JP7144853B2 - 音響式フェイズシフタを備えた消音装置の製造方法 - Google Patents
音響式フェイズシフタを備えた消音装置の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7144853B2 JP7144853B2 JP2019023193A JP2019023193A JP7144853B2 JP 7144853 B2 JP7144853 B2 JP 7144853B2 JP 2019023193 A JP2019023193 A JP 2019023193A JP 2019023193 A JP2019023193 A JP 2019023193A JP 7144853 B2 JP7144853 B2 JP 7144853B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- phase shifter
- sound
- main pipe
- pipe
- phase
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Soundproofing, Sound Blocking, And Sound Damping (AREA)
Description
干渉型消音器(いわゆる、パッシブ型消音器)は、主管と枝管とからなる消音器である。これらの消音器の原理は、主管に入射した音波を枝管に分岐させ、主管へ再び合流させる際に、その枝管に分岐した音波を主管の音波に対して逆位相の音波とすることで、重ね合わせの原理を利用し音波を打ち消すことで消音するものである。
しかしながら、上述した干渉型消音器では、特定の周波数においてのみ、有意義な消音性能を得ることができるが,それ以外の周波数ではあまり効果的とはいえない場合が多い。
一方、より広い周波数域での消音を目指したものがアクティブノイズコントロールである。この手法は、通常、電子制御回路を用いてマイクで測定した音波を逆位相にしてスピーカから出力し合流させることで、より広帯域での消音を可能にするものである。
しかしながら、アクティブノイズコントロールは、(1)コストが掛かり、(2)電源も必須で、(3)装置の故障も多くて、その保守も大変なことから、今後も、消音器の主流になるとは考えにくい。
また、アクティブノイズコントロールのもう一つの問題点は、制御時に膨大な計算量が必要となることである。ターゲットとなる周波数域を定め、その帯域を細かく分割し、各々の周波数に対して、振幅と位相とを検出する必要がある。アダプティブ音源用の信号は、アダプティブ音源の位置を想定して、各々の周波数成分について(1)逆位相で、(2)振幅が等しい信号を生成し、それらを合成して得られる。さらに誤差を修正するための制御も必要である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、低コストで、電源も不要で、故障も少なく、その保守も容易なフェイズシフタを備えた消音装置を提供することである。
ここで、本発明におけるフェイズシフタは、従来のアナログ或いはデジタル式のフェイズシフタ(例えば、特許文献1,2)とは異なり、純音響式のフェイズシフタである。
(態様1)
主管と枝管とを有した消音装置の製造方法であって、
前記主管に空の管を利用し、前記枝管に、隙間厚さbで離間した複数の板材で仕切られた中空筒体を有した音響式フェイズシフタを利用する工程S1と、
前記板材間の隙間における音速Vの関係式を導出する工程S2と、
前記主管の音速に対して逆位相となる音速V’の関係式を導出する工程S3と、
前記音速Vと前記音速V’とが一致するように前記主管の寸法と前記フェイズシフタの寸法を決定する工程S4と、
を含み、かつ、
前記工程S2では、以下の数式1で表される伝搬定数γを用い、
前記伝搬定数γを以下の数式2により実部αと虚部βとに分けたうえで、
を特徴とする消音装置の製造方法。
(態様2)
前記工程S4では、前記主管の各周波数における位相変化量θAと、前記フェイズシフタ位相変化量θFと、の差(θA-θF)を求め、
前記差(θA-θF)が180°から±15°以内であることを、前記音速Vと前記音速V’とが一致するかどうかの判断基準とすること
を特徴とする態様1に記載の消音装置の製造方法。
(態様3)
前記消音装置に、マイクと、フィルタと、増幅器と、スピーカと、を用意する工程を、
さらに含み、
前記マイクは、前記フェイズシフタ通過後の音波を測定し、
前記増幅器は、前記フェイズシフタ内で減衰した分だけ前記音波を増幅し、
前記スピーカは、前記増幅器で増幅した前記音波を、前記フェイズシフタと前記主管との合流部に向けて出力することで、前記主管中を伝搬する音波を消音すること
を特徴とする態様1又は2に記載の消音装置の製造方法。
図1に本発明の音響式フェイズシフタを設計するためのフローチャートを示す。本発明も、従来のサイドブランチ型消音器同様に、主管と枝管とを備えた干渉型消音構造の採用を前提とするが、本発明では、この枝管に後述する音響式フェイズシフタを利用すること(工程S1)に留意されたい。
本実施例では、図1に示すように、空の管を主管2に利用し、音響式フェイズシフタ1(以下、単に「フェイズシフタ」とも呼ぶ。)を枝管に利用する(工程S1)。これは、図5(b)に示すように、矩形断面を有した中空筒体内に隙間を持たせて板材(薄板)を重ねたアナログ制御装置である。この音響式フェイズシフタ1では、中空管からなる枝管の場合と異なり、板材間の隙間に入射した音波の音速が境界層の働きにより周波数に依存して変化し、これを利用して位相も変化させることができる可能性があることを本発明者は見出したのである。
もし、枝管に通常の中空管(図示せず)が使用された場合、これに入射した音波の音速は一定であり、これを主管2に再合流させても、ある特定の周波数域でしか有意義な消音性能を得ることができない。
