JPH0559927A - 騒音低減装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 流体通路内に発生した騒音に対してスピーカ
から発生された逆位相の音波を重畳させるようにした騒
音低減装置において、スピーカの消費電力を低く抑えつ
つ騒音を良好に低減させる。 【構成】 内燃機関の排気通路１に共鳴管３を介して共
鳴室４が接続される。共鳴管と共鳴室４とはヘルムホル
ツの共鳴器８を形成する。クランク角センサ２０および
上死点検出センサ２１の出力信号に基づき、機関本体の
爆発燃焼による排気騒音の１次周波数成分の周波数ｆｎ
および位相φｎが算出される。共鳴器８の共鳴周波数が
騒音の１次周波数ｆｎに等しくなるように共鳴周波数可
変ピストン１４の位置が制御される。騒音の１次周波数
成分と等しい周波数でかつ逆位相をなす音波がスピーカ
６から発生され、この音波が共鳴器８内で共鳴して増幅
され、この増幅された音波が排気騒音に重畳される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は騒音低減装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】流体通路内に発生した騒音の波形を検出
するための発生騒音検出用マイクロホンと、流体通路内
に向けて音波を発生するスピーカと、このスピーカによ
り発生された音波が流体通路内の騒音に対して重畳され
た出力騒音の波形を検出するための出力騒音検出用マイ
クロホンとを具備し、発生騒音検出用マイクロホンによ
り検出された騒音の波形と出力騒音検出用マイクロホン
により検出された出力騒音の波形とに基づいて、流体通
路内に発生した騒音の周波数と同一の周波数でかつ騒音
の位相と逆位相をなしかつ騒音の振幅と等しい振幅を有
する音波をスピーカによって発生させるようにしたフィ
ードバック補償型騒音低減装置が公知である（特開昭６
１−２３４２１６号公報参照）。この騒音低減装置では
流体通路内に発生した騒音と同一の周波数でかつ等しい
振幅でかつ逆位相をなす音波がこの騒音に重畳せしめら
れるので、この音波により騒音がほぼ相殺せしめられ、
斯くして出力騒音が大幅に低減せしめられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの騒音
低減装置では上述のように流体通路内に発生した騒音の
振幅と等しい振幅を有する音波をスピーカによって発生
させなければならない。従って騒音の振幅が大きいとき
にはその振幅と等しい大きな振幅を有する音波をスピー
カによって発生させなければならず、その結果スピーカ
を駆動するための消費電力が非常に大きくなってしまう
という問題がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば図２の発明の構成図に示されるよう
に、流体通路Ａ内に連通する共鳴装置Ｂと、共鳴装置Ｂ
の共鳴周波数を変化させる周波数可変手段Ｃと、流体通
路Ａ内に発生した騒音の周波数と位相を検出する騒音検
出手段Ｄと、騒音検出手段Ｄにより検出された騒音の周
波数と同一の周波数でかつ騒音の位相と逆位相をなす音
波を発生する発生手段Ｅと、発生手段Ｅにより発生され
た音波が共鳴するように周波数可変手段Ｃを制御する制
御手段Ｆとを具備している。

【０００５】

【作用】流体通路内に発生した騒音と同一の周波数でか
つ逆位相をなす音波が発生手段によって発生され、この
音波が共鳴装置内で共鳴して増幅せしめられ、この共鳴
して増幅せしめられた音波が流体通路内に発生した騒音
に重畳せしめられる。

【０００６】

【実施例】図１に本発明を内燃機関の排気通路の騒音低
減に適用した場合を示す。図１を参照すると、１は機関
排気通路を示し、図１において排気通路１の左側は図示
しない触媒コンバータを介して機関本体に接続されてお
り、一方排気通路１の右側は大気に開放されている。排
気通路１には円筒状の共鳴管３を介して、大径の円筒状
の閉鎖空間を形成する共鳴室４が接続されている。共鳴
管３と反対側に位置する共鳴室４壁面の中心部上にスピ
ーカ６が配置される。従って共鳴管３と共鳴室４とはス
ピーカ６により発生された音波を共鳴させるヘルムホル
ツの共鳴器８を形成している。

【０００７】図１に示されるように共鳴管３と共鳴室４
とは同軸上に配置されている。ヘルムホルツの共鳴器８
内には共鳴管３と共鳴室４の共通軸線に沿ってねじ付き
シャフト１０が延びており、このねじ付きシャフト１０
はその一端に連結されたサーボモータ１２によって回転
駆動される。ねじ付きシャフト１０上には円錐状をなす
共鳴周波数可変ピストン１４が螺合され、ねじ付きシャ
フト１０と平行をなして延びる回転防止バー１６が共鳴
周波数可変ピストン１４を貫通している。従ってサーボ
モータ１２によりねじ付きシャフト１０が回転される
と、共鳴周波数可変ピストン１４が図１において上下方
向に移動せしめられ、斯くして共鳴管３内への共鳴周波
数可変ピストン１４の侵入量が変化せしめられる。

【０００８】ヘルムホルツの共鳴器８の共鳴周波数ｆｒ
は、共鳴管３の内壁面と共鳴周波数可変ピストン１４の
外壁面とにより形成される共鳴通路の音響質量をｍ、共
鳴室の音響容量をＣとすると次式で表わされる。

【０００９】

【数１】

【００１０】なお、共鳴室の音響容量Ｃは、

【００１１】

【数２】

【００１２】で表わされる。ここでｃは音速、ρは気体
の密度、Ｖは共鳴室の容積である。また音響質量ｍは、 ｍ＝Ｍ／Ｓ² …（３） で表わされる。ここでＭは共鳴通路内の気体の機械的質
量を表わし、Ｓは共鳴通路の断面積を表わす。

【００１３】共鳴管３内への共鳴周波数可変ピストン１
４の侵入量が変化すると共鳴通路内の気体の機械的質量
Ｍおよび断面積Ｓが変化すると共に共鳴室４の容積Ｖも
若干変化し、従ってヘルムホルツの共鳴器８の共鳴周波
数ｆｒが変化せしめられる。従って、サーボモータ１２
により共鳴周波数可変ピストン１４の位置を制御するこ
とによりヘルムホルツの共鳴器８の共鳴周波数ｆｒを変
化させることができる。サーボモータ１２は電子制御ユ
ニット３０の出力信号に基づいて制御される。

【００１４】電子制御ユニット３０はディジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続
されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ラ
ンダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセ
ッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具
備する。入力ポート３５には機関クランクシャフト（図
示しない）が例えば３０度回転する毎に出力パルスを発
生するクランク角センサ２０と、例えば１番気筒が上死
点にあることを示す出力パルスを発生する上死点検出セ
ンサ２１とが接続される。ＣＰＵ３４ではクランク角セ
ンサ２０の出力パルスに基づいて機関回転数Ｎ(rpm) が
計算される。またクランク角センサ２０および上死点検
出センサ２１の出力信号から１番気筒の上死点を基準と
した現在のクランク角を計算することができる。更に、
図示しない機関吸気通路内には機関吸入空気量Ｑに比例
した出力電圧を発生するエアフローメータ２２が配置さ
れ、このエアフローメータ２２の出力電圧がＡＤ変換器
３８を介して入力ポート３５に入力される。一方、出力
ポート３６は対応する駆動回路４０，４１を介して夫々
サーボモータ１２およびスピーカ６に接続される。

【００１５】次に図１、図３および図４を参照して、排
気通路１内に発生した騒音の低減方法について説明す
る。図１、図３および図４に示す実施例では、機関本体
の爆発燃焼により発生する排気騒音の１次周波数成分を
消音するようにしている。この機関本体の爆発燃焼によ
る排気騒音の１次周波数成分は排気通路１内に発生する
騒音の主成分であり、その周波数ｆｎ（Hz) は機関本体
の全気筒当り１秒間に発生する爆発燃焼の回数に等し
い。即ち排気騒音の１次周波数ｆｎは次式で表わせる。

【００１６】 ｆｎ＝（Ｎ／６０）×（２／ｚ）×ｎ …（４） ここでｚは機関のサイクル数であり、ｎは機関の気筒数
である。式（４）からわかるように排気騒音の１次周波
数ｆｎは機関回転数Ｎのみの関数である。従って、クラ
ンク角センサ２０の出力信号から求まる機関回転数Ｎに
基づいて排気騒音の１次周波数ｆｎを算出することがで
きる。また、クランク角センサ２０の出力信号と上死点
検出センサ２１の出力信号とから１番気筒の上死点を基
準とした現在のクランク角を計算することができるので
排気騒音の１次周波数成分の位相φｎを算出することが
できる。

