JPH09506188A - 能動騒音消去マフラ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 能動制御装置、音響コンポライアンス空間を持ったスピーカハウジング、前記スピーカハウジングと連絡し、ダイポール放射パターンをマイクロホン手段によって測定できる。平面波に一致させるのに適応したダクト延長部手段を備える能動マフラ騒音消去装置。

Description

【発明の詳細な説明】 能動騒音消去マフラ 本出願は、１９９３年３月２４日出願で「非一体形能動マフラ」という名称の 米国特許出願番号０８／０３７，７５５の一部継続である。 緒 言 不快な騒音源の能動消去をあてにしているマフラ装置を実現するときに、実装 と耐久性の問題が重要である。他の著者は、比較的小さなパッケージ内の予め定 めた周波数範囲にわたって高い音響出力を可能にする装置を記載した、例えばホ ウグ（Ｈｏｇｅ）ほかの米国特許第５，０９７，９２３号及びＰＣＴ／ＵＳ９１ ／０２７３１の「伝送線拡声機における及び関する改良品」である。以下の記載 は、上述の書類によって記載されたトランスジューサを用いている。本発明は、 これらの能動マフラ装置の実装性と耐久性を改良する強化性を追加しようとして いる。このような装置において耐久性と低コストの重要性を誇張し過ぎることは ない。技術の現状を代表する受動的装置は、安くて非常に耐久性があり、ときに は、どんな種類の注意も受けないで数十年の間働いている。従って、能動装置の 動作を強めるために最低コストで最大耐久力の装置を用いることが不可欠である 。 背景及び背景技術 何人かの著者がパイプ又はダクトを通って伝搬する騒音を打消す装置を記載し てきた。例えば、米国特許第４，１２２，３０３号におけるチャプリン（Ｃｈａ ｐｌｉｎ）及び米国特許第４，８０５，７３３号における加藤は、伝搬される音 の反射を生ずるようにダクト内に置かれた境界の不明確な騒音源を用いることを 提案している。他の著者、例えば米国特許第４，６６５，５４９号におけるエイ リクソーン（Ｅｒｉｋｓｓｏｎ）及び米国特許第４，１７７，８７４号における アンジエリーニ（Ａｎｇｅｌｉｎｉ）ほか及び米国特許第５，０４４，４６４号 におけるブレミガン（Ｂｒｅｍｉｇａｎ）は、ダクト内に挿入されている装置を 規定している。これらの装置における一つの凝った工夫が米国特許第５，０９７ ，９２３号におけるジーグラ（Ｚｉｅｇｌｅｒ）ほか及びＰＣＴ／ＵＳ９１／０ ２ ７３１におけるホーグほかによって記載された装置によって代表され、これらの 両方は本明細書に引用して組入れられている。これらの特許と出願は、能動制御 反対音源がダクトに共心的にかつダクト出口の平面内に置かれている配管装置を 記載している。両方の場合に記載された能動音源は、限られた周波数帯域全体に わたって高出力音を発する同調音響囲いである。単位体積当りの音響出力は、こ の形式の音源を用いることによって最大にされる。この形式の出口形状を用いる ことによって、最高可能周波数は、反騒音源で消去でき、トランスジューサを腐 蝕性気体の流れの中に置くことに伴う環境的問題の多くは殆ど完全に避けられる 。 パイプの出口に極く近接して置かれている騒音源の使用は技術的文献に広く引 用されていた。例えば、米国特許第４，４８９，４４１号におけるチャプリン及 びネルソン（Ｎｅｌｓｏｎ）とエリオット（Ｅｌｌｉｏｔ）が彼らの著書「音の 能動制御」、１９９２年発行の２３３〜２４４頁でこれらの装置を説明している 。城戸ほかはプロシーデイングス・オブ・インターノイズ‘８９（Ｐｒｏｃｅｅ ｄｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎｏｉｓｅ）、１９８９年１２月、４８３〜４８８ 頁の「能動騒音制御装置における追加の音源の新しい装置」において及びホール （Ｈｏｌｌ）ほかはＡＳＭＥトランザクションズ・ジャーナル・オブ・バイブレ ーション・アンド・アクスディックス（Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｊｏｕｒｎ ａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｃｏｕｓｔｉｅｓ）、１９９２年 ６月、３３８〜３４６頁の「ダクトからの放射音の能動制御」において幾つかの 異なるパイプ出口形状を記載している。