JPH10110611A

JPH10110611A - 消音装置

Info

Publication number: JPH10110611A
Application number: JP8283429A
Authority: JP
Inventors: Ippei Torigoe; 一平鳥越
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-03
Filing date: 1996-10-03
Publication date: 1998-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】気流の存在下でも騒音低減効果の大きい消音
装置を提供する。【解決手段】騒音の通路と音響系とを接続する開口４
の形状を、気流に沿った方向に測った長さが気流と直角
の方向に測った長さよりも大きくなるようにすること
で、開口の音響特性への気流の影響を小さくして、音響
系による騒音低減効果を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、騒音を低減する消音装
置、特に気流の存在する条件下で騒音を低減することを
目的とした消音装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】消音装置は、吸音材や空洞などの音響素
子によって音響系を構成して、音を吸収したり反射させ
たりして騒音を低減するが、音響系と騒音の通路は騒音
の通路に面した開口を介して接続される場合が多い。例
えば、内燃機関の騒音を低減するための共鳴型マフラー
では、排気管に穿たれた開口を介してヘルムホルツ共鳴
器が接続されていて、開口を含む断面において排気管の
音響インピーダンスが急激に変化するために、伝播して
きた騒音は反射され、結果的に排気管から放射される騒
音が低減される。また、送風ダクトの消音のために、ダ
クト内壁に吸音材をライニングする場合に、吸音材の保
護をかねて、多数の穴を開けた板を吸音材の上に重ねて
貼る場合が多い。この場合、吸音材は、板に穿たれた多
数の開口を介して、騒音の通路と接続されることとな
る。ジェットエンジンナセルの吸音等では、ナセル内壁
にハニカム板と穴開き板を重ねてライニングすることが
ある。この場合は、ハニカム板のセルの空洞と穴開き板
の開口によって形成された多数のへルムホルツ共鳴器
が、穴開き板上の穴を開口としてライニング上に並置さ
れた形となる。これらの消音装置の開口として、通常は
円形の開口が用いられ、開口の径や単位面積当たりの数
には注意が払われているが、形状については、意匠上の
考慮がなされることはあっても、音響特性の面から考慮
されることはなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】騒音の通路に面した開
口を介して音響系が接続された形態の消音装置の消音特
性は、開口上に気流が存在しない条件下においては、理
論的に予測することができる。しかしながら、開口上に
気流が存在していると、消音装置の特性は無風時の理論
値と異なったものとなり、所期の騒音低減性能が得られ
ないという問題がある。この現象の原因の一つは、騒音
の通路と音響系とをつなぐ開口の音響特性が、気流の存
在によって変化してしまうことにある。本発明の目的
は、騒音の通路と消音用音響系を接続する開口の形状を
適切に設計することにより、気流の存在下においても騒
音低減効果の大きい消音装置を実現することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明では、開口を介し
て音響系を接続した消音装置の開口形状を、気流に沿っ
た方向に測った長さが気流と直角の方向に測った長さよ
りも大きくなるようにすることにより、開口の音響特性
への気流の影響を小さくして、消音装置の消音効果を高
める。

【０００５】

【作用】開口の音響インピーダンースの実数部すなわち
開口の音響抵抗は、開口上を横切る気流の流速の関数で
あり、気流の流速が大きくなるほど音響抵抗も大きくな
る。これは、媒質の運動エネルギーの形で開口近傍に貯
えられた音響エネルギーが、気流によって媒質とともに
吹き流され、音響エネルギーの散逸が生じるためであ
る。気流によって吹き流される音響エネルギーの散逸の
度合いは、気流流速が大きい程大きくなり、また、気流
と直角方向に測った開口の長さが大きい程大きくなる。
気流に面した開口の形状を、気流に沿った方向に測った
長さが気流と直角の方向に測った長さよりも大きくなる
ようにすることにより、開口の音響抵抗の気流による増
大の割合を、円形開口や気流に沿った方向の長さが気流
と直角方向の長さより短い開口の場合よりも小さくする
ことができる。これにより、開口を介して接続された消
音装置の消音特性への気流の影響を小さく押さえること
ができる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の実施の形態を、図示実施例に
基づいて説明する。図１は、内燃機関の排気音を低減す
る共鳴型マフラーに適用した本発明の第一実施例であ
り、図２はその横断面図である。図１および図２におい
て、１は断面積Ｓ_dの排気管である。排気騒音の音源で
ある内燃機関は、排気管１の上流側（図の左側）に接続
されているが、図では省略されている。排気管１には、
排気流が平均流速Ｕで流れている。２は容積Ｖの容器、
３は断面積Ｓで長さｌの管である。管３の上端は容器２
と接続されている。一方、管３の下端は、排気管１に穿
たれた開口４において、排気管１と接続している。開口
４は、図２に示されているように、気流に沿った方向に
測った長さがｄ、気流と直角な方向に測った長さがｗに
作製されている。