【００１７】スピーカ６からは排気騒音の１次周波数ｆ
ｎと同一の周波数ｆｓの音波をヘルムホルツの共鳴器８
内に向けて発生させる。また、このスピーカ６から発生
させる音波の位相φｓは、スピーカ６から発生された音
波が共鳴管３と排気通路１との連通部において排気騒音
の１次周波数成分に対し逆位相をなして重畳するように
上述の排気騒音の周波数ｆｎ、位相φｎ等に基づいて決
定される。更に、スピーカ６から発生させる音波の振幅
Ｐｓは、スピーカ６から発生された音波がヘルムホルツ
の共鳴器８内で共鳴して増幅されたときの振幅が排気騒
音の１次周波数成分の振幅Ｐｎと等しくなるように決定
される。ここで排気騒音の１次周波数成分の振幅Ｐｎは
機関負荷Ｑ／Ｎ（機関吸入空気量Ｑ／機関回転数Ｎ）と
機関回転数Ｎに応じて変化するので、スピーカ６から発
生させる音波の最適な振幅Ｐｓを予め実験により求めて
おき、実験により求められた値を図３に示されるように
予めＲＯＭ３２内に記憶しておく。

【００１８】一方、ヘルムホルツの共鳴器８の共鳴周波
数ｆｒがスピーカ６から発生される音波の周波数ｆｓ、
即ち排気騒音の１次周波数ｆｎに等しくなるように共鳴
周波数可変ピストン１４の位置がサーボモータ１２によ
り制御される。このように機関運転状態に拘らず常に排
気騒音の１次周波数成分と等しい周波数でかつ逆位相を
なす音波がスピーカ６から発生され、このスピーカ６か
ら発生された音波がヘルムホルツの共鳴器８内で共鳴す
ることにより音波の振幅が排気騒音の１次周波数成分の
振幅Ｐｎに増幅され、この共鳴して増幅された音波が共
鳴管３と排気通路１との連通部において排気騒音に重畳
される。従って排気騒音の１次周波数成分がこの重畳さ
れた音波によって相殺され、排気騒音が大幅に低減され
る。しかも、このようにスピーカ６から発生された音波
をヘルムホルツの共鳴器８内で共鳴させるのでスピーカ
６から発生させる音波の振幅Ｐｓは小さくて済む。従っ
て、排気騒音が大きいときにもスピーカ６を駆動するた
めの消費電力を低く抑えつつ騒音を大幅に低減させるこ
とができる。

【００１９】次に、図４を参照して本実施例における騒
音低減のための制御ルーチンについて説明する。この制
御ルーチンは一定クランク角間隔毎の割込みによって実
行される。図４を参照するとまず始めにステップ６０に
おいて、エアフローメータ２２の出力信号から求まる機
関吸入空気量Ｑ、およびクランク角センサ２０の出力信
号から求まる機関回転数Ｎに基づいて機関負荷Ｑ／Ｎが
算出される。次いでステップ６１では機関本体の爆発燃
焼により排気通路１内に発生する排気騒音の１次周波数
成分の周波数ｆｎおよび位相φｎが計算される。

【００２０】次いでステップ６２ではスピーカ６から発
生させる音波の周波数ｆｓが、ステップ６１で求められ
た排気騒音の１次周波数ｆｎと等しい値に設定される。
次いでステップ６３ではスピーカ６から発生させる音波
の位相φｓが計算される。次いでステップ６４ではスピ
ーカ６から発生させる音波の振幅Ｐｓが図３に示すマッ
プに基づいて計算される。次いでステップ６５ではヘル
ムホルツの共鳴器８の共鳴周波数ｆｒが排気騒音の１次
周波数ｆｎに等しくなるようにするための共鳴周波数可
変ピストン１４の目標位置Ｙが計算される。次いでステ
ップ６６では共鳴周波数可変ピストン１４の位置を目標
位置Ｙにすべくサーボモータ１２が駆動される。次いで
ステップ６７では周波数ｆｓ、位相φｓ、および振幅Ｐ
ｓの音波を発生すべくスピーカ６が駆動される。