しかし、これらの著者は、非常に簡単な 音源の使用を提案しているか又は使用されるべき能動トランスジューサの形式に ついては何も言及していない。 能動音源をマフラに用いる試みが排気管をほぼ同心円の形状に取巻く能動騒音 消去装置を示すケイン（Ｃａｉｎ）の米国特許第５，２７２，２８６号の業績を 含んでいる。このような装置に伴う問題は、高温排気管に直接接触して何かを作 り付けることに含まれた莫大な費用、その装置を既存の後部排気管にあとから取 付けることができないこと及びそれを運転するときの他の問題と同様に途方もな い大きさである。同様な装置が１９８５年２月４日に発行された神永トシユキに よる「排気騒音低減装置」という名称の日本特許出願、昭和３５年第２２０１０ 号に示されている。シエイレール（Ｓｃｈｅｒｒｅｒ）は、フランス特許第１， １９０，３１７号（１９５９年１０月１２日発行）で同心管が混合室に通じてい る上記ケインのものと非常によく似た装置を示している。最後に、「保護シール ドを備えた排気マフラ」の名称で１９８４年１２月１１日発行の米国特許第４， ４８７，２８９号は、やはりケインと同様の後部排気管にかぶせてはめた延長部 を示している。 概 説 本発明は、エンジンの排気管を能動囲いの音響的排出装置と結合することによ って能動音響減衰を強めることに関する。 能動騒音制御が不快感を与える騒音源に適用されるとき、２次騒音源が不快感 を与える騒音源に極く接近して置かれる。２次音源を不快感を与える騒音源の周 りに同心円的に又は騒音源のそばにダイポール形状で、二つの音源の中心間の距 離が消去の最高周波数の波長よりずっと小さい限り、置くことができる。２次音 源は、振幅が等しく、不快感を与える騒音源の位相と１８０°異なっている位相 の音響波形を作る。２次音源は、フィードバックマイクロホンを必要とする適応 制御装置によって駆動される。フィードバックマイクロホンは破壊干渉の有効性 を測定し、２次音源の信号を調節して消去を最適にするために用いられる。 ポート延長部は、エンジン排気管及び音響ポートの両方の端にかぶせてはめら れる。ポート延長部は、排気騒音と能動囲い音響ポートから発せられる反騒音の 間のより良い結合をできるようにしている。この改良された結合の結果は、用い る電力を少なくして、音響減衰を大きくすることである。囲いは、小さく、実装 の目的には力強さが少なく、装置のために利用できる電力が限られているので、 これらの改良点は、自動車に取付ける能動騒音消去装置のために非常に重要であ る。 ポート延長部は、また、有害な排気ガスを運んで規定の距離でガスに車の下か ら出てゆかせる。この特徴は、能動囲みをバンパ及び路面から車のもっと下に置 くことができるようにする。 ポート延長部が排気ガスを車の下から運ぶので、エンジン排気管と音響ポート の両方は、ずっと短くできる。音響ポートを短くすることは、能動囲いの音響出 力を大きくするポートの音響質量を小さくする。出力の増加が常に望ましい。 本発明は、さらに反騒音と排気管騒音の両方が入り、混合され平面波に一致さ せられるダクト延長部の使用を考慮し、検知マイクロホンが調節を、必要ならば 、制御手段に行なわせるように、結果として生じた平面波騒音を標本化する。ダ クト延長部は、通常、排気管と同じかそれより大きいポートを介して前キャビテ イと背面キャビティが伴っている能動騒音消去スピーカを含む囲いに接続されて いる。二つのキャビティを接続するポートを設けてもよい。寸法及び二つのキャ ビティとスピーカの関係は、一般に、ジャーナル・オブ・ザ・オーディオ・エン ジニアリング・ソサイアティ（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｕｄｉｏ Ｅ ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｏｃｉｅｔｙ）、１９６１年３月号、１８１〜１９１ 頁のＡ．