JP2015152583A - 騒音低減装置の性能評価システム及び騒音低減装置の性能評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロフォンの位置に応じた評価結果にバラツキを無くして、評価精度を向上させた騒音低減装置の性能評価システムを提供する。
【解決手段】環状空洞ＳＰを有する構造物１の空洞内空気を加振する加振手段３と、環状空洞ＳＰに配置され、環状空洞ＳＰの音波を低減する騒音低減装置２と、環状空洞ＳＰに配置される複数のマイクロフォン４と、複数のマイクロフォン４で計測した音波に基づき騒音低減装置２の性能値を算出する評価装置５と、を有する。加振手段３による加振位置３ａを境界として環状空洞ＳＰを第１領域Ａｒ１と第２領域Ａｒ２の半分に分割した場合に、複数のマイクロフォン４は第１領域Ａｒ１のみに配置され、騒音低減装置２は第２領域Ａｒ２のみに配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、環状空洞を有するタイヤ等の構造物に設けた騒音低減装置の性能評価システム及び性能評価方法に関する。

電気自動車やハイブリッドカーの普及、従来のガソリン車の技術向上による静音化が進み、タイヤで生じる騒音低減の要求が強くなっている。タイヤで生じる騒音の一つとしてタイヤ内空洞共鳴音が知られており、その対策として吸音材等の騒音低減装置をタイヤ内部に設けることが知られている。

しかし、吸音材等の性能は材質だけでなく、吸音材等の形状や貼付状況によって変化するので使用状況に合った評価法が必要となる。

従来の吸音材等の性能評価方法として音響管法が知られている。音響管法は、棒状の円筒管の一端にスピーカ等の加振手段を設け、他端に吸音材等を設け、中間部に複数のマイクロフォンを設けた装置を用い、加振手段からマイクロフォンに至る入射波と、吸音材等で減衰されつつ反射してマイクロフォンに至る反射波とに基づいて吸音材等の吸音率（性能値）を算出する方法である。音響管法の応用例の一例として例えば特許文献１が挙げられる。

上記音響管法は、空気入りタイヤのように音波の伝搬経路が閉ループを形成する環状空洞を有する構造物が計測対象ではないため、空気入りタイヤにそのまま適用することはできない。

そこで、本発明の発明者らは、非特許文献１に記載のように、空気入りタイヤをモデル化した構造物の空洞内空気を加振するスピーカ（加振手段）と、前記空洞内の外周部に一周に亘り貼り付けた吸音材等と、前記空洞内に設けた複数のマイクロフォンとを用い、マイクロフォンで計測した音波に基づき吸音材等または騒音低減装置の吸音率（性能値）を算出する方法を提案した。

特開２００１−２８９７０７号公報

京都工芸繊維大学 中村誠希、田中洋介、小林貴紀、村田滋，タイヤ内の吸音性能評価法の開発，日本機械学会関西学生会平成24年度学生員卒業研究発表講演会前刷集（'13.3）、P15-4

しかしながら、非特許文献１に記載の方法では、マイクロフォンを配置する位置によって吸音材の吸音率（性能値）が異なり、測定結果にバラツキが生じてしまう。測定結果の安定性を確保するためには、マイクロフォンの配置位置にかかわらず、測定結果が一定でなければならない。すなわち、非特許文献１に記載の内容では、吸音材の吸音率をバラツキ無く正確に把握することができていないことが判明した。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、その目的は、マイクロフォンの位置に応じた評価結果のバラツキを無くして、評価精度を向上させた騒音低減装置の性能評価システム及び性能評価方法を提供することである。

上記ではタイヤ内の騒音を計測しているが、本発明は、タイヤに限定されずタイヤ以外の構造物であって、環状空洞を有する物にも適用可能である。

非特許文献１に記載のように、環状管構造物の内面一周に吸音材を貼り付けた場合では、加振位置から第１領域を通りマイクロフォンに到達する第１音波と、加振位置から第２領域を経てマイクロフォンに到達する第２音波のいずれも吸音材による影響を受ける。マイクロフォンの位置に応じて第１音波と第２音波が受ける吸音効果の度合いが変わるため、マイクロフォンの位置に応じて測定結果が変化することが判明した。そのため、吸音材の性能値を的確に評価できていなかったと考えられる。

