイズシフタと前記主管との合流部に向けて出力することで、前記主管中を伝搬する音波を消音すること
を特徴とする請求項1又は2に記載の消音装置の製造方法。 preparing a microphone, a filter, an amplifier, and a speaker in the muffler;
further includes
The microphone measures sound waves after passing through the phase shifter,
The amplifier amplifies the sound wave by the amount attenuated in the phase shifter,
2. The speaker muffles the sound wave propagating in the main pipe by outputting the sound wave amplified by the amplifier toward the junction of the phase shifter and the main pipe. 3. The method for manufacturing the silencer according to 2.
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