Ｎ．シール（Ｔｈｉｅｌｅ）著「半密閉箱内の拡声機、パートＩ」及び ジャーナル・オブ・ザ・オーディオ・エンジニアリング・ソサイアテイ、２８２ 〜２８９頁のリチヤードＨ．スモール著「密閉箱拡声機パートII：総合」によっ て論じられた理論と所望の応答曲線によって表わされている。 一般に、ダクト延長部の大きさは、それの断面積が非平面波（又は高次の）の カットオン周波数が能動騒音制御装置の動作周波数より上になるように十分大き いようなものでなければならない。一たんこの基準が確立されて、満たされると 、ダクト延長部の実際の形は、それがカットオン周波数がどう決められようとも 、それ程重要でない。ダクト延長部の端を、例えば、自動車の形式に一致するど んな数の方法でも斜めにしたり又は特定の形に合わせることができる。 ダクト延長部の長さは、より大きくそれの細部円形断面直径の２ないし３倍で あるのが好ましい。延長部は、ダイポール放射を制御装置に装置がどのようにう まく働いているか及び装置に十分な減衰を達成させるように迅速に適応させるか を入力する残差マイクロホンによって検出される平面波に変える。 囲いをダクト延長部と結合するポートの直径は、排気管の直径と同じ大きさの 最小値である必要があり、音響質量を減らすように比較的短い必要がある。 本発明のための制御装置は、チャプリンの米国特許第４，４９０，８４１号に 記載された同期制御装置、ジーグラの米国特許第５，１０５，３７７号に記載さ れた制御装置及び同時係属ＰＣＴ出願で「高調波フィルタを用いる制御装置」と いう名称の出願番号ＰＣＴ／ＵＳ９２／０５２２８号に記載された制御装置を用 いることができる。これらの制御装置のすべては残差マイクロホンとエンジン又 はモータへの同期信号を用いている。この制御装置は、また、「適応フィードホ ワード及びフィードバック制御装置」という名称の同時係属出願米国特許願第０ ８／１８８，８６９号に記載されたデジタル仮想接地／適応フィードホワード装 置を用いてもよい。そのような場合には、同期信号を必要としないで、第２のマ イクロホンが排気騒音を上流で検知するのに用いられる。四つの特許又は特許願 のすべては、本明細書に引用して取り入れられている。 一般に、本発明は、ダイポール指向エンジン排気装置と能動囲い音響ポートと の間の改良された結合を提供する。本発明は、ダイポール指向エンジン排気装置 と能動囲い音響ポートで達成できる減衰量を大きくし、与えられた能動騒音消去 装置に対する規定量の減衰を達成するに必要な動力の量を小さくする。 本発明は、また、能動囲いの音響ポートが短くなるようにでき、それによって 能動囲いの音響出力を大きくし、誤差センサの表面取付をできるようにしている 。この構成は、誤差センサに道路屑から誤差センサを保護し、ケーブルを最小に するために誤差センサケーブルを能動囲いの中に一体にする方法を与え、そして ケーブルを導管の中に入れることによってケーブルを保護する。この構成は、乱 流を減らすためのフレアーポート及び誤差センサ又は検知マイクロホンを保護す るための内部熱遮へいを備えている。ダクト延長部は様々な形で形作ることがで きる。 従って、本発明の目的は、ダイポール指向エンジン排気装置と、能動囲い音響 ポートとの間の改良結合を提供することである。 本発明のもう一つの目的は、ダイポール指向エンジン排気装置と能動囲い音響 ポートとで達成できる減衰の量を大きくすることである。 本発明のもう一つの目的は、ダイポール指向における与えられた能動騒音消去 装置に対するある量の減衰を達成するに必要な電力の量を小さくすることである 。 本発明のさらにもう一つの目的は、自動車のマフラの背後より遠くにそして路 面からさらに遠くに能動囲いを取付けできるようにすることである。 本発明のもう一つの目的は、有害エンジン排気ガスが規制距離で車の下から外 に出ることができるようにするチヤネルを与えることである。 