【００２１】図５に別の実施例を示す。図５に示す実施
例では、共鳴管３と排気通路１との連通部の下流側に位
置する排気通路１内に耐熱構造を有するマイクロホン５
０が配置されている。このマイクロホン５０は、スピー
カ６から発生されてヘルムホルツの共鳴器８内で共鳴し
た音波が排気通路１内の騒音に対して重畳された出力騒
音の周波数、位相および振幅を検出するためのものであ
る。このマイクロホン５０の出力電圧はＡＤ変換器５１
を介して入力ポート３５に入力される。

【００２２】図５に示す実施例では、図１、図３および
図４に示す実施例におけるスピーカ６の駆動制御および
共鳴周波数可変ピストン１４の位置制御に加えて更に、
マイクロホン５０により検出された出力騒音の周波数、
位相および振幅に基づいて、スピーカ６から発生させる
音波の振幅Ｐｓ、周波数ｆｓ、位相φｓ、および共鳴周
波数可変ピストン１４の目標位置Ｙの内の少くとも一つ
をフィードバック補正するようにしている。

【００２３】図６に更に別の実施例を示す。図６に示す
実施例は、内燃機関の排気通路や吸気通路以外の流体通
路５５内に発生した騒音を低減するのに本発明を適用し
た場合を示している。図６において流体通路５５の左側
が騒音の発生源に連通している。共鳴管３と流体通路５
５との連通部に対して騒音の発生側に位置する流体通路
５５内にマイクロホン５６が配置されている。このマイ
クロホン５６は、流体通路５５内に発生した騒音の周波
数ｆｎ、位相φｎおよび振幅Ｐｎを検出するためのもの
である。このマイクロホン５６の出力電圧はＡＤ変換器
５７を介して入力ポート３５に入力される。

【００２４】図６に示す実施例ではマイクロホン５６の
出力信号から求まる流体通路５５内の騒音の周波数ｆｎ
および位相φｎに基づいて、図１、図３および図４に示
す実施例の場合と同様にしてスピーカ６から発生させる
音波の周波数ｆｓ、位相φｓ、および共鳴周波数可変ピ
ストン１４の目標位置Ｙが決定される。またスピーカ６
から発生させる音波の振幅Ｐｓは、スピーカ６から発生
された音波がヘルムホルツの共鳴器８内で共鳴して増幅
されたときの振幅が流体通路５５内の騒音の振幅Ｐｎと
等しくなるように、マイクロホン５６の出力信号から求
まる騒音の振幅Ｐｎに基づいて決定される。

【００２５】次に、図７および図８を参照して更に別の
実施例について説明する。図７および図８に示す実施例
は内燃機関の排気通路１の騒音低減に本発明を適用した
実施例である。図７を参照すると、排気通路１には円筒
状の内側共鳴管７０が連結される。この内側共鳴管７０
の外周面上には外側共鳴管７１が軸線方向Ａに摺動可能
に嵌合せしめられる。また排気通路１と反対側に位置す
る外側共鳴管７１の端面上にはスピーカ６が配置され
る。従って内側共鳴管７０と外側共鳴管７１とによりス
ピーカ６から発生された音波を共鳴させるサイドブラン
チ型の共鳴器７２が形成される。外側共鳴管７１はアク
チュエータ７３によって軸線方向Ａに摺動せしめられ
る。このアクチュエータ７３は駆動回路７５を介して出
力ポート３６に接続されている。

【００２６】サイドブランチ型の共鳴器７２の共鳴周波
数ｆｂは、図７に示されるように共鳴器７２の長さをＬ
とすると次式で表わせる。

【００２７】

【数３】

【００２８】外側共鳴管７１が内側共鳴管７０上を軸線
方向に摺動することによりサイドブランチ型の共鳴器７
２の長さＬが変化し、斯くして共鳴器７２の共鳴周波数
ｆｂを変化させることができる。図７に示す実施例では
図１、図３および図４に示す実施例の場合と同様にし
て、排気騒音の１次周波数成分と等しい周波数でかつ逆
位相をなす音波がスピーカ６から発生される。このとき
スピーカ６から発生させる音波の振幅Ｐｓは、スピーカ
６から発生された音波がサイドブランチ型の共鳴器７２
内で共鳴して増幅されたときの振幅が排気騒音の１次周
波数成分の振幅Ｐｎと等しくなるように、図３と同様の
マップに基づいて決定される。

【００２９】一方、サイドブランチ型の共鳴器７２の共
鳴周波数ｆｂがスピーカ６から発生される音波の周波数
ｆｓ、即ち排気騒音の１次周波数ｆｎに等しくなるよう
に外側共鳴管７１の位置がアクチュエータ７３により制
御される。従って、機関運転状態に拘らず常に排気騒音
の１次周波数成分と等しい周波数でかつ逆位相をなす音
波がスピーカ６から発生され、このスピーカ６から発生
された音波がサイドブランチ型の共鳴器７２内で共鳴す
ることにより音波の振幅が排気騒音の１次周波数成分の
振幅Ｐｎに増幅され、この共鳴して増幅された音波が内
側共鳴管７０と排気通路１との連通部において排気騒音
に重畳される。その結果排気騒音の１次周波数成分がこ
の重畳された音波によって相殺される。斯くして、スピ
ーカ６を駆動するための消費電力を低く抑えつつ排気騒
音を大幅に低減させることができる。

【００３０】次に、図８を参照して図７に示す実施例に
おける排気騒音低減のための制御ルーチンについて説明
する。この制御ルーチンは一定クランク角間隔毎の割込
みによって実行される。この図８に示す実施例では、ス
テップ８０および８１が図４に示す実施例と異なってい
る。ステップ８０ではサイドブランチ型の共鳴器７２の
共鳴周波数ｆｂが排気騒音の１次周波数ｆｎに等しくな
るようにするためのサイドブランチ型の共鳴器７２の目
標長さＬ₀ が計算される。次いでステップ８１では共鳴
器７２の長さＬを目標長さＬ₀ にすべく外側共鳴管７１
がアクチュエータ７３によって駆動される。その他の各
ステップの処理内容は図４の対応する各ステップの処理
内容と同様である。

【００３１】なお、上述の式（１）および式（２）、式
（５）からわかるようにヘルムホルツの共鳴器８の共鳴
周波数ｆｒおよびサイドブランチ型の共鳴器７２の共鳴
周波数ｆｂは共に音速ｃに依存する。この音速ｃは排気
通路１内を流れる排気ガスの温度によって変化する。従
って、排気ガス温を検出する排気温センサを排気通路１
内に配置し、この排気温センサにより検出された排気ガ
ス温に基づいて共鳴周波数可変ピストン１４の位置また
は外側共鳴管７１の位置を補正するようにすることもで
きる。

【００３２】

【発明の効果】流体通路内に発生した騒音の周波数およ
び振幅に拘らず、音波を発生する発生手段の駆動エネル
ギを低く抑えつつ騒音を大幅に低減させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】内燃機関の排気通路に適用された騒音低減装置
の全体図である。

【図２】発明の構成図である。

【図３】スピーカから発生させる音波の目標振幅のマッ
プを示す線図である。

【図４】スピーカから発生させる音波および共鳴周波数
可変ピストンの位置の制御ルーチンを示すフローチャー
トである。

【図５】騒音低減装置の第２の実施例を示す全体図であ
る。

【図６】騒音低減装置の第３の実施例を示す全体図であ
る。

【図７】騒音低減装置の第４の実施例を示す全体図であ
る。

【図８】図７に示す実施例におけるスピーカから発生さ
せる音波およびサイドブランチ型共鳴器の長さの制御ル
ーチンを示すフローチャートである。

【符号の説明】

１…排気通路 ３…共鳴管 ４…共鳴室 ６…スピーカ ８…ヘルムホルツの共鳴器 １２…サーボモータ １４…共鳴周波数可変ピストン ５０…マイクロホン ５５…流体通路 ５６…マイクロホン ７０…内側共鳴管 ７１…外側共鳴管 ７２…サイドブランチ型の共鳴器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体通路内に連通する共鳴装置と、該共
   鳴装置の共鳴周波数を変化させる周波数可変手段と、該
   流体通路内に発生した騒音の周波数と位相を検出する騒
   音検出手段と、該騒音検出手段により検出された騒音の
   周波数と同一の周波数でかつ該騒音の位相と逆位相をな
   す音波を発生する発生手段と、該発生手段により発生さ
   れた音波が共鳴するように該周波数可変手段を制御する
   制御手段とを具備する騒音低減装置。