JPH11249663A - ダクトの騒音低減装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ボイラの運転条件に対応してダクトの騒音を
低減する。 【解決手段】 本発明は、排ガス１が流れるダクト２の
側壁に配置した複数のマイクロフォン６と、ダクト２の
側壁に配置した複数のスピーカ８と、マイクロフォン６
からの騒音信号を増幅しディジタル化するアンプ・Ａ／
Ｄ変換器９と、ディジタル化された信号に基づきダクト
２内で発生している共鳴のモードを解析する共鳴モード
解析器１０と、解析した共鳴モードに基づきダクト２の
共鳴を打消す音の信号を出力する放射音制御器１１と、
入力した共鳴を打消す音の信号をアナログ化し増幅して
スピーカ８へ出力するＤ／Ａ変換器・アンプ１２とから
構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ボイラのバンク部
で発生する騒音を低減するダクトの騒音低減装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ガス流路中に構造物がある場合に、構造
物の下流に発生する渦により音が発生する。この音と流
路空間の持つ音響特性が一致した場合、共鳴により音が
増幅されて騒音となる。図８は一般的なダクトの共鳴モ
ードを説明する斜視図である。本図に示すように排ガス
１のダクト２内に伝熱管３が配置されている。排ガス１
が伝熱管３を通過する際に特定の周波数の音が発生す
る。この音の周波数を以降ｆ₁と記載し、下記の式で表
される。 ｆ₁＝Ｓｔ・Ｕ／Ｄ………………………………………………………（１） ここに Ｓｔ：ストローハル数（通常０．２） Ｕ ：ガス流速 Ｄ ：伝熱管の直径 である。即ち、ｆ₁は排ガス１の流速により変化するも
のである。一方ダクト２を２次元で考えると、ダクト２
の共鳴モードの周波数ｆ₂は下記の式で表される。 ｆ₂＝Ｃ／２・√（ｉ／Ｌｘ）²＋（ｊ／Ｌｙ）²……………………（２） ここに Ｃ ：音速 Ｌｘ：ダクト幅方向長さ Ｌｙ：ダクト奥行方向長さ ｉ ：ダクト幅方向共鳴モードの次数 ｊ ：ダクト奥行方向共鳴モードの次数 である。例として図８に示す共鳴モードの次数は幅方向
が伝熱管３次であり、奥行方向が２次である。従来、共
鳴による騒音を防止するためにｆ₁と、ｆ₂とが一致しな
いように配慮している。図９は従来技術の構成を示す説
明図である。本図に示す例では排ガス１の流速が１０ｍ
／ｓｅｃ、伝熱管３の外径が３０ｍｍとすれば、ｆ₁は
６６．７Ｈｚである。一方、ダクト２の大きさのうち幅
方向長さＬｘを２０ｍ、奥行方向長さＬｙを９ｍとすれ
ば、各モード次数の組み合わせにおけるｆ₂は表１のよ
うになる。

【０００３】

【表１】

【０００４】この場合ｉ＝３次、ｊ＝２次モードのｆ₂
は、６６．４Ｈｚであり、ｆ₁６６．７Ｈｚに接近して
いることから共鳴現象が起る。共鳴現象を回避するた
め、本図に示すようにダクト２内に仕切板４を挿入し各
モード次数の組み合わせにおけるｆ₂を変化させる。変
化したｆ₂は表２に示すようになる。

【０００５】

【表２】

【０００６】このように６６．７Ｈｚ近傍のｆ₂は認め
られず共鳴現象は起らない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、ｆ₁
が固定されている場合に有効な手段であるが、ｆ₁が変
化する場合、例えば排ガス１の流速、温度が変化する場
合にｆ₂に接近すれば共鳴現象が起る。ここで排ガス１
の流速が変化する例としてボイラの負荷変動があり、排
ガス１の流速が８〜１２ｍ／ｓｅｃの範囲で変化する
と、ｆ₁は５３．３〜８０．０Ｈｚの範囲で変化する。
一方、ｆ₂を見ると表１の※を付した部分がｆ₁の変化範
囲に含まれる。即ち、ボイラの負荷変動があれば、これ
らのモードで共鳴現象が起り、図９に示すように仕切板
４を挿入しても表２の※を付した部分がｆ₁の変化範囲
に含まれ、共鳴現象が起る。また、排ガス１の温度が変
化する例として、排ガス１の温度は伝熱管３を通過する
毎に伝熱管３の吸熱により低下する。即ち、ダクト２の
下流に行くに従い排ガス１の体積流量は減少するから排
ガス１の流速も低下し、ｆ₁が各伝熱管３により異なり
個別の共鳴防止対策が必要になる。図１０は他の従来技
術の構成を示す説明図である。そして、他の従来技術と
して本図に示すアクティブ消音装置がある。このアクテ
ィブ消音装置はダクト２内で騒音源５から放射された騒
音をマイクロフォン６により検出し、制御器７で波形を
反転させてスピーカ８よりダクト２内へ放射して騒音を
打消すものである。このアクティブ消音装置をボイラの
伝熱管群へ適用するには下記の問題がある。 １）騒音源５が広い範囲に分布し、伝熱管３で発生する
騒音は伝熱管群或いはダクト２内全体で共鳴しているた
め、騒音が合成されてエネルギが大きくなり、打消すた
めに大きなエネルギの音が必要となる。図１１は一般的
な騒音の流れ方向の共鳴モードを示す説明図である。 ２）騒音は共鳴現象によるものであり、共鳴モードが排
ガス１の流れの逆方向に進む場合もある。排ガス１の流
れの逆方向にアクティブ消音装置を配置していなけれ
ば、騒音を打消すことができない。 ３）ボイラのダクト２では騒音源が伝熱管３であり、こ
の伝熱管３は排ガス１の流れ方向に複数個存在するか
ら、複数の騒音源が存在する。また、排ガス１は伝熱管
３の吸熱により温度が低下しダクト２の下流に行くに従
い流速も低下し発生する騒音の周波数も変化する。その
ため図１０に示すような単一ループで構成するアクティ
ブ消音装置では消音できない。 本発明の目的は、ボイラの運転条件に対応して騒音を低
減できるダクトの騒音低減装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、流路中に複
数の構造物が配置されたダクト内の構造物の位置毎の騒
音を検出し騒音信号を出力する音響検出手段と、騒音信
号を入力し騒音の共鳴モードを求める共鳴モード解析手
段と、共鳴モードに基づき騒音を打消す構造物の位置毎
の音響情報を出力する制御手段と、音響情報に基づき騒
音を打消す構造物の位置毎の音響を前記ダクト内に放射
する音響放射手段とを有することにより達成される。上
記目的は、流路中に複数の構造物が配置されたダクト内
の１つの構造物位置の騒音を検出し騒音信号を出力する
音響検出手段と、予め求めたボイラの運転条件と構造物
位置毎の騒音の共鳴モードとの相関を記憶する共鳴モー
ド記憶手段と、共鳴モードにおける騒音を打消す音響情
報を記憶する音響情報記憶手段と、ボイラの運転条件を
入力し騒音の共鳴モードを決定し、決定された共鳴モー
ドに基づき騒音を打消す構造物位置毎の音響情報を決定
し、騒音信号との位相の同期をとり出力する制御手段
と、音響情報に基づき騒音を打消す構造物位置毎の音響
をダクト内に放射する音響放射手段とを有することによ
り達成される。音響情報は音響の周波数、振幅、位相で
あることが望ましい。上記目的は、流路中に伝熱管が配
置されたダクト内の複数の位置の騒音を検出し騒音信号
を出力する複数の音響検出手段と、騒音信号を入力し騒
音の共鳴モードを求める共鳴モード解析手段と、騒音の
共鳴モードに基づき騒音を打消す複数の位置の音響情報
を出力する制御手段と、音響情報に基づき騒音を打消す
複数の位置の音響をダクト内に放射する複数の音響放射
手段とを有することにより達成される。各伝熱管の下流
に音響検出手段を配置し、伝熱管と伝熱管の間に音響放
射手段を配置することが望ましい。により達成される。
音響放射手段を予測した共鳴モードの振幅の腹の位置に
配置することが望ましい。上記構成によれば、ダクト内
の騒音発生条件が異なる構造物、即ち騒音源毎に騒音を
検出し、共鳴モードを判定し、共鳴を打ち消す音を放射
する共鳴防止対策を実施するから、ボイラの運転条件が
変化してもそれに対応して騒音を低減することができ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
より説明する。図１は本発明の実施の形態の構成を示す
説明図である。本図はボイラの伝熱部であり上方から高
温の排ガス１が流入し、ダクト２内に配置した伝熱管３
で熱交換し低温となり下方へ流れて行く。この場合、排
ガス１が伝熱管３を横切る際に周波数ｆ₁の音が発生す
る。排ガス１の流速が８〜１２ｍ／ｓｅｃ、伝熱管３の
外径が３０ｍｍとすれば、ｆ₁は（１）式で表され、５
３．３〜８０．０Ｈｚの範囲で変化する。次にダクト２
の空洞部の共鳴周波数ｆ₂を考える。空洞部の幅方向長
さを２０ｍ、奥行方向長さを９ｍとすれば、モード次数
の組み合わせに基づき（２）式により表１に示すｆ₂が
存在する。ボイラの負荷が変動すると排ガス１の流速が
変化し、流速が変化することによりｆ₁が変化し、この
ｆ₁が表１に示す何れかのモード次数の組み合わせによ
り定まるｆ₂と一致すれば、共鳴により大きな騒音とな
る。

【００１０】次に、本実施の形態の機器構成を説明す
る。本実施の形態の装置は、排ガス１が流れるダクト２
の側壁に配置した本図中に黒丸で示す複数のマイクロフ
ォン６と、ダクト２の側壁に配置した白丸で示す複数の
スピーカ８と、マイクロフォン６からの騒音信号を増幅
しディジタル化するアンプ・Ａ／Ｄ変換器９と、ディジ
タル化されたマイクロフォン６からの信号に基づきダク
ト２内で発生している共鳴のモードを解析する共鳴モー
ド解析器１０と、解析した共鳴モードに基づきダクト２
の共鳴を打消す音の信号を出力する放射音制御器１１
と、入力した共鳴を打消す音の信号をアナログ化し増幅
してスピーカ８へ出力するＤ／Ａ変換器・アンプ１２と
から構成している。本図中のアンプ・Ａ／Ｄ変換器９及
びＤ／Ａ変換器・アンプ１２は複数のチヤンネルを有す
る多チヤンネル器である。

【００１１】図２は本発明の実施の形態のマイクロフォ
ン及びスピーカの配置を示す説明図である。本図に示す
例ではスピーカ８がホーン１４を介してダクト２に取り
付けられ、マイクロフォン６が導波管１３を介してホー
ン１４に取り付けられている。この場合マイクロフォン
６とスピーカ８の位置は同じであるから放射音制御器１
１は単にマイクロフォン６からの騒音信号の波形を反転
させてＤ／Ａ変換器・アンプ１２へ出力すれば良い。

【００１２】図３は本発明の実施の形態の他のマイクロ
フォン及びスピーカの配置を示す説明図である。本図に
示す例ではマイクロフォン６が導波管１３を介してダク
ト２に取り付けられ、スピーカ８はホーン１４を介して
ダクト２に取り付けられている。この場合共鳴モード解
析器１０で求めた共鳴モードとスピーカ８の位置関係を
基にダクト２内で発生している共鳴による騒音を打消す
ために最適な音の信号を放射音制御器１１がＤ／Ａ変換
器・アンプ１２へ出力する。

【００１３】図４は本発明の実施の形態の伝熱管とマイ
クロフォン及びスピーカとの関係を示す説明図である。
ダクト２内で共鳴の原因となる騒音源は伝熱管３であ
り、伝熱管３はダクト２内に複数個配置され伝熱管３の
下流ではそれぞれ排ガス１の流速が異なるから騒音源の
周波数もそれぞれ異なり、本発明では伝熱管３の下流に
マイクロフォン６を配置し発生直後の音を精度良く検知
し、それぞれの伝熱管３の下流にマイクロフォン６を配
置している。また、図１１に示すように伝熱管３の下流
で発生した騒音源による共鳴モードが排ガス１の流れの
逆方向に進む場合もあり、本発明では伝熱管３の上流に
もマイクロフォン６を配置した。そして、ダクト２の幅
方向、奥行方向に配置するマイクロフォン６は予想され
る共鳴モードを検知できる数とした。 一方、スピーカ
８を配置する位置は予想される共鳴モード（図中に破線
で表す）の腹、即ち共鳴による騒音の振幅が最大となる
位置としている。予想される共鳴モードに基づいてスピ
ーカ８を配置するため、場所により個数が異なる。スピ
ーカ８の配置場所、個数はボイラの運転条件（伝熱管群
を通過する排ガス流速）と構造（伝熱管群の大きさ、伝
熱管外径）により決められる。

【００１４】次に本実施の形態の動作を説明する。ダク
ト２に配置したマイクロフォン６のうち、複数のマイク
ロフォン６が検出した騒音レベルが７０ｄｂとなった
時、各マイクロフォン６からの騒音信号を基に共鳴モー
ド解析器１０は共鳴モードを求める。放射音制御器１１
は共鳴周波数で極性が逆の波形を出力し、スピーカ８か
らダクト２内に音として放射する。ダクト２内の一部が
共鳴している場合は、共鳴している一部にスピーカ８か
ら音を放射する。また、ダクト２の高さ方向に共鳴して
いる場合は、全てのスピーカ８から各共鳴モードに合わ
せて音を放射し騒音を打消す。上記の操作は繰返して行
われる。即ち、スピーカ８から放射した音により変化し
たダクト２内の騒音がマイクロフォン６で検知され、共
鳴モードが共鳴モード解析器１０で判定されて騒音を打
ち消す音が放射音制御器１１へ出力されスピーカ８から
放射される。このようにしてダクト２内の騒音レベルが
７０ｄｂ以下となるまで消音操作が行われる。放射音制
御器１１からＤ／Ａ変換器・アンプ１２を介して各スピ
ーカ８へ出力される共鳴を打消す音の信号は、ダクト２
内の騒音を打ち消すように定められる。ダクト２内の共
鳴モードの腹に近く、振幅の大きい場所に位置するスピ
ーカ８からはそれに応じた大きさの音を放射する。一
方、ダクト２内の共鳴モードの節に近く、振幅の小さい
場所に位置するスピーカ８からはそれに応じた小さい音
を放射する。このようにダクト２内の共鳴モードに応じ
て個別に音を放射することにより最小のエネルギで効率
良く騒音を低減できる。

【００１５】図５は本発明の他の実施の形態の構成を示
す説明図である。本図は図１に示す例と比較してマイク
ロフォン６及びスピーカ８を低減している。一般の発電
用ボイラにおいては、予め設定したパタンに従って運転
する。即ち、予めどの運転条件においてどの共鳴モード
が発生するか知ることができる。そこで、本実施の形態
では図１に示す構成に運転条件と共鳴モードの関係を記
憶した共鳴モード記憶器１５と、共鳴モードと共鳴モー
ドを打消す音の信号の関係を記憶した騒音低減信号記憶
器１６とを付加している。本実施の形態では一個所に配
置したマイクロフォン６でダクト２内で発生している騒
音のレベル、位相を検知する。騒音のレベルが７０ｄｂ
以上であれば、消音の操作を行う。発電用ボイラの運転
条件から共鳴モードを決定し、共鳴モードを打消す音の
信号を放射音制御器１１からＤ／Ａ変換器・アンプ１２
へ出力する。この際、放射音制御器１１はマイクロフォ
ン６が検知した位相情報により、ダクト２内で発生して
いる騒音の波形と騒音低減信号記憶器１６からの共鳴モ
ードを打消す音の信号の波形の極性が互いに逆になるよ
うに位相を制御する。発電用ボイラの運転時に共鳴モー
ドの腹の位置を特定し、スピーカ８はその共鳴モードの
腹の位置に設置するので最も効率良く騒音を低減でき
る。

【００１６】図６は本発明の他の実施の形態の構成を示
す説明図である。

【００１７】本図は図１に示す構成に音響式灰除去装置
を組み合わせた例である。石炭焚ボイラにおいては、伝
熱管３に付着した灰を除去する技術として音響を用いる
ことがある。本実施の形態では灰を除去する時間になる
と、スートブロア制御器１７が放射音制御器１１へ灰を
除去する音響信号を出力するよう制御し、スピーカ８か
ら灰を除去する音響が放射され従来の音響式灰除去装置
と兼用できる。

【００１８】図７は本発明の他の実施の形態の構成を示
す説明図である。本図は図６に示す構成に蒸気漏洩検出
装置を組み合わせた例である。ボイラにおいては、伝熱
管３から蒸気が漏洩する事故を早期に検出する技術とし
てダクト２内の蒸気漏洩音を監視することがある。本実
施の形態ではマイクロフォン６で検出した騒音信号をア
ンプ・Ａ／Ｄ変換器９を介して蒸気漏洩検出装置１８へ
入力し、蒸気漏洩音の特徴、例えば周波数スペクトルか
ら蒸気漏洩を検出する。

【００１９】以上述べたように本実施の形態では、ダク
ト２の幅方向、奥行方向また、伝熱管３の前後にそれぞ
れにマイクロフォン６を配置し、マイクロフォン６が検
出した騒音から共鳴モードを求めどの場所で大きな騒音
になっているか知ることができる。ダクト２の幅方向、
奥行方向また、伝熱管３の前後にスピーカ８を配置し、
如何なる方向に騒音が分布していても、それぞれのスピ
ーカ８から音を放射して騒音を打ち消して低減すること
ができる。また、大きな騒音レベルとなっている場所に
最も近いスピーカ８から同周波数で逆波形の音を放射す
ることにより、最小のエネルギで騒音を低減できる。そ
して、ボイラの運転条件が変化し共鳴が発生し始めた初
期段階で検知し、スピーカ８から音を放射することによ
り、更に小さいエネルギで騒音を低減できる。 更に、
共鳴モードを求めそれに対応した音を放射する構成であ
るから、マイクロフォン６とスピーカ８の距離が離れて
いても、予めマイクロフォン６とスピーカ８の位置関係
を把握しておけば位置のずれによる位相のずれを計算で
きるので、マイクロフォン６とスピーカ８は任意の位置
に配置できる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、ダクト内の騒音発生条
件が異なる騒音源毎に騒音を検出し、共鳴モードを判定
し、共鳴を打ち消す音を放射することにより、ボイラの
運転条件が変化してもそれに対応して騒音を低減する効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の構成を示す説明図であ
る。

【図２】本発明の実施の形態のマイクロフォン及びスピ
ーカの配置を示す説明図である。

【図３】本発明の実施の形態の他のマイクロフォン及び
スピーカの配置を示す説明図である。

【図４】本発明の実施の形態の伝熱管とマイクロフォン
及びスピーカとの関係を示す説明図である。

【図５】本発明の他の実施の形態の構成を示す説明図で
ある。

【図６】本発明の他の実施の形態の構成を示す説明図で
ある。

【図７】本発明の他の実施の形態の構成を示す説明図で
ある。

【図８】一般的なダクトの共鳴モードを説明する斜視図
である。

【図９】従来技術の構成を示す説明図である。

【図１０】他の従来技術の構成を示す説明図である。

【図１１】一般的な騒音の流れ方向の共鳴モードを示す
説明図である。

【符号の説明】

１ 排ガス ２ ダクト ３ 伝熱管 ４ 仕切板 ５ 騒音源 ６ マイクロフォン ７ 制御器 ８ スピーカ ９ アンプ・Ａ／Ｄ変換器 １０ 共鳴モード解析器 １１ 放射音制御器 １２ Ｄ／Ａ変換器・アンプ １３ 導波管 １４ ホーン １５ 共鳴モード記憶装置 １６ 騒音低減信号記憶装置 １７ スートブロア制御器 １８ 蒸気漏洩検出装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流路中に複数の構造物が配置されたダク
   ト内の前記構造物の位置毎の騒音を検出し騒音信号を出
   力する音響検出手段と、 該騒音信号を入力し前記騒音の共鳴モードを求める共鳴
   モード解析手段と、 該共鳴モードに基づき前記騒音を打消す構造物の位置毎
   の音響情報を出力する制御手段と、 該音響情報に基づき前記騒音を打消す構造物の位置毎の
   音響を前記ダクト内に放射する音響放射手段とを有する
   ことを特徴とするダクトの騒音低減装置。
2. 【請求項２】 流路中に複数の構造物が配置されたダク
   ト内の１つの構造物位置の騒音を検出し騒音信号を出力
   する音響検出手段と、 予め求めたボイラの運転条件と構造物位置毎の騒音の共
   鳴モードとの相関を記憶する共鳴モード記憶手段と、 前記共鳴モードにおける騒音を打消す音響情報を記憶す
   る音響情報記憶手段と、 ボイラの運転条件を入力し騒
   音の共鳴モードを決定し、該決定された共鳴モードに基
   づき前記騒音を打消す構造物位置毎の音響情報を決定
   し、前記騒音信号と位相を同期させ出力する制御手段
   と、 該音響情報に基づき前記騒音を打消す前記構造物位置毎
   の音響を前記ダクト内に放射する音響放射手段とを有す
   ることを特徴とするダクトの騒音低減装置。
3. 【請求項３】 前記音響情報は音響の周波数、振幅、位
   相であることを特徴とする請求項１または請求項２に記
   載のダクトの騒音低減装置。
4. 【請求項４】 流路中に複数の伝熱管が配置されたダク
   ト内の伝熱管位置毎の騒音を検出し騒音信号を出力する
   複数の音響検出手段と、 該騒音信号を入力し騒音の共鳴モードを求める共鳴モー
   ド解析手段と、 該騒音の共鳴モードに基づき前記騒音を打消す前記伝熱
   管位置毎の音響情報を出力する制御手段と、 該音響情報に基づき前記騒音を打消す音響を前記伝熱管
   位置毎の前記ダクト内に放射する複数の音響放射手段と
   を有することを特徴とするボイラダクトの騒音低減装
   置。
5. 【請求項５】 各伝熱管の下流に前記音響検出手段を配
   置し、伝熱管と伝熱管の間に前記音響放射手段を配置し
   たことを特徴とする請求項４に記載のボイラダクトの騒
   音低減装置。
6. 【請求項６】 前記音響放射手段を予測した共鳴モード
   の振幅の腹の位置に配置したことを特徴とする請求項５
   に記載のボイラダクトの騒音低減装置。