本発明の追加の目的には、 （ｉ）能動囲いの音響ポートを短くし、それによって能動囲い音響出力を大 きくできること、 （ii）誤差センサを取付けるための表面を与えること、 （iii）道路ごみ及び異物から誤差センサを保護すること、 （iv）能動囲いと誤差センサを１本の入力ケーブルから電力を供給できるよ うに、誤差センサケーブルを能動囲いに一体化する方法を与えること、 （ｖ）誤差センサケーブルを能動囲いと接合する内蔵導管の中にケーブルを 収めることによって誤差センサケーブルを保護すること、 （Vi）誤差センサを極度の排気ガス温度から保護するために内部熱シールド を設けること、 がある。 これら及びその他の目的は、以下の添付図面を参照するとき明らかになる。 図１は、本発明の一つの実施例の平面図、 図２は、図１の実施例の斜視図、 図３は、スピーカ囲いの線図、 図４は、図３の後部排気管に対する関係を示す図３のスピーカ囲いの端面図、 図５は、スピーカ囲いのもう一つの実施例を示し、 図６は、本発明の第３の実施例の斜視図、 図７は、図６のポート接続部の断面図、 図８は、図６のスピーカ囲いの断面図、 図９は、制御装置のブロック線図、 図１０は、熱遮へい、空気抜き／ケーブル導管の部分斜視図である。 発明の説明 提案の発明は、前述の特許及び特許出願においてシーグラほか及びホーグほか によって記載されたものと同様の基本形状を利用している。しかし、この装置は 、パイプを同心的に配置する代りに、図１に示すようにパイプと非一体である。 反騒音源２は、圧力脈動を含むガスの流れを含む受動マフラ１５に接続されたパ イ プ１の出口に近く置かれている。受動マフラ１５は、能動反騒音源の能力より上 の周波数で騒音を減少させるのに用いられる。能動トランスジューサ手段２は、 出口音響質量４、音響コンプライアンス５と６、スピーカ駆動装置７及び選択的 に音響質量８から成っている。図２は、変形を示している。図２は、端からの二 つの出口を示している。マイクロホン９がパイプ１の出口と能動音源の間の平面 １０の上に置かれていれば、電子制御装置は、二つの音源に音響ダイポールを形 成させる。ダイポールが方向性放射パターンを持っているが、二つの音源の音響 的中心が波長の１／１０以内にあれば、最小消去は、約１０デシベルになる。こ の最小値は、音源と反音源の中心を通る線に沿って起る。この理由で、装置が車 に取付けられる場合、マイクロホン又は聴取者が二つの音源の上又は下の方に置 かれたり、居たりすることは可能性が少ないので、図２に示されているように、 二つの音源を上と下に配置することが、都合のよいことがときにはある。しかし 、１０デジベルは、騒音における著しい低減であると認められるものをもたらす にほぼ十分であり、他の装置騒音源のレベルに不快なトーンを下げるに十分であ る。受動的要素１５がこの種類の能動音源と一緒に高周波音をなくすのに一般的 に用いられるので、１／１０波長規則は、実際には、殆ど破られないであろう。 能動音源のこの配位、とこの種類の音源を用いることに幾つかの利点がある。 第１は、能動音源を高温排気管から離して遠くに置くことができる。これは空間 の制限が厳しい自動車について特に一括化の解決策を見出すことができる可能性 を大きくする。だがもっと重要なことには、能動音源を遠くに置くことによって 、能動音源の構成において重量を減じ、費用を下げそして耐久性をよくするため に異なる材料を用いることができる。例えば、反騒音源を構成するためにプラス チックを用いるという目標は、音源が排気管と直接に接触しているときには厳し かったが、プラスチックの使用は、新しい出口構成の場合簡単なことである。 この能動音源は、伝統的「二重」排気パッケージとして形を変えることができ 、それは消費者がそれの出現に否定的に反応する可能性を減らす。次に非一体能 動マフラを、必要ならば、車のトランクの中に置くことができ、不可能に近い用 途であったものにそれを用いることが今はさらに容易である。例えば、水の流れ が高温ガスと混合される船舶用マフラが、能動トランスジューサを水にさらさな い で可能である。トランスジューサを喫水線より上に取付けできる。 一つの代替の構成が非一体能動マフラ出口がパイプ出口から９０°離れて向け られている図３に示されている。