JP4511436B2 - 反射板式消音管 - Google Patents

Description

本発明は、気体や液体などの流体を通す管の内側、または外側に音波反射板を設けて、流体の流通路は確保しながら管路を通過する特定の周波数の音波エネルギーを選択的に低減する反射板式消音管に関するものである。

流体を、たとえば空気などの気体として考察するとき、軸流送風機やガスタービンエンジンなどから放出される騒音や、換気や廃熱のために空気の流通を必要とする機器や防音室などの空気流通路から漏れ出る騒音が大きくて問題となることがある。これらの騒音問題に対応するための一般的な手法としては、騒音の発生源を防音カバーで囲ったり、空気の吸排気口に消音用のマフラーを接続したり、空気の流通路に吸音材を施したりするなどの方法を挙げることができる。しかし、ここで問題となる騒音は空気の流通路と騒音の伝播路とが同一の管路であり、空気流通路に圧力損失を生じさせずに、決定的かつ有効な手段で騒音の通過だけを阻止することは困難な場合が多い。特に低い周波数の騒音を低減するためには、吸音材の厚みや容積、あるいは構造を大きくしなければならないため、小型、軽量、耐久性などの実用上の利便性を考慮しながら対策することは容易ではない。（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）
特開２００２−２２２５４号公報 特開２００５−３１５９９号公報

軸流送風機やガスタービンエンジンなどから放出される騒音は、ファンの動翼枚数と回転数の積で表される周波数音が鋭く突起する大きな音圧レベルの卓越周波数音として現れる。この卓越周波数音は、管路を高速で通過する空気の流れ自体から発生される騒音レベルよりも遙かに大きいレベルで騒音の支配的な部分となることが多い。

本発明が解決しようとする課題は、同一の管路が流体の流通路であり、かつまた騒音の通路にもなっている場合に、流体の移動と音波の伝播とを、それぞれが有する物理的に異なる特性を使い分け機能的に活用する管路を構成することによって、管路を通過する流体の流通機能は確保しながら管路を通過する卓越周波数の騒音のみを選択的に低減する反射板式消音管を提供することである。

流体を媒質として管路を伝播する音波のうち消音しようとする周波数の音波の伝播性状が一次元的に進む平面波状として扱いうる管路において、管路を直進伝播する音波を第１のグループと第２のグループとの２つのグループに管路に沿って分割するとき、第１のグループの音波が進路を遮られることなく直進する直進路と、第２のグループの音波の直進伝播する進路を遮り進行方向の異なる向きに反射する第１の反射板と、該第１の反射板によって反射され進行方向の変えられた第２のグループの音波の進路を直進路を直進して進む第１のグループの音波の進行方向と同一方向に向けて反射する第２の反射板とによって音波伝播の迂回路を構成し、直進路を直進伝播する第１のグループの音波と、第１および第２の反射板によって音波伝播距離が消音対象周波数の波長の１／２相当分が延長され１８０°の位相遅延が与えられて迂回路を進行する第２のグループの音波とを、双方の音波の伝播経路の違いにより互いに逆位相関係で同期し、かつ、それぞれ双方の音波が分割前と同様の同一方向に伝播する状態で互いに波動干渉させることによって、管路を通り抜ける消音対象周波数の音波の波動伝播エネルギーを選択的に消散させる。

また、流体を媒質として管路を伝播する音波のうち消音しようとする周波数の音波の伝播性状が一次元的に進む平面波状として扱いうる管路において、管路終端開口面から管路の軸方向に平面波状に直進伝播する音波を第１のグループとし、管路終端のエッジを回折音の新たな発生源として第１のグループの音波伝播エリアの外側周囲へ回折放射される音波を第２のグループとするとき、第１のグループの音波が管路終端開口面から筒状に直進する直進路と、管路終端のエッジ部を外側から包み込むように囲う第３の反射板と、該第３の反射板によって第２のグループの音波が回折伝播する進路を管路終端開口面から筒状に直進する第１のグループの音波の進行方向と同一方向に、あるいは近似的に同一方向と見なせる方向に進行方向の変えられる音波伝播の迂回路を構成し、直進路を直進伝播する第１のグループの音波と、第３の反射板によって音波伝播距離が消音対象周波数の波長の１／２相当分が延長され１８０°の位相遅延が与えられて迂回路を進行する第２のグループの音波とを、双方の音波の伝播経路の違いにより互いに逆位相関係で同期し、かつ、それぞれ双方の音波が同一方向に伝播する状態で互いに波動干渉させることによって、管路を通り抜ける消音対象周波数の音波の波動伝播エネルギーを選択的に消散させる。

上記の第１、第２又は上記の第３の反射板の近傍にそれぞれ可動式の反射機構を設け、第１のグループの音波伝播距離に対して第２のグループの音波伝播ルートの迂回による延長距離を可変できるようにする。

本発明による反射板式消音管の技術思想は、流体の移動と流体を媒質として直進伝播する音の伝播とは物理的にそれぞれ異なる振る舞いをするという点に着目したもので、流体は水や空気、排気ガスなどのいずれの場合であっても良い。流体の移動速度と同じ流体を媒質として伝わる音の伝播速度とは異なることからも分かるように、管路における流体の移動は高圧側から低圧側へ向かう圧力差による流体の流れによる質量移動であり、音の伝播は音の伝播媒質となる流体粒子の振動に方向性が与えられた波動伝播であるとして、それぞれの物理的な機能を有効に活用して反射板式消音管を構成するものである。
ここで、音波の干渉による伝播エネルギーの低減について考察する。理想的な音波干渉による消音は、互いに同振幅・逆位相関係にある１次音波と２次音波の波面が重なり合って同一方向に伝播し、両音波がその干渉作用によりキャンセリングし合うという、波動吸収原理に基づくものである。この原理を用いた音波干渉による消音で最も基本的なものは１次点音源と同位置ポイントに１次発生音と同振幅・逆位相の２次音波を発生させれば、２つの音波はキャンセリングし、拡散伝播する波動のエネルギーは完全に消失する。
同一の音源からほぼ同時刻に放射され、管路を１次元的な平面波として伝播する音波を、管路に沿って直進する音波と、反射板で進路を迂回させ位相遅延が与えられた音波とに２分し、前者を１次音波、後者を２次音波とする。双方の音波が同一の方向へ並列に互いに同振幅・逆位相関係で同期進行する関係となるようにして再び合流させると、管路内には無限個の１次音波と２次音波の干渉作用点が設けられた場合と等価となり、音波の伝播エネルギーの波動吸収原理は成立する。一たん消失した波動のエネルギーは再び出現することはない。

本発明による反射板式消音管は、上述の音波伝播エネルギーの波動吸収原理に基づくものであって、管路の内外に反射機構を設けるだけで良く、特に、波長が長く低い周波数帯域の音など、音圧レベルの大小にかかわらず過大な音圧レベルの騒音であっても無理なく取り扱うことが可能であり、管内を通過する流体の圧力損失による機能の劣化を大きくすることもなく、簡単な構造で、管路を介して通過する特定周波数の騒音だけを選択的に効率よく低減することができる。
また、管路終端エッジ近傍外周囲に反射板を設ける反射板式消音管は、屈曲のない筒状の管路でよく、圧力損失は生じにくく、単純、コンパクトで、グラスウールなどの多孔性の吸音材を使用しないため、塵埃による目詰まり、オイルダストや排ガス、廃熱などによる機能劣化の心配もいらないなど、維持管理は容易であり、経済コストは安価である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面に基づき詳細に説明する。
なお、各図中、同一部分は同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本発明の反射板式消音管の１実施例を図１、図２，図３によって説明する。図１は、本発明による反射板式消音管の実施例１の構成および作用を示す断面図であり、図２は、基本原理を示す図、図３は、可動式反射板の動作原理を示す図である。実施例１は、本発明を適応する流体が空気の場合であって、軸流送風機に用いたものである。
図１、図２，図３において、１は管路、２は第１の反射板、３は第２の反射板、４は直進路、５は反射機構室、６aは第１反射面、６bは第２反射面、７は直進音、８は逆位相音、９は軸流送風機、１０はケーシング、１１は反射板式消音管、２１は迂回路である。
図１において、円筒状の管路１の中心軸上の中央に、先端が円錐状の第１の反射板２が先端を騒音の入射方向に向けて設置され、該第１の反射板２と背中合わせに第２の反射板３が円錐状の先端を管路１を通過する騒音の進行方向に向けて設置されている。第１の反射板２および第２の反射板３は、それぞれ音の反射率の高い部材が用いられている。背中合わせに配置された第１の反射板２と第２の反射板３の周囲には、直進路４を挟み込むような所定の間隔を保つ空間を介して反射機構室５が設けられ、反射機構室５の両側面は第１反射面６aおよび第２反射面６bによって構成されている。管路１，第１の反射板２、第２の反射板３、直進路４、迂回路２１、反射機構室５が設けられて成る反射板式消音管１１は、軸流送風機９のケーシング１０に接合されている。