本発明は、上記目的を達成するために、次のような手段を講じている。

すなわち、本発明の騒音低減装置の性能評価システムは、環状空洞を有する構造物の空洞内空気を加振する加振手段と、前記環状空洞に配置され、前記環状空洞の音波を低減する騒音低減装置と、前記環状空洞に配置される複数のマイクロフォンと、前記複数のマイクロフォンで計測した音波に基づき前記騒音低減装置の性能値を算出する評価装置と、を備え、前記加振手段による加振位置を境界として前記環状空洞を第１領域と第２領域の半分に分割した場合に、前記複数のマイクロフォンは前記第１領域のみに配置され、前記騒音低減装置は前記第２領域のみに配置されていることを特徴とする。

また、本発明の騒音低減装置の性能評価方法は、環状空洞を有する構造物に対して前記環状空洞の空気を加振する加振手段を設置すると共に、前記環状空洞内の音波を低減する騒音低減装置及び複数のマイクロフォンを前記環状空洞に配置する準備工程と、前記加振手段を介して空気を加振し、それにより生じた音波を前記複数のマイクロフォンで計測する実測工程と、前記複数のマイクロフォンの計測結果に基づき前記騒音低減装置の性能値を評価装置で算出する性能値算出工程と、を有し、前記準備工程において、前記加振手段による加振位置を境界として前記環状空洞を第１領域と第２領域の半分に分割した場合に、前記複数のマイクロフォンを前記第１領域のみに配置し、前記騒音低減装置を前記第２領域のみに配置する。

上記システム及び方法によれば、マイクロフォンは、加振位置から第１領域のみを通り騒音低減装置の影響を受けることなくマイクロフォンに到達する第１音波と、加振位置から第２領域を経て騒音低減装置の影響を受けてマイクロフォンに到達する第２音波とを計測可能となる。これにより、騒音低減装置の性能値を精度よく算出可能になる。しかも、マイクロフォンを第１領域に配置していればマイクロフォンの位置が変化しても計測精度を損なうこともない。したがって、マイクロフォンの位置に応じた評価結果のバラツキを無くして、評価精度を向上させることが可能となる。

本発明の好ましい適用例としては、前記構造物は、空気入りタイヤであることが挙げられる。

本発明の好ましい適用例としては、前記騒音低減装置は、吸音材であることが挙げられる。

本発明の好ましい適用例としては、前記騒音低減装置は、騒音を低減させる共鳴器を有する共鳴型騒音低減装置であることが挙げられる。

本発明の好ましい適用例としては、前記騒音低減装置は、騒音を打ち消す音波を加振することで騒音を低減するアクティブ型騒音制御装置であることが挙げられる。

本発明の騒音低減装置の性能評価システムを示す図。 環状空洞を有する構造物、加振手段、マイクロフォンに関する図。 本発明の騒音低減装置の性能評価方法を示すフローチャート。 従来方法において、或る位置にマイクロフォンを置いた場合の測定結果を示す図。 従来方法において、図４Ａとは異なる位置にマイクロフォンを置いた場合の測定結果を示す図。 本発明においてマイクロフォンの位置を異ならせた測定結果を示す図。 本発明において騒音低減装置の設置状態を異ならせた測定結果を示す図。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

［騒音低減装置の性能評価システム］
本実施形態の騒音低減装置の性能評価システムは、図１及び図２に示すように、環状空洞ＳＰを有する構造物１であるタイヤ又はタイヤモデルに設けた騒音低減装置２の性能を評価するシステム（装置）である。環状空洞ＳＰを有する構造物１は、空気入りタイヤのように音波の伝搬経路が閉ループを形成する構造物を意味する。リム組みした空気入りタイヤ以外の例では、例えば、建物に設けられる閉ループを有する空気ダクトなどが考えられる。本実施形態では、厚さ５ｍｍのアクリル板を用い、タイヤに見立てて製作したタイヤモデルを評価対象の構造物としている。タイヤモデルは、外径６３３ｍｍ、内径３７０ｍｍ、高さ（タイヤ幅）１９０ｍｍとしている。勿論、実際の空気入りタイヤをリム組みして内圧を加えたものでもよい。