図2(a)に、フェイズシフタ1を含んだ消音装置10の概略を示す。この消音装置10では、騒音源3から発生した音波が、主管2である中空管と、枝管であるフェイズシフタ1とを通過する。音波がフェイズシフタ1を通過すると、主管2を通過した音波と逆位相の音波が得られる。なお、フェイズシフタ1内の音波は減衰するため、通過後の音波をマイク5で測定し、フィルタ6(イコライザ)を通過した後、減衰した分だけ該音波を増幅器7で増幅する。その後、この増幅した音波をスピーカ8から主管2中の合流部4へ出力することで、主管2中を伝搬する音波に向けて、逆位相かつ同一振幅の音波が合流することとなり、音波の重ね合わせの原理により音波を打ち消し、消音する。
ただし、主管2とフェイズシフタ1とは、上記消音メカニズムが上手く発揮される幾何学的関係が成立している必要があり、各要素の寸法を決定する必要がある。本実施例では、板材間(二平面間)の隙間における音速Vと、主管2の音速に対して逆位相となる音速V’と、をそれぞれ算出し(工程S2,S3)、これらのVとV’とを比較することで、消音効果のキーファクターとなる、フェイズシフタ1の管長LF及び隙間bと、主管2の管長LAとを決定する。
管内における空気の粘性を考慮した伝搬定数や特性インピーダンスの導出については、様々な報告がある。本実施例は、Stinsonの方法(非特許文献1参照)を応用し、板材間(二平面間)の隙間における音速Vの算出を試みた。具体的には、直交座標系を図2(b)のようにとり、Navier-Stokes方程式、連続の式、気体の状態方程式、エネルギー方程式、熱伝達を表す散逸関数を用いた三次元解析により、各周波数における伝搬定数γ及び板材間の隙間における音速Vを導出することとした(工程S2)。
減衰を考慮した二平面内における伝搬定数γは、以下の数式(1)のように示される。ここで、xは直交座標系の長手方向の位置、yおよびzは隙間断面内の座標、cは空気中の音速(343.7m/s)、κは空気の比熱比、σはプラントル数、ρは空気の密度、μは空気の粘度、ωは角周波数、bは隙間の厚さである。
管内に入射する音波の入射部XIでの正弦波yIと、終端部XCでの正弦波yCとは、それぞれ、次の数式(4)と、数式(5)とで表される(図2(c)も参照)。
上述の工程S2、S3の実行により、板材間の隙間における音速Vと逆位相となるためのフェイズシフタ1側の音速V’の条件を求めることが可能となる。具体的には、これらを比較し、上記音速Vの条件と上記音速V’の条件とが一致するような隙間の厚さbと管長LA,LFを求める(工程S4)。
なお、図1に示すように、上述の工程S4では、主管2の各周波数における位相変化量θAと、フェイズシフタ1の位相変化量θFと、の差(θA-θF)を求め、この差(θA-θF)が180°から±15°以内であるかいなかを、音速Vと音速V’とが一致するかどうかの判断基準とすることが好ましい(工程S5)。
なお、上述の工程S4(好ましくは工程S5)まで終了すると、フェイズシフタ1の所望の寸法等の決定は終了する。しかしながら、実際に消音装置として使用する際にはフェイズシフタ1内で音波の減衰が生ずるため、以下の工程S6も追加することが好ましい。すなわち、図1に示すように、消音装置10に、マイク5と、フィルタ6と、増幅器7と、スピーカ8と、を用意する(工程S6)。
以下に、工程S4の具体例を示す。図3(a)に、フェイズシフタ1の隙間の厚さbを0.1mmとした場合の音速Vを実線で示す。また、図3(a)には、LA及びLFの値を適宜入力して得た3種類の音速V’の曲線も描画している。
各管長LA,LFを決めるにあたり、フェイズシフタ1の音波と主管2の音波の位相差についても検討し、比較してみた。具体的には、決定された隙間の厚さb=0.1mmを数式(1)に代入し、数式(2)及び(3)より音速Vを求めた。このVの値を数式(8)の音速V’に代入した。その後、数式(7)及び数式(8)より各管長LA,LFを変化させた際の各位相変化量の理論値を算出し、フェイズシフタ1と主管2における音波の位相差の理論値を比較した。その結果を図4に示す。
一方、図3(b)に、フェイズシフタ1の隙間の厚さbを0.2mmとした場合の音速Vを実線で示す。また、図3(b)にも、LA及びLFの値を適宜入力して得た3種類の音速V’の曲線も描画している。
次に、本発明のフェイズシフタ1を試作し、その音響性能の評価を行った。上述の工程S4により、音速V,V’の条件を比較することにより、消音装置10の重要な寸法(板材間の隙間の厚さb、各管長LA,LF)を幾つか決定することができた。このうち、消音装置10として現実的に検討できるのは、隙間の厚さbが0.1mmの場合での上記最適な条件と判断した。
図5(a)に実際に試作したフェイズシフタ1の画像を、図5(b)にフェイズシフタ1の概略図を、その諸元を以下の表1にそれぞれ示す。
なお、本実施例のフェイズシフタ1(1A)では、矩形断面を有した中空筒体を想定したが、必ずしもこれに限定されない。例えば、円形断面や四角形以外の多角形(例えば、図5(c)の左側に示す六角形)断面を有した中空筒体1Bであってもよい。なお、本発明の板材(隙間厚さbを仕切る物体)は、上記実施例の平板に限られず、曲面を有した板材、シート状の薄板、又はフィルム状の膜体であってもよい。例えば、図5(c)の右側に示すように、円形断面の中空筒体の内部を、隙間厚さbで離間するように直径が徐々に小さくなる複数の同心円状の筒体で仕切った構造のフェイズシフタ1Cを採用してもよい。
位相変化量の測定には、4マイクロホンインピーダンス管とFFTアナライザを用いた。測定装置の概略図を図6(a)、測定装置の写真を図6(b)に示す。測定試料(主管2又はフェイズシフタ1)は所定の位置に設置し、マイクロホンは測定試料の前後に1本ずつ取り付けられる。
音源より基準信号(リニアマルチサイン波)による音波を発生させて、測定試料の入射側及び透過側の音波をマイクロホンで検出し、マイクロホン用の信号増幅器を介してFFTアナライザで解析することで、位相変化量の算出を行った。本実施例では、本発明の消音装置10の性能評価の前段階の評価として、フェイズシフタ1の位相変化量と主管の位相変化量とを別々に測定し、これらの測定結果を用いて消音装置の音響性能を予測・検証した。