このようにして、二つの騒音源の音響的中心を 、装置の上側周波数限界を延ばすために、より近付け合わせるように動かすこと ができる。他の出力構成及び形を同様に可能であり、当業者に明らかであろう。 図６は、本発明の第３の好ましい実施例の斜視図を示している。総括的に４０ と示されている装置は、ダクト延長部４３への接続ポート４２を持ったスピーカ 囲い４１を備えている。延長部４３にある穴は、後部管又は排気管４４の端を受 けるように構成されており、パイプクランプと同様な環状締付手段４５によって それに固着されている。ポート４２と排気管４４は、騒音のダイポール放射を生 ずるように横に並んでダクト延長部４３に入っている。ダクト延長部４３は、こ の放射を、それがダクト延長部４３の開いた端４７を出るとき、マイクロホン４ ６によって検知される平面波に変えて圧縮する。後部排気管４４は、クランプ４ ８を介して直接マフラ４９に接続されている。ポート４２の直径は、少なくとも 後部排気管４４の直径と同じ大きさである。ダクト延長部４３の断面積は、非平 面波の挙動及び伝搬のカットオン周波数が制御装置の動作周波数より上であり、 それの長さ１が細くなった円形断面の２ないし３倍であるようなものである。寸 法「ａ」は音響質量を小さくするためにできるだけ短い必要がある。 図７は、乱流を減らすために５０におけるようにポート４２の内側をじょうご 形にして示している。 図８は、後部キャビティ５１、前部キャビティ５２及びスピーカ５３を持った スピーカ囲い４１の断面図を示している。必要ならば、第２のスピーカ５４を追 加してもよい。ポート５５がまたＰＣＴ／ＵＳ９１／０２７３１に記載されてお り、本明細書に引用して組込まれているように、６番目のスピーカとしてこの装 置を挙動させるために設けられてもよい。 制御装置は、制御回路６０及び囲い４１の中でスピーカ５３を駆動する増幅器 ６１を備えた図９に総括的に示されている。電源６２は、残差マイクロホン４６ と同じように制御回路６０に接続されている。装置が残差マイクロホンだけを用 いている場合、エンジンのフライホィール６４への同期接続が必要である。同期 装置が用いられない場合、デジタル仮想アース又は上流の検知マイクロホン６５ を持った適応フィードホワード装置を使用できる。 図１０は、ダクト延長部４３の上に取付けられ、マイクロホン４０へのケーブ ル７１を含む中空熱シールドと導管の組合せ装置７０を示し、中空熱シールドと 導管の組合せ装置７０は、また、空気がマイクロホン４６を冷却するために出入 りできるようにする空気抜き穴７２と７３を備えている。この装置は、また、マ イクロホン４６を道路くずなどから保護する。導管装置７０は、ダクト延長部４ ３へスペーサ７５によって間隔を明けた関係で保持されている熱シールド７４に 実際に取付けられている。これは、マイクロホン４６の熱をさらに逃がすことを 考慮している。導管７０は、二つの通路を有し、一つは冷却用空気のためであり 、一つはケーブル７１のためのものである。 本発明を説明したが注意を請求の範囲に向ける。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．後部排気管と能動制御装置を備える能動マフラ騒音消去装置において、 能動制御手段によって作動されるように構成された能動騒音消去手段と 、 音響コンプライアンス空間を有する反騒音源と、 音響質量と、 後部排気室のすぐそばで後部排気管に鋭角で終るように構成され、放射 される排気ガスパルスが音響ダイポールを形成し、それによって前記後部排気管 からくる騒音を減衰するようにした出口管付反騒音源と、 前記出口管付反騒音源とに関連し、排気出口と出口管の音響的中心から 等距離の平面にほぼ垂直な平面内に置かれるように構成されたトランスジューサ 聴音手段とを備えた能動マフラ騒音消去装置。 ２．前記出口と排気管の断面が円形で互いにわずかにふれる程直接隣接して おり、前記トランスジューサ聴音手段は、前記わずかに接した隣り合った部分を 含む平面内にある請求項１に記載の能動マフラ装置。 ３．前記排気管と出口管がそれらの末端でわずかに接している請求項２に記 載の能動マフラ装置。 ４．前記後方排気管と出口管が終るダクト延長部手段をさらに備え、前記ト ランスジューサ聴音手段が前記ダクト延長部手段の端に近く置かれている請求項 １に記載の能動マフラ装置。 ５．排気管を含む定量又は車両適用に用いるための能動騒音消去マフラ装置 において、 囲い手段と、 前記囲い手段の中にあって、前記排気管から放射する騒音波と破壊的干 渉を生ずる反騒音波を発生するように構成された能動騒音減衰手段と、 前記能動騒音減衰手段と関連した適応制御手段と、 前記囲い手段と連絡し、前記排気管ガスと騒音の両方及び前記能動騒音 減衰手段から放射する前記反騒音を受けるように前記排気管の端末を受けるよう に構成され、前記騒音と反騒音が平面波を形成するように結合するダクト延長部 手段と、 前記ダクト延長部手段にあって、前記適応制御手段が前記能動騒音減衰 手段を必要な反騒音を与えるために調節できるように前記制御手段に残差信号を 与えるトランスジューサ聴音手段とを備える能動騒音消去マフラ装置。 ６．前記ダクト延長手段がそれを前記囲い手段に接続するポート手段を備え ている請求項５に記載の装置。 ７．前記ポート手段が前記排気管とほぼ同じ断面積か又はそれより大きい断 面積を有する請求項６に記載の装置。 ８．前記ポート手段と前記延長ポート手段が一体部品である請求項６に記載 の装置。 ９．前記ポートが前記反騒音の乱流を少なくするように前記囲い手段と前記 ダクト延長部手段との接合部に隣接してじょうご形になっている内面を有する請 求項６に記載の装置。 １０．前記ダクト延長部手段が前記排気管断面と同じ寸法の穴を備えて排気管 を受け、前記排気管を適所に保持する固定手段を備えている請求項５に記載の装 置。 １１．前記ダクト延長部手段がそれを前記囲い手段に接続するポート手段を備 え、前記ダクト延長部手段が排気管の端を受けるように構成された穴の中に有し 、前記穴は騒音と反騒音が前記ダクト延長部に入るダイポールを作るように前記 ポート手段にすぐに隣接しており、前記ダクト延長部の形は、前記ダイポールパ ターンを前記トランスジューサ聴取手段に隣接した平面波に強制的に変える請求 項５に記載の装置。 １２．前記ポート手段が音響質量を小さくするように比較的長さが短い請求項 １１に記載の装置。 １３．前記ダクト延長部手段を通って流れる高温排気ガスから離しておくため の熱遮へい手段をさらに備える請求項５に記載の装置。 １４．前記熱遮へい手段が外側空気流れ手段を備える請求項１３に記載の装置 。 １５．前記能動騒音減衰手段が閉じた背面キャビティと、前記ダクト延長部手 段と通じた前キャビティと、前記前キャビティと背面キャビティの間にあって前 記前キャビティの中に反騒音を作るに適応したスピーカ手段を備える請求項５記 載の装置。 １６．前記背面キャビティと前記前キャビティの間にポートがある請求項１５ に記載の装置。 １７．前記前キャビティと背面キャビティの間に取付けられ、追加の反騒音を 前記前キャビティの中に作って入れるのに適応した少なくとも一つのスピーカを さらに備える請求項１５に記載の装置。 １８．前記適応制御手段が制御サイクルを排気ガスと騒音を作る装置のサイク ルに同期させるのに適応した同期手段を備える請求項５に記載の装置。 １９．第１の信号を前記適応制御手段に与えるように前記排気管に上流で取付 けられるのに適応した第２のトランスジューサ手段をさらに備える請求項５に記 載の装置。 ２０．前記トランスジューサ手段の両方がマイクロホンである請求項１９に記 載の装置。 ２１．前記囲み手段がプラスチックで構成されている請求項５に記載の装置。 ２２．前記制御手段が動作周波数を有し、前記ダクト延長部手段の断面積は、 非平面波のカットオン周波数が前記動作周波数より上であるようなものである請 求項５に記載の装置。 ２３．ダクト延長部手段の長さが小さくなった円形断面の直径の２ないし３倍 であるのが好ましい請求項５に記載の装置。 ２４．前記ダクト延長部が型式に合わされ、斜めに切り落とした端を有する請 求項５に記載の装置。