本システムは、環状空洞ＳＰを有する構造物の空洞内空気を加振する加振手段３と、環状空洞ＳＰに配置され、環状空洞ＳＰの音波を低減する騒音低減装置２と、環状空洞ＳＰに配置される複数のマイクロフォン４と、複数のマイクロフォン４で計測した音波に基づき騒音低減装置２の性能値を算出する評価装置５（制御部）と、を有する。

本実施形態では、加振手段３としてスピーカを用いている。スピーカは、構造物１（タイヤモデル）の外側に配置されており、構造物１の外から環状空洞ＳＰにある空気を間接的に加振する。勿論、スピーカを構造物１の内部に配置して、空洞内空気を直接的に加振するようにしてもよい。また、加振手段３としては、スピーカ以外に、インパクト入力や加振器等の物理的な衝撃入力手段により空気を加振するようにしてもよい。

本実施形態では、騒音低減装置２として、発泡ウレタンシートを用いた吸音材２を環状空洞ＳＰに配置している。加振手段３による加振位置３ａを境界として環状空洞ＳＰを第１領域Ａｒ１と第２領域Ａｒ２の半分に分割した場合に、吸音材２は第２領域のみに配置している。本実施形態では、第２領域Ａｒ２の外周部全面に吸音材２を貼り付けているが、第２領域Ａｒ２の一部のみに吸音材２を設けてもよい。

複数のマイクロフォン４は、環状空洞ＳＰの第１領域Ａｒ１のみに配置されている。本実施形態ではマイクロフォン４を２つ設けているが、２つ以上あればよい。本実施形態では、環状空洞ＳＰの中間部分（点線で示す）、すなわち径４８０ｍｍ上にマイクロフォン４を配置している。

評価装置５は、通常のパーソナルコンピュータ等の情報処理装置を用いたもので、マイクロフォン４からの信号が入力されると共に、加振手段３（スピーカ）への信号を出力可能に構成されている。図１では、安定化電源５０に接続された増幅器５１、データロガー５２等の各種インターフェイスを介してマイクロフォン４からの信号が評価装置５へ入力される。評価装置５は、複数のマイクロフォン４で計測した音波に基づき騒音低減装置２（吸音材２）の性能値（吸音率α）を算出する。

具体的には、環状空洞を音響管へとモデル化できるので、図２に示すように、加振位置３ａから第１領域Ａｒ１のみを通りマイクロフォン４に至る第１音波ｗ１（図中では右回りの音波である）を入射波とし、加振位置３ａから第２領域Ａｒ２を通ってマイクロフォン４に至る第２音波ｗ２（図中では左回りの音波である）を反射波とし、２つのマイクロフォン４を用いた伝達関数法を適用する。伝達関数法では、音響管内の音圧を入射波による音圧と反射波による音圧の和として表現し、基準面（ｘ＝０）での音圧をｐ_０、波長定数をｋとすれば、次の式（１），（２）で各マイクロフォンでの音圧ｐ_１，ｐ_２が表される。各マイクロフォン位置はそれぞれｘ_１，ｘ_２である。

第１項が入射波に関し、第２項が反射波に関する。

入射波に関する伝達関数Ｈ_ｉ、反射波に関する伝達関数Ｈ_ｒ、及び２つのマイクロフォン間の伝達関数Ｈ_１２は、それぞれ次の式（３）〜（５）で表される。

音響反射率ｒは、式（３）〜（５）を用いた次の式（６）で表される。

ｒ_ｒ及びｒ_ｉは、音響反射率ｒの実部と虚部である。

吸音率αは次の式（７）で表される。吸音率αは騒音低減装置２の性能値といえる。

評価装置５（制御部）は、マイクロフォン４で計測したデータと上記演算式を用いて吸音率α（騒音低減装置の性能値）を算出する。

［騒音低減装置の性能評価方法］
上記システムを用い、環状空洞を有する構造物に設けた騒音低減装置の性能を評価する方法について、図３を参照しつつ説明する。

まず、ステップＳＴ１において準備工程を実行する（図３参照）。準備工程は、図２に示すように、環状空洞ＳＰを有する構造物１に対して環状空洞内空気を加振する加振手段３を設置すると共に、環状空洞内の音波を低減する騒音低減装置２及び複数のマイクロフォン４を環状空洞ＳＰに配置する。この際、同図に示すように、加振手段３による加振位置３ａを境界として環状空洞ＳＰを第１領域Ａｒ１と第２領域Ａｒ２の半分に分割した場合に、複数のマイクロフォン４を第１領域Ａｒ１のみに配置し、騒音低減装置２を第２領域Ａｒ２のみに配置する。

次のステップＳＴ２において実測工程を実行する（図３参照）。実測工程は、加振手段３を介して空気を加振し、それにより生じた音波（ｗ１，ｗ２）を複数のマイクロフォン４で計測する。

次のステップＳＴ３において性能値算出工程を実行する（図３参照）。性能値算出工程は、複数のマイクロフォン４の計測結果に基づき騒音低減装置２の性能値を評価装置５が算出する。

従来技術と本発明の効果を以下に示す。

従来技術としては非特許文献１に記載の通り、タイヤモデル（構造物１）の環状空洞の外周部全周に吸音材を貼り付けている。使用した吸音材のかさ密度は２４ｋｇ／ｍ^３、厚みは２５ｍｍである。スピーカでホワイトノイズを発振し、２つのマイクロフォンで計測し、４００倍のアンプを通してデータロガーで記録した。測定結果を周波数毎に吸音率αを計算した。図４は、測定結果を点で示すと共に、測定結果の移動平均線を示している。図４Ａは、ｘ＝１８８．４ｍｍ（θ＝４５°）の結果である。図４Ｂは、ｘ＝３７６．８ｍｍ（θ＝９０°）の結果である。ｘは図２に示すようにｘ＝０（θ＝０°)を基準にした外周の周長上の距離に相当する．
図４Ａ及び図４Ｂを比較すれば、両者の吸音率αが大きく異なることから、マイクロフォン４の位置によって性能値（吸音率α）に変化が生じており、評価精度にバラツキが生じている。

これに対し、本発明においては、吸音材を厚み５ｍｍとし、図２に示すように第２領域（タイヤモデルの半周）のみに貼り付けた。測定結果がマイクロフォン位置に依存するか否かを検証するために、２つのマイクロフォンｘ１，ｘ２をペアとして，３つのマイクロフォン・ペア位置を実験した。１つ目のマイクロフォン・ペア位置Ｎｏ．０は、ｘ_１＝０．０５１ｍｍ、ｘ_２＝０．０ｍｍとした。２つ目のマイクロフォン・ペア位置Ｎｏ．１は、ｘ_１＝０．０８６ｍｍ、ｘ_２＝０．０３５ｍｍとした。３つ目のマイクロフォン・ペア位置Ｎｏ．２は、ｘ_１＝０．１２１ｍｍ、ｘ_２＝０．０７ｍｍとした。結果を図５Ａに示す。図５Ａと図４を比較すれば、マイクロフォン位置に拘わらず、吸音率αがほぼ一致していることが分かる。したがって、マイクロフォンの位置に応じた評価結果のバラツキを無くして、評価精度を向上できた。

次に、騒音低減装置（吸音材）の貼り付け状況に応じた吸音率αを計測できるか否かを確認するために、吸音材を全く貼り付けない場合と、吸音材の厚みを５ｍｍとした場合と、厚みを１０ｍｍとした場合の３つのパターンで測定した。結果を図５Ｂに示す。図５Ｂを見れば、吸音材を設けた方が吸音材を設けない場合よりも吸音率αが高まり、吸音材の厚みが増加するほど吸音効果（性能値）が高まることが確認できた。