図7(a)に、フェイズシフタ1における位相変化量θFの理論値と実験値の比較を示す。ここで、理論値と実験値を比較すると、周波数1600Hz以下において実験値が理論値より位相の変化が小さい値となっている。また周波数4500Hz~6000Hzにおいては実験値が理論値より大きい値を示している。
一方、図7(b)に、主管2における位相変化量θAの理論値と実験値の比較を示す。こちらの実験値は全体を通して、おおよそ理論値と一致している。しかし、周波数2000Hz以下では、実験値に多少の乱れが見られる。
上述の各位相変化量の結果を利用して、フェイズシフタ1と主管2の位相差を算出した結果を図8(a)に示す。図中一点鎖線で示す理論値では、周波数1500Hzより大きくなると位相差が180°に漸近していき、周波数5000Hzになると180°に一致する。それ以上の周波数では位相差が180°より徐々に大きくなることが分かる。
次に、位相変化量のデータを利用し、音波を正弦波で表し、その振幅データより音波を合流させた際の透過損失TLを算出した。その算出方法を、以下に示す。先ず、フェイズシフタ1と主管2の入射部XIにおける正弦波yIは次の数式11で表される。なお、図8(b)は、消音装置10の各地点(入射部、合流部)における正弦波を示した図である。
上述の位相変化量の結果を利用して、フェイズシフタ1の音波を主管2の音波に合流させた際の透過損失TLを算出した結果を図9(b)に示す。また、参考としてフェイズシフタ1と主管2との位相差を算出した結果を図9(a)に再掲する。図9(a)は、図8(a)の位相差の結果に、位相差±15°の範囲内を示す破線と、位相差±60°の範囲内を示す実線と、を更に追加したものである。
2 主管
3 騒音源
4 合流部
5 マイク
6 フィルタ
7 増幅器
8 スピーカ
10 消音装置
b 板材間の隙間の厚さ
LA,LF 主管の管長,フェイズシフタの管長
Claims (3)
- 主管と枝管とを有した消音装置の製造方法であって、
前記主管に空の管を利用し、前記枝管に、隙間厚さbで離間した複数の板材で仕切られた中空筒体を有した音響式フェイズシフタを利用する工程S1と、
前記板材間の隙間における音速Vの関係式を導出する工程S2と、
前記主管の音速に対して逆位相となる音速V’の関係式を導出する工程S3と、
前記音速Vと前記音速V’とが一致するように前記主管の寸法と前記フェイズシフタの寸法を決定する工程S4と、
を含み、かつ、
前記工程S2では、以下の数式1で表される伝搬定数γを用い、
前記伝搬定数γを以下の数式2により実部αと虚部βとに分けたうえで、
を特徴とする消音装置の製造方法。 - 前記工程S4では、前記主管の各周波数における位相変化量θAと、前記フェイズシフタ位相変化量θFと、の差(θA-θF)を求め、
前記差(θA-θF)が180°から±15°以内であることを、前記音速Vと前記音速V’とが一致するかどうかの判断基準とすること
を特徴とする請求項1に記載の消音装置の製造方法。 - 前記消音装置に、マイクと、フィルタと、増幅器と、スピーカと、を用意する工程を、
さらに含み、
前記マイクは、前記フェイズシフタ通過後の音波を測定し、
前記増幅器は、前記フェイズシフタ内で減衰した分だけ前記音波を増幅し、
前記スピーカは、前記増幅器で増幅した前記音波を、前記フェイズシフタと前記主管との合流部に向けて出力することで、前記主管中を伝搬する音波を消音すること
を特徴とする請求項1又は2に記載の消音装置の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019023193A JP7144853B2 (ja) | 2019-02-13 | 2019-02-13 | 音響式フェイズシフタを備えた消音装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019023193A JP7144853B2 (ja) | 2019-02-13 | 2019-02-13 | 音響式フェイズシフタを備えた消音装置の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2020134548A JP2020134548A (ja) | 2020-08-31 |
JP7144853B2 true JP7144853B2 (ja) | 2022-09-30 |
Family
ID=72278442
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019023193A Active JP7144853B2 (ja) | 2019-02-13 | 2019-02-13 | 音響式フェイズシフタを備えた消音装置の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7144853B2 (ja) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004252340A (ja) | 2003-02-21 | 2004-09-09 | Toshiba Corp | 分岐ダクト消音装置 |
-
2019
- 2019-02-13 JP JP2019023193A patent/JP7144853B2/ja active Active
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2004252340A (ja) | 2003-02-21 | 2004-09-09 | Toshiba Corp | 分岐ダクト消音装置 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2020134548A (ja) | 2020-08-31 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2016177203A1 (zh) | 一种管道降噪***及方法 | |