以下、その動作について図１、図２、図３に示した図と共に説明する。
図１は、本発明を軸流送風機９に適用させた例であり、軸流送風機９より放射され、管路１を平面波状で通過する騒音の卓越周波数の音波は、第１及び第２の２つのグループに分けられ、第１のグループの音波は、管路１を通過する流体と共に直進路４を直進し、第２のグループの音波は、管路１内に設けられた第１の反射板２によって反射され、反射機構室５の側面に配された第１反射面６aの方向へ進む。第１反射面６aへ入射された音波は反射されて第２反射面６bへ進み、第２反射面６bへ入射された音波は第２反射板３へ反射される。第２反射板３へ入射された音波は、直進路４を直進する音波と同一方向へ向けて反射される。迂回路２１を進む第２のグループの音波の伝播距離を制御対象周波数の１／２波長に相当する差に見合う分だけ拡張して直進路４を直進して通過する第１のグループの音波に対して逆位相となる伝播状態とし、双方の音波の伝播方向が同一方向でかつ互いに逆位相となる関係でタイミングを合わせて波動干渉させることによって、管路１を通過する卓越周波数の騒音の伝播エネルギーを消散させる。

図２は、本発明の反射板式消音管の基本的な動作原理を示す図であり、管路１の断面は方形である。直進路４を直進する第１のグループの音波と、第１の反射板２と第２反射板３とで反射されて音波の伝播距離が拡張され迂回路２１を進む第２のグループの音波とを、双方の音波が再び合流し合う位置で、それぞれのルートを進む音波の伝播方向を同一方向とし、逆位相関係で波動干渉させることによって、管路１を通過する消音対象周波数の騒音の伝播エネルギーを消散させる。それぞれ２つに分割されたルートを進む双方の音波は、同一の方向性と共通の周期運動のベクトル量が互いに逆位相関係となる流体粒子の振動特性が与えられた関係で再び合流し、双方の波動の運動ベクトル量はそれぞれ正負均衡のとれた状態で互いに干渉し合うことになり、このとき、管路１内を通過する消音対象周波数の音波の波動としてのエネルギーは瞬時かつ劇的に低減される。

軸流送風機９によって放射される騒音を効果的に低減するためには、音圧レベルの最も大きく支配的な卓越周波数音を制御対象周波数音として特定して、これを選択的に低減することが有効である。卓越周波数音は、音圧レベルが大きく突起して低い周波数の音であることが一般的であり、反射板式消音管の設計上のすべての仕様、すなわち、管路の形状、反射板の位置、反射板間の距離や角度などは、卓越周波数音の波長の大きさに依存して設定されるものとなる。図３は、反射機構室５内の第１反射面６aと第２反射面６bが一体で平行移動できるスライド式の構造であって、制御対象周波数の波長に対応して第２のグループの音波の迂回する伝播距離を可変できる可動式反射板の動作原理を示す図である。

通過する流体の移動に関しては、質量や粘性を有する流体物質が管路１内を移動するときに発生する圧力損失を極力軽減しなければならない。第１の反射板２および第２の反射板３の近傍で流体の流れによる流線の向きはやや屈曲するが、直進路４も含めて、管内を通過する流体の流路の断面積が途中で大きく変化する部分のない管路とすることによって、圧力損失による機能の劣化を最小限とすることができる。

図４、図５に基づいて実施例２を説明する。
図４は、実施例２の構成および作用を示す断面図、図５は、スライド式反射板機構を有する消音管の斜視図である。実施例２は、本発明をガスタービンエンジン排気管に用いたものである。図１、図２、図３と共通の部分は、共通の符号を付してある。
１２は排気管、１３は終端開口面、１４は終端エッジ、１５は第３の反射板、１６は仕切板、１７は干渉面、１８は開口面、１９は反射板カバー、２０は第２の焦点である。
図４、図５において、管路１と、管路１の終端エッジ１４を外側から包み込むように囲う第３の反射板１５とで挟まれた空間を音波伝播の距離を拡張する迂回路２１とする反射板式消音管１１を構成し、反射板式消音管１１は、ガスタービンエンジン排気管１２に接続されている。干渉面１７は、終端開口面１３と開口面１８より放射される双方の音波の波面の合流する位置を干渉面と見なして示したものである。

以下、その動作について図４に示した図と共に説明する。
図４は、本発明をガスタービンエンジンの排気管１２に適用させた例であり、排気管１２を平面波状で通過する騒音の卓越周波数の音波のうち、管路１の終端開口面１３から放射されほぼ筒状に直進伝播する音波を第１のグループとし、管路１の終端エッジ１４を回折して外側周囲へ拡散する音波を第２のグループとするとき、第３の反射板１５は管路１の中心軸を含む平面上に終端エッジ１４上の１点を焦点とする２次曲線を管路１の軸を中心に回転したときできる面である。終端エッジ１４を新たな発音源のようにして放射拡散される回折音は第３の反射板１５によって所定の方向へ向かう指向性の与えられた反射音となって放射される。終端開口面１３と干渉面１７間の音波の伝播距離に対して回折音の新たな発音源となる終端エッジ１４から第３の反射板１５で反射されて干渉面１７に至る音波の伝播距離を制御対象周波数の１／２波長に相当する差に見合う分だけ拡張し、第２のグループの音波の伝播状態を第１のグループの音波に対して逆位相と成し、終端開口面１３から放射されほぼ筒状に進む第１のグループの音波と音波の伝播方向が近似的に同一方向で逆位相となる第２のグループの音波とを、干渉面１７の各所でそれぞれタイミングを合わせて波動干渉させることによって、双方の音波の伝播エネルギーを瞬時かつ劇的に低減する。
仕切板１６は、円筒状の管路１の外壁と第３の反射板１５とで挟まれた空間を等間隔に分割して仕切る音波の仕切板であり、終端エッジ１４を稜線とする各点を回折し第３の反射板１５で反射されて干渉面１７に至るまでの仕切板１６で仕切られた音波の回折拡散する伝播ルートの乱れを一定範囲内に抑制する導波板として、第２のグループの音波の伝播距離の誤差によって生ずる干渉効率の劣化が大きくなることのないように制御する。

図５は、第２のグループの音波の迂回路２１となる音波伝播の距離を伸縮可変できるようにした例である。管路１の断面は長方形であり、スリット状の終端開口面１３の上下の長手方向に終端エッジ１４を設け、第３の反射板１５は終端エッジ１４を第１の焦点として平板を湾曲させた楕円面で終端エッジ１４の外側に設けられ、管路１の外壁上に設定される第２の焦点２０を焦点とする楕円面の反射板カバー１９は第３の反射板１５にスライド式で嵌合されている。管路１の外壁と第３の反射板１５とで挟まれたスリット状の開口を開口面１８として、管路１の外壁と第３の反板１５および反射板カバー１９とで囲まれた空洞が音波伝播の距離を伸縮する迂回路２１を構成する。

終端エッジ１４を新たな発音源として回折し、開口面１８より導入された音波は第３の反射板１５で反射されて、反射板カバー１９の底部近傍の第２の焦点２０へ向かう。第２の焦点２０に入射された音波は第２の焦点２０部で再び反射され、さらに反射板カバー１９で反射されて第１の焦点、すなわち終端エッジ１４方向へ向かい、開口面１８より外方へ放射される。スリット状の終端開口面１３から放射される音波を第１のグループの音波とし、第１のグループの音波と音波の伝播方向が同一方向かつ逆位相関係で開口面１８より放射される音波を第２のグループの音波として、双方の音波をタイミングを合わせて干渉面１７で波動干渉させることによって、終端開口面１３から放射される卓越周波数の騒音の伝播エネルギーを消散させる。
なお、第２の焦点２０の位置はスライド式反射板カバー１９の位置に対応して移動するため、第２のグループの音波の回折音の新たな発音源となる終端エッジ１４から干渉面１７に至る迂回ルートの音波の伝播距離を制御対象周波数の波長に応じて調整可能となる。

ガスタービンエンジンの排気管１２から放射される騒音を効果的に低減するためには、音圧レベルの最も大きく支配的な卓越周波数音を制御対象周波数音として特定して、これを選択的に除去することが有効である。卓越周波数音は、音圧レベルが大きく突起している周波数の音であることが一般的であり、反射板式消音管の設計上のすべての仕様、すなわち、管路や反射板の形状、焦点の位置などは、卓越周波数音の波長の大きさに依存して設定されるものとなる。
また、管路１が大口径の場合は、複数組の反射板式消音管１１を適宜に組み合わせて配置し、流体の流れによる流線の屈曲が大きくでないようにして、流体の流量や流速を一定の範囲内に保ちながら、圧力損失などによる機能の劣化を軽減する。

上記実施形態においては本発明を、軸流送風機やガスタービンエンジンの排気管などに適用した場合について説明したが、本発明は、流体の流通と流体を媒質として流通路を伝播通過する騒音、特に回転要素を有する原動機等が発生する大出力の卓越する周波数の騒音を効率よく低減することができる。構造が単純、コンパクトで軽量化も可能であり、たとえば、自動車のマフラーに適用すると、排気ガスの流通路に大きな圧力損失を生じさせることなく、流通路を介して通過する騒音を低減できるため、排気管の管路を大幅に短縮することも可能となり、圧力損失で無駄に消耗されてしまっているエネルギーを節約することができる。その他、圧縮空気の吸吐出音の騒音対策など、通気は必要だが騒音は遮断したいといった用途に威力を発揮できるため、産業上の利用の可能性は多岐にわたる。
また、流体は、水や海水のような液体であっても気体の場合と同様に適応できることは言うまでもなく、上記実施形態と同様に本発明を適用することが可能である。そして、このように本発明を適用した場合においても、上記実施形態と同様な作用効果が得られる。

本発明の実施例１の構成および作用を示す断面図である。 本発明の基本原理を示す図である。 本発明の可動式反射板の動作原理を示す図である 本発明の実施例２の構成および作用を示す断面図である。 本発明のスライド式反射板機構を有する消音管の斜視図である。

符号の説明

１ 管路
２ 第１の反射板
３ 第２の反射板
４ 直進路
５ 反射機構室
６a 第１反射面
６b 第２反射面
７ 直進音
８ 逆位相音
９ 軸流送風機
１０ ケーシング
１１ 反射板式消音管
１２ 排気管
１３ 終端開口面
１４ 終端エッジ
１５ 第３の反射板
１６ 仕切板
１７ 干渉面
１８ 開口面
１９ 反射板カバー
２０ 第２の焦点
２１ 迂回路

Claims (2)

1. 流体を媒質として管路を伝播する音波のうち消音対象周波数の音波の伝播性状が一次元的に進む平面波状として扱いうる管路において、管路を直進伝播する音波を第１のグループの音波と第２のグループの音波との２つのグループに管路に沿って分割するとき、上記第１のグループの音波が進路を遮られることなく直進する直進路と、上記第２のグループの音波の直進伝播する進路を遮り進行方向の異なる向きに第２のグループの音波が第１のグループの音波を横切って反射する第１の反射板と、該第１の反射板によって反射され第１のグループの音波を横切って進行方向の変えられた上記第２のグループの音波の進路を上記直進路を直進して進む上記第１のグループの音波の進行方向と同一方向に向けて反射する第２の反射板とによって音波伝播の迂回路を構成し、上記直進路を直進伝播する上記第１のグループの音波と、上記第１および第２の反射板によって音波伝播距離が消音対象周波数の波長の１／２相当分が延長され１８０°の位相遅延が与えられて上記迂回路を進行する上記第２のグループの音波とを、双方の音波の伝播経路の違いにより互いに逆位相関係で同期し、かつ、それぞれ双方の音波を分割前と同様の同一方向に伝播する状態で互いに波動干渉させることによって、管路を通り抜ける消音対象周波数の音波の波動伝播エネルギーを選択的に消散させることを特徴とする反射板式消音管。
2. 上記請求項１記載の第１、第２の反射板の近傍に可動式の反射機構を設けて、上記第１のグループの音波伝播距離に対して上記第２のグループの音波伝播ルートの迂回による延長距離を可変自在としたことを特徴とする請求項１記載の反射板式消音管。

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