なお、図５Ａ、Ｂにおいて一部の周波数にて結果にバラツキが生じているが、当該周波数帯にて共鳴が発生し、そのために測定バラツキが生じたと考えられる。

以上のように、本実施形態の騒音低減装置の性能評価システムは、環状空洞ＳＰを有する構造物１の空洞内空気を加振する加振手段３（スピーカ）と、環状空洞ＳＰに配置され、環状空洞ＳＰの音波を低減する騒音低減装置２（吸音材２）と、環状空洞ＳＰに配置される複数のマイクロフォン４と、複数のマイクロフォン４で計測した音波に基づき騒音低減装置２（吸音材２）の性能値を算出する評価装置５と、を備える。加振手段３による加振位置３ａを境界として環状空洞ＳＰを第１領域Ａｒ１と第２領域Ａｒ２の半分に分割した場合に、複数のマイクロフォン４は第１領域Ａｒ１のみに配置され、騒音低減装置２は第２領域Ａｒ２のみに配置されている。

本実施形態の騒音低減装置の性能評価方法は、環状空洞ＳＰを有する構造物１に対して環状空洞の空気を加振する加振手段３を設置すると共に、環状空洞ＳＰ内の音波を低減する騒音低減装置２及び複数のマイクロフォン４を環状空洞ＳＰに配置する準備工程（ＳＴ１）と、加振手段３を介して空気を加振し、それにより生じた音波を複数のマイクロフォン４で計測する実測工程（ＳＴ２）と、複数のマイクロフォン４の計測結果に基づき騒音低減装置２の性能値（吸音率α）を評価装置で算出する性能値算出工程（ＳＴ３）と、を有する。準備工程（ＳＴ１）において、加振手段３による加振位置３ａを境界として環状空洞ＳＰを第１領域Ａｒ１と第２領域Ａｒ２の半分に分割した場合に、複数のマイクロフォン４を第１領域Ａｒ１のみに配置し、騒音低減装置２を第２領域Ａｒ２のみに配置する。

非特許文献１の方法では、環状管構造物の内面一周に吸音材を貼り付けた場合では、加振位置から第１領域を通りマイクロフォンに到達する第１音波と、加振位置から第２領域を経てマイクロフォンに到達する第２音波のいずれも吸音材による影響を受ける。マイクロフォンの位置に応じて第１音波と第２音波が受ける吸音効果の度合いが変わるため、マイクロフォンの位置に応じて測定結果が変化することが判明した。そのため、吸音材の性能値を的確に評価できていなかったと考えられる。

これに対し、上記構成のシステム及び方法によれば、図２に示すように、マイクロフォン４は、加振位置３ａから第１領域Ａｒ１のみを通り騒音低減装置２の影響を受けることなくマイクロフォン４に到達する第１音波ｗ１と、加振位置３ａから第２領域Ａｒ２を経て騒音低減装置２の影響を受けてマイクロフォン４に到達する第２音波ｗ２とを計測可能となる。これにより、騒音低減装置２の性能値を精度よく算出可能になる。しかも、マイクロフォン４を第１領域Ａｒ１に配置していればマイクロフォン４の位置が変化しても計測精度を損なうこともない。したがって、マイクロフォン４の位置に拘わらず、評価結果にバラツキを無くして評価精度を向上させることが可能となる。

さらに、構造物１は、空気入りタイヤであることが好ましい。空気入りタイヤの音響特性を加味できるので、空気入りタイヤにおける空洞共鳴音を低減する騒音低減装置２の性能評価が可能となり、好ましい。

本実施形態では、騒音低減装置２は、吸音材２である。吸音材２は、音のエネルギー（振動エネルギー）を熱エネルギーなどの他のエネルギーに変換することで音のエネルギーを低減する。吸音材２としては、発泡ウレタン、グラスウール、ロックウール、軟質ウレタンフォームなどの多孔質材料、軟質繊維板、木毛セメント板などの多孔質板材料、不織布、帆布カンバスやビニルシートなどの膜材料などが利用可能である。

また、騒音低減装置２として、騒音を低減させる共鳴器を有する共鳴型騒音低減装置が利用できる。この装置は、例えばヘルムホルツ共鳴器が挙げられる。

また、騒音低減装置２として、スピーカ等の発振手段を有し、騒音に対して逆位相となる騒音を打ち消す音波を発振手段から加振することで騒音を低減するアクティブ型騒音低減装置が利用できる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、本実施形態では、吸音材２は厚みが一定のシート状をなしているが、これに限定されない。吸音材の厚みを変化させてもよい。また、吸音材２の配置位置は、周方向に連続していてもよく、周方向又は幅方向に非連続で断続的に配置されていてもよい。吸音材の形状はシート状であり、音波の進行方向が吸音材に対して平行しているが、これに限られず、例えば、音波と交差するように吸音材を配置してもよい。

上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…構造物（空気入りタイヤ、タイヤモデル）
２…騒音低減装置
３…加振手段（スピーカ）
３ａ…加振位置
４…マイクロフォン
５…評価装置（制御部）
Ａｒ１…第１領域
Ａｒ２…第２領域
ＳＰ…環状空洞

Claims (10)

1. 環状空洞を有する構造物の空洞内空気を加振する加振手段と、
   前記環状空洞に配置され、前記環状空洞の音波を低減する騒音低減装置と、
   前記環状空洞に配置される複数のマイクロフォンと、
   前記複数のマイクロフォンで計測した音波に基づき前記騒音低減装置の性能値を算出する評価装置と、を備え、
   前記加振手段による加振位置を境界として前記環状空洞を第１領域と第２領域の半分に分割した場合に、前記複数のマイクロフォンは前記第１領域のみに配置され、前記騒音低減装置は前記第２領域のみに配置されていることを特徴とする騒音低減装置の性能評価システム。
2. 前記構造物は、空気入りタイヤである請求項１に記載の騒音低減装置の性能評価システム。
3. 前記騒音低減装置は、吸音材である請求項１又は２に記載の騒音低減装置の性能評価システム。
4. 前記騒音低減装置は、騒音を低減させる共鳴器を有する共鳴型騒音低減装置である請求項１又は２に記載の騒音低減装置の性能評価システム。
5. 前記騒音低減装置は、騒音を打ち消す音波を加振することで騒音を低減するアクティブ型騒音制御装置である請求項１又は２に記載の騒音低減装置の性能評価システム。
6. 環状空洞を有する構造物に対して前記環状空洞の空気を加振する加振手段を設置すると共に、前記環状空洞内の音波を低減する騒音低減装置及び複数のマイクロフォンを前記環状空洞に配置する準備工程と、
   前記加振手段を介して空気を加振し、それにより生じた音波を前記複数のマイクロフォンで計測する実測工程と、
   前記複数のマイクロフォンの計測結果に基づき前記騒音低減装置の性能値を評価装置で算出する性能値算出工程と、を有し、
   前記準備工程において、前記加振手段による加振位置を境界として前記環状空洞を第１領域と第２領域の半分に分割した場合に、前記複数のマイクロフォンを前記第１領域のみに配置し、前記騒音低減装置を前記第２領域のみに配置することを特徴とする騒音低減装置の性能評価方法。
7. 前記構造物は、空気入りタイヤである請求項６に記載の騒音低減装置の性能評価方法。
8. 前記騒音低減装置は、吸音材である請求項６又は７に記載の騒音低減装置の性能評価方法。
9. 前記騒音低減装置は、騒音を低減させる共鳴器を有する共鳴型騒音低減装置である請求項６又は７に記載の騒音低減装置の性能評価方法。
10. 前記騒音低減装置は、騒音を打ち消す音波を加振することで騒音を低減するアクティブ型騒音制御装置である請求項６又は７に記載の騒音低減装置の性能評価方法。

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