【０００７】容器の中の気体の圧縮性のため、容器２は
バネ要素として働き、一方、気体の慣性のために、管３
の中の気体は質量要素として働く。従って、容器２と管
３とは、「バネ−質量系」を構成し、いわゆるヘルムホ
ルツ共鳴器を構成している。ところで、管３の中の気体
が振動する際に、実際には管の中の気体だけでなく、管
端近傍の外側の気体も一緒に振動する。このため、音響
共鳴器の質量要素の質量は、管３の中の気体の質量ρＳ
ｌに付加質量が加わり、ρＳｌ’となる。ただし、ρは
気体の密度である。また、ｌ’は管３の音響的な等価長
を表している。（ｌ’−ｌ）は、管の開口近傍の気体が
一緒に振動することによる等価的な管長の延長分、両端
でのいわゆる「管端補正」の値を加えたものに等しい。
ヘルムホルツ共鳴器の音響インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ
は

【０００８】

【数１】

【０００９】で与えられる。ここで、ｃは音速である。
音響インピーダンスの実数部Ｒは、気体の粘性、熱伝
導、音響放射に起因するエネルギー散逸に対応してい
る。また、ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数ｆ₀は

【００１０】

【数２】

【００１１】である。ヘルムホルツ共鳴器が並列に接続
された音響管の音響パワー伝搬係数Ｔは、もし気流が無
いならば、

【００１２】

【数３】

【００１３】で与えられる。ヘルムホルツ共鳴器の音響
リアクタンスＸがゼロとなる共鳴周波数ｆ₀において、
音響パワー伝搬係数は

【００１４】

【数４】

【００１５】となる。ヘルムホルツ共鳴器の音響抵抗Ｒ
が十分に小さいならば、周波数ｆ₀における音響パワー
伝搬係数Ｔ₀もまた小さい値となる。この場合、ｆ₀近
傍の周波数の音は、ヘルムホルツ共鳴器の接続された断
面を越えては殆ど伝播せず、音源の方へ反射されてい
く。

【００１６】次に、開口が気流にさらされると、その音
響インピーダンスがどのように影響を受けるかについて
説明する。図３は、開口４の近傍の流れを示す図であ
る。図３において、５は等価的な付加質量で、この気体
柱の高さｂが、音響管の長さの等価的な延長分すなわち
管端補正の値である。管端の近傍では、音響エネルギー
は媒質である気体の運動エネルギーの形態をとる。付加
質量５の部分の気体も運動エネルギーの形で音響エネル
ギーを蓄えている。気流が無い場合には、管端近傍に蓄
えられた音響エネルギーは失われることがないが、気流
が存在する場合には、付加質量５の部分の気体が下流に
吹き流されるため、音響エネルギーもまた散逸する。微
小時間Δｔに掃き出される付加質量部分の体積はｂ×ｗ
×ＵΔｔであるから、付加質量５の中の平均音響エネル
ギー密度をｅとすると、単位時間に失われる音響エネル
ギーはｅ×ｂ×ｗ×Ｕである。開口からの音響エネルギ
ーの散逸が起こると、開口の音響抵抗は増加するが、そ
の度合いは気流流速Ｕとともに開口の幅ｗにも比例す
る。

【００１７】数４から明らかなように、共鳴型マフラー
は、ヘルムホルツ共鳴器の音響抵抗Ｒが小さくなくて
は、十分な騒音低減性能は得られない。排気管内に気流
が存在して開口の音響抵抗が大きくなると、開口を介し
て接続されたヘルムホルツ共鳴器の音響インピーダンス
の実数部Ｒも大きくなる。従って、Ｔ₀も大きくなり、
ヘルムホルツ共鳴器を越えて伝播していく騒音のパワー
が増える。これが、従来の共鳴型マフラーにおいて、気
流が存在する場合に所期の騒音減衰性能が得られない原
因である。ヘルムホルツ共鳴器の容積Ｖ、管長ｌおよび
開口面積Ｓは、消音対象である騒音の周波数から定ま
る。従来の共鳴型マフラーでは、開口は通常円形である
ので、気流と直角方向に測った開口の長さは（Ｓ／π）
^1/2である。これに対して本実施例では、開口４の面積
Ｓが一定の条件下で、気流方向に測った長さｄを長く、
気流と直角方向に測った長さｗを短くしてあるため、開
口の音響抵抗の気流による増大の割合が従来の共鳴型マ
フラーに比べて小さい。この結果、排気流の存在下にお
いても、従来の共鳴型マフラーよりも大きな消音効果が
得られる。

【００１８】気体の粘性が無ければ、ｗを小さくしてい
くと、気流に起因する音響抵抗はいくらでも小さくでき
る筈である。しかし、気体には粘性があるから、実際に
はｗを無際限に小さくすればよい訳ではない。ｗを小さ
くしていくと、開口の音響抵抗の内の粘性に起因する部
分は、次第に大きくなる。ある値を越えてｗを小さくす
ると、気流に起因する抵抗分の減少を上回って粘性に起
因する抵抗分が増大するので、開口の全音響抵抗は増大
しはじめる。本実施例では、ｗとｄの値を、騒音の周波
数範囲、気流の流速範囲、排気管内の温度範囲の諸条件
から決まる最適値に決定している。

【００１９】本実施例では、四隅の丸い長方形の開口を
用いているが、開口４は必ずしもこの形状である必要は
なく、開口の気流に沿った方向の長さと気流に直角な方
向の長さとが使用条件において最適の値になっていれ
ば、楕円形や長方形でも構わない。なお厳密にいうと、
ｗとｄが変わると、開口面積Ｓが一定でも、ヘルムホル
ツ共鳴器の共鳴周波数ｆ₀が変化する。開口の付加質量
の大きさすなわち管３の管端補正の値も気流によって変
化し、さらに、その変化の度合いが、開口の形状に依存
するためである。共鳴周波数の気流による変化分を考慮
に入れて、容器２の容積Ｖおよび開口４の面積Ｓを決定
する必要がある。

【００２０】（第二実施例）図４は、送風ダクトの消音
用ライニングに適用した、本発明の他の実施例である。
図４において、６はダクト内壁９にライニングされたハ
ニカム板、８はハニカム板の上に重ねてライニングされ
た穴開き板、４は穴開き板８上の開口、７はハニカム板
のハニカムセルである。気流はライニングに平行に流速
Ｕで流れている。この消音用ライニングでは、ハニカム
セルの空洞と、穴開き板８の穴とによって、多数のヘル
ムホルツ共鳴器が形成される。個々のヘルムホルツ共鳴
器の共鳴周波数は、ハニカムセルの容積と開口４の面積
および穴開き板８の板厚とで決まる。本実施例では、気
流による音響抵抗の増大を小さくするために、開口の気
流方向に測った長さｄを長く、気流と直角方向に測った
長さｗを短くして穴開き板を作製している。これによっ
て、開口の音響抵抗の気流による増大の割合が、円形開
口の穴開き板をライニングする従来の消音用ライニング
よりも小さくなり、気流の存在下でも、大きな消音効果
が得られる。

【００２１】

【発明の効果】騒音の通路と消音用音響系が開口を介し
て接続された消音装置において、開口の形状を、気流に
沿った方向に測った長さが、気流と直角の方向に測った
長さよりも大きくなるようにした本発明により、開口の
音響特性への気流の影響を小さくし、気流の存在下にお
いても大きな騒音低減効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例である。

【図２】第一実施例の断面図である。

【図３】開口の近傍の流れを示す図である。

【図４】本発明の第二実施例である。

【符号の説明】

１排気管２容器３管４開口５付加質量６ハニカム板７ハニカムセル８穴開き板９ダクト内壁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気流に面した開口（４）と、開口を介し
て接続された音響系（２、３）を有し、気流の存在下で
騒音を低減する消音装置において、前記開口（４）の気
流に沿った方向の長さを気流と直角方向の長さよりも大
きくしたことを特徴とする消音装置。