Zhang et al. | Thin broadband noise absorption through acoustic reactance control by electro-mechanical coupling without sensor | |
JP5973102B1 (ja) | 伝搬定数の取得方法、吸音材の吸音率の計算方法、吸音率評価装置 | |
Sachau et al. | Development and experimental verification of a robust active noise control system for a diesel engine in submarines | |
Lee et al. | Impact of perforation impedance on the transmission loss of reactive and dissipative silencers | |
JP7144853B2 (ja) | 音響式フェイズシフタを備えた消音装置の製造方法 | |
Allam et al. | Experimental characterization of acoustic liners with extended reaction | |
Lee et al. | Effect of non-uniform perforation in the long concentric resonator on transmission loss and back pressure | |
Yu et al. | Sound transmission across a narrow sidebranch array duct muffler at low Mach number | |
Han et al. | Active control of one-dimension impulsive reflection based on a prediction method | |
Floss et al. | Application and simulation of micro-perforated panels in hvac systems | |
Tiryakioglu | Radiation of sound waves by a semi-infinite duct with outer lining and perforated end | |
Allam et al. | Development of Acoustic Models for High Frequency Resonators for Turbocharged IC-Engines | |
JP6281895B2 (ja) | 断面積急変部を備えた消音器 | |
Quintana et al. | Virtual sensing at low computational cost for active noise control | |
Gai et al. | Modeling of perforated screens or membrane using rigid frame porous models combined with thin membrane resonance sound absorbing theory | |
Sakamoto et al. | Purely acoustics broadband phase shifter without electronics | |
Lee et al. | Measurement of acoustic impedance of perforations in contact with absorbing material in the presence of mean flow | |
Šteblaj et al. | Adaptive muffler based on controlled flow valves | |
Farooqui et al. | Measurement of perforate impedance with grazing flow on both sides | |
JPH0574835B2 (ja) | ||
US2844210A (en) | Means for determining the effectiveness of sound reducing means | |
JPH0313997A (ja) | 電子消音システム | |
Zhao et al. | Experimental study of broadband noise attenuation using variable locally reacting impedance | |
Bujana et al. | Reactive muffler with additional U-shaped cavities |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20211102 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20220826 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20220908 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20220909 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7144853 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |